RU180801U1 - Абонентское сетевое устройство с виртуализированными сетевыми функциями - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к системам передачи данных, в частности, к системам с использованием виртуализации абонентских сетевых устройств (vCPE).Абонентское сетевое устройство с виртуализированными сетевыми функциями, содержащее микроконтроллер, постоянное запоминающее устройство, оперативное запоминающее устройство, порты ввода информации, соединенные шиной адреса и данных с микроконтроллером, отличающееся тем, что в него дополнительно введены блок Wi-Fi, блок индикации, модуль синхронизации в составе GPS/ GLONASS приемника, блока формирования PPS, опорного генератора, соединенные шиной адреса и данных с микроконтроллером, датчик температуры окружающей среды, датчик температуры системы охлаждения, выходы которых соединены с входами соответствующих портов ввода информации, модуль высокоскоростной обработки пакетных данных с неблокируемой высокоскоростной матрицей коммутации на базе ПЛИС (FPGA), первый вход/выход которого связан шиной с микроконтроллером, приемопередающие модули Ethernet, 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 которых соединены с вторыми входами/выходами приемопередающих модулей Ethernet, а вторые входы/выходы являются входами/выходами устройства.

Description

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, связанные шиной с микроконтроллером, порты ввода информации, соединенные шиной адреса и данных с микроконтроллером.

Цель полезной модели - расширение функций устройства для применения в сетях мобильных операторов (LTE 4G, 5G).

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее микроконтроллер, постоянное запоминающее устройство, оперативное запоминающее устройство, связанные шиной адреса и данных с микроконтроллером, порты ввода информации, соединенные шиной адреса и данных с микроконтроллером, дополнительно введены блок Wi-Fi, блок индикации, модуль синхронизации в составе: GPS/ GLONASS приемника, блока формирования PPS, опорного генератора, соединенные шиной адреса и данных с микроконтроллером; датчик температуры окружающей среды, датчик температуры системы охлаждения, выходы которых соединены с входами соответствующих портов ввода информации; модуль высокоскоростной обработки пакетных данных с неблокируемой высокоскоростной матрицей коммутации на базе ПЛИС (FPGA), первый вход/выход которого связан шиной с микроконтроллером; приемопередающие модули Ethernet, 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 которых соединены с вторыми входами/выходами приемо-передающих модулей Ethernet, а вторые входы/выходы являются входами/выходами устройства.

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 расширению функциональных возможностей устройства. Это подтверждает соответствие технического решения критерию «существенные отличия».

На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства, на фиг. 2 - раскрыта структура модуля синхронизации.

Устройство включает: микроконтроллер 1, модуль высокоскоростной обработки пакетных данных с неблокируемой высокоскоростной матрицей коммутации на базе ПЛИС (FPGA) 2, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 3, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 4, порты ввода информации 5, блок Wi-Fi 6, шину адреса и данных 7, блок индикации 8, модуль синхронизации 9 в составе: GPS/GLONASS приемника 9-1, блока формирования PPS 9-2, опорного генератора 9-3; датчик температуры окружающей среды 10, датчик температуры системы охлаждения 11, приемопередающего модуля Ethernet 12, 13; портов ввода/вывода информации 14.

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 шиной адреса и данных 7 с портами ввода информации 5, и шинами с постоянным запоминающим устройством (ПЗУ) 3 и оперативным запоминающим устройством (ОЗУ) 4. CPU 1 также связан шиной с неблокируемой высокоскоростной матрицей коммутации на базе ПЛИС (FPGA) 2. 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.

Входы портов ввода информации 5 (фиг. 1) соединены с датчиками температуры окружающей среды 10 и температуры системы охлаждения vCPE 11, что позволяет контролировать через CPU 1 температурный режим работы устройства. Кроме этого, шина адреса и данных 7 соединена с блоком Wi-Fi 6, обеспечивающим беспроводный мониторинг состояния устройства, с блоком индикации 8 и с модулем синхронизации 9, предназначенным для надежного и непрерывного определения текущего времени и выдачи сигналов 10 МГц и 1 Гц, синхронизированных с назначенной системной шкалой времени. Работу этой части устройства контролирует CPU 1.

