容錯網絡交換機的製作方法

2023-09-20 06:42:15 1

專利名稱：容錯網絡交換機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一類網絡交換設備，特別是指一種採用乙太網，光纖，異步傳輸模式以 及其它網絡技術的可容錯的網絡交換機。
背景技術：
眾所周知，網絡交換機可以為網絡終端例如計算機，印表機，伺服器等兩兩之間相 互通信提供獨立的信道，提高網絡的通信能力，這種方式要優於網絡中所有設備接收所有 數據包來進行通信。網絡交換機通過交換技術使網絡上的設備可以採用獨立的信道相互通信，相對於 採用非交換技術、工作在OSI物理層的網絡設備如集線器HUB，交換技術可提供更高的網絡 通信的帶寬。網絡交換機一般提供固定的埠數量(4 64個)，每個埠可連接一個獨立的 網段。由於每個網段都共享同一個接入，因而每個網段中的設備越少就越有利於實際使用。 而當有更多的設備要接入網絡中時，一般就需要接入多個交換機。通常情況下，為滿足更多 數量的設備接入，採用交換機集聯的方式要比只增加交換機埠的方式更能提高網絡的性 能。當採用上述交換機集聯的方式時，單臺網絡交換機將成為網絡故障點。舉個例子， 網絡中的一臺交換機出現故障，那麼在它上面連接的網絡終端將無法接入網絡，除非更換 此故障交換機。網絡交換機一般都包含裝有邏輯電路的印刷電路板、電源等板卡組件，當中 每一個組件的故障都會導致交換機停止工作。這些所謂的網絡中的單點故障會影響網絡傳 輸，造成極大的損失，因此提高交換機的可靠性變得尤其重要。目前許多可以提高可靠性的技術已經應用到網絡交換機中，提供關鍵部件冗餘是 其中一種常用的方法，用於克服一些單點故障引起的問題。例如網絡交換機提供雙路電源、 冷卻系統、環回鏈路等冗餘技術，當正在工作的部件出現故障時，備用部件將自動啟動確保 交換機的工作不間斷。當然這種方式也存在一個顯著的缺點，即設備為冗餘部件增加了成 本，但並未提高性能，例如冗餘電源，會增加第二塊幾乎用不到的電源模塊以及在故障電源 和備用電源之間切換的電路兩方面的成本，而要交換機在不間斷工作的前提下替換故障的 部件也增加了成本和操作上的複雜性。此類冗餘由於代價太高，除了在為確保可靠性而不 計成本的場合以外都不建議採用。

發明內容
本發明針對現有技術中存在的缺陷或不足，提供一種容錯的網絡交換機以克服網 絡中的單點故障，本發明是一種提高網絡設備可靠性的高性價比解決方案。本發明的特定目標是提供一種容錯網絡交換機，包含兩個以上的交換單元和一個 高可靠(無單點故障)的互聯單元，在正常工作狀態下兩個交換單元都處理網絡數據包，若 其中一個交換單元發生故障，則另一交換單元將承擔所有工作以確保工作不間斷，代價是可能會降低一些性能。發生故障的交換單元可以被更換且更換後網絡可恢復原狀，更換不 會影響另一個工作中的交換單元或網絡連接。容錯交換機的一個重要優勢是用一個適度的價格提供經濟型的不間斷網絡容錯 服務方案，無論小型還是大型的網絡都可以採用這種方案。與常規的容錯方式不同的是，容 錯交換機所有的交換機組件在正常情況下都是工作的。本發明的一個特徵是一臺容錯交換機包含了兩個或兩個以上的交換單元，每個交 換單元包含一定數量的網絡接口以及一個至少提供2個接口，用來連接交換單元的集線 器，每個交換單元通過這個集線器上的埠連接到互聯單元。本發明的一個特徵是一臺容錯交換機包含一個帶有多網口的第一交換控制器，一 個與第一交換控制器的埠相連的第一集線器和一組與第一集線器互聯的獨立網絡接口， 這些網絡接口有兩種狀態正常狀態下一個網絡接口與第一集線器互聯，另一種狀態下有 兩個或多個接口與第一集線器互聯。