一种实现堆叠网络交换机快速切换控制的方法

许江来，张 晖，崔 帅，王亚琦

(中国人民解放军32039部队，北京 100094)

一种实现堆叠网络交换机快速切换控制的方法

许江来，张 晖，崔 帅，王亚琦

(中国人民解放军32039部队，北京 100094)

随着测控通信技术和计算机网络技术的发展，卫星地面站都不同程度地使用千兆网核心交换机建立系统监控及业务数据网络传输，实现了测控终端设备的无人值守和远程监控，设备控制的可靠性与稳定性大大提高。但是，当主用交换机出现故障时，即使备用交换机是堆叠放置且处于热备份，交换机网络端口的物理通路仍需人工进行插拔完成切换操作，当交换机网络端口数量较多时，人工切换操作时间较长，时效性不高，在任务用时占用比例较大，制约了卫星地面站系统的应用效率。针对以上问题，提出了一种采用继电器机电设备实现主备交换机网络端口的物理切换控制方法，进行了网络切换器的设计和可靠性分析，给出了应用实例。实验测试结果表明，这种物理切换控制方法使得主备交换机网络端口的切换效率提高百倍。

网络端口；物理切换；机电控制；继电器

0 引言

卫星地面站终端设备数量众多，均以RJ45网口单路接入到主用千兆网核心交换机，经过交换机汇聚后，通过地面光纤与控制中心连接。虽然核心交换机是主、备机配置并采用堆叠技术实现的，但是单台终端设备的业务数据网只有1个网口，备用交换机没有与卫星地面站终端设备直接连接。如果在数据中继任务中，主用交换机发生故障，需将与之相连的卫星地面站设备逐一手动接入备份交换机。这种人工插拔线路的切换方式依赖于操作员的熟练程度，有误操作风险，处置时间长，一般都在2 min以上，一旦发生故障，势必造成较长时间的数据传输中断，影响了数据中继传输的既定任务[1-2]。为解决该问题，提出了一种实现主备交换机网络端口的物理切换控制方法，充分利用了继电器开关切换快速性和使用便捷性特点，通过缺省直连和冗余设计，使得主备交换机网络端口的切换效率大大提高。

1 网络切换器设计

1.1 工作原理

网络切换装置的连接方式如图1所示。卫星地面站主用交换机A和备用交换机B设置为堆叠热备工作，在卫星地面站设备与交换机间增加网络切换器装置。

当主用交换机A故障时，通过网络切换器中继电器开关的加去电进行网络通路的开通转向，实现卫星地面站设备与备用交换机B之间物理通道的统一切换，以缩短故障处置时间[3]。

图1 网络切换器连接示意

网络切换器在设计上考虑2种工作模式：常规工作模式和应急工作模式。在常规工作模式下，网络切换器的继电器不加电，相当于直连线，由于网络切换器不加电，充分保证了网络切换器设备长时间、高可靠性的工作；如果主用交换机出现故障，则在远程加电进入应急工作模式，通过网络切换器监控软件控制网络切换器切换为B组输出状态，则卫星地面站各终端设备与备用交换机之间的网络输入/输出口相连接[4]。网络切换器原理如图2所示。

图2 网络切换器原理图

图2中，利用继电器的特点，在以太网交换机无故障时，继电器不加电恒处于闭合状态(切换器输出A状态)，相当于直连线，切换器不加电，因而可靠性极高；在交换主机出现故障时，告警信息将会通知远程操作终端，在远程操作终端上通过网口对切换器远程加电，控制切换器进行切换，继电器处于开状态(切换器输出B状态)，此时卫星地面站交换机切换为备机输出，并将告警信息通知用户，则卫星地面站各终端设备与备用交换机之的网络输入/输出口相连接，使得交换机切换为备机工作。在交换机故障排除后，用户手动将网络切换器切换回A输出状态，然后控制网络切换器断电，进入常规工作模式[5-7]。

网络切换器虽然具备自动切换的能力，但是考虑安全性，在实际应用过程中仍采用在远程操作终端手动进行网络切换。此外，网络切换器具备本地控制及远程控制功能，在本地可进行手工分组切换[8]。

1.2 器件组成

网络切换器采用嵌入式设计，实时性高，功耗低，不需要对各种综合业务数据进行任何接收、缓存和转发等处理，只提供数据通道选择功能，因此只需设计多个开关，控制数据流向即可；另外，该设备支持网络监控，通过标准以太网口，用来与远程操作终端计算机进行交互操作。网络切换设备组成及连接关系如图3所示。

图3 网络切换器组成设备连接关系

网络切换器由主控盒、扩展盒、远程加去电电源箱以及远程操作终端组成，每个主控盒能够实现多路以上的千兆以太网口的切换，网络切换器管理控制功能在主控盒内，扩展盒只提供切换功能，每个主控盒可连接多个扩展盒，可同时实现多路千兆以太网口的线路切换。网络切换器可以远程操作，快速实现卫星地面站各设备在主交换机、备交换机之间的网络接入及切换[9]。

