一種實現堆疊網絡交換機快速切換控制的方法

許江來，張 暉，崔 帥，王亞琦

(中國人民解放軍32039部隊，北京 100094)

一種實現堆疊網絡交換機快速切換控制的方法

許江來，張 暉，崔 帥，王亞琦

(中國人民解放軍32039部隊，北京 100094)

隨著測控通信技術和計算機網絡技術的發展，衛星地面站都不同程度地使用千兆網核心交換機建立系統監控及業務數據網絡傳輸，實現了測控終端設備的無人值守和遠程監控，設備控制的可靠性與穩定性大大提高。但是，當主用交換機出現故障時，即使備用交換機是堆疊放置且處于熱備份，交換機網絡端口的物理通路仍需人工進行插拔完成切換操作，當交換機網絡端口數量較多時，人工切換操作時間較長，時效性不高，在任務用時占用比例較大，制約了衛星地面站系統的應用效率。針對以上問題，提出了一種采用繼電器機電設備實現主備交換機網絡端口的物理切換控制方法，進行了網絡切換器的設計和可靠性分析，給出了應用實例。實驗測試結果表明，這種物理切換控制方法使得主備交換機網絡端口的切換效率提高百倍。

網絡端口；物理切換；機電控制；繼電器

0 引言

衛星地面站終端設備數量眾多，均以RJ45網口單路接入到主用千兆網核心交換機，經過交換機匯聚后，通過地面光纖與控制中心連接。雖然核心交換機是主、備機配置并采用堆疊技術實現的，但是單臺終端設備的業務數據網只有1個網口，備用交換機沒有與衛星地面站終端設備直接連接。如果在數據中繼任務中，主用交換機發生故障，需將與之相連的衛星地面站設備逐一手動接入備份交換機。這種人工插拔線路的切換方式依賴于操作員的熟練程度，有誤操作風險，處置時間長，一般都在2 min以上，一旦發生故障，勢必造成較長時間的數據傳輸中斷，影響了數據中繼傳輸的既定任務[1-2]。為解決該問題，提出了一種實現主備交換機網絡端口的物理切換控制方法，充分利用了繼電器開關切換快速性和使用便捷性特點，通過缺省直連和冗余設計，使得主備交換機網絡端口的切換效率大大提高。

1 網絡切換器設計

1.1 工作原理

網絡切換裝置的連接方式如圖1所示。衛星地面站主用交換機A和備用交換機B設置為堆疊熱備工作，在衛星地面站設備與交換機間增加網絡切換器裝置。

當主用交換機A故障時，通過網絡切換器中繼電器開關的加去電進行網絡通路的開通轉向，實現衛星地面站設備與備用交換機B之間物理通道的統一切換，以縮短故障處置時間[3]。

圖1 網絡切換器連接示意

網絡切換器在設計上考慮2種工作模式：常規工作模式和應急工作模式。在常規工作模式下，網絡切換器的繼電器不加電，相當于直連線，由于網絡切換器不加電，充分保證了網絡切換器設備長時間、高可靠性的工作；如果主用交換機出現故障，則在遠程加電進入應急工作模式，通過網絡切換器監控軟件控制網絡切換器切換為B組輸出狀態，則衛星地面站各終端設備與備用交換機之間的網絡輸入/輸出口相連接[4]。網絡切換器原理如圖2所示。

圖2 網絡切換器原理圖

圖2中，利用繼電器的特點，在以太網交換機無故障時，繼電器不加電恒處于閉合狀態(切換器輸出A狀態)，相當于直連線，切換器不加電，因而可靠性極高；在交換主機出現故障時，告警信息將會通知遠程操作終端，在遠程操作終端上通過網口對切換器遠程加電，控制切換器進行切換，繼電器處于開狀態(切換器輸出B狀態)，此時衛星地面站交換機切換為備機輸出，并將告警信息通知用戶，則衛星地面站各終端設備與備用交換機之的網絡輸入/輸出口相連接，使得交換機切換為備機工作。在交換機故障排除后，用戶手動將網絡切換器切換回A輸出狀態，然后控制網絡切換器斷電，進入常規工作模式[5-7]。

網絡切換器雖然具備自動切換的能力，但是考慮安全性，在實際應用過程中仍采用在遠程操作終端手動進行網絡切換。此外，網絡切換器具備本地控制及遠程控制功能，在本地可進行手工分組切換[8]。

