电信等级网络交换机的制作方法

1.本揭示文件是关于电信等级网络交换机，特别是一种2u/1.5u高度机框具有热插拔保护切换功能的网络交换机。2u高度机框中的每个低速接口界面单元支持16个光接口；1.5u高度机框中的每个低速接口界面单元支持8个光接口。


背景技术：

2.目前数据服务公司(data service provider)所用的网络交换机大部分是工业等级的硬件线路设计。除了电源及风扇部分具有热插拔保换切换外，其最重要的高速接口界面/高速网络交换处理/控制处理单元和低速接口界面单元不具备热插拔保护切换功能。为达到传输高可靠度的要求，一般借助两套网络交换机相互连接，并通过独立控制设备来进行传输保护切换，(亦即所谓的高可用度，high availability)，此不符合传统电信营运商需求。
3.在传统电信服务公司，所有的电信设备都需要以最高的可靠度来设计，(设备达到99.999％可靠度，每年平均中断服务时间不得超过5分15秒)。在数据服务供应商的数据中心中，是由多个网络交换机所组成，彼此以高速光缆线相互连接。(设备达到99.9％可靠度，每年平均中断服务时间不得超过8小时46分)当其中一个交换机发生问题或故障时，控制中心会侦测故障交换机的所在，并发出命令让数据流切换到正常的交换机，以继续提供讯务服务。由于控制中心所控制的交换机数量庞大且分散在各地，可能无法及时侦测出故障设备的所在、立即做出正确处理导致保护切换的时间不一致，因此无法满某些特殊通信需求，如5g系统中的超可靠低延迟通信(ultra-reliable low latency communication,urllc)的中1毫秒(1ms)保护切换的要求。


技术实现要素：

4.本揭示文件的一实施例中电信等级网络交换机是由两个子网络交换机所组成。依照客户组网需求，两个子网络交换可以设定为两个独立网络交换机；或者将两个子网络交换机设定为相互进行保护切换的电信等级网络交换机。当其中之一发生故障时，通过控制处理器对硬件线路监控、侦测和处理，快速地进行执行切换工作。例如第一子网络交换机中的高速接口界面/高速网络交换处理/控制处理单元发生故障时，其相对低速接口界面单元会被切换至第二子网络交换机，继续执行收发讯务；反之亦然。
5.本揭示文件的另一实施例中，是将两个子网络交换机设定为互相进行保护切换的电信等级网络交换机。在第一子网络交换机中某一个低速接口界面单元中的某一个接口发生故障时，此接口会被切换至第二子网络交换机中的高速接口界面/高速网络交换处理/控制处理单元中的相对接口界面上，继续执行收发讯务。若是在第一子网络交换机中的低速接口界面单元中数个接口发生故障时，亦会同时被切换至第二子网络交机换中的高速接口界面/高速网络交换处理/控制处理单元中的相对接口界面上。
6.本发明是一种电信等级网络交换机，包含：机框，其中该机框高度为2u或1.5u；以
及第一子网络交换机和第二子网络交换机，设置在该机框内，其中该第一子网络交换机和该第二子网络交换机具相同功能，借以使得该第一子网络交换机和该第二子网络交换机可设定为两个独立交换机或有保护切换的电信等级交换机。
7.较佳地，整合伺服器(sever)和交换机(switch)功能为一体，适合多接取边缘运算交换(multi-access edge computing,mec)。
8.较佳地，该机框更包括风扇散热模块以及多个单元，包括交流-直流(ac-dc)电源转换单元、直流-直流(dc-dc)电源转换单元、第一子网络交换机低速接口界面单元、第二子网络交换机低速接口界面单元、第一子网络交换机高速接口界面/高速网络交换处理/控制处理单元、第二子网络交换机高速接口界面/高速网络交换处理/控制处理单元以及网络管理与卫星导航时钟信号界面单元，其中所述单元以及该风扇散热模块配置及各种接口、开关及状态显示(leds)在该机框前面板(all front-access)。
9.较佳地，每一所述单元以及该风扇散热模块是由印刷电路板(pcb)所组成的，所述单元以及该风扇散热模块通过高速信号转接电路背板连结。
10.较佳地，所述单元以及该风扇散热模块具热插拔功能。
