CN201766606U

CN201766606U - 一种基于物理层状态检测和故障筛查策略的网络切换装置

Info

Publication number: CN201766606U
Application number: CN2010205084778U
Authority: CN
Inventors: 亢琰; 杨大磊; 陈湘凭; 韩菲
Original assignee: No709 Inst China Ship Heavy Industry Group Co Ltd
Current assignee: No709 Inst China Ship Heavy Industry Group Co Ltd; 709th Research Institute of CSIC
Priority date: 2010-08-26
Filing date: 2010-08-26
Publication date: 2011-03-16
Anticipated expiration: 2020-08-26

Abstract

本实用新型公开了一种基于物理层状态检测和故障筛查策略的网络切换装置，该装置是一块由现场可编程逻辑阵列(FPGA)、以太网物理层收发器(PHY)、网络变压器等组成的电路板，对外具有媒体独立接口(MII)、标准的RJ45网络接口和对外发出硬件切换完成信息的信号接口。该装置采用FPGA实现以太网物理层工作状态检测，根据故障筛查切换策略进行网络信号切换，并在切换完成后向外发送硬件切换完成的信息，以确保新的网络链路快速建立。

Description

一种基于物理层状态检测和故障筛查策略的网络切换装置

技术领域

本实用新型涉及一种网络切换装置，适用于对信号传输的实时性、可靠性要求较高的10M/100M以太网网络设备。

背景技术

随着视频处理技术的发展，基于流媒体技术的视频应用得到了迅速的发展。流媒体信号的网络传输对网络系统实时性、可靠性要求较高。但实际应用中难免会出现因为操作人员失误、网络连接装置故障或接触不良、网络电缆损坏等带来的网络连接故障。

网络传输采用双冗余网络的设计方法，当网络连接出现故障时，用备用硬件替换故障硬件，及时的掩盖故障产生的影响，保证系统的正常工作。对于流媒体信号的网络传输而言，快速、有效的切换可以将因网络连接故障引起的数据报文丢失控制在较低程度。

一片带有媒体独立接口(MII口)的网络器件，在硬件上需要与以太网物理层收发器(PHY)及其外围电路共同组成网络功能模块。选用PHY作为冗余的硬件部分，网络功能模块对外可实现双路网络连接，对功能模块本身硬件复杂度的增加影响也较小。而采用两片带MII口的网络器件实现双冗余网络的方法，在某些场合会受到硬件复杂度增加所带来的一系列问题的限制。在PHY作为冗余硬件的设计下，双路网络连接故障的监控，故障的筛查判断，切换电路的实现，以及切换的时效性等问题也将随之而来。本实用新型针对上述问题，提出了创新性的解决方案。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供一种基于物理层状态检测和故障筛查策略的网络切换装置。本实用新型所提供的装置采用对双冗余以太网的物理层状态进行检测和故障筛查的方法，在网络连接发生故障且有必要切换时，实现快速切换。本实用新型的技术方案如下：

①采用物理层工作状态检测的方法，以达到实时发现网络连接故障的目的。

②采用故障筛查切换策略分析网络连接故障，判断网络切换的必要性和方向性。

③作出需要切换的决定后，实现媒体独立接口的切换。

本实用新型所提供的装置，包括：网络切换控制器和以太网物理层数据传输电路。以太网物理层数据传输电路的两路PHY均通过MII口与网络切换控制器相连，同时网络切换控制器提供MII口，使带有MII口的外接网络器件可与该MII口相连。两路PHY的物理层连接状态指示信号管脚也与网络切换控制器相连作为判断网络连接正常与否的依据。网络切换控制器使一路PHY通过MII口与外接网络器件相连，另一路PHY与外接网络器件断开。

本实用新型所提供的装置，包括一个现场可编程逻辑阵列FPGA芯片，两个PHY芯片及相应网络变压器、对外接口；所述的对外接口包括：(1)标准RJ45网络接口；(2)可连接外部网络器件的媒体独立接口MII口，所述可连接外部网络器件的MII口信号包括：TXC(发送时钟)、TXEN(发送使能)、TXER(发送错误)、TXD[3:0](发送数据)、RXC(接收时钟)、RXDV(接收数据有效指示)、RXD[3:0](接收数据)、RXER(接收数据出错指示)、COL(冲突检测)、CRS(载波侦听)；(3)网络切换控制器对外发出硬件切换完成信息的信号接口。

