CN1482769A - 基于以太网接入平台的主备倒换与负荷分担***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于以太网接入平台的主备倒换与负荷分担***及方法，以太网接入平台中的主控模块能实现主备倒换，业务交换和上行模块能实现备份和负荷分担。满配置***包括：多个用于接入用户数据的业务模块，每个业务模块设两个上行口，分别与主、备主控板连接，采用端口捆绑技术和实现负荷分担；两个分别由控制模块和交换模块组成的主、备主控板，控制模块运行整个平台设备，交换模块实现接入用户的本地交换，每一交换模块设两个上行口，各连接一上行模块，用于主、备倒换和交换负荷分担；两个上行模块，各设置一上行口，用于上行口备份和负荷分担。本发明充分利用以太网技术优势，有利于提高以太网接入平台的可靠性，和进行灵活配置。

Description

基于以太网接入平台的主备倒换与负荷分担***及方法

技术领域

本发明涉及一种网络技术，更确切地说是涉及一种基于以太网接入平台的主备倒换与负荷分担技术。

背景技术

随着计算机技术的飞速发展，计算机网络技术也得到了空前广泛的应用，从完成一般的数据处理到越来越多的信息交流，越来越多的企业或家庭都在通过网络获取信息和资讯。各种网络技术在不同的应用中发挥着作用，不断的提高网络带宽，不断地丰富业务以满足用户的各种需求，成了网络发展的趋势。而以太网技术正是以其特有的优点和不断的创新来满足用户的各种需求的，因而以太网的应用也越来越广泛。

随着信息技术和计算机技术的不断发展，电信运行为了满足广大用户的需要，也在不断地建设新的骨干网络。目前存在的主要骨干网络有ATM(异步传输模式)骨干网和IP骨干网。其中，以IP技术为主的IP骨干网以其低成本、高带宽的特点被广大电信运营商所看中，所以，相应的IP骨干网设备也相应提供了越来越多的千兆或更高速的以太网口，与IP骨干网设备对接的接入网设备也都提供了同样的千兆或更高速的以太网接口。

随着快速以太网和千兆以太网的出现，以太网技术在电信设备中所处的位置也越来越重要，将以太网技术应用于电信设备中，需要解决的就是带宽问题、安全性问题、用户管理问题和服务优先级等技术问题，目前这些技术问题都已有了很大的进展。目前的千兆以太网技术或10G以太网技术都能很好地解决以太网的带宽问题，包括：基于IEEE802.1q协议的VLAN(虚拟局域网)技术能够实现用户的隔离，可以解决以太网应用的安全性问题；基于IEEE802.1p协议的QOS(业务质量)技术能够实现用户数据的优先级分类，可以解决以太网应用的服务优先级问题；新出现的基于IEEE802.1x协议的用户管理技术可以解决基于端口的用户认证和管理；另外还有流分类技术、堆叠技术、端口捆绑等技术，更使以太网技术在电信设备中的应用越来越完善。

目前，从以太网交换技术方面看，以太网设备基本上都是采用模块化结构和高速ASIC技术实现的，能完成线速的物理(MAC)层交换，支持简单网络管理协议(SNMP)和远程网络管理协议(RMON)，具有丰富的管理功能。以太网设备能自动建立和维护各种地址表，并根据地址表内容在输入和输出端口间建立交换通路，即根据每个数据包中的目的MAC地址或别的字段的信息，在内部地址表中查找相对应的目的端口号，并以非常小的时延转发数据包。虚拟局域网(VLAN)技术可以将原处于一个广播域的以太网划分为多个逻辑网段，相互之间通过三层路由技术通信，不但可以提高网络的性能，也使网络安全性提高。三层交换技术能够根据第一个三层的原地址和目的地址建立一个路由表，对后面同样路由的数据包实现硬件转发，不但降低了组网成本，也提高了网络性能。以太网设备还能提供很多现代网络所要求的功能，如：信息流优先级(IEEE802.1p)，服务分类(COS)，虚拟局域网(VLAN)，远程监测(RMON)、自动流控制(IEEE802.3x)、组播、基于策略控制、内嵌网管代理等。

千兆以太网技术的出现，使网络速率大幅度的提高，相应的标准为IEEE802.3z，可以运行在光纤或电缆介质上。堆叠技术是把两个或两个以上的交换单元通过高速的上行口互连，形成一个更大的交换单元，能够很好的扩展网络的容量。端口捆绑技术是让两个或两个以上的端口负荷分担地传输数据，在外部看来像是一个端口完成的，如果一个端口出现了故障，业务会自动通过别的端口实现，这种技术不但可以提高以太网设备接口的带宽，还增加了设备的可靠性。

接入技术是把网络边缘的低速用户数据与高速的骨干网相连的技术，传统电话网络中接入网的体系结构很好的解决了电话数据等窄带业务的接入问题。但随着宽带网络的发展，宽带接入的需求越来越多，以太网接入技术就是目前存在的一种宽带接入技术