11.较佳地，可以提供一比一硬件保护切换功能，其中当该第一子网络交换机高速接口界面/高速网络交换处理/控制处理单元损坏时，该第一子网络交换机低速接口界面单元会自动切换至该第二子网络交换机中的高速网络交换芯片，由下层网络设备所传送的讯务，经该第一子网络交换机低速接口界面单元传送给该第二子网络交换机中的高速网络交换芯片执行。
12.较佳地，该一比一硬件保护切换功能的保护切换时间低于1毫秒(1ms)。
13.较佳地，可以提供一加一硬件保护切换功能，其中当该第一子网络交换机高速接口界面/高速网络交换处理/控制处理单元损坏时，该第一子网络交换机低速接口界面单元会自动切换至该第二子网络交换机中的高速网络交换芯片，由下层网络设备所传送的讯务，经该第一子网络交换机低速接口界面单元和该第二子网络交换机低速接口界面单元分别同时传送给该第一子网络交换机中的高速网络交换芯片，以及该第二子网络交换机中的高速网络交换芯片执行。
14.较佳地，该一加一硬件保护切换功能的硬件保护切换时间低于1毫秒(1ms)。
15.较佳地，下行的讯务分别从该第一子网络交换机中的高速网络交换芯片的前半部分接口经由该第一子网络交换机低速接口界面单元传送给下一层网络设备，以及从该第二子网络交换机中的高速网络交换芯片的后半部分接口经由该第二子网络交换机低速接口界面单元传送给下一层网络设备。
16.较佳地，当该第一子网络交换机中的高速接口界面/高速网络交换处理/控制处理单元的高速网络交换芯片中的其中接口故障时，该第一子网络交换机低速接口界面单元由现用路径切换到备用路径，输入讯务经由该备用路径传送到该第二子网络交换机中的高速接口界面/高速网络交换处理/控制处理单元中的高速网络交换芯片的对应接口。
17.较佳地，该高速接口界面和该低速接口界面用以提供本地回路测试功能(local loop test feature)。
18.较佳地，该高速接口界面和该低速接口界面用以提供远端回路测试功能(remote loop test feature)。
19.较佳地，更包括模拟信号输出和输入接口。
20.综上所述，电信等级网络交换机中两个子网络交换机中，各自有一个控制处理器，随时监控己方工作状况。控制处理器如侦测到交换机中硬件故障信息、或因软件问题经由高速交换芯片产生的告警信息，立即处理并将信息通知他方的控制处理器，经两者共同研判，起动传输路径选择器，将低速接口界面单元切换至正常的子网络交换机。此包含高速接口界面/高速网络交换处理/控制处理单元的切换和低速接口界面单元的切换。
附图说明
21.图1绘示根据本揭示文件的一实施例的电信等级网络交换系统的示意图。
22.图2绘示根据本揭示文件的一实施例的网络交换机的功能方框图。
23.图3绘示根据本揭示文件的一实施例的网络交换机的详细功能方框图。
24.图4绘示根据本揭示文件的一实施例的网络交换机的操作示意图。
25.图5绘示根据本揭示文件的一实施例的网络交换机的操作示意图。
26.图6绘示根据本揭示文件的一实施例的网络交换机的操作示意图。
27.图7绘示根据本揭示文件的一实施例的操作方法流程图。
28.【主要元件符号说明】
29.10：电信等级网络交换机
30.20：交流-直流电源转换单元
31.30：直流-直流电源转换单元
32.40：管理与卫星导航时钟信号界面单元
33.50：风扇散热模块
34.100：电信等级网络交换机
35.120a：第一子网络交换机低速接口界面单元
36.120b：第二子网络交换机低速接口界面单元
37.130a：第一子网络交换机高速接口界面/高速网络交换处理/控制处理单元
38.130b：第二子网络交换机高速接口界面/高速网络交换处理/控制处理单元
39.121：低速接口界面收发器
40.122：传输路径选择器
41.131a、131b：高速网络交换芯片
42.132：控制处理器
43.133：高速接面界面收发器
44.140:高速信号转接电路背板
45.200：操作方法
46.s210、s220、s230：步骤
47.h1：高度
48.l1：长度
49.w1：宽度
具体实施方式
50.在本文中所使用的用词『包含』、『具有』等等，均为开放性的用语，即意指『包含但不限于』。此外，本文中所使用的『及/或』，包含相关列举项目中一或多个项目的任意一个以及其所有组合。