所述以太网物理层数据传输电路的两路PHY均通过MII口与FPGA的I/O管脚相连；两路PHY的物理层连接状态指示信号管脚与FPGA的I/O管脚相连；对外提供的MII口与FPGA的I/O管脚相连；对外的发送硬件切换完成信息的信号接口与FPGA的I/O管脚相连。

网络切换控制器的功能包括物理层工作状态检测、故障筛查切换策略和控制、网络信号切换和发送硬件切换完成的信息。以上功能全部由FPGA实现。网络切换控制器通过对两路PHY的物理层连接状态指示管脚的高低电平判断网络连接状态的变化情况。切换控制状态位S1的状态由两路PHY物理层连接变化前后的状态(A0、B0、A1、B1)和变化前该控制位的状态S0共同决定。随着S1的值由“0”变化为“1”或者由“1”变化为“0”，外接网络器件的MII口与两路PHY中一路的MII信号的连接关系也随之发生变化。切换完成后，网络切换控制器向外发出硬件切换已完成的信号。

故障筛查切换策略和控制功能的作用在于：当某一路PHY的物理层连接正常，且网络切换控制器使之与外接网络器件相连时，另一路PHY的物理层连接故障的发生以及排除均不会导致网络切换的发生，即不会影响当前一路PHY与外接网络器件相连；当某一路PHY的物理层连接正常且网络切换控制器使之与外接网络器件相连，此后该路PHY的物理层连接出现故障而另一路PHY的物理层连接正常时，网络切换控制器发生网络切换，使物理层连接正常的PHY与外接网络器件相连。

本实用新型所提供的装置中的网络切换控制器内的故障筛查控制逻辑电路以物理层连接状态检测的结果作为输入，以切换控制位状态为输出。网络连接状态变化后故障筛查控制电路的输出与变化前两路网络连接状态、切换控制位状态以及变化后两路网络连接状态有关。

本实用新型提供的装置可以实现流媒体信号在传输中网络连接出现故障时的双冗余网络切换，具有少许增加硬件体积、功耗小、遇到故障时自动定位和恢复过程快等显著优点。

附图说明

图1为本实用新型所提供装置的电路原理框图。

图2为本实用新型实施例1的电路原理框图。

图3为本实用新型实施例1的主要硬件电连接图。

图4为实施例1中以太网物理层数据传输电路硬件电连接图。

具体实施方式

本实用新型所提供装置的电路原理框图如图1所示。图1中，划线-点框内的电路，即由FPGA实现的网络切换控制器。网络切换控制器的功能包括：①物理层工作状态检测、②故障筛查切换策略和控制、③网络切换、④硬件切换完成的信息发送。网络切换控制器的对外接口包括：与两路PHY间的MII接口、与带MII口的网络器件间的MII接口、与两路PHY间关于物理层连接状态指示信号的接口、对外发出硬件切换完成信息的信号接口。

本实用新型对于物理层状态检测电路率先检测到的网络连接状态正常的PHY作为首用PHY，另一路PHY作为备用PHY。在极端情况下，电路上电后同时检测到两路网络连接状态均正常，则图1中以太网物理层数据传输电路1中所用PHY(下文描述中记为“PHYA”)为首用PHY，另一路PHY(下文描述中记为“PHYB”)为备用PHY。在两路网络连接均无故障的情况下，首用PHY通过MII口及切换电路与带有MII口的网络器件(以下简称“网络器件”)相连，备用PHY与网络器件之间被切换电路断开。随着网络连接故障的发生，切换逻辑受故障筛查策略的控制在两路PHY之间切换，始终使一路PHY通过MII口及切换电路与网络器件相连，另一路PHY与网络器件断开(如图1中粗虚线表示的“相连”关系)。

本实用新型采用如下方法共同实现网络切换：

①将两路PHY、网络器件通过MII口与FPGA的I/O管脚相连。

②将两路PHY的状态指示引脚与FPGA的I/O管脚相连。物理层工作状态检测电路监控两路PHY的状态指示引脚，取其电平逻辑值“0”或者“1”，作为判断网络故障是否发生的依据。

③采用故障筛查切换策略，分析网络连接故障，判断网络是否需要切换。网络连接故障的发生有多种可能性，并非所有的连接故障发生时都需要实现网络切换，必须对故障进行筛查。所谓“故障筛查”，是对网络连接状态发生的变化和网络连接故障进行筛选、检查，据此作出网络切换的必要性和方向性的判断。例如，当两路网络连接中B路发生故障，A路连接正常，而在此之前网络数据的传输是通过A路完成时，该网络连接故障不会产生网络数据报文的丢失，没有网络切换的必要性，因此此种故障应该被筛除。另外，当网络连接故障被重新恢复，即当网络连接从一路连接正常恢复为两路连接正常时，网络连接也不必发生切换。

