一种实现10G以太网端口容灾的装置

1.一种实现10G以太网端口容灾的装置，包括CPU、10G以太网 MAC芯片、XAUI SERDES芯片、自动倒换逻辑模块、告警逻辑模块、10GE 光模块，其特征在于：
所述10G以太网MAC芯片通过XGMII接口和XAUI SERDES芯片连接；
所述XAUI SERDES芯片通过XAUI接口分别和两个10GE光模块连接， 形成主、备用端口的两条10G以太网链路；
所述XAUI SERDES芯片实现XGMII接口信号和两路XAUI接口信号之 间的转换，将一路XGMII接口信号转换成两路完全相同的XAUI接口信号， 或从两路XAUI接口信号中选取其中一路转换成XGMII接口信号；
所述自动倒换逻辑模块用于监测链路的工作状态，当主用链路发生故 障时，能够控制XAUI SERDES芯片，将数据流实时地切换到备用链路， 保证数据的传输不受影响；所述自动倒换逻辑模块的输出信号：一个连 接至XAUI SERDES芯片，控制它的工作状态；
所述告警逻辑模块用于在主、备用端口发生倒换后，向CPU发出告警 信号，所述告警逻辑模块的输入来自自动倒换逻辑模块输出的控制工作 状态信号。
2.如权利要求1所述实现10G以太网端口容灾的装置，其特征在 于：
任何时刻，所述主、备用端口的两条10G以太网链路只有一条处于工 作状态。
3.如权利要求1所述实现10G以太网端口容灾的装置，其特征在 于：
所述10G以太网MAC芯片是一个单独的芯片，或集成到网络处理器的 内部。
4.如权利要求1所述实现10G以太网端口容灾的装置，其特征在 于：
所述10GE光模块选择Xenpak，或Xpak、或X2类型的光模块。
5.如权利要求1所述实现10G以太网端口容灾的装置，其特征在 于：
所述自动倒换逻辑模块的输入信号来自两个10GE光模块提供的状态 输出信号：光模块报警信号和光模块在位信号，所述光模块报警信号通 过设置光模块内部的寄存器实现故障报警，所述光模块在位信号，用于 显示光模块是否正确地插入到槽位，
所述自动倒换逻辑模块的控制信号来自CPU，包括：
使能信号，是高电平时，自动倒换逻辑被启动，控制在两个端口之间 的自动切换；是低电平时，自动倒换逻辑被禁止，
主备端口控制信号，当主、备用端口的链路工作正常时，CPU通过主 备端口控制信号来指定主用端口，时钟信号。
6.如权利要求5所述实现10G以太网端口容灾的装置，其特征在 于所述自动倒换逻辑模块中用于控制XAUI SERDES芯片工作状态的输出 信号：
低电平时，XAUI SERDES芯片的XGMII接口和一路XAUI接口连通， 10G以太网端口的数据通道是10G以太网MAC芯片<-->XGMII接口<-->一 路XAUI接口<-->主、备用端口之一的一路10GE光模块；
高电平时，XAUI SERDES芯片的XGMII接口和另一路XAUI接口连通， 10G以太网端口的数据通道是10G以太网MAC芯片<-->XGMII接口<-->另 一路XAUI接口<-->主、备用端口之一的另一路10GE光模块。
7.如权利要求5所述实现10G以太网端口容灾的装置，其特征在 于：
所述自动倒换逻辑模块输出的出错告警信号，高电平表示正常，低电 平表示告警，当至少有一个端口工作正常时，输出高电平；当两个端口 工作都不正常，或出现不可能发生的情况时，输出低电平。
8.如权利要求1所述实现10G以太网端口容灾的装置，其特征在 于：
所述告警逻辑模块的输入来自自动倒换逻辑模块输出的控制工作状 态信号，当输出控制工作状态信号发生跳变时，告警逻辑模块输出一段 时间的低电平，向CPU发出中断信号，提醒CPU端口状态的变化。
9.如权利要求8所述实现10G以太网端口容灾的装置，其特征在 于：
所述输出控制工作状态信号的电平发生跳转时，经跳变沿检测电路， 输出一个时钟周期的低电平，周期由控制自动倒换逻辑模块的时钟信号 决定；
再经脉冲展宽电路，将低电平的低脉冲展宽输出，展宽的脉冲由告警 逻辑模块的时钟信号决定；
所述告警逻辑模块时钟信号的频率低于自动倒换逻辑模块的时钟信 号。