传统的以太网技术一般只应用于局域网***，但随着以太网技术的发展，已逐步能够解决用户计费、用户管理等问题，因而以太网技术也越来越广泛地应用于接入***。以太网接入的特点是对用户提供以太网口，大多数企业网的上行接口也是以太网口，所以以太网接入技术将以其更高的带宽、更低的成本逐渐在宽带接入中发挥它的作用。

宽带接入设备要解决的技术问题之一是如何处理从用户端接入的数据，目前常用的解决方案有基于ATM技术的接入平台方案和基于以太网技术的接入平台方案。

图1所示的基于ATM技术的接入平台，用户数据11(可以是xDSL数据或以太网数据等)输入业务模块12，经业务模块12处理后的平台背板数据(采用信元格式，有QOS、流控等优点)13，在接入平台控制模块142的控制下，经上行模块/交换模块141处理成平台设备上行口数据(可以是ATM信元、以太网帧格式等)15，接入平台控制模块142与上行模块/交换模块141构成主控交换单元14，它们可以在同一块单板或不同单板上。

基于ATM技术的接入平台设备，使用信元技术对接入的数据进行处理，能够很好的发挥ATM技术的优点，发挥其QOS、流控等技术特长。在基于ATM技术的接入平台设备中，背板上处理的信元不一定是标准的53字节的ATM信元，可以是别的类型的信元，同样具有ATM信元的特点。这种设备有高可靠性的特点，关键的上行模块、交换模块、控制模块有备份，但是随着IP城域网的大规模建设，很多ATM接入设备受到以太网接入设备的挑战，ATM接入设备由于技术实现非常复杂，成本高，极大地限制了这种平台设备的推广。

图2所示的基于以太网技术的接入平台设备，用户数据21(可以是xDSL数据或以太网数据等)输入业务模块22，经业务模块22处理后的平台背板数据23(采用以太网帧格式，有速度快、实现成本低等优点)，在接入平台控制模块242的控制下，经上行模块/交换模块241处理成平台设备上行口数据25(采用以太网帧格式)，接入平台控制模块与上行模块/交换模块构成主控交换单元24，它们可以在同一块单板或不同单板上。

基于以太网技术的接入平台设备的特点是背板上传输的数据为以太网帧，平台中的各业务模块与交换模块或上行模块之间的业务通过以太网帧格式传输，各模块之间的业务接口也为以太网接口，这种平台能够充分发挥以太网技术***带宽高、实现简单、设备成本低的优点。

由于以太网上行接口设备接入了许多用户，因而处于非常关键的位置，如果控制模块或上行接口发生故障，无疑会造成很大的损失。

此前以电话业务为主的电信窄带设备有比较高的可靠性，其中很重要的一个原因就是对设备的交换、控制等关键模块设置热备份、冷备份、负荷分担等。随着用户对宽带接入需求的增长，提高设备的可靠性已经越来越重要，这样不仅可以提高电信运营商网络的可靠性，也可以提高企业网关键上行设备的可靠性。

但是，总的来说，目前以太网技术在满足电信设备高可靠性的要求方面还没有特别有效的解决方案，许多设备对关键的控制模块没有作备份方案，对关键的业务上行模块也没有作备份方案，业务上采取的是集中交换。

如图3所示的基于以太网技术的接入平台设备，接入多个业务模块34，控制模块31、交换模块32和上行模块33都只设置一个，虽然有方案实现简单、成本较低的优点，但不能满足电信级设备或企业关键网络对可靠性方面的严格要求。而当基于以太网技术的接入平台设备的关键模块发生故障时，就可能导致一个地区的网络瘫痪，发生这种情况将会对电信运营商、企业、甚至一般用户造成很大的影响。图中所示的交换模块32备份有上行口，但由于一个口处于工作状态、另一个口处于完全备份的闲置状态，因此给带宽和资源造成极大的浪费。

有些基于以太网技术的接入平台设备虽然对关键模块设置有备份方案，但只是冷备份，当一个关键模块发生故障时需由网络维护人员启动备份模块。还有的以太网接入设备的关键模块虽设有备份，但当设备的关键模块发生故障后，不能自动恢复，也只能由网络维护人员亲自去启动冷备份模块，使维护过程变得复杂，而且会中断网络。

发明内容

本发明的目的是设计一种基于以太网接入平台的主备倒换与负荷分担***及方法，本发明针对背景技术部分所分析的问题，实现以太网接入平台设备关键的控制模块的主备倒换，交换模块和上行接口模块的备份和负荷分担，以便极大地提高电信接入设备的可靠性。

实现本发明目的的技术方案是这样的：一种基于以太网接入平台的主备倒换与负荷分担***，包括：一个上行模块，用于提供上行接口；由一个控制模块和一个交换模块组成的一个主控板，控制模块用于对整个以太网接入平台设备进行运行控制，交换模块用于实现接入用户的本地交换，控制模块控制交换模块，交换模块的上行口连接上行模块；一个以上的业务模块，用于接入用户数据，并提供上行口与所述的交换模块连接，其特征在于还包括：