1.2 器件組成

網絡切換器采用嵌入式設計，實時性高，功耗低，不需要對各種綜合業務數據進行任何接收、緩存和轉發等處理，只提供數據通道選擇功能，因此只需設計多個開關，控制數據流向即可；另外，該設備支持網絡監控，通過標準以太網口，用來與遠程操作終端計算機進行交互操作。網絡切換設備組成及連接關系如圖3所示。

圖3 網絡切換器組成設備連接關系

網絡切換器由主控盒、擴展盒、遠程加去電電源箱以及遠程操作終端組成，每個主控盒能夠實現多路以上的千兆以太網口的切換，網絡切換器管理控制功能在主控盒內，擴展盒只提供切換功能，每個主控盒可連接多個擴展盒，可同時實現多路千兆以太網口的線路切換。網絡切換器可以遠程操作，快速實現衛星地面站各設備在主交換機、備交換機之間的網絡接入及切換[9]。

主控盒由ARM處理器模塊和單片機繼電器網絡切換模塊組成，擴展盒僅僅由單片機繼電器網絡切換模塊，通過串口與主控盒連接，以實現輸入網口數量的擴展。掛接的擴展盒數量隨主控盒ARM處理器串口數量而定。主控盒可以單獨工作，擴展盒不能獨立工作，必須與主控盒配合，在其統一管理調配下工作。網絡切換器主控及擴展盒原理框圖如圖4所示[10-11]。

圖4 網絡切換器主控及擴展盒原理

ARM處理器模塊主要為設備提供監控平臺，轉發監控軟件和受控設備(主控盒、擴展盒)之間的各種配置命令和狀態信息。ARM處理器模塊具有監聽轉發功能，通過串口與上位PC機上運行的網絡切換器監控軟件通信，控制單片機繼電器網絡切換模塊的切換方向[12]。

單片機繼電器網絡切換模塊采用單片機+高頻繼電器的應用設計方案。單片機負責控制繼電器打開或閉合，與主控盒ARM模塊通過串口通信，接收ARM板切換指令，并返回切換器的工作狀態，對控制板的按鍵操作和LED指示燈顯示進行處理，繼電器處理模塊用于完成以太網口線路A狀態輸出及B狀態輸出的切換，分別對應主用、備用以太網交換機。繼電器選用歐姆龍單穩型高頻繼電器，具有2個閉合/2個打開節點。由于RJ45網口有8個信號線，因此單個主控盒或擴展盒共需要多個歐姆龍單穩型繼電器。單片機繼電器網絡切換模塊用于連接所有的衛星地面站設備網口，即衛星地面站終端設備網口和交換機主機網口、交換機備機網口等，負責交換機主機和備機線路的切換功能。

遠程加去電電源箱采用遠程加去電插排，配置的智能電源管理器，通過控制中心的遠程操作終端上安裝的智能電源管理軟件，對遠程開關控制進行統一管理，通過控制智能電源管理器每個接口的繼電器通斷來實現對網絡切換器設備的遠程加去電功能，用戶在遠程操作終端上通過以太網口實現對網絡切換器的加電和去電操作。為減少衛星地面站千兆以太網交換機故障對衛星地面站遠程加去電電源箱控制的影響，將衛星地面站千兆以太網交換機和衛星地面站遠程加去電電源箱網絡完全隔離，衛星地面站遠程加去電電源箱采用衛星地面站監控網進行網絡通信[13]。

1.3 應用軟件

網絡切換器軟件包括網絡切換器監控應用軟件和主控盒ARM應用軟件。網絡切換器軟件總體架構框圖如圖5所示[14]。

圖5 網絡切換器軟件總體架構

網絡切換器監控應用軟件運行在衛星地面站遠程操作終端上，提供狀態查詢和網絡切換命令，用于查詢衛星地面站交換機工作狀態以及控制網絡切換，并顯示數據通道狀態(本控/遠控狀態、網絡輸出A狀態/網絡輸出B狀態)，同時基于以太網口還能遠程下發加電、去電控制命令，并顯示命令執行結果。監控軟件向嵌入式軟件發送狀態查詢和網絡切換命令。狀態查詢命令查詢各個數據信道的狀態(聯/脫機狀態和網絡狀態)，并通過圖形界面形象的顯示出來；用戶界面還需為每個數據信道提供一個網絡切換命令按鈕，用戶點擊時向嵌入式軟件發送網絡切換命令，并顯示切換后的狀態。