技术领域\n本发明涉及一种实现以太网端口容灾的装置，具体地说，是一种通过 硬件电路和逻辑器件实现10G以太网端口容灾的装置。\n技术背景\n10G以太网作为传统以太网技术的一次巨大的升级，在原有的千兆以 太网的基础上将传输速率提高了10倍，同时由于它采用了新的技术，使 它的传输距离大大增加，摆脱了传统以太网只能应用于局域网的范围限 制，使以太网延伸到了城域网和广域网。10G以太网技术是一种高速以太 网技术，但它仍然是以太网，它采用IEEE802.3以太网MAC(媒体访问 控制)协议、帧格式和帧长度。10G以太网和以往的以太网标准主要有以 下几点区别：\n(1)它将只采用光纤介质传输；\n(2)它只工作在全双工模式；\n(3)专门为在广域网中的应用增加了广域网接口子层WIS。\n10G以太网技术的优点是适用于各种网络结构，可以降低网络的复杂 性，能够简单、经济地构建各种速率的网络，可以满足骨干网大容量传 输的需求，解决了窄带接入、宽带传输的瓶颈问题，并与现行以太网技 术兼容。此外，由于LAN(局域网)、MAN(城域网)和WAN(广域网)采 用同一种核心技术，网络易于管理和维护，同时避免了协议转换，实现 了LAN、MAN和WAN的无缝连接。10G以太网技术是实现未来端到端光以 太网的基础。\nIEEE802.3ae指定的10G以太网的标准主要涉及ISO(国际标准化组 织)七层网络结构的第一、二层，即物理层和数据链路层。与千兆以太 网相比，10G以太网去掉了自协商子层。10G以太网有三个标准：1) 10GBASE-R是用于局域网的标准，可以在光纤上传输一路串行 10.3215Gbps的数据流；2)10GBASE-W是应用于广域网的标准，它可以 把以太网帧映射到OC-192的帧结构中，实现以太网和SDH的无缝连接； 3)10GBASE-X也是局域网的标准，它是采用CWDM(粗波分复用)技术在 光纤上传输数据的标准。\n10G以太网主要应用到以下领域：1)城域网骨干层点到点的10Gbps 链路传输；2)千兆以太网交换机的汇聚；3)大容量的数据访问如SAN (存储局域网)、数据备份和系统容灾。以上场合要求10G以太网端口能 够长时间可靠稳定地工作，一旦端口和链路发生了故障，将对系统造成 灾难性的后果。\n传统以太网采用STP(生成树协议)来进行网络中的故障恢复，这种 方式的缺点是故障恢复时间长，STP的重构需要多达十几秒的时间。在电 信网络中这是无法接受的。\n发明内容\n本发明的目的是针对10G以太网应用场合的要求，提出了一种实现 10G以太网端口容灾的装置，以满足系统的高可靠性要求。\n本发明是这样实现的：\n一种实现10G以太网端口容灾的装置，包括CPU、10G以太网MAC芯 片、XAUI SERDES芯片、自动倒换逻辑模块、告警逻辑模块、10GE光模 块，其特征在于：\n所述10G以太网MAC芯片通过XGMII接口和XAUI SERDES芯片连接；\n所述XAUI SERDES芯片通过XAUI接口分别和两个10GE光模块连接， 形成主、备用端口的两条10G以太网链路；\n所述XAUI SERDES芯片实现XGMII接口信号和两路XAUI接口信号之 间的转换，将一路XGMII接口信号转换成两路完全相同的XAUI接口信号， 或从两路XAUI接口信号中选取其中一路转换成XGMII接口信号；\n所述自动倒换逻辑模块用于监测链路的工作状态，当主用链路发生故 障时，能够控制XAUI SERDES芯片，将数据流实时地切换到备用链路， 保证数据的传输不受影响；\n所述告警逻辑模块用于在主、备用端口发生倒换后，向CPU发出告警 信号。\n任何时刻，所述主、备用端口的两条10G以太网链路只有一条处于工 作状态。\n所述10G以太网MAC芯片是一个单独的芯片，或集成到网络处理器的 内部。\n所述10GE光模块选择Xenpak，或Xpak、或X2类型的光模块。\n所述自动倒换逻辑模块的输入信号来自两个10GE光模块提供的状态 输出信号：光模块报警信号和光模块在位信号，所述光模块报警信号通 过设置光模块内部的寄存器实现故障报警，所述光模块在位信号，用于 显示光模块是否正确地插入到槽位，\n所述自动倒换逻辑模块的输出信号：一个连接至XAUI SERDES芯片， 控制它的工作状态；另一个是出错告警信号，送至CPU处理，\n所述自动倒换逻辑模块的控制信号来自CPU，包括：\n使能信号，是高电平时，自动倒换逻辑被启动，控制在两个端口之间 的自动切换；是低电平时，自动倒换逻辑被禁止，\n主备端口控制信号，当主、备用端口的链路工作正常时，CPU通过主 备端口控制信号来指定主用端口，时钟信号。