51.在本文中，当一元件被称为『连结』或『耦接』时，可指『电性连接』或『电性耦接』。『连结』或『耦接』亦可用以表示二或多个元件间相互搭配操作或互动。此外，虽然本文中使用『第一』、『第二』、
…
等用语描述不同元件，该用语仅是用以区别以相同技术用语描述的元件或操作。除非上下文清楚指明，否则该用语并非特别指称或暗示次序或顺位，亦非用以限定本揭示文件。
52.请参考图1，图1绘示根据本揭示文件的一实施例的电信等级网络交换机10的示意图。电信等级网络交换机10由高度h1、长度l1及宽度w1的机框所装载，系统机框包含交流-直流(ac-dc)电源转换单元20、直流-直流(dc-dc)电源转换单元30、第一子网络交换机低速接口界面单元120a、第二子网络交换机低速接口界面单元120b、第一子网络交换机高速接口界面/高速网络交换处理/控制处理单元130a、第二子网络交换机高速接口界面/高速网络交换处理/控制处理单元130b、网络管理与卫星导航时钟信号界面单元40、风扇散热模块50及高速信号转接电路背板140。
53.如图1所绘示，电信等级网络交换机10的机框设计为全前方接取(allfront-access)设计，包括电源转换单元的热插拔、低速接口界面单元的热插拔、高速接口界面/高速网络交换处理/控制处理单元的热插拔、和风扇模块的热插拔。上述各种单元和模块均直接插入高速信号转接电路背板140，形成完整的电信等级网络交换机100，同时通过单元的热插拔，进行单元、模块的维护更换，不中断交换机的讯务服务。
54.在一实施例中，高度h1、长度l1及宽度w1分别是不高于(含)2u高度(1u＝1机架单位＝1.75英吋)、10英吋长度及19英吋宽度，网络交换系统10的高度、长度及宽度不以上述为限，可以根据实际情况有所调整。电源转换单元可以是交流-直流(ac-dc)转换电路单元或直流-直流(dc-dc)转换电路单元的任意组合。
55.请参考图2，图2绘示根据本揭示文件的一实施例的电信等级网络交换机100的功能方框图。第一子网络交换机110a包含低速接口界面单元120a及高速接口界面/高速网络交换处理/控制处理单元130a，第二子网络交换机110b包含低速界面电路120b及高速接口界面/高速网络交换处理/控制处理单元130b。上述各单元和模块均通过高速信号转接电路背板140相连接。详细的操作将在后续描述。
56.请参考图3，图3绘示根据本揭示文件的一实施例的电信等级网络交换机100详细功能方框图。第一子网络交换机中的低速接口界面单元120a及第二子网络交换机中的低速接口界面单元120b各自包含低速接口界面收发器121及传输路径选择器122。为了方便说明，图3只绘示6组低速接口界面收发器121及传输路径选择器122，然而低速接口界面收发器121及传输路径选择器122的数量不以此为限，可以根据实际情况有所调整。
57.低速接口界面收发器121用以收发讯务，传输路径选择器122用以控制输入的讯务经由高速信号转接电路背板140再传送到第一子网络交换机110a中的高速接口界面/高速网络交换处理/控制处理单元130a或第二子网络交换机110b中的高速接口界面/高速网络交换处理/控制处理单元130b。对下行讯务而言，传输路径选择器122是根据电信等级网络
交换机100的系统工作状况选择讯务传送路径是现用路径(第一路径)或备用路径(第二路径)。对于由下一层网络设备送来的上行讯务而言，传输路径选择器122可用以使输入的讯务同时借由第一路径及第二路径可同时(1 1保护模式)或个别(1:1保护模式)传送到第一子网络交换机110a中的高速接口界面/高速网络交换处理/控制处理单元130a及第二子网络交换机110b中的高速接口界面/高速网络交换处理/控制处理单元130b。
58.在一实施例中，低速界面收发器121可以是10gbps/25gbps/40gbps/100gbps物理层界面收发器，具备ieee 1588v2精准时钟同步功能以及支援多层网络协定运作模式。
