一种三级交换矩阵故障自动切换装置及路由快速重选方法与流程

本发明涉及卫星通信信号交换，尤其涉及一种三级交换矩阵故障自动切换装置及路由快速重选方法。

背景技术：

1、在现代卫星通信信号交换网络中，特别是核心路由交换设备中，交换矩阵（switching fabric）是信号传输的核心枢纽。随着端口规模与信号带宽需求的激增，大规模交换矩阵常采用三级clos架构（如c(n,m,r)结构）来实现无阻塞或可重排无阻塞交换，以在成本、功耗和性能间取得平衡。

2、然而，交换矩阵通常由大量矩阵芯片或板卡构成，这使其成为故障高发区。例如，单个矩阵内部的分配器（demux）、内部链路选择器（mux）可能因单事件扰动或硬件老化而出现随机故障，导致信号无法正确路由。现有的一对一（1+1）热备份保护虽然切换快，但需要100%的资源冗余，成本极高。而n+1冷备份方案在故障发生后需要重新配置矩阵，切换时间较长，可能超过50ms的业务保护阈值，导致业务中断。

3、此外，现有技术中的链路故障切换多集中于对外的物理链路冗余（如以太网链路冗余），其监控模块与切换模块通常位于交换机端口侧，而非直接作用于交换矩阵内部。对于矩阵内部任意交叉点的故障，缺乏一种细粒度、低开销且能快速恢复通道的机制。因此，急需一种能够在线检测三级矩阵内部故障、并利用算法快速选择备用路径进行无中断切换的装置和方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种三级交换矩阵故障自动切换装置及路由快速重选方法，以解决现有技术中三级交换矩阵故障检测慢、切换资源开销大或切换时间过长导致业务中断的问题。

2、本发明是采用以下技术方案实现的：一种三级交换矩阵故障自动切换装置，包括：

3、三级clos无阻塞交换矩阵，所述三级clos无阻塞交换矩阵包括输入级、中间级和输出级，所述输入级包含r个n×m子矩阵，所述中间级包含m个r×r子矩阵，所述输出级包含r个m×n子矩阵，且满足m = 2n；

4、故障监控单元，嵌入于各级矩阵的每一路信号传输路由中，被配置为实时监测各条路由链路的物理层信号状态；

5、中央控制器，分别与故障监控单元及外部指令输入端信号连接，被配置为接收故障告警信息及外部输入的通道切换指令，并根据预设的重选算法决策出新的无阻塞路由；

6、切换执行单元，与中央控制器及各级矩阵的开关控制端连接，被配置为接收中央控制器下发的路由配置信息，并驱动各级矩阵执行相应的开关状态切换。

7、进一步的，所述故障监控单元包括：

8、信号源模块，用于生成固定频率的工作频率带外的射频测试信号，所述测试信号通过开关切换及耦合方式注入至设备的所有输入端口；

9、功率检测模块，依据输出电压值判断对应内部链路的通断状态，以实现物理层故障的快速定位。

10、进一步的，所述中央控制器内部构建有：路由表，用于记录当前时刻所有输入端口至输出端口的实际路由路径，每一条路由路径采用结构体route表征，包含ich字段和num字段，所述路由表为结构体数组route[n]，数组下标对应输出端口号。

11、进一步的，所述中央控制器内部还构建有：记录表，为路由表的扩展存储结构，即结构体数组route_tab[m]，采用先进先出缓冲队列，用于缓存最近多次生成的历史路由表，以供后续通道切换时快速复用。

12、进一步的，所述中央控制器内部还构建有：状态表，被构造为三维数组status_table[n][n][m]，其中第一维索引表示输出端口号，第二维索引表示输入端口号，第三维索引表示路径编号，所有元素默认初始化为0表征对应路径状态正常，当某条路径被检测为异常时其对应元素被置为1表征该路径不可用。