一臺容錯交換機還包括一個帶有多網口的第二交換控 制器，一個與第二交換控制器的埠相連的第二集線器和一組與第二集線器互聯的獨立網 絡接口，這些網絡接口有兩種狀態正常狀態下一個網絡接口與第二集線器互聯，另一種狀 態下有兩個或多個接口與第二集線器互聯。此外一臺容錯交換機還包括一組網絡連接器， 每個連接器與網絡接口平行連接，把每一組主、第二集線器聯結起來。本發明的一個特徵是每一個交換單元包含一個故障監測器用來監控交換單元的 工作狀況，當本交換單元發生故障時立刻將故障狀態轉告另一個交換單元的故障監測器。本發明的一個特徵是一個交換單元的故障監測器所發送的狀態信息可以用來更 改本交換單元的獨立連接埠的狀態。本發明的一個特徵是可以通過在容錯交換機中加入第三交換控制器來實現更高 的冗餘，可包含一個帶有多網口的第三交換控制器，一個與第三交換控制器的埠相連的 第三集線器和一組與第三集線器互聯的獨立網絡接口，這些網絡接口有兩種狀態正常狀 態下一個網絡接口與第三集線器互聯，另一種狀態下有兩個或多個接口與第三集線器互 聯。本發明的一個特徵是用來連接一個多口交換單元和另一個多口交換單元的互聯 單元包括一個連接第一交換單元的第一多埠連接器，一個連接第二交換單元的第二多端 口連接器，還包括一組單埠連接器，每個單埠連接器與第一、第二多埠連接器平行。 互聯單元不包括任何發生故障時會影響到一個以上網絡埠的單一部件。本發明的一個特徵是互聯單元包括一組隔離開關，每一個隔離開關連接著互聯單 元的其中一個多埠連接器和第一、第二交換單元的網絡接口，用於隔離互聯單元的多端 口連接器和第一、第二交換單元的網絡接口。隔離開關可以配置使得任意一個隔離開關出 現故障時不會影響其他隔離開關。本發明的一個特徵是一個網絡交換單元包括一個具有多轉換口的交換控制器，一 個雙狀態集線器，此集線器連接到交換控制器的其中一個轉換口並具備一組網絡接口，集 線器有兩個狀態，正常狀態下集線器連接到交換控制器的其中一個轉換口，其他狀態下集 線器連接到交換控制器的其中兩個或多個轉換口。本發明的一個特徵是網絡交換單元包括一個故障監測器用於網絡交換單元發生 故障時發送故障信號。
本發明的一個特徵是網絡交換單元包括一個控制信號輸入用於接收另一個網絡 交換單元發送的故障信號。本發明的一個特徵是每個網絡交換單元的雙狀態集線器均與本單元的故障監測 器連接。本發明的一個特徵是集線器具備第三種狀態即沒有網絡埠連接到轉換埠的 狀態。本發明中的一個特徵是兩個同樣的交換單元各自探測內部的問題並把探測結果 傳輸到另一個交換單元。本發明的一個特徵是採取更換交換單元時不會對線纜產生影響的方式把兩個或 更多的交換單元和一個接口單元整合在一起。本發明涉及的容錯交換機中的容錯規定為單點故障。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明進行說明。在

圖1中，一個容錯交換系統包括兩個網絡交換單元SUl和SU2以及把他們彼此 互聯在一起的互聯單元。網絡交換單元SUl包括一個交換控制器50，交換控制器50包括 必備的軟硬體用於檢測發送的網絡包，交換控制器通過解碼網絡包中的地址信息來判斷網 絡包的來源埠。網絡交換單元SUl還包括一個故障監測器70，它連在交換控制器50上， 當電源，風扇和其他關鍵部件失效都將會導致網絡交換單元SUl故障，而當它發現網絡交 換單元SUl的任何部件發生故障時會產生一個故障告警信號並將這個信號發送給另一個 網絡交換單元SU2，或是反饋到自身內部。故障監測器70用軟體和硬體共同配合來實現。 為了維護的目的每個網絡交換單元也提供手動機制去模擬一個故障的發生。