增设一个由控制模块和交换模块组成的主控板或/和增设一个上行模块，形成主用主控板和备用主控板，主用控制模块和备用控制模块，主用交换模块和备用交换模块，主用上行模块和备用上行模块；

每个业务模块设置一个以上的上行口，每个业务模块的一个以上的上行口对应连接主用主控板和备用主控板；

主用和备用交换模块通过其上的上行口进行主、备用主控板间的堆叠式连接，和分别连接主用和备用上行模块。

在所述的主用和备用交换模块上各设置两个上行口；

在主、备用交换模块的上行口上和主、备用上行模块的上行口上各设置一二选一高速中继开关，受控制电路的控制；

主用交换模块的一个上行口连接主用上行模块上二选一高速中继开关的一被选端，主用交换模块的另一个上行口连接主用交换模块上二选一高速中继开关的选择端，主用交换模块上二选一高速中继开关的一被选端连接备用上行模块上二选一高速中继开关的一被选端；

备用交换模块的一个上行口连接备用上行模块上二选一高速中继开关的另一被选端，备用交换模块的另一个上行口连接备用交换模块上二选一高速中继开关的选择端，备用交换模块上二选一高速中继开关的一被选端连接主用上行模块上二选一高速中继开关的另一被选端；

主、备用交换模块的二选一高速中继开关的另一被选端进行所述的堆叠式连接；

主用上行模块上二选一高速中继开关的选择端连接主用上行模块的上行口；

备用上行模块上二选一高速中继开关的选择端连接备用上行模块的上行口。

本发明的基于以太网接入平台的主备倒换与负荷分担***的主备倒换与负荷分担方法，其特征在于包括：

当设置有备用主控板时：

A.业务模块上分别与主、备用主控板相连的上行口实现端口捆绑，进行负荷分担；

B.主用和备用控制模块都运行，同一时刻只有一个主用或备用控制模块担负***的控制任务，在主用或备用控制模块发生故障时，进行有故障控制模块与无故障控制模块间的倒换；

C.由主用和备用交换模块进行交换负荷分担地工作，在主用或备用交换模块发生故障时，进行主备交换模块倒换，由无故障的交换模块完成全部交换业务；

当设置有备用上行模块时：

D.由主用和备用上行模块，进行上行口备份和负荷分担。

所述的方法B与C，进一步包括在主用控制模块和主用交换模块之间，备用控制模块和备用交换模块之间存在主备倒换时的绑定关系，在主、备用控制模块倒换的同时发生主、备用交换模块的倒换，或者在主、备用交换模块倒换的同时发生主、备用控制模块的倒换。

本发明方法中，是由所述的主用控制模块在备用控制模块的协同工作下控制、管理备用交换模块。

本发明的基于以太网接入平台的主备倒换与负荷分担***及方法，主要包括以太网交换接入平台设备主控板的主备倒换方案、以太网交换接入平台设备的业务交换负荷分担方案、及以太网交换接入平台设备的上行模块备份和负荷分担方案，使以太网接入平台设备的关键模块具有备份，同时在业务交换上能实现负荷分担，在设备正常运行时，可以提供主备倒换功能，保证在发生业务故障时能进行快速切换、自动恢复，提高设备的可靠性；另外，主备模块实现负荷分担，可以充分利用备用模块的空闲带宽资源，增加***交换带宽，实现用户业务的线速接入。

本发明的***与方法，将控制模块分为两个，能实现主备倒换，且同一时刻只有一控制模块对整个设备进行控制，如果一个控制模块发生了故障，另一个控制模块可以马上担负***的控制任务，***不会瘫痪；

将交换模块分为两个，实现交换负荷分担工作，如果有一个交换模块发生了故障，业务将由剩余的另一个交换模块完成，网络不会中断；

将上行模块分为两个，结合交换模块实现备份或负荷分担，具体有两种情况：如果两个交换模块都正常工作，在两个交换模块通过堆叠方式实现业务交换负荷分担的同时，为每一个交换模块分配一个上行模块，可让***出两个GE口(千兆以太网接口)，两GE口间可以实现备份或负荷分担；如果任意一块交换模块发生了故障，两个上行模块能够自动断开与故障交换模块的连接，和与正常工作的交换模块相连，***仍然可以出两个GE口，两GE口间可以实现备份或负荷分担，不会给***的上行带宽带来瓶颈问题；

每一块业务模块设置两个FE上行端口(百兆以太网接口)，与两个主控板的两个交换模块对应连接，当***工作在双主控板状态时，两个端口处于跨堆叠芯片的捆绑状态，符合标准的802.3ad协议；当设备主控板有故障，发生主备倒换时，由软件修改主控板交换模块与业务模块相连端口的捆绑转发表，来实现用户数据流量到不同交换模块的切换。

