交换式以太网范文

交换式以太网范文（精选10篇）

交换式以太网 第1篇

网络监听也叫嗅探, 其英文名是Sniffing, 网络监听器是一种网络监测设备, 既可以是硬件, 也可以是软件, 硬件形式的sniffer称为网络分析仪, 一般都是商业性的, 价格也比较贵。软件形式的sniffer在Window s和Unix平台上都很多, 其优点是价格便宜, 易于学习使用;缺点是无法抓取网络上所有的传输, 某些情况下也就无法真正了解网络的运行情况。

2 常见的局域网类型

目前常见的局域网类型包括:以太网、光纤分布式数据接口、异步传输模式、令牌环网、交换网等, 它们在拓朴结构、传输介质、传输速率、数据格式等多方面都有许多不同。其中应用最广泛的当属以太网一种总线结构的LAN, 是目前发展最迅速、也最经济的局域网。

早期局域网技术的关键是如何解决连接在同一总线上的多个网络节点有秩序的共享一个信道的问题, 而以太网络正是利用载波监听多路访问/碰撞检测 (CSMA/CD) 技术成功的提高了局域网络共享信道的传输利用率, 从而得以发展和流行的。交换式快速以太网及千兆以太网是近几年发展起来的先进的网络技术, 使以太网络成为当今局域网应用较为广泛的主流技术之一。随着电子邮件数量的不断增加, 以及网络数据库管理系统和多媒体应用的不断普及, 迫切需要高速高带宽的网络技术。交换式快速以太网技术便应运而生。

当前大多的以太网络, 都是基于交换机的交换式以太网。以太网中的数据包有三种:单播、组播、广播。

3 在以太网中的监听

以太网协议的工作方式为将要发送的数据包发往连接在一起的所有主机。在包头中包括着应该接收数据包的主机的正确地址。因此, 只有与数据包中目标地址一致的那台主机才能接收数据包。但是, 当主机工作在监听模式下, 无论数据包中的目标物理地址是什么, 主机都将接收。数字信号到达一台主机的网络接口时, 在正常情况下, 网络接口读入数据帧, 然后进行检查, 如果数据帧中携带的物理地址是自己的, 或者物理地址是广播地址, 将由数据帧交给上层协议软件, 也就是IP层软件, 否则就将这个帧丢弃。对于每一个到达网络接口的数据帧, 都要进行这个过程。然而, 当主机工作在监听模式下, 则所有的数据帧都将交给上层协议软件处理。局域网的这种工作方式, 一个形象的例子是, 大房间就像是一个共享的信道, 里面的每个人好像是一台主机。人们所说的话是信息包, 在大房间中到处传播。当我们对其中某个人说话时, 所有的人都能听到。但只有名字相同的那个人, 才会对这些话语做出反应, 进行处理。其它的人听到了这些话语, 因为名字不是自己, 则忽略这些话语。当连接在同一条电缆或集线器上的主机被逻辑地分为几个子网时, 如果主机处于监听模式下, 它还能接收到发向与自己不在同一子网的主机的那些信包。也就是说, 在同一条物理信道上传输的所有信息都可以被接收到。但不能监听不在同一个网段的计算机传输的信息。一台计算机只能监听经过自己网络接口的那些信息包。

4 ARP欺骗

ARP协议是地址解析协议, 利用ARP欺骗来网络监听是常用的手段。举例来看, 一个交换式以太网, A, B, C三台主机都连一个SWITCH上。这时, A向B发起一个请求, 这个请求数据包会传向SWITCH连接B的端口, B也会收到这个请求, 而C不会收到, 因为SWITCH可以通过查询自身的ARP表从而知道这个数据应该发向B而不是C。接下来, 我们想办法让这这个请求数据包发向C主机, 这里可用的方法有在SWITCH上配置镜像, 或者使用ARP欺骗。利用ARP欺骗来实现网络监听, 在同一网络中所以机器是通过MAC地址通讯, 通讯时先寻找对方的IP地址, 然后在通过ARP表 (ARP表里面有所有可以通讯IP和IP所对应的MAC地址) 调出相应的MAC地址, 然后通过MAC地址与其进行通讯。网内的任何一台主机都可以轻松的发送ARP广播, 来宣称自己的IP和自己的MAC。这样收到的机器都会在自己的ARP表格中建立一个它的ARP项, 记录它的IP和MAC地址。如果这个广播是错误的其他机器也会接受。这样, 如果C广播内容的IP是网关的IP, 但是MAC地址是自己的MAC地址, 这样被监听的网络就把C当作了网关, 信息由监听主机转发给网关。当这个请求发向C后, C的网卡会检查这个数据包是否是发向自己的, 并根据网卡本身的工作模式来判定是接收还是丢弃这个请求。默认情况下, 网卡会丢弃目标MAC不是自己的数据包, 而当网卡工作在混杂模式时, 就会将这些数据包全部接收, 从而完成数据包捕获。

理论上可以通过手动构造数据包来完成ARP欺骗, 但在实际操作中困难较大, 因为人的反应比起来电脑来, 始终要慢很多。推荐使用专用的ARP欺骗软件实现, 这里推荐使用Switch Sniffer, 该软件功大, 简单易用。

5 网络监听工具

目前存在许多网络监听工具, 这里对其中比较有代表性的几个监听工具进行了分析。

Ne tw ork Ge ne ral:Ne tw ork Ge ne ral开发了多种产品。最重要的是Expert Sniffer, 它不仅仅可以sniffing, 还能够通过高性能的专门系统发送/接收数据包。还有一个增强产品Distrbuted Sniffer Syste m, 可以将UNIX工作站作为s niffe r控制台, 而将Sniffe r Age nts分布到远程主机上。Misrosoft's Net Monitor:对于某些商业站点, 可能同时需要运行多种协议如Net BEUI、IPX/SPX、TCP/IP、802.3和SNA等。这时很难找到一种sniffer帮助解决网络问题, 因为许多Sniffer往往将某些正确的协议数据包当成了错误数据包。Microsoft的Net Monitor可以解决这个难题。它能够正确区分诸如Ne tw are控制数据包、Net Bios名字服务广播等独特的数据包。