59.第一子网络交换机中的高速接口界面/高速网络交换处理/控制处理单元130a及第二子网络交换机中的高速接口界面/高速网络交换处理/控制处理单元130b各自包含高速网络交换芯片131、控制处理器132及高速接口界面收发器133。经由高速接口界面收发器133传送上一层网络设备传送下来的数据封包，被传送至高速网络交换芯片131，做数据封包的拆解、处理，按ieee规范中要求将数据再打包，依网络设定地址，传送至相对的输出埠，经过高速信号转接电路背板140，传送到传输路径选择器122，最后经由低速接口界面收发器121，将数据传送至下一层网络设备。反之；由下一层网络设备所传送来数据封包，经由低速接口界面收发器121和传输路径选择器122，经过高速信号转接电路背板140，传送至高速网络交换芯片131，经处理后再经高速接口界面收发器133，再往上一层网络设备传送。每个子网络交换机中的线路监测点所产生的信息经由fpga收集、处理再传送给控制处理器132。电信等级网络交换机100中的两个控制处理器132是以10gbps或pcie接口界面连结，随时将自身所收集到的信息告知对方，以启动传输路径选择器122的传输路径。
60.在一实施例中，高速网络交换芯片131可以是100gbps/400gbps网络交换器，用以执行低速端(10gbps/25gbps/40gbps/100gbps)讯务与高速端(100gbps/400gbps)讯务之间的封包处理、交换和传送，具有网络第二层(资料连结层，data link layer)交换功能及网络第三层(网络层，network layer)路由器功能，并支援虚拟网络架构(network functions virtualization，nfv)功能。
61.在一实施例中，第一子网络交换机中的高速接口界面/高速网络交换处理/控制处理单元130a及第二子网络交换机中的高速接口界面/高速网络交换处理/控制处理单元130b的高速网络交换芯片131都各有两个高速堆迭埠(stacking port)，例如100gbps堆迭埠，用来将两个高速网络交芯片131堆迭组合，当第一子网络交换机中的高速接口界面/高速网络交换处理/控制处理单元130a的高速网络交换芯片131的高速界面接口产生壅塞现象时，一部分封包会经由第一子网络交换机中的高速接口界面/高速网络交换处理/控制处理单元130a中的高速网络交换芯片131的堆迭埠送往第二子网络交换机中的高速接口界面/高速网络交换处理/控制处理单元130b的高速网络交换芯片131的堆迭埠，再经由第二子网络交换机中的高速接口界面/高速网络交换处理/控制处理单元130b的高速网络交换芯片131的高速界面接口经高速接口界面收发器133往上一层的网络设备传送。
62.在一实施例中，控制处理器132可以是中央处理器、微处理器或其他具有系统管理、监控、设定与维护功能的处理器，并具有ieee 1588v2 1-step ptp(precisiontime protocol)精准同步时钟演算法的运算功能，如intel x86系列或arm based处理器。控制处理器132用于电信等及网络交换机100的保护切换条件的认定与执行。
63.在一实施例中，高速接口界面收发器133可以是100gbps物理层界面收发器，以4组
25gbps数据流组成100gbps讯务，或8组50gbps数据流组成400gbps讯务，具备ieee 1588v2精准时钟同步功能以及支援多层网络协定运作模式。
64.请参考图4，图4绘示根据本揭示文件的一实施例的电信等级网络交换机100操作示意图。在正常操作下，电信等级网络交换机100经由低速接口界面单元120a或低速接口界面单元120b的低速界面收发器121接收输入下一层网络设备所传送的讯务。借由传输路径选择器122切换为现用路径，使得第一子网络交换机中的低速接口界面单元120a中的输入讯务经由现用路径传送到高速信号转接电路背板140再到高速接口界面/高速网络交换处理/控制处理单元130a，第二子网络交换机中的低速接口界面单元120b中的输入讯务经由现用路径传送到高速信号转接电路背板140再到高速接口界面/高速网络交换处理/控制处理单元130b。
65.第一子网络交换机中的高速接口界面/高速网络交换处理/控制处理单元130a中的网络交换芯片131接收到输入讯务后，经过处理后传送到高速接口界面收发器133，经由高速接口界面收发器133往上一层的网络设备传送。同样地，第二子网络交换机中的高速接口界面/高速网络交换处理/控制处理单元130b中的网络交换芯片131接收到输入讯务后，经过处理后传送到高速接口界面收发器133，经由高速接口界面收发器133往上一层的网络设备传送。图4中，现用路径(第一路径)以实线表示输入讯务传送的路径，备用路径(第二路径)以虚线表示非输入讯务传送的路径。