在主控盒ARM處理板上，設計了基于Linux操作系統的應用軟件，用于接收上位機命令，按照約定進行解析，并將解析后的命令轉發到對應的串口，同時把從串口返回來的數據轉發到網口，然后傳給上位機監控軟件，實現網口到4個串口的數據轉換和雙向數據傳輸工作。嵌入式系統應用軟件采用Linux內核提供的IO多路復用機制，通過該機制能夠以非阻塞方式監聽已經注冊的多個串口設備和socket網絡通信端口的數據輸入輸出事件，然后進行相應處理。解析后的命令轉發到對應的串口，通過單片機繼電器網絡切換控制程序，控制繼電器的打開與閉合。

主控盒ARM應用軟件結構如圖6所示。

圖6 主控盒ARM應用軟件結構

2 機電可靠性分析

繼電器在控制電路中有獨特的電氣和物理特性，其斷態的高絕緣電阻和通態的低導通電阻，使得其他任何電子元器件無法與其相比，加上繼電器具有標準化程度高、通用性好和可簡化電路等優點，繼電器廣泛應用在航天、航空、軍用電子裝備、信息產業及國民經濟的各種電子設備中。

網絡切換器采用繼電器進行端口的切換，如何保證繼電器的可靠性，滿足網絡切換器整機系統的可靠性，是我們關注的焦點。

本文充分利用繼電器的特點，采用繼電器缺省直連和繼電器冗余接入2種方法提高網絡切換器的可靠性。

繼電器缺省直連是指在以太網交換機無故障時，繼電器不加電恒處于閉合狀態，相當于直連線，切換器不加電，因而可靠性極高；在交換主機出現故障時，繼電器處于開狀態，交換機切換為備機輸出。在交換機故障排除后，用戶手動將網絡切換器切換回A輸出狀態，然后控制網絡切換器斷電，進入常規工作模式[15]。

繼電器冗余接入是指在網絡切換器中某個端口的連線控制及聯鎖電路中，可增加相同繼電器進行冗余連接，即選用2只相同規格、同參數的繼電器并聯使用，除繞組并聯外，電觸點也可以并聯使用。

為簡化分析，僅考慮一個端口的繼電器控制可靠性。假定該端口采用繼電器缺省直連和繼電器冗余接入，其中繼電器冗余接入為2個相同繼電器進行并聯，從上面的分析可以畫出簡化的可靠性方框圖，如圖7所示。

圖7 簡化的可靠性示意

繼電器缺省直連的可靠率分別是Ka，在常規工作模式下，網絡切換器的繼電器不加電，相當于直連線，因此方法1的可靠性Ka=1。

繼電器冗余接入1和繼電器冗余接入2是2個相同器件的并聯運行，假定它們的可靠率分別是K1和K2，其故障率分別是G1=1-K1和G2=1-K2，則方法2的可靠率為Kb=1-G1*G2。

若設繼電器的可靠率為K1=K2=0.99，則同時采用方法1和方法2得到的該端口切換的可靠性為：

Ka*Kb=Ka*(1-G1*G2)=

Ka*(1-(1-K1)*(1-K2))=

1*(1-(1-0.99)*(1-0.99))=0.999 9。

如果考慮32端口的網絡切換器，每個端口均采用方法1和方法2進行控制，由于只要有一個端口切換失敗，則表征網絡切換器控制失敗，所以32端口屬于串聯關系，因此32端口的網絡切換器的可靠性為:

0.999 9*0.999 9*…*0.999 9=0.996 8=99.68%。

3 應用實例

某衛星地面站擁有多種類別測控終端及數傳終端設備，擔負著衛星狀態遙測、控制、測距和數據傳輸等任務。為了保證各類任務數據的網絡傳輸與交換，系統采用主、備交換機進行網絡數據交換，主用交換機和備用交換機設置為堆疊熱備工作。各類終端設備的數據傳輸按單路由設計，正常狀況下，所有交換數據從主用交換機進行交換，當主用交換機發生故障時，由人工進行網線插拔的方式，將所有傳輸網線轉接到備用交換機，由于每根網線的人工插拔轉接需要一定的時間(ti)，而且動作是串行模式，造成時間的累積(T=∑ti)，也就是說，當使用人工方式由主用交換機切換到備用交換機進行網絡數據傳輸時，數據傳輸中斷的時間為T[16]。