附图说明

图1是基于ATM技术的接入平台的信号处理流程示意图；

图2是基于以太网技术的接入平台的信号处理流程示意图；

图3是基于以太网技术的接入平台的常用结构技术方案示意图；

图4是本发明的以太网接入平台结构的技术方案示意图；

图5是本发明技术方案模式二，在发生一上行口故障时的模块连接关系图；

图6是本发明技术方案模式三，在缺省情况下的模块连接关系图；

图7是本发明技术方案模式三，在设备主备倒换下的第一种模块连接关系图；

图8是本发明技术方案模式三，在设备主备倒换下的第二种模块连接关系图；

图9是本发明技术方案模式四，在缺省情况下各模块连接关系图；

图10是本发明技术方案模式四，在备用主控板发生故障后，各模块连接关系图；

图11是本发明技术方案模式四，在主用主控板发生故障后，各模块连接关系图；

图12是本发明技术方案模式四，在上行板发生故障后，各模块连接关系图。

具体实施方式

图1至图3说明前已述及不再赘述。

参见图4，本发明的以太网接入平台设备包括多个业务模块41、具有主备身份、分别包含交换模块421、441和控制模块422、442的主控板42、44，和具有主备身份的上行模块43、45，完成的主要功能包括：业务板的业务模块41接入用户数据；交换模块421、441实现接入用户的本地交换，控制模块422、442对整个设备进行运行控制；上行板的上行模块43、45提供多种上行接口。

每个业务模块41设有两个上行口(FE口，100M快速以太网接口)，分别与主用主控板42和备用主控板44连接(假设左边为主用主控板，右边为备用主控板)，主用及备用主控板42、44上的交换模块421、441分别设有两个(也可只设一个上行口)上行口(GE口，千兆以太网接口)GE1、GE2，主用及备用主控板42、44上还各设一个二选一高速中继开关423、443，主用及备用上行模块43、45的上行端口上各设一个二选一高速中继开关431、451。主用及备用交换模块421、441的一个上行口(GE2)分别连接二选一高速中继开关423、443的选择端，该两个二选一高速中继开关423、443的一个被选端进行主、备两交换模块421、441的堆叠连接，另一个被选端则分别连接备用、主用上行模块45、43上二选一高速中继开关451、431的一个被选端；主用及备用交换模块421、441的另一个上行口(GE1)对应连接主用、备用上行模块43、45上二选一高速中继开关的另一个被选端；主用、备用上行模块43、45上二选一高速中继开关431、451的选择端则分别连接主用、备用上行板的上行模块43、45。

归纳起来，本发明的***方案可以有以下六方面的优点。

第一个优点是：根据用户需求，基于以太网的接入平台***，可以支持单/双块主控板、单/双块上行板等组合使用，由此产生四种典型工作模式：

模式一：1块主控板，1块上行板，不支持主备倒换、不支持交换负荷分担、不支持上行口备份和负荷分担，***出1个GE上行口(缺省情况)。

模式二：1块主控板，2块上行板，不支持主备倒换、不支持交换负荷分担、支持上行口备份和负荷分担，***出2个GE上行口(缺省情况)。

模式三：2块主控板，1块上行板，支持主备倒换、支持交换负荷分担、支持上行口备份和负荷分担，***出1个GE上行口(缺省情况)。

模式四：2块主控板，2块上行板，支持主备倒换、支持交换负荷分担、支持上行口备份和负荷分担，***出2个GE上行口(满配置)。

第二个优点是：两个控制模块能实现主从热备份工作，同一时刻只有一个控制模块对整个接入设备进行控制，如果一个主用的控制模块发生了故障，***自动实现主备倒换后，另一个备用的控制模块可以升级为主用的控制模块，迅速担负起***的控制任务。

第三个优点是：***控制模块和交换模块可以都在一块主控板上，而且绑定在一起工作，其中任何一个发生故障，都会引起主控板间的主备倒换，此时只有一块主控板工作，无负荷分担，交换带宽减小为原来的一半。该绑定关系是指；主用控制模块和主用交换模块之间，备用控制模块与备用交换模块之间，在倒换时存在绑定关系，其中之一者发生倒换，另外一个也将随之发生倒换，如主用控制模块与备用控制模块倒换的同时，发生主用交换模块与备用交换模块间的倒换，反之，主用交换模块与备用交换模块倒换的同时，发生主用控制模块与备用控制模块间的倒换。

