Абонентское сетевое устройство с виртуализированными сетевыми функциями

Полезная модель относится к системам передачи данных, в частности, к системам с использованием виртуализации абонентских сетевых устройств (vCPE).
Операторы связи ищут новые пути генерации потоков прибыли, более гибкой организации предоставления услуг, сокращения затрат на обслуживание инфраструктуры и автоматизации управления. Ответом на подобные потребности является концепция NFV (Network Function Virtualization) - виртуализация сетевых функций. Разработчики решений пытаются предложить операторам новые бизнес-кейсы, которые бы сделали применение технологии экономически эффективным. Среди потенциально привлекательных кейсов выделяется vCPE (virtual Customer Premises Equipment или «виртуализация абонентских сетевых устройств»).
Одним из основных подходов к внедрению vCPE является Edge модель, где все виртуальные функции размещаются на стороне клиента на недорогом устройстве (микро-сервере с достаточным количеством Ethernet-портов), который является локальной NFV инфраструктурой (NFVI) для конкретного заказчика. При использовании подхода с созданием небольшой виртуальной инфраструктуры на клиентских устройствах не нужно огромного пула ресурсов и затраты появляются только в тот момент, когда клиент заказывает услугу.
Наиболее близким техническим решением, отвечающим требованиям виртуализации абонентских сетевых устройств, является устройство, описанное в статье «Оценка эффективности архитектур сетевых процессоров» (Грищенко В.И., Ладыженский Ю.В., Юнис М. Основные направления развития современных сетевых процессоров / Д.Д. Моргайлов, Ю.В. Ладыженский, М. Юнис // Науковi працi ДонНТУ. - Донецк, 2011. - (Серия «Iнформатика, кiбернетика та обчислювальна технiка»). - №14 (188). - с. 123-127.) - прототип.
Данное устройство содержит микроконтроллер, постоянное запоминающее устройство, оперативное запоминающее устройство, соединенные шиной адреса и данных с микроконтроллером, первый блок питания.
Для создания высоконадежной системы питания рассматриваемого устройства предлагается дополнительно к имеющейся системе питания (при выходе последней из строя) передавать vCPE электрическую энергию через стандартную витую пару в сети Ethernet с использованием технологии РоЕ (Power over Ethernet). Известно, что данная технология предназначается для IP-телефонии, точек доступа беспроводных сетей, IP-камер, сетевых концентраторов и других устройств, к которым нежелательно или невозможно проводить отдельный электрический кабель.
Цель полезной модели - создание высоконадежной системы питания, когда наряду с резервными блоками питания используется дополнительная линия передачи питающего напряжения через стандартную витую пару в сети Ethernet с использованием технологии РоЕ.
Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее микроконтроллер, постоянное запоминающее устройство, оперативное запоминающее устройство, соединенные шиной адреса и данных с микроконтроллером, первый блок питания, отличающееся тем, что в него дополнительно введены модуль высокоскоростной обработки пакетных данных с неблокируемой высокоскоростной матрицей коммутации на базе ПЛИС (FPGA), первый вход/выход которого соединен шиной с первым микроконтроллером, приемо-передающие модули Ethernet (PHY), первые входы/выходы которых соединены шиной со вторыми входами/выходами модуля высокоскоростной обработки пакетных данных с неблокируемой высокоскоростной матрицей коммутации на базе ПЛИС (FPGA); порты ввода/вывода информации, первые входы/выходы которых соединены со вторыми входами/выходами приемо-передающих модулей Ethernet (PHY), а вторые входы/выходы являются входами/выходами устройства; система питания в составе блока дистанционного контроля и управления, первый вход/выход которого соединен с четвертым входом/выходом микроконтроллера; блок коммутируемых источников питания в составе первого и второго блоков питания, первое управляемое реле, вход которого соединен со вторым выходом блока дистанционного контроля и управления; второе управляемое реле, вход которого соединен с выходом блока коммутируемых источников питания; инжектор питания РоЕ, выход которого соединен с разомкнутым контактом второго управляемого реле, а вход - через разъем RG45 с линией передачи питающего напряжения через стандартную витую пару в сети Ethernet.
Сравнение с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых блоков и их связями между ними. Таким образом, заявляемая система соответствует критерию «новизна».
Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что перечисленные элементы, используемые в блоках, являются известными, однако их введение в указанной связи с остальными элементами приводит к созданию высоконадежной системы питания, когда наряду с резервными блоками питания устанавливается дополнительная связь с линией передачи питающего напряжения через стандартную витую пару в сети Ethernet. Это подтверждает соответствие технического решения критерию «существенные отличия».
На фиг. 1 представлено предлагаемое устройство в составе: микроконтроллер (CPU) 1, модуль высокоскоростной обработки пакетных данных с неблокируемой высокоскоростной матрицей коммутации на базе ПЛИС (FPGA) 2, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 4, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 3, приемо-передающие модули Ethernet (PHY) 5, порты ввода/вывода информации 6; системы питания, состоящей из блока коммутируемых источников питания БП1, БП2 (7), блока дистанционного контроля и управления 8, первого управляемого реле Р1 9, второго управляемого реле Р2 10, инжектора питания РоЕ 11.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Для подключения удаленных офисов, подразделений и т.п., имеющих собственную локальную сеть, с применением сервисов точка-точка, точка-многоточка и многоточка-многоточка необходима установка специального оборудования, размещаемого на стороне заказчика, однако обслуживаемого централизованно (например, поставщиком услуги или центральным офисом). В этом случае наиболее современным подходом является внедрение концепции SDN/SD-WAN и поддержка сервисов NFV, внедряемых централизованно (например, в дата-центре оператора) или распределено (как на vCPE, так и на опорной сети, и в дата-центре).
Внедрение NFV позволит операторам и крупным корпоративным заказчикам трансформировать сетевую инфраструктуру за счет отказа от использования специализированного сетевого оборудования в пользу полностью программных и виртуализированных решений.
Для применения технологии NFV необходима виртуализация абонентского оборудования путем использования vCPE. При подключении нового клиента, помимо установки демаркационного устройства, которое разделяет сеть клиента и сеть оператора, перед сервис-провайдером часто возникает задача реализации дополнительных функций - например, для контроля и управления соединениями и трафиком, решения бизнес-задач клиента и т.д. Так, многим корпоративным заказчикам требуются такие дополнительные функции, как межсетевой экран (Firewall), поддержка VPN и защита от DDoS.
Для того, чтобы реализовать такие сервисы сегодня, нужно доставить, установить, настроить, а затем еще и обслуживать соответствующее оборудование на стороне клиента. NFV помогает решить эту задачу гораздо более эффективным образом, а именно за счет виртуализации сетевых функций в программных приложениях, которые можно запустить как на обычных серверах, так и на виртуальных машинах, работающих на этих серверах. В этом случае оператор может, используя лишь одно сетевое интерфейсное устройство для разграничения трафика, «разместить» все остальные функции, такие как межсетевой экран, на своей территории, а для упрощения сети и управления ею, в частности для построения цепочек сервисов, внедрить SDN.
Основное назначение предлагаемого устройства - построение сети архитектуры SD-WAN операторами связи и для корпоративных сетей. Для этого используются устройства vCPE, устанавливаемые на стороне сети заказчика и позволяющие реализовывать SDN подход к управлению сетями и внедрению сервисов согласно идеологии NFV.
Для реализации абонентского сетевого устройства с виртуализированными сетевыми функциями (vCPE) взята известная структура построения сетевых процессоров (прототип) с центральным процессором (CPU) 1, связанным шинами с постоянным запоминающим устройством (ПЗУ) 3 и оперативным запоминающим устройством (ОЗУ) 4. Использование микросхем FPGA 2 дает необходимую гибкость при разработке аппаратной логики обработки сетевого трафика, а также возможность реализации дополнительного функционала при изменении конкурентной среды без изменения архитектуры устройства.
Приемо-передающие модули Ethernet (PHY) 5 - интегральная схема, предназначенная для выполнения функций физического уровня сетевой модели OSI.
Микросхемы PHY позволяют другим микросхемам канального уровня, называемыми MAC, подключиться к физической среде передачи, такой как оптическое волокно или медный кабель. Стандартный микрочип PHY включает в себя модули подуровня физического кодирования (PCS, Physical Coding Sublayer) и подуровня среды передачи (PMD, Physical Medium Dependent). Модуль подуровня физического кодирования выполняет функции кодирования и декодирования передаваемого и принимаемого потока данных. Целью кодирования является упрощение процесса восстановления потока данных приемником.
Работа системы питания.
