Управляемый мультисервисный маршрутизатор

Полезная модель относится к системам передачи данных, в частности, к модульной, масштабируемой структуре для построения маршрутизаторов сетей быстрого Ethernet, обращающихся к общей шине распределения данных.
Наиболее близким техническим решением является устройство, описанное в http://www.conlex.kz/arxitektura-marshrutizatora/ - прототип.
Данный маршрутизатор содержит коммутационный блок, маршрутный процессор, соединенные между собой входами/выходами, и входные и выходные порты.
Входной порт выполняет функции физического уровня, завершая входную физическую линию маршрутизатора. Он также осуществляет функции канального уровня, необходимые для взаимодействия с функциями канального уровня на другой стороне линии связи. Еще он выполняет функции поиска и продвижения данных, так что пакет, переправленный в коммутационный блок маршрутизатора, на выходе из него появляется из того порта, из которого следует. Управляющие пакеты (например, пакеты, содержащие информацию протокола RIP, OSPF или BGP) продвигаются из входного порта в маршрутный процессор. На практике несколько портов часто объединяют на одной канальной карте маршрутизатора.
Коммутационный блок соединяет входные порты маршрутизатора с его выходными портами.
Выходной порт хранит пакеты, переправленные ему через коммутационный блок, а затем передает пакеты по выходной линии. Выходной порт осуществляет функции физического и канального уровней, обратные функциям входного порта. В случае двунаправленной линии связи (то есть когда линия передает данные в оба направления) выходной порт линии связи, как правило, составляет пару с входным портом этой линии, располагаясь на той же самой карте канала.
Маршрутный процессор выполняет функции протоколов маршрутизации, обрабатывает информацию о маршрутах, а также выполняет функции управления сетью в маршрутизаторе.
Цель полезной модели - мониторинг состояния маршрутизатора и его бесперебойное питание.
Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее коммутационный блок и маршрутный процессор, соединенные между собой первыми входами/выходами, первый блок питания, дополнительно введены троичная ассоциативная память, выход которой соединен с третьим входом маршрутного процессора; первый процессорный модуль, первый вход/выход которого соединен с третьим входом/выходом коммутационного блока; второй процессорный модуль, первый вход/выход которого соединен со вторым входом/выходом коммутационного блока; коммутатор Ethernet, первый выход которого соединен со вторым входом первого процессорного модуля, второй выход - со вторым входом второго процессорного модуля, а третий выход - со вторым входом маршрутного процессора; первый СОМ порт, вход/выход которого соединен с третьим входом/выходом первого процессорного модуля; второй СОМ порт, вход/выход которого соединен с третьим входом/выходом второго процессорного модуля; первый Ethernet порт, вход/выход которого соединен с четвертым входом/выходом первого процессорного модуля; второй Ethernet порт, вход/выход которого соединен с четвертым входом/выходом второго процессорного модуля; N SFP модулей, входы/выходы которых соединены, соответственно, с N входами/выходами маршрутного процессора; блок IP мониторинга, первый вход/выход которого соединен с N+1 входом/выходом маршрутного процессора; система питания, в составе микроконтроллера, постоянного запоминающего устройства, оперативного запоминающего устройства, блока ввода информации, блока вывода информации, блока индикации, объединенные между собой шиной адреса и данных; блока дистанционного контроля и управления, второй вход/выход которого соединен со вторым входом/выходом блока IP мониторинга, первый выход - с третьим входом блока ввода информации, а первый вход - со вторым выходом блока вывода информации; блок измерения нагрузки, первый выход которого соединен с третьим входом блока дистанционного контроля и управления, а второй выход - со вторым входом блока ввода информации; блока управления мощностью, первый вход которого соединен с первым выходом блока вывода информации; источника бесперебойного питания, первый выход которого соединен со вторым входом блока управления мощностью, второй выход - с первым входом блока ввода информации, а вход - с третьим выходом блока вывода информации; блока управляемого реле, вход которого соединен со вторым выходом блока дистанционного контроля и управления; блока коммутируемых источников питания в составе первого и второго блоков питания, первый вход которого соединен с выходом блока управления мощностью, второй вход - с выходом блока управляемого реле, а выход - с входом блока измерения нагрузки; выход которой соединен со вторым входом блока IP мониторинга; блок Wi-Fi, вход/выход которого соединен с третьим входом/выходом блока IP мониторинга.