Приемо-передающие модули Ethernet (PHY) 12, 13 - 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 модуля синхронизации 9.

Модуль синхронизации 9 монтируется в абонентский коммутатор. Модуль синхронизации 9 предлагаемого абонентского сетевого устройства с виртуализированными сетевыми функциями (vCPE) работает по сигналам навигационных спутниковых систем GPS/GLONASS. Он предназначен для надежного и непрерывного определения текущего времени и выдачи сигналов 10 МГц и 1 Гц, синхронизированных с назначенной системной шкалой времени.

Стабильность сигналов, выдаваемых модулем синхронизации 9 в режиме слежения, сопоставима с характеристиками квантовых стандартов частоты и времени.

При исчезновении сигнала модуль синхронизации 9 способен сохранять качество синхронизации в течение 24 часов. Модуль синхронизации 9 обеспечивает:

- слежение за всеми видимыми космическими аппаратами GPS/GLONASS;

- назначение приоритетной навигационной спутниковой системы с автоматическим переходом на резервную при пропадании сигналов приоритетной системы;

- автономный режим работы в течение 24 часов с сохранением качества синхронизации;

- контроль целостности ГНСС (RAIM);

- автономный контроль антенны, аппаратных средств и вычислительного процесса;

- компенсацию задержек сигналов в радиочастотном и выходном трактах сигнала 1 Гц;

- функционирование в условиях многолучевости;

-повышенную устойчивость к воздействию внеполосных и внутриполосных помех.

Абонентское сетевое устройство с виртуализированными сетевыми функциями (vCPE) в части синхронизации должно работать следующим образом:

- базовый режим работы - это прием синхронизации по GPS/GLONASS приемнику 9-1 и передача сигнала в CPU 1 (фиг. 1) для работы протокола РТР 1588v2 в режиме Грандмастер. Абонентское сетевое устройство с виртуализированными сетевыми функциями (vCPE) при стабилизации синхросигнала начинает передавать на удаленные Slave клиенты синхронизацию по протоколу 1588v2.

- в случае потери сигнала GPS/GLONASS приемником 9-1 устройство переключается на прием синхронизации по интерфейсу Sync-E и продолжает передачу синхронизации на устройства Slave.

- дополнительно абонентское сетевое устройство с виртуализированными сетевыми функциями (vCPE) поддерживает режим APTS, при котором в случае потери синхросигнала vCPE начинает получать его по протоколу 1588v2 (в режиме Slave) от вышестоящего Грандмастера.

То сеть, реализуется режим защиты при возникновении различного вида проблем с синхронизацией.

Таким образом, предлагаемое абонентское сетевое устройство с виртуализированными сетевыми функциями (vCPE) осуществляет передачу точных сигналов синхронизации (LTE Release 13) на абонентские устройства в режиме непрерывной подстройки точности сигнала синхронизации как по частоте, так и по фазе, что позволит использовать данное оборудование при подключении базовых станций мобильных операторов по стандарту LTE-Advanced/4G,5G.

Claims (1)

1. Абонентское сетевое устройство с виртуализированными сетевыми функциями, содержащее микроконтроллер, постоянное запоминающее устройство, оперативное запоминающее устройство, порты ввода информации, соединенные шиной адреса и данных с микроконтроллером, отличающееся тем, что в него дополнительно введены блок Wi-Fi, блок индикации, модуль синхронизации в составе GPS/GLONASS приемника, блока формирования PPS, опорного генератора, соединенные шиной адреса и данных с микроконтроллером, датчик температуры окружающей среды, датчик температуры системы охлаждения, выходы которых соединены с входами соответствующих портов ввода информации, модуль высокоскоростной обработки пакетных данных с неблокируемой высокоскоростной матрицей коммутации на базе ПЛИС (FPGA), первый вход/выход которого связан шиной с микроконтроллером, приемопередающие модули Ethernet, 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 которых соединены с вторыми входами/выходами приемопередающих модулей Ethernet, а вторые входы/выходы являются входами/выходами устройства.

Images