66.请参考图5，图5绘示根据本揭示文件的一实施例的电信等级网络交换机100操作示意图。当电信等级网络交换机100的接口故障时，例如第一子网络交换机中的高速接口界面/高速网络交换处理/控制处理单元130a的高速网络交换芯片131的第2个接口故障时，低速接口界面单元120a的第二个通道会经由第二个传输路径选择器122由现用路径切换到备用路径，接着输入讯务经由备用路径传送到第二子网络交换机中的高速接口界面/高速网络交换处理/控制处理单元130b中的高速网络交换芯片131的第2个接口，完成后续操作。故障的接口数量不限于一个，当多个接口故障时，故障接口的对应的传输路径选择器122都能够迅速切换至备用路径完成后续操作。
67.相反地，当第二子网络交换机中的高速接口界面/高速网络交换处理/控制处理单元130b的高速网络交换芯片131的第2个接口故障，低速接口界面单元120b的第二个通道会经由第二个传输路径选择器122由现用路径切换到备用路径，接着输入讯务经由备用路径传送到第一子网络交换机中的高速接口界面/高速网络交换处理/控制处理单元130a中的高速网络交换芯片131的第2个接口，完成后续操作。故障的接口数量不限于一个，当多个接口故障时，故障接口的对应的切换开关传输路径选择器122都能够迅速切换至备用路径完成后续操作。
68.请参考图6，图6绘示根据本揭示文件的一实施例的高速网络交换芯片131操作示意图。当电信等及网络交换机100中的高速网络交换芯片131故障时，例如第一子网络交换机中的高速接口界面/高速网络交换处理/控制处理单元130a中的高速网络交换芯片131故障，则第一子网络交换机中的低速接口界面单元120a中所有的传输路径选择器122都会切换到备用路径(第二路径)，使进入低速接口界面单元120a的输入讯务都会经由备用路径传送到第二子网络交换机中的高速接口界面/高速网络交换处理/控制处理单元130b的接口，之后由高速接口界面/高速网络交换处理/控制处理单元130b中的网络交换器131完成后续
操作。
69.相反地，当第二子网络交换机中的高速接口界面/高速网络交换处理/控制处理单元130b中的高速网络交换芯片131故障，则第二子网络交换机中的低速接口界面单元120b中所有的传输路径选择器122都会切换到备用路径(第二路径)，使进入低速接口界面单元120b的输入讯务都会经由备用路径传送到第一子网络交换机中的高速接口界面/高速网络交换处理/控制处理单元130a的接口，之后由高速接口界面/高速网络交换处理/控制处理单元130a中的网络交换器131完成后续操作。
70.在一实施例中，第一子网络交换机中的高速接口界面/高速网络交换处理/控制处理单元130a中的控制处理器132(设定为主控制处理器，master)及第二子网络交换机中的高速接口界面/高速网络交换处理/控制处理单元130b中的控制处理器132(设定为从控制处理器，slave)之间是以一个10gbps网络通道连接，两个控制处理器132会互相备份各自运作时所有的参数，当第一子网络交换机110a发生故障时，控制处理器132启动保护切换。第二子网络交换机110b接管第一子网络交换机110a的讯务，同时其控制处理器132继续监管系统运作，其扮演的脚色从slave转变成master。反之亦然。
71.在一实施例中，电信等级网络交换机100可以提供使用者设定为一比一的使用模式。当一比一的使用模式时，由上一层网络设备传送讯务分别传送给第一子网络交换机110a和第二子网络交换机110b，经2个网络交换机中的控制处理器132的控制及处理，若是两个子网络交换机中的高速接口界面/高速网络交换处理/控制处理单元130a和130b均处正常状态下，下行的讯务分别从第一子网络交换机110a中的高速网络交换芯片131a的前半部分(例如第1～第8或第1～第16)接口经由低速接口界面单元120a传送给下一层网络设备，第二子网络交换机中的高速网络交换芯片131b的后半部分(例如第9～第16或第17～第32)接口经由低速接口界面单元120b传送给下一层网络设备。假若第一子网络系统中的高速接口界面/高速网络交换处理/控制处理单元130a损坏时，其低速接口界面单元120a会被切换至第二子网络交换机中的高速网络交换芯片131b的前半部分(例如第1～第8或第1～第16)接口，继续执行收发讯务。由下层网络设备所传送的讯务，经低速接口界面单元120a和120b各自传送给第二子网络交换机110b中的高速网络交换芯片131b中的前半部分(例如第1～第8或第1～第16)接口和后部分(例如第9～第16或第17～第32)接口。反之亦然。