主控盒由ARM处理器模块和单片机继电器网络切换模块组成，扩展盒仅仅由单片机继电器网络切换模块，通过串口与主控盒连接，以实现输入网口数量的扩展。挂接的扩展盒数量随主控盒ARM处理器串口数量而定。主控盒可以单独工作，扩展盒不能独立工作，必须与主控盒配合，在其统一管理调配下工作。网络切换器主控及扩展盒原理框图如图4所示[10-11]。

图4 网络切换器主控及扩展盒原理

ARM处理器模块主要为设备提供监控平台，转发监控软件和受控设备(主控盒、扩展盒)之间的各种配置命令和状态信息。ARM处理器模块具有监听转发功能，通过串口与上位PC机上运行的网络切换器监控软件通信，控制单片机继电器网络切换模块的切换方向[12]。

单片机继电器网络切换模块采用单片机+高频继电器的应用设计方案。单片机负责控制继电器打开或闭合，与主控盒ARM模块通过串口通信，接收ARM板切换指令，并返回切换器的工作状态，对控制板的按键操作和LED指示灯显示进行处理，继电器处理模块用于完成以太网口线路A状态输出及B状态输出的切换，分别对应主用、备用以太网交换机。继电器选用欧姆龙单稳型高频继电器，具有2个闭合/2个打开节点。由于RJ45网口有8个信号线，因此单个主控盒或扩展盒共需要多个欧姆龙单稳型继电器。单片机继电器网络切换模块用于连接所有的卫星地面站设备网口，即卫星地面站终端设备网口和交换机主机网口、交换机备机网口等，负责交换机主机和备机线路的切换功能。

远程加去电电源箱采用远程加去电插排，配置的智能电源管理器，通过控制中心的远程操作终端上安装的智能电源管理软件，对远程开关控制进行统一管理，通过控制智能电源管理器每个接口的继电器通断来实现对网络切换器设备的远程加去电功能，用户在远程操作终端上通过以太网口实现对网络切换器的加电和去电操作。为减少卫星地面站千兆以太网交换机故障对卫星地面站远程加去电电源箱控制的影响，将卫星地面站千兆以太网交换机和卫星地面站远程加去电电源箱网络完全隔离，卫星地面站远程加去电电源箱采用卫星地面站监控网进行网络通信[13]。

1.3 应用软件

网络切换器软件包括网络切换器监控应用软件和主控盒ARM应用软件。网络切换器软件总体架构框图如图5所示[14]。

图5 网络切换器软件总体架构

网络切换器监控应用软件运行在卫星地面站远程操作终端上，提供状态查询和网络切换命令，用于查询卫星地面站交换机工作状态以及控制网络切换，并显示数据通道状态(本控/远控状态、网络输出A状态/网络输出B状态)，同时基于以太网口还能远程下发加电、去电控制命令，并显示命令执行结果。监控软件向嵌入式软件发送状态查询和网络切换命令。状态查询命令查询各个数据信道的状态(联/脱机状态和网络状态)，并通过图形界面形象的显示出来；用户界面还需为每个数据信道提供一个网络切换命令按钮，用户点击时向嵌入式软件发送网络切换命令，并显示切换后的状态。

在主控盒ARM处理板上，设计了基于Linux操作系统的应用软件，用于接收上位机命令，按照约定进行解析，并将解析后的命令转发到对应的串口，同时把从串口返回来的数据转发到网口，然后传给上位机监控软件，实现网口到4个串口的数据转换和双向数据传输工作。嵌入式系统应用软件采用Linux内核提供的IO多路复用机制，通过该机制能够以非阻塞方式监听已经注册的多个串口设备和socket网络通信端口的数据输入输出事件，然后进行相应处理。解析后的命令转发到对应的串口，通过单片机继电器网络切换控制程序，控制继电器的打开与闭合。

主控盒ARM应用软件结构如图6所示。

图6 主控盒ARM应用软件结构

2 机电可靠性分析

继电器在控制电路中有独特的电气和物理特性，其断态的高绝缘电阻和通态的低导通电阻，使得其他任何电子元器件无法与其相比，加上继电器具有标准化程度高、通用性好和可简化电路等优点，继电器广泛应用在航天、航空、军用电子装备、信息产业及国民经济的各种电子设备中。

网络切换器采用继电器进行端口的切换，如何保证继电器的可靠性，满足网络切换器整机系统的可靠性，是我们关注的焦点。

本文充分利用继电器的特点，采用继电器缺省直连和继电器冗余接入2种方法提高网络切换器的可靠性。

继电器缺省直连是指在以太网交换机无故障时，继电器不加电恒处于闭合状态，相当于直连线，切换器不加电，因而可靠性极高；在交换主机出现故障时，继电器处于开状态，交换机切换为备机输出。在交换机故障排除后，用户手动将网络切换器切换回A输出状态，然后控制网络切换器断电，进入常规工作模式[15]。

