УСТРОЙСТВО КОММУТАЦИИ ПАКЕТОВ ИНФОРМАЦИИ ETHERNET

Предложенная полезная модель относится к оборудованию мультисервисных сетей доступа и предназначена для эксплуатации провайдерами и операторами связи на сетях связи общего пользования в качестве аппаратуры коммутации пакетов информации Ethernet.
Из существующего уровня техники известен модульный масштабируемый коммутатор, состоящий из программируемого микроконтроллера, процессора, устройства распределения кадров данных (патент на изобретение №2257678, кл. Н04L 12/56, опубл. 27.07.2005).
Недостатком данного технического решения является реализация устройства в виде множества индивидуально программируемых однопортовых модулей с общей распределительной шиной, в результате чего каждый порт после приема кадра данных конкурирует за доступ к общей распределительной шине, что ведет к уменьшению пропускной способности и даже к потерям кадров. Другим недостатком является построение устройства так, что каждый однопортовый модуль содержит программируемый микроконтроллер с процессором. Данная структура построения устройства ведет к усложнению устройства, уменьшению пропускной способности и скорости соединения, а следовательно, к ограничению в применении, в частности только для сетей быстрого Ethernet.
Известен коммутатор EtherSwitch, предложенный фирмой Kalpana, построенный на основе коммутационной матрицы, который состоит из системного модуля, ведущего общую адресную таблицу коммутатора и обеспечивающего управление коммутатором, коммутационной матрицы, обеспечивающей передачу кадров между портами, восьми портов Ethernet. В.Г.Олифер Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы; Учебник для вузов. 2-е изд. - Спб.; Питер, 2005, стр.412).
Недостатками данного устройства является ограниченное число портов Ethernet, обусловленное тем, что каждый из портов Ethernet обслуживается своим процессором пакетов Ethernet, а это значительно усложняет схему, так как сложность схемы возрастает пропорционально квадрату числа портов. Другим недостатком является использование способа передачи кадра «на лету» («on-the-fly"), при котором невозможна реализация функции анализа трафика на некорректные кадры и их изъятие из сети вследствие их передачи частями.
В основу полезной модели положена задача создания многофункционального высокопроизводительного устройства управляемой коммутации пакетов Ethernet с высокой плотностью электрических/оптических мегабитных и гигабитных портов с мониторингом состояния каналов Ethernet для сетей связи общего пользования, в частности при реализации крупных мультисервисных сетей.
Достигаемый при этом технический результат заключается в расширении технических средств в данной области, повышение надежности и производительности.
Указанная задача достигается тем, что устройство коммутации пакетов информации Ethernet включает в себя порты ввода/вывода сигналов Ethernet, порт ввода/вывода для подключения компьютера, сетевой процессор, предназначенный для обработки проходящего трафика на аппаратном уровне, контроллер, предназначенный для управления оборудованием, оперативное запоминающее устройство, запоминающее устройство, предназначенное для хранения управляющей программы, согласующую микросхему, предназначенную для обеспечения интерфейса к контроллеру, генераторы частот, блок питания, предназначенный для формирования стабилизированного вторичного питания, при этом каждый из портов ввода/вывода сигналов Ethernet соединен с блоком питания, генераторами частот и сетевым процессором, который в свою очередь соединен с контроллером, блоком питания и каждым из генераторов частот, причем контроллер соединен с блоком питания, с оперативным запоминающим устройством, согласующей микросхемой, каждым из генераторов частот, портом ввода/вывода для подключения компьютера, при этом согласующая микросхема соединена с блоком питания, с запоминающим устройством и каждым из генераторов частот, кроме того блок питания соединен с оперативным запоминающим устройством, с запоминающим устройством, с портом ввода/вывода для подключения компьютера, с каждым из генераторов частот. При этом порты ввода/вывода сигналов Ethernet могут представлять собой N портов Ethernet электрического стыка 10 Мбит/с, и/или 100 Мбит/с, и/или 1000 Мбит/с Base-T, каждый из которых состоит из трансивера и согласующего трансформатора, и К комбинированных портов Ethernet электрического стыка 10 Мбит/с, и/или 100 Мбит/с, и/или 1000 Мбит/с Base-T или оптического стыка 1000Base-X, каждый из которых состоит из комбинированного трансивера, согласующего трансформатора и SFP модуля. При этом порты ввода/вывода сигналов Ethernet могут представлять собой L портов оптического стыка 1000 Base-X, каждый из которых состоит из трансивера и SFP-модуля, и М комбинированных портов Ethernet электрического стыка 10 Мбит/с, и/или 100 Мбит/с, и/или 1000 Мбит/с Base-T или оптического стыка 1000 Base-X, каждый из которых состоит из комбинированного трансивера, согласующего трансформатора и SFP модуля. При этом контроллер соединен с SFP-модулями портов ввода/вывода сигналов Ethernet. При этом порт ввода/вывода для подключения компьютера выполнен в виде физического интерфейса RS-232 или USB. При этом запоминающее устройство представляет собой твердотельное, полупроводниковое, энергонезависимое постоянное запоминающее устройство или постоянное перезаписывающее запоминающее устройство.
