RU186109U1 - Абонентское сетевое устройство с виртуализированными сетевыми функциями - Google Patents

Abstract

1. Абонентское сетевое устройство с виртуализированными сетевыми функциями, содержащее первый микроконтроллер, постоянное запоминающее устройство, оперативное запоминающее устройство, соединенные шиной адреса и данных с первым микроконтроллером, первый блок питания, отличающееся тем, что в него дополнительно введены модуль высокоскоростной обработки пакетных данных с неблокируемой высокоскоростной матрицей коммутации на базе ПЛИС (FPGA), первый вход/выход которого соединен шиной с первым микроконтроллером, приемопередающие модули Ethernet (PHY), 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 со вторыми входами/выходами приемопередающих модулей Ethernet (PHY), а вторые входы/выходы являются входами/выходами устройства; система питания в составе второго микроконтроллера, блока индикации, блока ввода информации, блока вывода информации, постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), объединенные шиной адреса и данных с вторым микроконтроллером; блок дистанционного контроля и управления, первый вход которого соединен со вторым выходом блока вывода информации, первый выход - с третьим входом блока ввода информации, второй выход - с третьим входом портов ввода/вывода информации; блок измерения нагрузки, первый выход которого соединен со вторым входом блока дистанционного контроля и управления, а второй выход - со вторым входом блока ввода информации; блок управления мощностью, первый вход которого соединен с первым выходом блока вывода информации; источник 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; первое управляемое реле, вход которого соединен с третьим выходом блока дистанционного контроля и управления; блок коммутируемых источников питания в составе первого и второго блоков питания, первый вход которого соединен с выходом блока управления мощностью, второй вход - с выходом первого управляемого реле, а выход - с входом блока измерения нагрузки; второе управляемое реле, вход которого соединен с четвертым выходом блока дистанционного контроля и управления; блок конденсаторов, вход которого соединен с выходом второго управляемого реле, замкнутый контакт которого соединен с первым выходом источника бесперебойного питания, а разомкнутый контакт - с третьим входом блока контроля и управления.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что система питания содержит аккумуляторную батарею, осуществляя его бесперебойное питание.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что система питания содержит дополнительно блок высокоемких конденсаторов, обеспечивающих кратковременную подачу питания на время сохранения текущей информации во flash для детализации причин сбоя с посылкой SNMP Trap Dying Gasp сообщений.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что все ее элементы выполнены с использованием цифровых технологий.

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 // Hayковi 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, соединенные шиной адреса и данных с микроконтроллером, первый блок питания.

Цель полезной модели - создание высоконадежной системы питания для критичных приложений, когда наряду с резервными блоками питания и источником бесперебойного питания устанавливаются дополнительные высокоемкие конденсаторы, обеспечивающие кратковременную подачу питания на время сохранения текущей конфигурации и dump памяти во flash для детализации причин сбоя.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее первый микроконтроллер, постоянное запоминающее устройство, оперативное запоминающее устройство, соединенные шиной адреса и данных с первым микроконтроллером, первый блок питания, отличающееся тем, что в него дополнительно введены модуль высокоскоростной обработки пакетных данных с неблокируемой высокоскоростной матрицей коммутации на базе ПЛИС (FPGA), первый вход/выход которого соединен шиной с первым микроконтроллером, приемопередающие модули Ethernet (PHY), 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 со вторыми входами/выходами приемопередающих модулей Ethernet (PHY), а вторые входы/выходы являются входами/выходами устройства; система питания в составе второго микроконтроллера, блока индикации, блока ввода информации, блока вывода информации, постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), объединенные шиной адреса и данных с вторым микроконтроллером; блок дистанционного контроля и управления, первый вход которого соединен со вторым выходом блока вывода информации, первый выход - с третьим входом блока ввода информации, второй выход - с третьим входом портов ввода/вывода информации; блок измерения нагрузки, первый выход которого соединен со вторым входом блока дистанционного контроля и управления, а второй выход - со вторым входом блока ввода информации; блок управления мощностью, первый вход которого соединен с первым выходом блока вывода информации; источник 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; первое управляемое реле, вход которого соединен с третьим выходом блока дистанционного контроля и управления; блок коммутируемых источников питания в составе первого и второго блоков питания, первый вход которого соединен с выходом блока управления мощностью, второй вход - с выходом первого управляемого реле, а выход - с входом блока измерения нагрузки; второе управляемое реле, вход которого соединен с четвертым выходом блока дистанционного контроля и управления; блок конденсаторов, вход которого соединен с выходом второго управляемого реле, замкнутый контакт которого соединен с первым выходом источника бесперебойного питания, а разомкнутый контакт - с третьим входом блока контроля и управления.