继电器冗余接入是指在网络切换器中某个端口的连线控制及联锁电路中，可增加相同继电器进行冗余连接，即选用2只相同规格、同参数的继电器并联使用，除绕组并联外，电触点也可以并联使用。

为简化分析，仅考虑一个端口的继电器控制可靠性。假定该端口采用继电器缺省直连和继电器冗余接入，其中继电器冗余接入为2个相同继电器进行并联，从上面的分析可以画出简化的可靠性方框图，如图7所示。

图7 简化的可靠性示意

继电器缺省直连的可靠率分别是Ka，在常规工作模式下，网络切换器的继电器不加电，相当于直连线，因此方法1的可靠性Ka=1。

继电器冗余接入1和继电器冗余接入2是2个相同器件的并联运行，假定它们的可靠率分别是K1和K2，其故障率分别是G1=1-K1和G2=1-K2，则方法2的可靠率为Kb=1-G1*G2。

若设继电器的可靠率为K1=K2=0.99，则同时采用方法1和方法2得到的该端口切换的可靠性为：

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

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

1*(1-(1-0.99)*(1-0.99))=0.999 9。

如果考虑32端口的网络切换器，每个端口均采用方法1和方法2进行控制，由于只要有一个端口切换失败，则表征网络切换器控制失败，所以32端口属于串联关系，因此32端口的网络切换器的可靠性为:

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

3 应用实例

某卫星地面站拥有多种类别测控终端及数传终端设备，担负着卫星状态遥测、控制、测距和数据传输等任务。为了保证各类任务数据的网络传输与交换，系统采用主、备交换机进行网络数据交换，主用交换机和备用交换机设置为堆叠热备工作。各类终端设备的数据传输按单路由设计，正常状况下，所有交换数据从主用交换机进行交换，当主用交换机发生故障时，由人工进行网线插拔的方式，将所有传输网线转接到备用交换机，由于每根网线的人工插拔转接需要一定的时间(ti)，而且动作是串行模式，造成时间的累积(T=∑ti)，也就是说，当使用人工方式由主用交换机切换到备用交换机进行网络数据传输时，数据传输中断的时间为T[16]。

某次实测的人工切换时间统计如表1所示，表中终端设备数量为21台/套，全部为单路由网络通信，主备端口切换时间指的是人工从主交换机某端口拔下，然后准确插入到备交换机，并确认联通就绪的时间。主备端口切换时间因新上岗人员还是熟练岗人员操作的不同而有所区别，熟练岗人员操作的时间一般小于新上岗人员,测试样本量5组(No1、No2、No3、No4、No5)。由于人工进行主备端口切换为串行操作，因此，人工切换操作时间的累积T=∑ti=145.72 s，即当人工进行网络切换时，数据传输中断的时间145.72 s，约2 min以上[17]。

表1 某次实测的人工切换时间统计

在卫星地面站终端设备与交换机间增加网络切换器装置后，主备端口切换为并行操作，切换时间大大降低，工作效率大幅度提高，且屏蔽了新上岗人员和熟练岗人员操作不同带来的时间差异性[18]。

增加网络切换器装置后进行网络切换的时间统计如表2所示，测试样本量是连续测试5组，主备端口切换时间指的是网络切换器控制某端口对应的工业继电器动作、联通就绪的用时(时间ti由网络切换器监控软件获得)。由于网络切换器装置控制端口切换为并行操作，因此每一组的主备端口切换时间为MAX(ti)，平均切换时间为0.96 s，即数据传输中断的时间为0.96 s。

表2 网络切换器装置切换的时间统计

设备序号标识i主备端口切换时间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平均时间0．96

由以上实测数据统计分析可知，当采用网络切换器装置进行堆叠交换机的主备切换时，切换时间小于1 s，数据传输中断时间小于1 s，比人员操作减少约144 s，工作效率提高144倍，数据传输可用度大幅度提高，具有很好的经济效益[19]。

4 结束语

本文提出了一种网络切换器装置总体设想，设计了千兆以太网交换机网络切换器，当卫星地面站主用交换机出现故障时，可以远程操作快速实现卫星地面站各测控设备及数传设备在主、备交换机之间的网络接入及切换，缩短故障应急处置时间，降低应急处置风险，提高卫星地面站系统的可用度，能够有效地保障卫星地面站执行卫星测控和数据中继任务的能力，是机电设备在网络切换领域中应用的一个有力尝试[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

许江来，张晖，崔帅，等.一种实现堆叠网络交换机快速切换控制的方法[J].无线电工程,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

许江来男，(1966—)，硕士，高级工程师。主要研究方向：航天测量与控制。

张晖男，(1969—)，博士研究生，高级工程师。主要研究方向：航天测量与控制。