Сравнение с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых блоков и их связями между ними. Таким образом, заявляемое устройство 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 решению новой задачи мониторинга состояния маршрутизатора и его бесперебойного питания. Это подтверждает соответствие технического решения критерию «существенные отличия».
На фиг. 1 показана общая блок-схема предлагаемого устройства, в состав которого входят мультисервисный маршрутизатор I, блок IP мониторинга II, блок WIFI III, система питания IV, среда передачи данных (IP Network) V.
На фиг. 2 представлена система питания IV, состоящая из микроконтроллера IV-1, постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) IV-2, оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) IV-3, блока ввода информации IV-4, блока вывода информации IV-5, блока индикации IV-13, объединенные между собой шиной адреса и данных IV-6; блока дистанционного контроля и управления IV-10, блока измерения нагрузки IV-9, блока управления мощностью IV-8, источника бесперебойного питания IV-7, блока управляемого реле IV-11 и блока коммутируемых источников питания IV-12.
На фиг. 3 представлен Ethernet маршрутизатор I, содержащий маршрутный процессор 1, коммутационный блок 2, коммутатор Ethernet 3, процессорный модуль 1 (2) 4, троичная ассоциативная память 5, СОМ порт 1 (2) 6, Ethernet порт 1 (2) 7, N SFP модулей 8, первый блок питания (БП 1) 9.
На фиг. 4 показана реализация блока WIFI III.
На фиг. 5 представлена реализация блока управления мощностью IV-8. Устройство работает следующим образом.
Маршрутизация в IP сетях - процесс пересылки пакетов данных, основанный на изучении служебной информации, находящейся в заголовке пакета, модификации части служебной информации и пересылки пакета в нужный порт.
Основную функцию по маршрутизации пакетов данных в устройстве выполняет маршрутный процессор 2 (фиг. 3). Маршрутный процессор - специализированный процессор, спроектированный и оптимизированный для операций обработки пакетов данных. На данном процессоре в бесконечном цикле выполняется специальная программа, осуществляющая анализ содержимого пакета (заголовка пакета, а в определенных случаях и тела пакета), модификацию заголовка пакета и пересылку. При пересылке пакета через определенный порт маршрутный процессор руководствуется таблицей маршрутизации. Данная таблица формируется с помощью ручной настройки маршрутов, либо с помощью динамических протоколов маршрутизации.
За формирование таблицы маршрутизации отвечает процессорный модуль. На данном модуле запущены процессы динамической маршрутизации. Также модуль осуществляет конфигурацию функций маршрутного процессора, сбор статистики, обеспечивает связь с системами управления и обрабатывает служебные пакеты.
Для ускорения процесса поиска в таблице маршрутизации используется специальная память, так называемая троичная ассоциативная память 5.
С точки зрения маршрутизатора пакеты данных можно разделить на два типа: служебные (протоколы маршрутизации, управления, мониторинга, диагностики), предназначенные для обработки непосредственно процессорным модулем и транзитные - пакеты, которые подвергаются процессу маршрутизации.
При загрузке устройства процессорный модуль 4 связывается с соседними устройствами по протоколам динамической маршрутизации, при этом формируется таблица маршрутизации. После того, как таблица сформирована, процессорный модуль 4 преобразовывает данную информацию для хранения в троичной ассоциативной памяти 5. При поступлении пакета данных на вход порта ввода/вывода маршрутный процессор 1 анализирует заголовок пакета, служебные пакеты (например, пакеты протоколов маршрутизации) перенаправляются на процессорный модуль 4, для транзитных пакетов осуществляет поиск соответствия в таблице маршрутизации, хранящейся в упрощенном виде в троичной ассоциативной памяти 5. После этого осуществляется пересылка транзитного пакета через соответствующий порт.
Процессорный модуль 4 служит для контроля и управления маршрутным процессором 1. В данном модуле запускаются программные модули протоколов маршрутизации, протоколов связующего дерева и т.д. Также процессорный блок осуществляет обработку служебных пакетов информации и пакетов, требующих дополнительно обработки, не предусмотренной маршрутным процессором. Для повышения отказоустойчивости схемой предусмотрена установка двух процессорных модулей 4.