第四个优点是：***在满配置下，实现业务交换备份和负荷分担的同时，还提供上行口的备份和负荷分担，两者相互独立，可以不互相影响，但可以协同工作。

第五个优点是：***交换容量可以根据需要扩展，可从17.6G扩展到176G，且无须更换背板。

第六个优点是：在发生各种故障情况后，如果故障消除，本***通过软硬件检测和配置，可以重新建立正常情况下的连接关系，恢复到正常工作状态。

为满足设计的需求，关键模块能实现负荷分担和主备倒换，业务模块至少要有两个上行口，交换模块可以有两个上行口也可以只有一个上行口，交换模块还要支持堆叠应用(这种Lan Switch芯片，目前市场上有许多种，有许多单片ASIC就能实现24FE+2GE的交换，有的还具有三层以上的功能，通过Lan Switch芯片本身提供的上行接口把两个交换模块堆叠使用，以扩大交换容量)。

控制模块可以和交换模块做在一起，用一块单板实现，也可分开实现。控制模块与交换模块分离能更好地完成控制上的主备倒换功能；但考虑到接入产品的成本因素和背板接口信号数目的问题，将控制模块和交换模块在物理上放在一块单板上实现较好。而且，主用控制模块需要备用控制模块协同工作来控制备用交换模块，主用控制模块自己不能单独管理备用交换模块

上行模块一般都是出GE接口，目前Lan Switch(局域网交换)芯片提供的GE接口大多数都是GMII/TBI的接口，为了使交换模块的上行接口信号简单，减少模块间的信号数量，需要经过一个SERDES(串行与解串行)的转换芯片把TBI/GMII接口转换成1.25Gbps的GE以太网差分信号接口，让差分信号在背板上传输，业务模块到交换模块的FE口，也可以类似处理，只是速率要低一些，只有100Mbps。

下面就本发明的实际典型应用情况进行逐项分析说明。

工作模式一：1块主控板，1块上行板，不支持主备倒换、不支持交换负荷分担、不支持上行口备份和负荷分担，***出1个GE口。这种模式没有任何备份和负荷分担，因只用到了一个主控板和一个上行板，成本较低，适合***可靠性要求不高、带宽需求不大的应用环境，交换和上行带宽都只有满配置的一半。

工作模式二：参见图5，1块主控板42，2块上行板43、45，不支持主备倒换、不支持交换负荷分担、支持上行口备份和负荷分担，***出2个GE口。这种模式没有交换备份和负荷分担，但因为两个上行模块都工作，可以实现上行口备份和负荷分担，如果一块上行模块发生故障，如图中右边的上行模块45发生故障，业务(业务模块41)仅通过另一块上行模块43转发，网络不会中断，适合可靠性有简单要求、上行带宽较大的应用环境，交换带宽只有满配置的一半。

工作模式三：参见图6，2块主控板42、44，1块上行板43，支持主备倒换、支持交换负荷分担，不支持上行口备份和负荷分担，***出1个GE口。在所有模块工作正常时，同一时刻只有一个控制模块对设备进行控制。这种模式适用于可靠性要求较高、上行带宽要求不高的应用环境，设备运行时如果主用主控板42发生了故障，设备自动主备倒换，网络不会中断，上行带宽只有满配置的一半。

在***工作模式三情况下，因为主、备两块主控板42、44都在位，为了组网方便，缺省情况下***将默认0号槽位的主控板42为主用主控板(图示左边)，1号槽位的主控板44为备用主控板(图示右边)，是设备缺省配置情况。

在***缺省配置模式下，只有主用主控板42的槽位有上行模块43，备用主控板44与主用主控板42的交换模块441、421堆叠使用。当主用主控板42发生故障时，***将发生主备倒换，此时主用主控板42断开与业务模块41的连接、断开与备用主控板44交换模块441的堆叠连接和断开与上行模块43的连接，同时备用主控板44的交换模块441将自己空余的堆叠口连接到上行模块43，***连接关系变成图7所示(断开关系用打叉的线段表示)。

如果因为某些特殊情况，上行模块初始配置在1号备用槽位上，此时当主用主控板发生故障时，***将发生主备倒换，网络不会中断，此时上行端口切换情况相对简单，主用主控板关闭与备用主控板堆叠的连接即可，***连接关系变成图8所示。

总之，在***工作模式三，1块上行模块43的位置可以灵活配置在***第0、1号槽位上，与主、备用的主控板42、44间没有位置关系，上行模块43可以接入任意一个主控板槽位。需要指出的是，因为***开工缺省认为0号槽位是主用主控板，无论上行板如何配置，只要***发生主备倒换，这时业务模块41均将通过1号槽位的备用主控板44完成交换和控制功能，实际转变成工作模式一，网络不会产生中断。

工作模式四：参见图9，2块主控板42、44，2块上行板43、45，支持主备倒换、支持交换负荷分担、支持上行口备份和负荷分担，***出2个GE口。这种模式适合于可靠性要求高、上行带宽需求大的应用环境，为***标准满配置。

正常情况下，两个交换模块421、441能够堆叠使用，可增加网络交换容量；每块业务模块41和两个交换模块421、441都有连接，这样业务流量可以负荷分担到两个交换模块上；两个控制模块都在运行，在所有模块工作正常时，每时刻只有一个控制模块对设备起控制作用，另一个控制模块热备份。