Указанные признаки устройства коммутации пакетов информации Ethernet являются существенными для поставленной задачи и получения требуемого технического результата.
Настоящая полезная модель заявляемого устройства поясняется конкретным примером исполнения и демонстрирует возможность достижения технического результата.
В приведенном примере используются следующие основополагающие обозначения:
FDB (Forwarding Data Base - база данных) - таблица коммутации, база данных, используемая для принятия решения о направлении дальнейшей пересылки пакета информации;
MAC (Media Access Control - управление доступом к среде) - это уникальный идентификатор, присваиваемый каждой единице оборудования компьютерных сетей;
SFP (Small Form-factor Pluggable - сменный компактный модуль) - промышленный стандарт модульных приемопередатчиков;
VLAN (Virtual Local Area Network - виртуальная локальная сеть) - способ создания виртуальной локальной сети путем логического разделения физической сети на изолированные сегменты - широковещательные области;
На фиг.1 представлена блок-схема, отражающая структуру предложенной полезной модели.
На фиг.2 представлен первый вариант исполнения портов ввода/вывода сигналов Ethernet.
На фиг.3 представлен второй вариант исполнения портов ввода/вывода сигналов Ethernet.
Устройство коммутации пакетов информации Ethernet (фиг.1) содержит порты ввода/вывода сигналов Ethernet 1, порт ввода/вывода для подключения компьютера 2, сетевой процессор 3, предназначенный для обработки проходящего трафика на аппаратном уровне, контроллер 4, предназначенный для управления оборудованием, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 5, запоминающее устройство (ЗУ) 6, предназначенное для хранения управляющей программы, согласующую микросхему 7, предназначенную для обеспечения интерфейса к контроллеру 4, генераторы частот 8, блок питания 9, предназначенный для формирования стабилизированного вторичного питания, при этом каждый из портов ввода/вывода сигналов Ethernet 1 соединен с блоком питания 9, генераторами частот 8 и сетевым процессором 3, который в свою очередь соединен с контроллером 4, блоком питания 9 и каждым из генераторов частот 8, причем контроллер 4 соединен с блоком питания 9, с оперативным запоминающим устройством 5, согласующей микросхемой 7, каждым из генераторов частот 8, портом ввода/вывода для подключения компьютера 2, при этом согласующая микросхема 7 соединена с блоком питания 9, с запоминающим устройством 6 и каждым из генераторов частот 8, кроме того блок питания 9 соединен с оперативным запоминающим устройством 5, с запоминающим устройством 6, с портом ввода/вывода для подключения компьютера 2, с каждым из генераторов частот 8.