\n所述自动倒换逻辑模块中用于控制XAUI SERDES芯片工作状态的输出 信号：\n低电平时，XAUI SERDES芯片的XGMII接口和一路XAUI接口连通， 10G以太网端口的数据通道是10G以太网MAC芯片<-->XGMII接口<-->一 路XAUI接口<-->主、备用端口之一的一路10GE光模块；\n高电平时，XAUI SERDES芯片的XGMII接口和另一路XAUI接口连通， 10G以太网端口的数据通道是10G以太网MAC芯片<-->XGMII接口<-->另 一路XAUI接口<-->主、备用端口之一的另一路10GE光模块。\n所述自动倒换逻辑模块输出的出错告警信号，高电平表示正常，低电 平表示告警，当至少有一个端口工作正常时，输出高电平；当两个端口 工作都不正常，或出现不可能发生的情况时，输出低电平。\n所述告警逻辑模块的输入来自自动倒换逻辑模块输出的控制工作状 态信号，当输出控制工作状态信号发生跳变时，告警逻辑模块输出一段 时间的低电平，向CPU发出中断信号，提醒CPU端口状态的变化。\n所述输出控制工作状态信号的电平发生跳转时，经跳变沿检测电路， 输出一个时钟周期的低电平，周期由控制自动倒换逻辑模块的时钟信号 决定；\n再经脉冲展宽电路，将低电平的低脉冲展宽输出，展宽的脉冲由告警 逻辑模块的时钟信号决定；\n所述告警逻辑模块时钟信号的频率低于自动倒换逻辑模块的时钟信 号。\n通过使用这种装置，两个10G以太网端口互为主备，预留50％的流 量用于容灾。当一条链路发生故障时，能够实时地把数据流切换到另一 条链路上，切换的时间取决于硬件电路的速度，因此不会发生大量的丢 包现象。其恢复时间大大优于传统的以太网故障恢复方法。\n附图说明\n图1为10G以太网的体系结构模型示意图；\n图2为本发明10G以太网端口容灾的装置示意图；\n图3为自动倒换逻辑模块的功能框图；\n图4为告警逻辑模块的功能框图。\n具体实施方式\n下面结合附图来进一步详细说明本发明的工作原理。\n如图1所示，10G以太网的标准只涉及到ISO的七层参考模型的最低 两层：物理层和数据链路层。这部分由硬件电路实现，各子层之间的接 口为XGMII接口和XAUI接口。本发明主要涉及这两层的内容。\n10G以太网体系结构和接口定义见附图1。1)XGMII(10G以太网媒 体无关接口)是PCS层(物理编码子层)和MAC层之间的接口，发送和 接收方向各有32位宽并行数据总线，每位数据速率312.5Mbps，加上控 制线、时钟线，一共74条信号线。2)XAUI(10G以太网附加单元接口) 是XGMII接口的扩展，用于两个XGXS子层(10G以太网扩展子层)之间 的连接，在PCB(印制电路板)上将XGMII接口的延伸范围从7厘米扩展 到50厘米。在本发明中，主要涉及到了这两种接口。\n图2所示是本10G以太网端口容灾装置的功能框图，该部分电路包括 一个10G以太网MAC、一个XAUI SERDES(复用/解复用)芯片、一个CPU (中央处理器)、自动倒换逻辑模块、告警逻辑模块和两个10GE(10G以 太网)光模块，其中10G以太网MAC可以是一个单独的芯片，也可以集 成到其它芯片(如网络处理器)的内部。10G以太网MAC通过XGMII接口 和XAUI SERDES芯片连接。XAUI SERDES芯片的作用是完成XGMII接口信 号和XAUI接口信号之间的转换，即把一路XGMII接口信号转换成两路完 全相同的XAUI接口信号；或从两路XAUI接口信号中选取一路转换成 XGMII接口信号。通过配置芯片外部引脚，可以控制XGMII接口和哪一个 XAUI接口连通。XAUI SERDES芯片通过两个XAUI接口分别和两个10GE 光模块连接。10GE光模块是一个高度集成的功能单元，内部包括光发射 模块、光接收模块、时钟和数据恢复模块、复用解复用模块等几个部分， 完成802.3ae标准规定的光电/电光转换、时钟提取和同步、串并/并串 转换、64B/66B编解码、WIS(广域网接口子层)功能、8B/10B编解码等 功能，其中WIS功能模块用于和广域网的接口，是可选功能。10GE光模 块与XAUI SERDES芯片之间的数据通道是XAUI接口。