工作模式四中，存在主控板和上行板两种可能的故障，现详细分析如下：

(1)如图10所示，1号槽位备用主控板44发生故障，备用主控板44将断开与业务模块41、与主用主控板42、与上行模块45的连接，0号槽位的主用主控板42将自己的空余堆叠口与另一个上行板45的GE口连接，此时各模块关系实际转换成模式二的连接关系；

(2)如图11所示，0号槽位主用主控板42发生故障，此时将发生主备倒换，主用主控板42将断开与业务模块41、与备用主控板44、与上行模块43的连接，1号槽位的备用主控板44将自己的空余堆叠口与另一个上行模块43的GE口相连，此时各模块间的连接关系实际也转换成模式二的连接关系(先发生主备倒换，再实现上行口的GE切换)；

(3)如图12所示，有一块上行模块发生故障(如43)，该上行模块43断开与主控板92的连接，此时的***工作模式四实际上转换成模式三，上行带宽减少一半，其他无变化，此时所有模块工作正常，同一时刻只有一个控制模块对设备进行控制。

综上所述，无论***工作在何种模式下，***中只要主、备主控板和主、备上行板各有一个正常工作，通过主备倒换和模块间的连接切换，就可以保证网络不会中断。

本发明的设计充分考虑了用户组网需求与性能成本的关系，***配置十分灵活，维护简单，可以达到很高的可靠性，满足电信级设备的要求，是一种较为理想的主备倒换与负荷分担方案。

如前所述，本***由主控板(包含控制模块和交换模块)、上行板和业务模块组成，其中交换模块和交换模块之间、交换模块和上行模块之间的连接建议通过以太网差分信号连接，其好处是模块接口信号数量少，接口简单，容易扩展，在实现设计方案时，交换模块和业务模块通过百兆以太网口(FE)连接，接口为LVPECL电平的100MHz差分信号。交换模块和上行模块通过千兆以太网口(GE)连接，接口为LVPECL电平的1.25GHz差分信号。

实现基于以太网接入平台的主备倒换和负荷分担的技术，主要包括下面两个部分：

1)主控板和上行板间GE链路的逻辑倒换。如图4中所示：

在图4中，主控板42、44和上行板43、45的千兆端口(GE)上都有一个2选1高速中继开关423、443、431和451，每个中继开关都受一个控制电路的输出信号控制(图中未示出)，组合起来完成如表1所示的逻辑倒换功能：

表1

单板类型	控制电路输入	控制电路输出	中继开关输入	逻辑连接
					上行板	一定频率的方波	低电平	低电平	上行板和本槽位主控板间的链路
固定电平	高电平	高电平	上行板和相邻槽位主控板间的链路
				主控板		一定频率的方波	低电平	低电平	主控板和相邻槽位主控板间的链路
固定电平	高电平	高电平	主控板和相邻槽位上行板间的链路

基于以上设计，主控板只要在位工作正常，控制模块就会给本槽位的上行板控制电路发送一定频率的方波信号，使控制电路输出为低，使GE1物理链路占用本槽位的上行板；同时，控制模块也会向相邻的主控板发送同样频率的方波信号，在GE2物理链路上实现两块主控板间的连通，如图9所示。

如果***出现故障，某块主控板工作异常，控制模块就会给本槽位的上行板控制电路发送固定的电平，使控制电路输出为高，此时本槽位的上行板与相邻的主控板GE1开始连通，而断开与本槽位的故障主控板的连通；同时，该主控板也会向相邻的主控板发送同样的固定电平信号，对端主控板在GE2物理链路上也断开了与此主控板间的连通，达到了故障隔离的目的，如图10、图11所示。

在实际应用时，根据不同配置组网和故障情况，控制模块结合主控板和上行板间的逻辑倒换硬件设计，通过开关的选通就可以灵活实现***在前述二至四三种工作模式下的切换动作。

2)主控板和业务模块间FE链路的倒换设计：

接入平台设备中业务模块和主、备两块主控板间均有相连的FE端口，当***工作在双主控板状态时，两个主控板的交换模块实际上处于GE端口堆叠工作模式，从业务模块的角度看，其上行到主控板的两个FE口处于端口捆绑和负载分担状态，符合标准的IEEE 802.3ad协议定义。

交换模块端口捆绑和负载分担都可由硬件ASIC芯片实现，实现原理如下：

1.定义业务模块到主控板的两个上行FE端口属于某个捆绑组(TGID)，注意此时这两个端口的属性必须完全相同，如速率、工作方式、属于的VLAN组等等。

2.业务模块硬件芯片实际转发流量出端口时，会根据用户以太网报文的目的媒质访问控制层(MAC)地址查地址解析逻辑(ARL)地址表，以确定是否从该捆绑组(TGID)上行。