某次實測的人工切換時間統計如表1所示，表中終端設備數量為21臺/套，全部為單路由網絡通信，主備端口切換時間指的是人工從主交換機某端口拔下，然后準確插入到備交換機，并確認聯通就緒的時間。主備端口切換時間因新上崗人員還是熟練崗人員操作的不同而有所區別，熟練崗人員操作的時間一般小于新上崗人員,測試樣本量5組(No1、No2、No3、No4、No5)。由于人工進行主備端口切換為串行操作，因此，人工切換操作時間的累積T=∑ti=145.72 s，即當人工進行網絡切換時，數據傳輸中斷的時間145.72 s，約2 min以上[17]。

表1 某次實測的人工切換時間統計

在衛星地面站終端設備與交換機間增加網絡切換器裝置后，主備端口切換為并行操作，切換時間大大降低，工作效率大幅度提高，且屏蔽了新上崗人員和熟練崗人員操作不同帶來的時間差異性[18]。

增加網絡切換器裝置后進行網絡切換的時間統計如表2所示，測試樣本量是連續測試5組，主備端口切換時間指的是網絡切換器控制某端口對應的工業繼電器動作、聯通就緒的用時(時間ti由網絡切換器監控軟件獲得)。由于網絡切換器裝置控制端口切換為并行操作，因此每一組的主備端口切換時間為MAX(ti)，平均切換時間為0.96 s，即數據傳輸中斷的時間為0.96 s。

表2 網絡切換器裝置切換的時間統計

設備序號標識i主備端口切換時間ti/sNo1No2No3No4No5010．270．140．540．890．69020．190．090．910．590．19030．970．980．800．240．41040．360．330．600．280．29050．180．270．210．680．65060．200．710．380．230．59070．270．130．390．310．03080．460．600．360．580．45090．130．720．450．780．92100．130．640．170．180．77110．880．870．030．440．69120．620．930．170．200．92130．140．210．750．930．24140．570．620．000．460．53150．810．650．990．890．94160．090．830．300．860．70170．730．020．370．400．88180．070．920．420．050．34190．800．490．260．380．24200．870．790．740．110．81210．370．150．030．190．84MAX(ti)0．970．980．990．930．94平均時間0．96

由以上實測數據統計分析可知，當采用網絡切換器裝置進行堆疊交換機的主備切換時，切換時間小于1 s，數據傳輸中斷時間小于1 s，比人員操作減少約144 s，工作效率提高144倍，數據傳輸可用度大幅度提高，具有很好的經濟效益[19]。

4 結束語

本文提出了一種網絡切換器裝置總體設想，設計了千兆以太網交換機網絡切換器，當衛星地面站主用交換機出現故障時，可以遠程操作快速實現衛星地面站各測控設備及數傳設備在主、備交換機之間的網絡接入及切換，縮短故障應急處置時間，降低應急處置風險，提高衛星地面站系統的可用度，能夠有效地保障衛星地面站執行衛星測控和數據中繼任務的能力，是機電設備在網絡切換領域中應用的一個有力嘗試[20]。

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AMethodforRealizingFastSwitchingControlofStackedNetworkSwitch

XU Jiang-lai,ZHANG Hui,CUI Shuai，WANG Ya-qi

(Unit32039,PLA,Beijing100094)

With the rapid development of communication technology and computer network technology,the satellite ground stations use gigabit network core switch in different extent to establish monitoring systems and business data transmission network,realize the unattended and remote monitoring modes for monitoring terminal equipment,and the reliability and stability of equipment control are significantly improved.However,when the main switch fails,even if the standby switch is placed in the stack and hot backup,the physical channel switch network port is still needed to manually complete switch plug;some factors restrict the application efficiency of satellite ground station system,such as multiple network switch ports,longer manual switching operation time,higher timeliness and higher proportion of task time occupation.To solve the above problems,this paper puts forward a kind of physical switching and control method,which adopts relay electrical equipment to realize primary and standby switch network port.The design and reliability analysis for network switch is performed,and an application example is given.The test results show that this physical switching and control method can significantly improve the switching efficiency of the primary and standby switch network port.

network port;physical switching;electromechanical control;relays

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.12.02

許江來，張暉，崔帥，等.一種實現堆疊網絡交換機快速切換控制的方法[J].無線電工程,2017,47(12):5-9,29.[XU Jianglai,ZHANG Hui,CUI Shuai，et al.A Method for Realizing Fast Switching Control of Stacked Network Switch[J].Radio Engineering,2017,47(12):5-9,29.]

TP23

A

1003-3106(2017)12-0005-05

2017-06-12

許江來男，(1966—)，碩士，高級工程師。主要研究方向：航天測量與控制。

張暉男，(1969—)，博士研究生，高級工程師。主要研究方向：航天測量與控制。