При этом порты ввода/вывода сигналов Ethernet 1 могут содержать (фиг.2) N портов Ethernet электрического стыка 10 Мбит/с, и/или 100 Мбит/с, и/или 1000 Мбит/с (далее Ethernet 10/100/1000) Base-T, каждый из которых состоит из трансивера 10 и соединенного с ним согласующего трансформатора 11, причем каждый из трансиверов 10 соединен с сетевым процессором 3, и К комбинированных портов Ethernet электрического стыка Ethernet 10/100/1000 Base-T или оптического стыка 1000 Вазе-Х, каждый из которых состоит из комбинированного трансивера 12 и соединенных с ним согласующего трансформатора 11 и SFP модуля 13, причем каждый из комбинированных трансиверов 12 соединен с сетевым процессором 3.
При этом порты ввода/вывода сигналов Ethernet 1 могут содержать (фиг.3) L портов оптического стыка 1000 Base-X, каждый из которых состоит из трансивера 10 и соединенного с ним SFP-модя 13, причем каждый из трансиверов 10 соединен с сетевым процессором 3, и М комбинированных портов Ethernet электрического стыка Ethernet 10/100/1000 Base-T или оптического стыка 1000 Вазе-Х, каждый из которых состоит из комбинированного трансивера 12 и соединенных с ним согласующего трансформатора 11 и SFP модуля 13, причем каждый из комбинированных трансиверов 12 соединен с сетевым процессором 3.
При этом контроллер 4 соединен с SFP-модулями портов ввода/вывода сигналов Ethernet 1.
При этом порт ввода/вывода для подключения компьютера 2 выполнен в виде физического интерфейса RS-232 или USB.
При этом запоминающее устройство 6 представляет собой твердотельное, полупроводниковое, энергонезависимое постоянное запоминающее устройство или постоянное перезаписывающее запоминающее устройство.
Устройство коммутации пакетов информации Ethernet работает следующим образом (фиг.1).
Блоком питания 9 преобразуется входное питающее напряжение в стабилизированное напряжение вторичного питания, необходимое для корректной работы устройства. Генераторы частот 8 формируют опорные тактовые частоты, необходимые для функционирования контроллера 4, сетевого процессора 3, портов ввода/вывода сигналов Ethernet 1 и согласующей микросхемы 7.
После включения напряжения питания контроллер 4 посредством согласующей микросхемы 7 начинает выполнение программы, записанной в запоминающее устройство 6;
инициализирует ОЗУ 5, порт ввода/вывода для подключения компьютера 2 и настраивает адресные пространства. Далее осуществляется загрузка операционной системы в ОЗУ 5, монтирование файловой системы и выполнение прикладных программ. После загрузки операционной системы загружается драйвер сетевого процессора 3 для осуществления настройки внутренних функциональных блоков сетевого процессора 3 и режимов работы портов Ethernet 1. По завершении инициализации сетевого процессора 3 и портов Ethernet 1, драйвер выполняет конфигурирование сетевого процессора 3 в соответствии с ранее введенными командами оператора, сохраненными в файле конфигурации в запоминающем устройстве 6. В случае отсутствия файла конфигурации настройка осуществляется по умолчанию: все порты сетевого процессора 3 конфигурируются в один VLAN с включенным автоматическим обновлением FDB таблицы. Таким образом, в случае конфигурации по умолчанию, Ethernet пакеты могут коммутироваться между любыми портами Ethernet 1. Через контроллер 4, соединенный с портом ввода/вывода для подключения компьютера 2, оператор управляет включением SFP-модулей портов ввода/вывода сигналов Ethernet. Установка соединения на примере первого варианта портов ввода/вывода сигналов Ethernet происходит следующим образом (фиг.2). При подключении к порту ввода/вывода сигналов Ethernet 1 электрического стыка Ethernet 10/100/1000 Base-T внешнего интерфейса (фиг.2), сигнал поступает на согласующий трансформатор 11, который обеспечивает фильтрацию синфазных помех, гальваническую развязку а также согласование кабеля «витая пара» с трансивером 10. Затем через трансивер 10, выполняющий функцию приемопередатчика локальной сети Ethernet, сигнал поступает на сетевой процессор 3. При подключении к порту ввода/вывода сигналов Ethernet 1 оптического стыка Ethernet 1000 Base-X внешнего интерфейса, сигнал поступает на SFP модуль 13, преобразовывающий оптический сигнал в электрический. Затем сигнал поступает на комбинированный трансивер 12, выполняющий функцию приемопередатчика локальной сети Ethernet. Комбинированный трансивер представляет собой специализированную микросхему, обеспечивающую работу только одного из каналов - либо электрического 10/100/1000 Base-T, либо оптического 1000 Вазе-Х. Затем сигнал поступает на сетевой процессор 3.