В начальном состоянии блок коммутируемых источников питания в составе БП1 и БП2 (7) отключен. При необходимости подключения блока питания БП1 включается первое управляемое реле Р1 9, нормально замкнутые контакты которого подключают выход питающего напряжения с БП1 ко второму управляемому реле Р2 10, нормально замкнутые контакты которого подключают выход питающего напряжения к элементам абонентского сетевого устройства с виртуализированными сетевыми функциями.
Блок дистанционного контроля и управления 8 представляет собой активное сетевое устройство, производящее прием-передачу и обработку сигналов на основе сетевых протоколов (например, протоколов TCP/IP).
Кроме этого, в предлагаемом устройстве используется дополнительная линия подачи напряжения от постороннего источника через стандартную витую пару в сети Ethernet. Это обеспечивает бесперебойную работу устройства при пропадании основного питающего напряжения 220 В.
При отключении основного питания обесточивается управляемое реле Р2 10 и его контактная группа подключается к выходу инжектора питания РоЕ 11, обеспечивая тем самым подачу питающего напряжения к элементам устройства.
Технология РоЕ описана стандартами IEEE 802.3af-2003 и IEEE 802.3at-2009. Питающее устройство (PSE) подает питание в кабель только в том случае, если подключаемое устройство является устройством питаемого типа. Таким образом, оборудование, не поддерживающее технологию РоЕ и случайно подключенное к питающему устройству, не будет выведено из строя. Процедура подачи и отключения питания на кабель состоит из нескольких этапов.
1. Определение подключения.
Этап определения подключения служит для определения, является ли подключенное на противоположном конце кабеля устройство питаемым (PD). На этом этапе питающее устройство (PSE) подает в кабель напряжение от 2,8 до 10 В и определяет параметры входного сопротивления подключаемого устройства. Для питаемого устройства это сопротивление составляет от 19 до 26,5 кОм с параллельно подключенным конденсатором емкостью от 0 до 150 нФ. Только после проверки соответствия параметров входного сопротивления для питаемого устройства питающее устройство переходит к следующему этапу, в противном случае питающее устройство повторно, через промежуток времени не менее 2 мс, пытается определить подключение.
2. Подача полного напряжения.
После прохождения этапов определения и классификации питающее устройство подает в кабель напряжение 48 В с фронтом нарастания не быстрее 400 мс. После подачи полного напряжения на питаемое устройство питающее устройство осуществляет контроль его работы двумя способами:
- если питаемое устройство в течение 400 мс будет потреблять ток меньше 5 мА, то питающее устройство снимает питание с кабеля;
- питающее устройство подает в кабель напряжение 1,9-5,0 В с частотой 500 Гц и вычисляет входное сопротивление; если это сопротивление будет больше 1980 кОм в течение 400 мс, питающее устройство снимает питание с кабеля.
Кроме того, питающее устройство непрерывно следит за током перегрузки. Если питаемое устройство будет потреблять ток более 400 мА в течение 75 мс, питающее устройство снимет питание с кабеля.
3. Отключение.
Когда питающее устройство определяет, что питаемое устройство отключено от кабеля или произошла перегрузка потребляемого тока питаемым устройством, происходит снятие напряжение с кабеля за время не менее 500 мс.
Технология РоЕ дает возможность задействовать централизованные источники бесперебойного питания, гарантирующие питание устройств в случае общих сбоев в электросети. Это становится тем важнее, чем больше по сетям Ethernet передается данных, относящихся к системам безопасности, контроля доступа и управления различным инженерным оборудованием здания, а кроме того, улучшаются возможности управления оконечными устройствами, которые можно отключать или перезагружать дистанционно.
Максимальная величина тока в нормальном режиме работы устройства PSE составляет 350 мА на пару или 175 мА на один проводник. Эти характеристики были рассчитаны с учетом максимальной нагрузочной способности кабеля, состоящего из проводников 26 AWG (диаметр примерно 0,4 мм), при максимально допустимой температуре эксплуатации. Предусмотрено, что при включении электропитания в первую миллисекунду ток, потребляемый оконечным устройством, может достигать значения 5 А, а затем еще 50 мс оставаться на уровне 450 мА.
Таким образом, абонентское сетевое устройство с виртуализированными сетевыми функциями с высоконадежной системой питания обеспечивает в случае отключения питания переход на независимую линию с подачей питания от постороннего источника через стандартную витую пару в сети Ethernet.