10GE光模块可以选 择Xenpak类型的光模块，也可以选择Xpak或X2类型的光模块。\n自动倒换逻辑模块负责监控链路的状态，当主用端口的链路发生故障 时，能够自动地把数据流及时地切换到备用端口，保证数据传输不受影 响，满足端口的高可靠性要求。10GE光模块提供两个状态输出信号：LASI 和MOD_DET。LASI是光模块的报警信号输出，当光模块正常工作时，LASI 输出高电平，当链路或光模块发生故障时，LASI输出低电平。可以通过 监测LASI的电平得知链路是否工作正常。具体来说，LASI对哪些故障报 警可以通过设置光模块内部的寄存器实现。MOD_DET是光模块的在位信 号，显示光模块有没有正确地插入到槽位中。当插上光模块时，MOD_DET 输出低电平，当光模块被拔掉时，MOD_DET输出高电平。两个光模块的 LASI和MOD_DET信号是自动倒换逻辑模块的输入信号。自动倒换逻辑模 块的输出信号有两个：一个连接到XAUI SERDES芯片，控制它的工作状 态；另一个是出错告警信号，送到CPU处理。\n自动倒换逻辑模块的内部功能框图如图3所示。下面对每个输入和输 出信号进行说明：\nLASI0和LASI1分别是端口0和端口1的两个光模块的告警输出信号， 在正常工作状态下，LASI0和LASI1输出高电平，当链路或光模块发生故 障时，LASI0和LASI1输出低电平；MOD_DET0和MOD_DET1分别是端口0 和端口1的两个光模块的在位信号，光模块在位的情况下，MOD_DET0和 MOD_DET1输出低电平，当光模块被拔掉后，MOD_DET0和MOD_DET1变成 高电平。这4个信号代表了链路和光模块的状态，作为自动倒换逻辑模 块的输入。\nEN是自动倒换逻辑模块的使能信号。当EN是高电平时，自动倒换逻 辑模块被启动，可以控制在两个端口之间的自动切换；当EN是低电平时， 自动倒换逻辑模块被禁止，输出信号PORT_SEL总是低电平，即总是选择 端口0作为主用端口。\nMST是主备端口控制信号。当端口0和端口1的链路都工作正常时， CPU可以通过MST信号来指定那个端口是主用端口：MST低电平时，端口 0是主用端口，端口1是备用端口；MST高电平时，端口1是主用端口， 端口0是备用端口。\nCLK是自动倒换逻辑模块的时钟信号。\nPORT_SEL是自动倒换逻辑模块的输出信号，用于控制XAUI SERDES 芯片的工作状态。当PORT_SEL是低电平时，XAUI SERDES芯片的XGMII 接口和XAUI A接口连通，这时10G以太网端口的数据通道是10G以太网 MAC<-->XGMII<-->XAUI A<-->端口0的光模块。当PORT_SEL是高 电平时，XAUI SERDES芯片的XGMII接口和XAUIB接口连通，这时10G 以太网端口的数据通道是10G以太网MAC<-->XGMII<-->XAUI B<--> 端口1的光模块。\nALARM是自动倒换逻辑模块的出错告警信号，送到CPU处理，高电平 表示正常，低电平表示告警。当至少有一个端口工作正常时，ALARM输出 高电平；当两个端口工作都不正常，或出现不可能发生的情况(如端口0 的光模块不在位而告警信号LASI0又是低电平)时，ALARM输出低电平。\n告警逻辑模块的功能框图如图4所示，下面对其进行说明：\n告警逻辑模块有一个输入信号：PORT_SEL，一个输出信号：INT。其 完成的功能是当PORT_SEL的状态发生跳变时，INT信号输出一段时间的 低电平，作为向CPU的中断信号，提醒CPU端口状态的变化。图4上半 部分的电路是跳变沿检测电路，当PORT_SEL的电平发生跳转时，APS_INT1 输出一个时钟周期的低电平(周期由CLK决定)。图4下半部分的电路是 脉冲展宽电路，把APS_INT1的低脉冲展宽，由INT输出。具体展成多宽 的脉冲取决于CLK2的频率。\nCLK2是告警逻辑模块的时钟信号，CLK2的频率要比CLK的频率低。\n显然，借助于本发明的端口容灾装置，当主用端口链路发生故障时， 单板上的控制逻辑可以自动实现主备端口之间的切换，把数据流由主用 端口切换到备用端口上，保证数据传输的影响。这个优点对于10G以太 网端口需要长时间连接并稳定工作的应用场合是非常合适的。