Сетевой процессор 3 работает следующим образом. В сетевом процессоре 3 присутствует FDB-таблица, которая ставит соответствия между МАС-адресами и портами сетевого процессора 3, причем каждому порту сетевого процессора 3 соответствует один входной/выходной порт сигналов Ethernet 1. На основе этой таблицы в коммутационной матрице осуществляется коммутация пакетов информации между портами. Запись в таблице производиться автоматически или вручную оператором посредством порта ввода/вывода для подключения компьютера 2 и используя соответствующую программу, В случае, когда сетевой процессор1 работает в режиме обучения происходит анализ пакета, определение МАС-адреса отправителя с занесением его в таблицу. В каждом поступившем пакете анализируется МАС-адрес назначения и осуществляется поиск его в FDB таблице. Когда запись найдена пакет отправляется на соответствующий порт. Впоследствии, поступивший пакет с уже занесенным в таблицу МАС-адресом передается только через указанный порт в таблице. Входные блоки сетевого процессора 3 соединяются с переключаемым входом разделяемой памяти, а выходные блоки соединяются с переключаемым выходом этой памяти. Переключением входа и выхода разделяемой памяти управляет менеджер очередей выходных портов. Входные блоки передают менеджеру портов запросы на запись данных в очередь того порта, который соответствует адресу назначения пакета. Менеджер по очереди по определенным правилам следит за заполнением данными выходных портов. Менеджер производит поочередное подключение выхода разделяемой памяти к выходным блокам и данные из очереди переписываются в выходной буфер сетевого процессора 3. Затем сигналы поступают на соответствующие порты ввода/вывода сигналов Ethernet 1. В сетевом процессоре 3, используется способ передачи кадра с его полной буферизацией, получивший название «сохранить и переслать» (store-and-forward). При данном способе производится сохранение и проверка целостности кадра с отсечением «некорректных» кадров.
Устройство коммутации пакетов Ethernet обеспечивает возможность управления полосой пропускания на каждом порту, что дает администраторам сети гибко управлять каналами связи, планируя трафик и распределяя его между интерфейсами. Команда на ограничение полосы от оператора сети поступает через порт ввода/вывода для подключения компьютера 2 на контроллер 4, где формируется команда управления для сетевого процессора 3.
Применение одного общего для всех портов ввода/вывода Ethernet сетевого процессора, в отличие от представленных аналогов, позволяет значительно упростить аппаратную реализацию полезной модели, облегчить управление устройством в целом, а следовательно увеличить надежность.
В сетевом процессоре, в отличие от второго аналога, используется способ передачи кадра с его полной буферизацией, Данный способ позволяет анализировать трафик, отслеживать и фильтровать «некорректные» кадры, что позволяет очищать дорогостоящую полосу пропускания в сети от «ошибочных» кадров, тем самым увеличивает пропускную способность тракта до теоретически возможного значения, а следовательно, увеличивается производительность. Также производительность увеличивается вследствие того, что в сетевом процессоре, используется коммутационная матрица, позволяющая осуществлять несколько соединений одновременно с высокой скоростью коммутации. Данный способ реализации позволяет работать каждому порту ввода/вывода Ethernet на скоростях до 1 Гбит/с. При этом скорость общего трафика равна общей скорости всех использованных выходных портов.
Настоящая полезная модель промышленно применима и полностью реализует поставленную задачу.