本实用新型中的故障筛查切换策略主要依据表1所述的网络连接变化与变化后网络连接状态映射关系。其中“0”表示外界交换机与PHY连接正常，“1”表示连接不正常。“00→10”表示PHYB、PHYA的连接状态由“PHYB连接正常、PHYA连接正常”变成“PHYB连接不正常、PHYA连接正常”，其他依此类推。

表1：网络连接变化与变化后网络连接状态映射关系

表1中00→11，01→11，10→11，11→11的情况发生时，两路网络连接均出现故障，具体实施时可以将切换控制位状态与网络连接状态变化前保持不变。

将表1中映射关系转化为表2所示的网络连接变化与切换控制位状态映射关系。B0 A0表示变化前两路PHY对外的网络连接状态，B1 A1表示变化后两路PHY对外的网络连接状态。其中“0”表示连接正常，“1”表示连接有故障。表2中灰色区域内“0”表示PHYA通过MII口和切换电路与带MII口的网络器件相连，PHYB与网络器件间被断开，“1”表示PHYA被断开，PHYB与网络器件相连。“0/1”表示PHYA、PHYB与网络器件间的相连或断开的情况与网络连接变化前保持不变。

表2：网络连接变化与切换控制状态位映射关系

由表2得出的切换控制状态位S1的状态与B0、A0、B1、A1以及网络连接状态变化前的切换控制状态位S0的状态有关。化简后的S1表达式如公式1所示。采用非门、与门、或门以及D触发器等基本电路可实现该表达式。

S1＝(～A1)&(～B1)& S0 &(～(A0 & B0))||～(A0 & B0)||A1 & B1 & S0||A1 &(～B1)

(公式1)

本实用新型所提供的装置中的网络切换控制器内的故障筛查控制逻辑电路特点可概括为：以物理层状态检测的结果作为输入，以切换控制位状态为输出；网络连接状态变化后故障筛查控制电路的输出与变化前两路网络连接状态、切换控制位状态以及变化后两路网络连接状态有关，其关系如表2及公式1所示。

④将故障筛查策略的输出作为网络切换电路的控制信号，必要时完成网络切换。比如，切换前PHYA通过切换电路与网络器件相连(PHYB此时与该网络器件断开)，切换后变为PHYB通过切换电路与该网络器件相连(PHYA此时与该网络器件断开)。切换功能的实现方法将结合本使用新型实施例1进行阐释。

⑤切换后通知网络器件以太网物理层硬件切换已经完成。在本实用新型实施例1中，数字信号处理器DSP的GPIO(General purpose input/output)口接收该切换信息，DSP据此向网络发出ARP等数据报文，形成外接交换机端口与其MAC地址新的映射关系。

以上是本实用新型的实施方法，为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合附图2对本实用新型作进一步说明。图2中本装置两路网络分别与外接交换机的两个端口连接，对DSP芯片提供MII接口及标志硬件切换完成的若干状态指示管脚。图2中，划线-点框内的电路为本实用新型所提供的装置。

图2中两路PHY以及DSP的EMAC口均通过MII口与FPGA的I/O管脚相连。图2中示出的MII口信号包括TXC(发送时钟)、TXEN(发送使能)、TXER(发送错误)、TXD[3:0](发送数据)、RXC(接收时钟)、RXDV(接收数据有效指示)、RXD[3:0](接收数据)、RXER(接收数据出错指示)、COL(冲突检测)、CRS(载波侦听)。本说明书中所指的MII口不包括MII管理接口，即：MDC，MDIO信号。

本实用新型实施例1中网络切换控制器选用Xilinx公司型号为XCV300E-6BG352C的FPGA实现，PHY芯片选用Broadcom公司的BCM5221A4KPTG芯片，网络器件选用TI公司的TMS320DM643AZNZA5芯片。

切换电路的实现方法参照公式2～公式4所述。

B_TXD[0]＝MTXD[0]&S1 (公式2)

A_TXD[0]＝MTXD[0]&(～S1) (公式3)

MRXD[0]＝A_RXD[0]&(～S1)||B_RXD[0]&S1 (公式4)