3.如果报文要从该TGID转发出去，硬件芯片从报文源媒质访问控制层(MAC)地址和目的媒质访问控制层(MAC)地址中提取3个比特位(假设一个捆绑组最多支持8个端口)，通过比特异或操作得到指向捆绑转发表(TTR)的索引值，从而从捆绑转发表(TTR)中选取经过哪个上行口将报文转发出去。

4.为使转发流量在上行两个端口(假定为25、26端口)上均衡分担，可以知道对应的该TGID的捆绑转发表(TTR)中的端口号也应该是各占一半，如表2所示的故障前的TTR表：

表2

索引	端口号
		0	25
1	26
		2	25
3	26
		4	25
5	26
		6	25
7	26

通过以上两个端口的捆绑操作，两个从物理上分开的端口在逻辑上实际起到了一个端口的作用，端口转发带宽加倍，同时从统计意义上分担了用户的上行流量，将上行流量平均分担到两个端口上。

同理，从上行板下来的网络侧流量，在经过主控板交换模块到业务模块时，主控板与业务模块相连的两个端口尽管处在不同单板上，但仍然处于跨硬件芯片堆叠的捆绑状态，同样能起到提高转发带宽和分担下行流量的作用。

当设备有故障，发生主备倒换时，为了使业务模块的用户流量尽快停止上行进入到故障主控板而切换到正常的主控板上来，正常工作主控板的控制模块会主动修改自己和业务模块的捆绑转发表TTR，将其中的端口号全部更改为业务模块和正常主控板相连的端口号(假设为端口25)，这样就实现上下行流量到不同交换模块的切换，如表3所示的故障后的TTR表：

表3

索引	端口号
		0	25
1	25
		2	25
3	25
		4	25
5	25
		6	25
7	25

故障修复后，正常工作主控板的控制模块同样会主动修改自己和业务模块的捆绑转发表(TTR)到表1的配置，从而恢复端口捆绑和流量分担功能。

归纳起来，上述两种切换动作，均受控制模块软件的控制，具体实现时，控制模块的CPU通过其扩展IO接口，结合专门的逻辑电路来控制交换模块和上行板间GE口倒换；通过高速PCI总线来控制交换模块和业务模块的TTR转发表，因此***切换速度很快，稳定高效，工作时不会使网络中断，增加了设备的可靠性。

本发明的技术方案经在交换接入网的以太网接入平台产品中试用，证明能实现本发明的目的。

Claims (12)

1.一种基于以太网接入平台的主备倒换与负荷分担***，包括：一个上行模块，用于提供上行接口；由一个控制模块和一个交换模块组成的一个主控板，控制模块用于对整个以太网接入平台设备进行运行控制，交换模块用于实现接入用户的本地交换，控制模块控制交换模块，交换模块的上行口连接上行模块；一个以上的业务模块，用于接入用户数据，并提供上行口与所述的交换模块连接，其特征在于还包括：

增设一个由控制模块和交换模块组成的主控板或/和增设一个上行模块，形成主用主控板和备用主控板，主用控制模块和备用控制模块，主用交换模块和备用交换模块，主用上行模块和备用上行模块；

每个业务模块设置一个以上的上行口，每个业务模块的一个以上的上行口对应连接主用主控板和备用主控板；

主用和备用交换模块通过其上的上行口进行主、备用主控板间的堆叠式连接，和分别连接主用和备用上行模块。

2.根据权利要求1所述的一种基于以太网接入平台的主备倒换与负荷分担***，其特征在于：

在所述的主用和备用交换模块上各设置两个上行口；

在主、备用交换模块的上行口上和主、备用上行模块的上行口上各设置一二选一高速中继开关，受控制电路的控制；

主用交换模块的一个上行口连接主用上行模块上二选一高速中继开关的一被选端，主用交换模块的另一个上行口连接主用交换模块上二选一高速中继开关的选择端，主用交换模块上二选一高速中继开关的一被选端连接备用上行模块上二选一高速中继开关的一被选端；

备用交换模块的一个上行口连接备用上行模块上二选一高速中继开关的另一被选端，备用交换模块的另一个上行口连接备用交换模块上二选一高速中继开关的选择端，备用交换模块上二选一高速中继开关的一被选端连接主用上行模块上二选一高速中继开关的另一被选端；

主、备用交换模块的二选一高速中继开关的另一被选端进行所述的堆叠式连接；

主用上行模块上二选一高速中继开关的选择端连接主用上行模块的上行口；

备用上行模块上二选一高速中继开关的选择端连接备用上行模块的上行口。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于以太网接入平台的主备倒换与负荷分担***，其特征在于：所述的主用交换模块和主用控制模块设置在同一单板上或分设在两单板上；所述的备用交换模块和备用控制模块设置在同一单板上或分设在两单板上。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于以太网接入平台的主备倒换与负荷分担***，其特征在于：所述业务模块的上行口是百兆以太网接口，所述交换模块的上行口是千兆以太网接口，接口均为LVPECL电平的以太网差分信号连接。