13、一种三级交换矩阵故障自动切换装置的路由快速重选方法，基于上述所述的三级交换矩阵故障自动切换装置实现，包括以下步骤：

14、步骤s1：初始化时，为各输入端口与输出端口之间的每一对通道分配初始路由路径，生成初始路由表并进行存储；

15、步骤s2：进入稳态工作，按照当前路由表执行数据交换，同时持续监测各级矩阵链路状态并监听外部通道切换指令；

16、步骤s3：当监测到链路故障时，标记故障路径并为其对应的端口对重新分配可用路径，更新当前路由表并存储；

17、步骤s4：当接收到外部通道切换指令时，调用已存储的历史路由表作为参考，结合当前链路占用及异常状态对参考表进行修订，补全缺失路径，生成新路由表并存储；

18、步骤s5：将生成的新路由表下发并驱动各级矩阵执行开关状态切换，完成后返回步骤s2。

19、进一步的，步骤s1具体为：上电初始化时，为每一对输入端口i至输出端口j分配路由路径，路径分配需同时满足中间级对应链路当前处于空闲状态以及该路径在状态表中的对应元素不为1两个约束条件，完成全部n对输入输出通道的路径分配后，生成完整的初始路由表，并将该路由表写入记录表的fifo队列尾部。

20、进一步的，步骤s2具体为：进入稳态工作模式，数据流按照当前路由表所记录的路径进行无阻塞交换，同时故障监控单元持续对各级子矩阵的所有链路执行周期性物理层巡检，所述中央控制器同步监听外部输入的通道切换指令。

21、进一步的，步骤s3具体为：当所述故障监控单元在某条链路上检测到物理层信号异常时，立即向中央控制器上报故障信息，中央控制器将状态表中与该链路对应的元素置为1，并调用步骤s1的路径分配原则重新分配一条可用新路径，分配成功后更新当前路由表并将更新后的完整路由表写入记录表的fifo队列尾部。

22、进一步的，步骤s4具体为：当中央控制器接收到外部输入的通道切换指令时，中央控制器在记录表的fifo队列中查找与目标切换对应关系匹配度最高的历史路由表作为参考表，结合当前各通道的实际占用状态及状态表中的异常标记对参考表进行修订，对于参考表中缺失但为目标切换所必需的新增通道调用步骤s1的路径分配原则为其补充分配可用新路径，若参考表经修订后发生变更，则将修订后的新路由表作为当前有效路由表并写入记录表的fifo队列尾部。

23、本发明的有益效果在于：

24、本发明低冗余成本，不需要1+1的完全备份，利用clos架构固有的路径多样性进行故障恢复，仅需少量算法开销即可实现高可靠性；并且通过结合记忆表快速缓存与动态路由查表的双重机制，既保证了突发故障时路径重选的效率，又避免了极端情况下的寻路死锁。

25、本发明单通道检查时间为：can发送指令切换输入板卡和输出板卡检波开关（同时spi发送监测模块通道选择开关）用时0.16ms，信号建立以及ad监测判断状态0.02ms，总共用时0.18ms。单通道控制时间为：软件分配路由时间约0.05ms，can发送指令切换3级板卡用时0.72ms，总共0.77ms。

26、以c (8,16,16) 128×128举例，同时选同通道为128路，巡检周期为：128×0.18=23.04ms。故障检测到切换完成的端到端时长为：巡检周期23.04+单通道控制时间0.77=23.81ms。实测值为23.65ms。

27、以c (4,8,8) 32×32举例，同时选同通道为32路，巡检周期为：32×0.18=5.76ms。故障检测到切换完成的端到端时长为：巡检周期5.76+单通道控制时间0.77=6.53ms。实测值为6.37ms。

28、本发明细粒度容错，故障监控单元不仅监测板卡级故障，还能精确到芯片内部的交叉点或链路故障，实现精准定位和局部修复，避免因单点故障导致整个矩阵板切换；并且算法基于clos矩阵的无阻塞特性进行设计，在切换过程中严格检查中间级输出端口的占用状态，确保新分配的路径不会干扰已有的其他业务通道。