公式2～公式4中，S1代表故障筛查策略中切换控制状态位。A_TXD[0]、B_TXD[0]分别代表FPGA输出至PHYA、PHYB的MII口的TXD[0]信号。MTXD[0]代表网络器件的MII口输出至FPGA的TXD[0]信号。公式2～公式4可根据信号间逻辑关系，采用与门、或门、非门电路实现。A_RXD[0]、B_RXD[0]分别代表PHYA、PHYB输出至FPGA的RXD[0]信号。MRXD[0]代表FPGA输出至网络器件MII口的RXD[0]信号。

图2中示出的负责硬件切换完成信息发送的硬件电路，在图3中通过FPGA的I/O管脚(即标志硬件切换完成的若干状态指示管脚)与DSP的GPIO口相连实现。DSP软件可以通过GPIO口接收来自FPGA的切换通知，完成与切换操作相关的ARP等网络数据报文的发送，以更新外接交换机端口与DSP的MAC地址的映射关系。

多种网络器件可通过与本实用新型所提供的装置结合从而对外实现两路网络连接，在网络连接故障发生时实现快速的网络切换。在具体实施时，本实用新型所提供的装置可直接应用至具有媒体独立接口(MII)的器件，比如带有EMAC口的DSP器件等器件。

本实用新型的具体实施中，FPGA内部电路的实现方法已经在上文中对公式1～公式4的阐述中给出了说明。

图4示出了图1中以太网物理层数据传输电路的连接关系。图4中网络变压器(以H1102为例)的1、3、6、8管脚分别与PHY(以BCM5221A4KPTG为例)的TD+、TD-、RD+、RD-相连，16、14、11、9分别与RJ45连接器的1、2、3、6管脚相连。PHY的RD±和TD±两对差分信号，需要与4个50欧姆(精度为1％)的电阻串联后接电源。变压器靠近PHY一端的两个中间抽头短接后串联一个0.01uF的电容后接信号地。变压器远离PHY一端的两个中间抽头分别接一个75欧电阻。RJ45的4、5管脚短接，7、8管脚短接后分别串联一个75欧电阻。将上述4个75欧电阻并联后串联一个1000pF的电容后接机壳地。

以上的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计思想和原理的前提下，本领域普通工程技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变形和改进，可以完成多个实施例。

Claims

1.一种基于物理层状态检测和故障筛查策略的网络切换装置，其特征在于：包括网络切换控制器和以太网物理层数据传输电路，以太网物理层数据传输电路的两路以太网物理层收发器PHY均通过媒体独立接口MII与网络切换控制器相连，同时网络切换控制器提供MII口，使带有MII口的外接网络器件可与该MII口相连；两路PHY的物理层连接状态指示信号管脚也与网络切换控制器相连；网络切换控制器使一路PHY通过MII口与外接网络器件相连，另一路PHY与外接网络器件断开。

2.根据权利要求1所述的基于物理层状态检测和故障筛查策略的网络切换装置，其特征在于：该装置包括一个现场可编程逻辑阵列FPGA芯片，两个PHY芯片及相应网络变压器、对外接口；所述的对外接口包括：(1)标准RJ45网络接口；(2)可连接外部网络器件的MII口；(3)网络切换控制器对外发出硬件切换完成信息的信号接口。

3.根据权利要求1所述的基于物理层状态检测和故障筛查策略的网络切换装置，其特征在于：装置内部接口关系包括(1)两路PHY均通过MII口与FPGA的I/O管脚相连；(2)两路PHY的物理层连接状态指示信号管脚均与FPGA的I/O管脚相连；(3)对外提供的MII口与FPGA的I/O管脚相连；(4)对外的发送硬件切换完成信息的信号接口与FPGA的I/O管脚相连。

4.根据权利要求1所述的基于物理层状态检测和故障筛查策略的网络切换装置，其特征在于：所述FPGA实现的网络切换控制器内部由与门、或门、非门、D触发器共同组成功能电路，实现了

S1＝(～A1)&(～B1)&S0&(～(A0&B0))||～(A0&B0)||A1&B1&S0||A1&(～B1)，即切换控制状态位S1的状态由两路PHY物理层连接变化前后的状态A0、B0、A1、B1和变化前该控制位的状态S0共同决定。

5.根据权利要求2所述的基于物理层状态检测和故障筛查策略的网络切换装置，其特征在于：所述可连接外部网络器件的MII口信号包括：TXC发送时钟、TXEN发送使能、TXER发送错误、TXD[3:0]发送数据、RXC接收时钟、RXDV接收数据有效指示、RXD[3:0]接收数据、RXER接收数据出错指示、COL冲突检测、CRS载波侦听。