網絡交換單元 SUl還包括集線器61、62、63，它們分別連在交換控制器50的埠 1A、2A、3A上，每一個集線 器包含3個雙向埠，其中一個埠連到交換控制器50的埠 1A、2A、3A，其他兩個埠分 別是主IP埠和從IP埠。集線器作為一個共享媒介使3個埠看起來是連在一起的。 圖1所示框圖中有三個集線器，但實際應用中一個容錯系統的集線器數量應該在4到64之 間。網絡交換單元SU2其實和網絡交換單元SUl是一樣的，它包括交換控制器80。交 換控制器80包含有埠 4A、5A、6A，集線器91、92、93以及故障監測器100。互聯單元IU包括被動的互聯電路和隔離開關20 31。隔離開關採用類似繼電器 或半導體開關的設計以確保單點故障不會影響到其他的網絡交換單元甚至整個網絡。隔離 開關20 31在本發明的某些實現中可以看作是交換單元SUl和SU2的一部分，可以理解 為隔離開關是作為交換單元或是作為互聯單元的組成部分都不影響本發明的實現。出於對 線路長度和網絡連接速度的考慮，可以適宜的把隔離開關放置在互聯單元或是網絡交換單 元之內。網 口 20N、21N、22N、23N、24N、25N、26N、27N、28N、29N、30N、31N 作為集線器 61、62、 63、91、92、93和隔離開關20 31的輸入輸出埠，由於採用電纜內部橋接到互聯單元的方 式，所以不會產生單點故障。在互聯單元IU內，集線器61、62、63的主埠 1P、2P、3P通過隔離開關20、21、22連接到網絡連接器10，11，12 ；集線器61、62、63的從埠 1S、2S、3S連接到網絡連接器的13， 14，15。同樣，互聯單元IU內的集線器91、92、93的主埠 4P、5P、6P連接到網絡連接器13、 14,15 ；集線器91、92、93的從埠 4S、5S、6S連接到網絡連接器10，11，12。圖2顯示本發明的第二種具體實現。圖2和圖1基本相同，區別在於網絡連接器 分別位於它們相應的交換單元SUl和SU2內。圖3顯示本發明的第三種的具體實現，在圖中3個交換單元SU1、SU2、SU3共享一 個互聯單元IU。交換單元SU3在結構上和第1個實現中的交換單元SU1，SU2相似。網絡交換單元 SU3包含一個交換控制器110，三個集線器121、122、123，網絡埠 32N、33N、34N、35N、36N、 37N和一個故障監測器130。第3種實現中的互聯單元IU被擴展了，它包括3個額外的網絡連接器16、17、18 和一組新的隔離開關32 37，互聯單元IU在每個網絡交換單元的故障監測器之間提供一 種菊花鏈配置方式的互聯。在一個有3個或更多的網絡交換單元的互聯單元中每個故障監 測器和另外兩個故障監測器相連。在圖3的具體實現中使用了一種環型配置，當任一個網絡交換單元發生故障時都 可通過另一個網絡交換單元的網絡連接器連接到這個網絡交換單元，如圖3所示。這種對 應的組合是SU1-SU2，SU2-SU3，SU3-SU1.在這種組合中的第一個網絡交換單元SUl發生故 障時，網絡服務會由第二個網絡交換單元SU2來承擔。同理，如果網絡交換單元SU2失效， SU3會替代它繼續提供網絡服務。圖4顯示了本發明的第四種具體實現，它是第3種具體實現的變種。在圖4中，隔 離開關20 37合併到其對應的網絡交換單元SUl，SU2，SU3中。圖5顯示了互聯單元150的前視圖，包含雙向網絡連接器152。圖6顯示的是互聯單元160的後視圖，提供兩個多埠連接器162分別連接到兩 個獨立的網絡交換單元。網絡互聯單元的這種設計是為了實現容錯交換機內任意一個交換單元被移走或 是被替換時，不會影響其他的交換單元工作，這樣可以使一個網絡在其中一個交換機發生 故障時仍可以繼續提供網絡服務。當其中的一個交換機發生故障時，這個失效的交換機可 以被移走和替換。