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 созданию высоконадежной системы питания для критичных приложений, когда наряду с резервными блоками питания и источником бесперебойного питания устанавливаются дополнительные высокоемкие конденсаторы, обеспечивающие кратковременную подачу питания на время сохранения текущей конфигурации и dump памяти во flash для детализации причин сбоя. Это подтверждает соответствие технического решения критерию «существенные отличия».

На фиг. 1 дана общая структура задачи, на фиг. 2 представлен выбранный прототип устройства в составе: микроконтроллер (CPU) 1, модуль высокоскоростной обработки пакетных данных с неблокируемой высокоскоростной матрицей коммутации на базе ПЛИС (FPGA) 2, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 4, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 3, приемо-передающие модули Ethernet (PHY) 5, порты ввода/вывода информации 6.

На фиг. 3 представлена система питания 2, состоящая из микроконтроллера 2-1, постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) 2-2, оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) 2-3, блока ввода информации 2-4, блока вывода информации 2-5, блока индикации 2-15, объединенные между собой шиной адреса и данных 2-16; блока дистанционного контроля и управления 2-9, блока измерения нагрузки 2-8, блока управления мощностью 2-7, источника бесперебойного питания 2-6, первого управляемого реле 2-11, второго управляемого реле 2-12, блока коммутируемых источников питания 2-10 и блока конденсаторов 2-14.

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 шинами с постоянным запоминающим устройством (ПЗУ) 3 и оперативным запоминающим устройством (ОЗУ) 4. 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.

Приемо-передающие модули Ethernet (PHY) 5 - 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 системы питания 2.

В начальном состоянии блок коммутируемых источников питания 2-10 отключен. При необходимости подключения блока питания БП1 (блока коммутируемых источников питания 2-10) включается первое управляемое реле 2-11, контакты которого подключают выход питающего напряжения с БП1 к элементам абонентского сетевого устройства с виртуализированными сетевыми функциями и сигнализируют его подключение через блок дистанционного контроля и управления 2-9. При включении БП1 в блоке измерения нагрузки 2-8 вычисляется ток потребления, значение которого передается в блок дистанционного контроля и управления 2-9, а также через блок ввода информации 2-5 в микроконтроллер 2-1 и далее через шину адреса и данных 2-16 и блок вывода информации 2-4 в блок дистанционного контроля и управления 2-9.

Программное обеспечение, заложенное в памяти микроконтроллера 2-1, обеспечивает вычисление по току потребления израсходованной электроэнергии, аналогично счетчикам электроэнергии. Данная информация также отображается по каждому блоку питания (БП1 и БП2) в блоке индикации 2-15 вместе с отображением статуса блоков питания (БП1, БП2) (вкл./выкл.).

Все вычисления проводятся в микроконтроллере 2-1. Возможная реализация блока управления мощностью 2-7 представлена на фиг. 4. В качестве управляющего элемента используется симистор.

Неотъемлемой частью заявляемого устройства является источник бесперебойного питания (ИБП) 2-6, который поддерживает питание БП1 и БП2 в случае пропадания напряжения в централизованной сети. ИБП 2-6 также находится под контролем блока 2-6 через цепи: блок 2-5 - микроконтроллер 2-1 - блок 2-5 - блок 2-4. При этом осуществляется контроль уровня зарядки батарей, непосредственно их зарядка и сигнализация режимов работы ИБП 2-6.

Блок измерения нагрузки 2-8 может быть выполнен с использованием датчиков тока на эффекте Холла, датчиков тока компенсационного типа, либо на микросборке ACS712.

Блок дистанционного контроля и управления 2-9 представляет собой активное сетевое устройство, производящее прием-передачу и обработку сигналов на основе сетевых протоколов (например, протоколов TCP/IP).