5.一种如权利要求1的基于以太网接入平台的主备倒换与负荷分担***的主备倒换与负荷分担方法，其特征在于包括以下方法：

当设置有备用主控板时：

A.业务模块上分别与主、备用主控板相连的上行口实现端口捆绑，进行负荷分担；

B.主用和备用控制模块都运行，同一时刻只有一个主用或备用控制模块担负***的控制任务，在主用或备用控制模块发生故障时，进行有故障控制模块与无故障控制模块间的倒换；

C.由主用和备用交换模块进行交换负荷分担地工作，在主用或备用交换模块发生故障时，进行主备交换模块倒换，由无故障的交换模块完成全部交换业务；

当设置有备用上行模块时：

D.由主用和备用上行模块，进行上行口备份和负荷分担。

6.根据权利要求5所述的一种基于以太网接入平台的主备倒换与负荷分担***的主备倒换与负荷分担方法，其特征在于：所述步骤A，在所述的***处于双交换模块状态时，业务模块的两个上行口对于主、备交换模块的两芯片处于跨堆叠芯片的捆绑状态；在主用或备用主控板发生故障时，无故障主控板的主控模块修改自身与业务模块连接端口的捆绑转发表，将端口号修改为业务模块与无故障主控板相连的端口号，将上下行流量切换到无故障交换模块上。

7.根据权利要求5所述的一种基于以太网接入平台的主备倒换与负荷分担***的主备倒换与负荷分担方法，其特征在于所述步骤A的端口捆绑和负荷分担，进一步包括：

A1.定义业务模块到主控板的两个上行口属于一个捆绑组(TGID)；

A2.在业务模块转发流量出端口时，根据用户报文的目的媒质访问控制层(MAC)地址查地址解析逻辑(ARL)地址表，确定是否从该捆绑组(TGID)上行；

A3.对于要从该捆绑组(TGID)上行的报文，从报文源媒质访问控制层(MAC)地址和目的媒质访问控制层(MAC)地址中提取出能表示一个捆绑组(TGID)所支持端口数目的比特位，并对该比特位作异或逻辑操作，得到指向该捆绑组(TGID)捆绑转发表(TTR)的索引值；

A4.根据该索引值，从捆绑转发表(TTR)中选取转发报文的上行口的端口号，将用户的上行数据流量均衡分担到两个口上；

A5.在交换模块转发网络侧流量进业务模块端口时，处于跨硬件芯片堆叠捆绑状态下的交换模块与业务模块，均衡分担下行流量。

8.根据权利要求7所述的一种基于以太网接入平台的主备倒换与负荷分担***的主备倒换与负荷分担方法，其特征在于：所述步骤A1中，属于一个捆绑组(TGID)的两个上行口有完全相同的属性，包括相同的工作速率、相同的工作方式和属于同一个虚拟局域网组(VLAN)。

9.根据权利要求5所述的一种基于以太网接入平台的主备倒换与负荷分担***的主备倒换与负荷分担方法，其特征在于：所述的方法B与C，进一步包括在主用控制模块和主用交换模块之间，备用控制模块和备用交换模块之间存在主备倒换时的绑定关系，在主、备用控制模块倒换的同时发生主、备用交换模块的倒换，或者在主、备用交换模块倒换的同时发生主、备用控制模块的倒换。

10.根据权利要求5所述的一种基于以太网接入平台的主备倒换与负荷分担***的主备倒换与负荷分担方法，其特征在于所述的步骤C进一步包括：

C1.在主用和备用主控板及主用和备用上行板的各两个上行口上分别设置二选一高速中继开关，二选一高速中继开关受控制电路的输出控制；

C2.在两个主控板无故障在位工作时，控制电路在两主控板控制模块的控制下，输出保持第一电平状态，各二选一高速中继开关状态使两个主控板的一个上行口占用自身槽位的上行板，另一个上行口占用相邻槽位的主控板，实现两主控板间的堆叠连接；

C3.在发生一主控板故障时，控制电路在两主控板控制模块的控制下，输出保持第二电平状态，各二选一高速中继开关状态使有故障主控板上本槽位的上行模块与无故障主控板的一个上行口连通，断开与本槽位上有故障主控板的连通；无故障主控板的另一上行口仍与本槽位的上行模块连通，有故障主控板的另一个上行口断开与无故障主控板的连通，进行故障隔离。

11.根据权利要求5所述的一种基于以太网接入平台的主备倒换与负荷分担***的主备倒换与负荷分担方法，其特征在于所述的步骤D进一步包括：

D1.在两上行模块无故障在位工作时，两主控板的交换模块分别与本槽位的上行模块连通结合；

D2.在发生一上行模块故障时，有故障上行模块断开与本槽位上主控板交换模块的连通。

12.根据权利要求5所述的一种基于以太网接入平台的主备倒换与负荷分担***的主备倒换与负荷分担方法，其特征在于还包括：是由所述的主用控制模块在备用控制模块的协同工作下控制、管理备用交换模块。

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