在故障期間，另一個交換機會承擔起那個有故障的交換機所提供的服務。 而當有故障的交換機修復後，系統將恢復正常的運行。圖7顯示的是網絡交換單元170的前面板視圖。相應的連接器172嵌在互聯單元 的接收面板上，面板174。圖8顯示的是一個機箱200，可以放置4個網絡交換單元210。互聯單元的面板 220是機架裝配的一部分，用於連接兩個網絡交換單元210。託板234是單個網絡交換單元 210的放置平面，此外還提供了機箱前面板232。支架230提供對機箱200的支撐作用。容錯網絡交換的處理過程如下。當沒有故障發生時，所有的網絡交換單元正常工作，每個交換單元的集線器上的 主埠的隔離開關處於閉合狀態，主埠正常工作，而從埠的隔離開關在邏輯上是開啟 的，則從埠出於斷開狀態，每個交換單元獨立運行且分別處理各自的網絡包的傳輸，一個 不間斷的周期性的通信就建立起來了。交換單元之間的參數配置是通過它們各自的故障監測器完成的，每個網絡交換單元不停地更新它們的故障狀態，並通過接收周期性信號的方 式更新另一個交換單元的故障狀態。一旦一個故障被其中一個網絡交換單元監測到，例如 網絡交換單元SU2的故障監測器發出信號FS，則SU2將被置於故障狀態，此時它的主埠 的隔離開關和從埠的隔離開關在邏輯上開啟，網絡交換單元SU2的主、從集線器的埠 將從對應的網口上斷開，與此同時，SU2發出信號使得SUl的主埠的隔離開關和從埠的 隔離開關在邏輯上關閉。故障發生後重新配置的結果是網口 10-12連到SUl的第一集線器 埠 1P、2P、3P，網口 13-15連到SUl的從集線器埠 1S、2S、3S。通過建立和故障狀態的配 置，SUl可以處理網口 13-15，和10-12上的網絡包。如果SU2發生故障時無法報告故障信號給SU1，則表明隨著周期性信號的消失， SUl要從正常工作狀態切換到應急狀態。當故障發生時，有問題的交換單元可以移走和被替換且不影響網絡的正常傳輸， 而當有問題的交換單元被替換後，所有的交換單元將恢復正常工作。
權利要求
容錯網絡交換機其特徵在於包含一個多交換埠的第一交換單元；一個可檢測到第一交換單元錯誤並可向其報告的第一故障監測器；一個與交換埠相連的第一集線器；一組與第一集線器互聯的、可接收第一故障監測器所發出故障信息的獨立網絡接口，這些網絡接口根據所接收故障信息呈現兩種狀態正常狀態下一個網絡接口與第一集線器互聯，另一種狀態下有兩個或多個接口與第一集線器互聯。一臺容錯交換機還包括一個多交換埠的第二交換單元；一個可檢測到第二交換單元錯誤並可向其報告的第二故障監測器；一個與交換埠相連的第二集線器；一組與第二集線器互聯的、可接收第二故障監測器所發出故障信息的獨立網絡接口，這些網絡接口根據所接收故障信息呈現兩種狀態正常狀態下一個網絡接口與第二集線器互聯，另一種狀態下有兩個或多個接口與第二集線器互聯。一臺容錯交換機還包括一組網絡連接器，每個連接器與網絡接口平行連接，把每一組第一、第二集線器聯結起來。多個可獨立連接的網絡埠、網絡連接器以及兩者的連接部分作為一個統一的連接單元。
2.權利要求1所述的容錯網絡交換機其進一步的特徵是可包含一個多交換埠的第 三交換單元；一個可檢測到第三交換單元錯誤並可向其報告的第三故障監測器；一個與交 換埠相連的第三集線器；一組與第三集線器互聯的、可接收第三故障監測器所發出故障 信息的獨立網絡接口，這些網絡接口根據所接收故障信息呈現兩種狀態正常狀態下一個 網絡接口與第三集線器互聯，另一種狀態下有兩個或多個接口與第三集線器互聯。多個可 獨立連接的網絡埠、網絡連接器以及兩者的連接部分作為一個統一的連接單元。每個交 換單元所相對應的故障監測器、獨立網絡接口和集線器封裝在一個單一的單元裡。