Маршрутный процессор осуществляет основную работу по обработке, коммутации и маршрутизации пакетов данных, получает инструкции по обработке от процессорного блока 4.
Коммутатор Ethernet 3 и коммутационный блок 2 (коммутатор PCI) предназначены для коммутации управляющих команд и пакетов от двух процессорных модулей 4 к и от маршрутного процессора.
Троичная память 5 служит для хранения таблиц маршрутизации и листов доступа. Троичная память позволяет искать данные по маске, существенно ускоряя процесс классификации пакетов.
Порты COM 6 и Eth 7 позволяют получить прямой доступ к конфигурации процессорных модулей 4.
В качестве портов ввода/вывода используются слоты для модулей формата SFP.
Работа системы питания IV.
В начальном состоянии блок коммутируемых источников питания отключен. При необходимости подключения блока питания БП1 (блока коммутируемых источников питания IV-12) команда подается по LAN сети в блок дистанционного контроля и управления IV-10. При этом включается реле в блоке управляемого реле IV-11, контакты которого подключают выход питающего напряжения с БП1 к элементам маршрутизатора и сигнализируют его подключение через блок дистанционного контроля и управления IV-10. При включении БП1 в блоке измерения нагрузки IV-9 вычисляется ток потребления, значение которого передается в блок дистанционного контроля и управления IV-10, а также через блок ввода информации IV-4 в микроконтроллер IV-1 и далее через шину адреса и данных IV-6 и блок вывода информации IV-5 в блок дистанционного контроля и управления IV-10, а затем через блок IP мониторинга II контролирующему органу.
Программное обеспечение, заложенное в памяти микроконтроллера IV-1, обеспечивает вычисление по току потребления израсходованной электроэнергии, аналогично счетчикам электроэнергии. Данная информация также отображается по каждому блоку питания (БП1 и БП2) в блоке индикации IV-13 вместе с отображением статуса блоков питания (БП1, БП2) (вкл./выкл.).
Все вычисления проводятся в микроконтроллере IV-1. Возможная реализация блока управления мощностью IV-8 представлена на фиг. 5. В качестве управляющего элемента используется симистор.
Неотъемлемой частью заявляемого устройства является источник бесперебойного питания (ИБП) IV-7, который поддерживает питание БП1 и БП2 в случае пропадания напряжения в централизованной сети. ИБП IV-7 также находится под контролем блока IV-10 через цепи: блок IV-4 - микроконтроллер IV-1 - блок IV-5 - блок IV-10 - LAN сеть. При этом осуществляется контроль уровня зарядки батарей, непосредственно их зарядка и сигнализация режимов работы ИБП IV-7.
Блок измерения нагрузки IV-9 может быть выполнен е использованием датчиков тока на эффекте Холла, датчиков тока компенсационного типа, либо на микросборке ACS712.
Блок дистанционного контроля и управления IV-10 представляет собой активное сетевое устройство, производящее прием-передачу и обработку сигналов на основе сетевых протоколов (например, протоколов TCP/IP).
Микроконтроллер IV-1 представляет собой БИС семейства INTEL 80С51 с тактовой частотой 12-14 МГц.
Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) IV-2 предназначено для хранения памяти данных (максимальный ток потребления маршрутизатора, ток заряда батареи ИБП IV-7) и команд для микроконтроллера IV-1, и представляет собой стандартную БИС семейства INTEL 27С512 емкостью 64 кбайт.
Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) IV-3 предназначено для хранения информации, связанной с режимом работы системы. ОЗУ подключено к системной шине адреса и данных 13-6 и представляет собой стандартную БИС семейства INTEL 6264 емкостью 8 кбайт.
Блоки ввода/вывода информации IV-4, IV-5 предназначены для организации 8-разрядных портов ввода/вывода сигналов логического уровня. Они подключены к системной шине 13-6 и представляет собой параллельный разрядный регистр.
Кроме этого, в предлагаемом устройстве используется источник бесперебойного питания (ИБП) IV-7 с добавлением в основной блок питания аккумуляторной батареи и блока ее зарядки. Это обеспечивает бесперебойную работу коммутатора при пропадании основного питающего напряжения 220 В.
Таким образом, рассмотренное техническое решение позволяет осуществлять дистанционный мониторинг основных параметров Ethernet маршрутизатора и обеспечивать его бесперебойную работу.