Микроконтроллер 2-1 представляет собой БИС семейства INTEL 80С51 с тактовой частотой 12-14 МГц.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 2-2 предназначено для хранения памяти данных (максимальный ток потребления коммутатора, ток заряда батареи ИБП 2-6) и команд для микроконтроллера 2-1, и представляет собой стандартную БИС семейства INTEL 27С512 емкостью 64 кбайт.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 2-3 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.

Кроме этого, в предлагаемом устройстве используется источник бесперебойного питания (ИБП) 2-6 с добавлением в основной блок питания аккумуляторной батареи и блока ее зарядки. Это обеспечивает бесперебойную работу коммутатора при пропадании основного питающего напряжения 220 В.

Для критичных приложений требуется высоконадежная система питания. Для этого в систему питания 2 наряду с резервными блоками питания (БП1, БП2 и ИБП) дополнительно введены высокоемкие конденсаторы (блок конденсаторов 2-14), обеспечивающие кратковременную подачу питания на время сохранения текущей информации в ПЗУ 2-2 для детализации причин сбоя с реализацией отправки Dying Gasp сообщений (сигнал от устройства, выполняющий корректное завершение сеанса связи при внезапном отключении электропитания, что исключает возможность ошибочного продолжения тарификации провайдером).

Блок конденсаторов 2-14 находится под контролем блока 2-9 через цепи: блок 2-5 - микроконтроллер 2-1 - ПЗУ 2-2 - выход 2 блока дистанционного контроля и управления 2-9.

Таким образом, абонентское сетевое устройство с виртуализированными сетевыми функциями с высоконадежной системой питания обеспечивает в случае отключения питания от всех возможных источников кратковременную подачу питания на время сохранения текущей информации во flash для детализации причин сбоя с посылкой SNMP Trap Dying Gasp сообщений.

Claims (4)

1. Абонентское сетевое устройство с виртуализированными сетевыми функциями, содержащее первый микроконтроллер, постоянное запоминающее устройство, оперативное запоминающее устройство, соединенные шиной адреса и данных с первым микроконтроллером, первый блок питания, отличающееся тем, что в него дополнительно введены модуль высокоскоростной обработки пакетных данных с неблокируемой высокоскоростной матрицей коммутации на базе ПЛИС (FPGA), первый вход/выход которого соединен шиной с первым микроконтроллером, приемопередающие модули Ethernet (PHY), 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 со вторыми входами/выходами приемопередающих модулей Ethernet (PHY), а вторые входы/выходы являются входами/выходами устройства; система питания в составе второго микроконтроллера, блока индикации, блока ввода информации, блока вывода информации, постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), объединенные шиной адреса и данных с вторым микроконтроллером; блок дистанционного контроля и управления, первый вход которого соединен со вторым выходом блока вывода информации, первый выход - с третьим входом блока ввода информации, второй выход - с третьим входом портов ввода/вывода информации; блок измерения нагрузки, первый выход которого соединен со вторым входом блока дистанционного контроля и управления, а второй выход - со вторым входом блока ввода информации; блок управления мощностью, первый вход которого соединен с первым выходом блока вывода информации; источник 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; первое управляемое реле, вход которого соединен с третьим выходом блока дистанционного контроля и управления; блок коммутируемых источников питания в составе первого и второго блоков питания, первый вход которого соединен с выходом блока управления мощностью, второй вход - с выходом первого управляемого реле, а выход - с входом блока измерения нагрузки; второе управляемое реле, вход которого соединен с четвертым выходом блока дистанционного контроля и управления; блок конденсаторов, вход которого соединен с выходом второго управляемого реле, замкнутый контакт которого соединен с первым выходом источника бесперебойного питания, а разомкнутый контакт - с третьим входом блока контроля и управления.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что система питания содержит аккумуляторную батарею, осуществляя его бесперебойное питание.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что система питания содержит дополнительно блок высокоемких конденсаторов, обеспечивающих кратковременную подачу питания на время сохранения текущей информации во flash для детализации причин сбоя с посылкой SNMP Trap Dying Gasp сообщений.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что все ее элементы выполнены с использованием цифровых технологий.

Images