3.權利要求1所述的容錯網絡交換機其特徵在於第一故障監測器連接到第一組獨立 網絡接口的控制輸入端；同時第一故障監測器連接到第二組獨立網絡接口的控制輸入端；
4.權利要求1所述的容錯網絡交換機其特徵在於其網絡埠可以採用以下的幾種常 用的網絡通信方式中的一種乙太網、光纖通道，令牌環網或者是異步傳輸模式。
5.權利要求1所述的容錯網絡交換機其特徵在於根據網絡接口所接收故障信息一般 呈現兩種狀態正常狀態下一個網絡接口與第三集線器互聯，另一種狀態下有兩個或多個 接口與第三集線器互聯；除開上述兩種狀態之外特殊情況下還有第三種狀態即失效的狀 態，此狀態下沒有網絡埠連接到轉換埠。
6.交換單元包括一個具有多轉換口的交換控制器，一個雙狀態集線器，此集線器連接 到交換控制器的其中一個轉換口並具備一組網絡接口，集線器有兩個狀態，正常狀態下集 線器連接到交換控制器的其中一個轉換口，其他狀態下集線器連接到交換控制器的其中兩 個或多個轉換口 ；包括一個用於網絡交換單元發生故障時發送故障信號的故障監測器；包 括一個故障信號的控制輸入，故障信號的控制輸入連接到雙狀態集線器並通過接收另一個 網絡交換單元的故障信息來改變雙狀態集線器的狀態。
7.權利要求6所述的交換單元其特徵在於開關、交換埠、集線器、故障監測器和獨立 網絡接口組合成一個統一的交換單元。
8.互聯單元用於連接網絡交換單元和網絡接口，其特徵在於包含一個與第一交換單元 相連的第一多埠連接器、一個可檢測到第一交換單元錯誤並可向其報告的第一故障監測 器、一個與第二交換單元相連的第二多埠連接器、一個可檢測到第二交換單元錯誤並可 向其報告的第二故障監測器，還包括一組單埠網絡連接器，每個單埠連接器與網絡接口平行連接，用於聯結第一、第二多埠連接器。每個網絡交換單元包括一個控制信號輸入 用於接收另一個網絡交換單元發送的故障信號。互聯單元不包括任何發生故障時會影響到 一個以上網絡埠的單一部件。互聯單元還包含一組隔離開關，隔離開關採用繼電器模式， 每一個隔離開關通過多埠連接器的一個埠連接到第一交換單元和第二交換單元的網 絡接口上，把網絡接口與第一多埠連接器和第二多埠連接器隔離開。隔離開關可以通 過配置實現單個隔離開關的故障不會影響到其它的隔離開關。對隔離開關進行操作的電源 來自第一網絡交換單元和第二網絡交換單元。第一交換單元或第二交換單元可以從互聯單 元上分離並更換，更換時不會干擾另一個交換單元及其網絡連接。
9.權利要求8所述的互聯單元，其特徵在於互連單元是一個單一聯合單元，包括一個 可檢測到第一交換單元錯誤並可向其報告的第一故障監測器，一個可檢測到第二交換單元 錯誤並可向其報告的第二故障監測器，一個位於互聯單元第一面板的背面、用於連接互聯 單元和第一交換單元的第一多埠連接器，一個位於互聯單元第一面板的背面、用於連接 互聯單元和第二交換單元的第二多埠連接器，還包括一組單埠網絡連接器，每個單端 口連接器與網絡接口平行連接，用於聯結第一、第二多埠連接器。包括支撐連接第一網絡 交換單元和第二網絡交換單元的支座。
全文摘要
容錯網絡交換機包含兩個以上的網絡交換單元和一個高可靠(無單點故障)的互聯單元，在正常工作狀態下兩個網絡交換單元都處理網絡數據包，若其中一個網絡交換單元發生故障，則另一網絡交換單元將承擔所有工作以確保工作不間斷，代價是可能會降低一些性能。發生故障的網絡交換單元可以被更換且更換後網絡可恢復至故障前的狀態，更換故障網絡交換單元不會影響另一個工作中的網絡交換單元或網絡連接。
文檔編號H04L1/22GK101984610SQ20101056778
公開日2011年3月9日 申請日期2010年12月1日 優先權日2010年12月1日
發明者何鋒, 向劍喜, 楊國文 申請人:卓越信通電子(北京)有限公司