72.在一实施例中，电信等级网络交换机100可以提供使用者设定一加一的使用模式。当被设定为一加一的使用模式时，由上一层网络设备传送的讯务同时传送给第一子网络交换机110a和第二子网络交换机110b，经2个网络交换机中的控制处理器132的控制及处理，若是两个子网络交换机中的高速接口界面/高速网络交换处理/控制处理单元130a和130b均处正常状态下，下行的讯务分别从第一子网络交换机中的高速网络交换芯片131a的前半部分(例如第1～第8或第1～第16)接口经由低速接口界面单元120a传送给下一层网络设备，第二子网络交换机中的高速网络交换芯片131b的后半部分(例如第9～第16或第17～第32)接口经由低速接口界面单元120b传送给下一层网络设备。假若第一子网络系统中的高速接口界面/高速网络交换处理/控制处理单元130a损坏时，其低速接口界面单元120a会被切换至第二子网络交换机中的高速网络交换芯片131b的前半部分(例如第1～第8或第1～第16)接口，继续收发讯务。不管第一子网络交换机110a或第二子网络交换机110b的状态为何，下层一网络设备所传送的讯务，经低速接口界面单元120a和120b各自分别同时传送给
两个子网络交换机110a、110b中的高速网络交换芯片131a和131b，以继续执行后续工作。
73.在一实施例中，低速接口界面收发器121及高速接口界面收发器133具有系统自我测试(in system diagnostic test)的信号产生器与检验器，可以执行近端回接测试(near-end loopback test)、远端回接测试(far-end loopback test)及高速信号开眼图形监测(eye diagram monitoring)等功能。
74.在一实施例中，传输路径选择器122具有时钟信号撷取(clock recovery)信号再生(re-timing)、差动信号(differential signal pair)极性反转设定及随机信号(pseudo-random binary sequence,prbs)产生器与高速信号开眼图形监测(eye diagram monitoring)等功能，适用于系统测试与参数调整。
75.在一实施例中，电信等级网络交换系统10配备多重全球卫星导航系统(multi-gnss)接收器模块，可以接收美国的全球定位系统gps、俄罗斯的格洛纳斯系统(glonass)、中国的北斗卫星导航系统(beidou)与欧盟的伽利略定位系统(galileo)的信号，解调出1pps(pulse per second)与10mhz精准信号，当作ieee 1588v2 1-step ptp精准时钟同步网络的参考信号源。
76.请参考图7，图7绘示根据本揭示文件的一实施例的操作方法200流程图。为使图7所示的操作方法200易于理解，请同时参考图3。操作方法200包含步骤s210、步骤s220及步骤s230。步骤s210，通过现用路径传送输入讯务到第一子网络交换机110a或通过现用路径传送输入讯务到第二子网络交换机110b。步骤s220，当第一子网络交换机110a故障时，控制第二子网络交换装置110b接收输入讯务。步骤s230，当第二子网络交换装置110b故障时，控制第一子网络交换装置110a接收输入讯务。
77.综上所述，网络交换机借由双重架构实现电信等级的高信赖度、具有备用快速保护切换功能的高速网络交换器平台。同时建构与卫星导航精准时钟同步的高速传输交换网络，具备ieee 1588v2 1-step ptp封包同步协定与sync e同步式网络架构功能。
78.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。