Win Dum p:最经典的Unix平台上的te pdum p的Window s移植版, 和tepdump几乎完全兼容, 采用命令行方式运行。

Sniffit:由Law re nce Be rke le y实验室开发, 运行于Solaris和Linux等平台。可以选择源、目标地址或地址集合, 还可以选择监听的端口、协议和网络接口等。

Tcpdum p:最经典的网络监听工具, 被大量的Unix系统采用。

6 总结

随着互联网的迅猛发展, 对于网络的攻防技术将日新月异, 网络监听技术也将快速发展。本文讨论了以以太网络监听技术的基本原理和常用的ARP欺骗, 在此基础上介绍了部分通用的网络监听工具并进行了比较。为学习和熟悉网络监听技术提供了有益的帮助。

摘要：因特网成功把网络带入家家户户。Sniffer对于网络信息安全具有特殊的意义, 该文讨论了网络监听技术, 分析了ARP欺骗原理, 并讲解了几种监听工具。

深度说明千兆以太网交换技术 第2篇

目前形式下，广电的宽带城域网承载的都是基于IP的业务，承载IP的平台主要有ATM、千兆以太网、POS、DPT这四种技术。本文不做ATM和千兆以太网承载IP的比较，将会有另一文章专门 论述这一课题。 POS最初是用于广域网在SDH上承载IP的技术，也可以用于探光纤上在城域网使 用。DPT是 CISCO公司专有的城域网技术。

以太网：IEEE802.3定义了10Mbps的以太网标准，采用载波监听和冲突检测(CSMA/CD) 协议，以半双工方式运行。从80年代末开始以太网取得了巨大的成功。10BaseT是运行在3类或 更高类别的双绞线上的以太网。

10Base2/5是运行在同轴电缆上的以太网，10BaseFL是运行在 光纤上的以太网。由于冲突检测的协议要求一个512位的时间槽保证无错误的检测到冲突，所以 以太网的距离覆盖范围受到了限制，10BaseFL最大的覆盖距离为2km，10BaseT在一个网段内的 最大覆盖距离为100m。

快速以太网：IEEE802.3u定义了100Mbps的快速以太网标准，它可以用半双工的方式运行 CSMA/CD协议，也可以有全双工的方式。由于快速以太网对以太网的后向兼容性，在90年代的 中后期，快速以太网成为局域网中的主流技术。

100BaseTX是运行于5类双绞线上的快速以太网， 100BaseFX是运行于光纤上的快速以太网。对于以半双工方式运行的快速以太网，同样也有距离 覆盖范围的限制，并且由于快速以太网以100Mbps的速率运行。

时间槽长度同样是512位，所以 它的最大距离覆盖范围是以太网的1/10，为200m。但是对于全双工方式运行的快速以太网， 在理论上就不再有距离的限制，而实际受限于电或光信号的衰减。如实际中运行在单模光纤上 的100BasFX SMF的全双工快速以太网最大覆盖距离可达20km以上。

半双工以太网的效率问题一直是其弱点，在一个半双工以太网里的工作站(如计算机)数 增加到某一门限值后，尽管每个工作站是以 10Mbps速率发送数据，但由于冲突的增加，

每个工作站不得不等待很长时间后才有可能发送数据，因此每个工作站得到的平均可用带宽急剧 下降。在全双工的交换式以太网中，CSMA/CD协议中的CD冲突检测机制不再需要，每台工作站 可以得到独占的带宽。因此全双工交换式以太网的效率不再取决于网络内的工作站数，而是由 以太网帧的长度而决定。

在端口聚合中的多条千兆以太网键路可以实现负载分担，即使其中的一条链路的光纤出现 故障，逻辑链路仍会保持正常工作。端口聚会需要较多的光纤来构成，2个端口的端口聚合需 要4根光纤，3个端口的聚会需要6根光纤，4个端口的端口聚会需要8根光纤。

1.4.2千兆以太同1+1备份 和很多ATM交换机里实现的ATM物理链路1+1备份相似，千兆以太网也可以实现1十1备份，即 在一个千兆路由交换机的接口模块上，对应于一个千兆以太网键路，实际用两个千兆以太网链 路来连接，一条千兆以太网链路作为主用键路，另一条则作为备用键路。

当主用链路的光纤出 现故障时，千兆路由交换机可以在1ms的时间内把数据切换到备用键路的光纤上传输。 在这种1+1备份方式下，需要用四根光纤来完成1GbPS的传输带宽。每一个千兆以太网链路 需要1发1收两根光纤。

如果是用千兆以太网来承载IP业务，那么就可以应用IP路由协议的收敛特性来保证城域网 可靠性。使用IP路由，网络拓扑可以比较灵活，可以是星型、环型、网状网，或是它们的混合。

这里顺带指出一点：如果没有使用IP路由，由于生成树协议(SPanning Tree)的作用，千兆以 太网即使在物理键路上构成了环型或网状网，在交换机的实际的以太网数据交换也无法构成环状和网状网。

而在环型和网状网的拓扑结构中，即使某条链路或某个网络节点故障，由于迂回 路由的存在，整个网络不会瘫痪。城域网中最典型的 IP路由协议是 OSPF，运行OSPF协议的路由器利用Hello信息周期性传递路由器状态。

交换式以太网 第3篇

关键词：协议栈;虚拟化;网络设备

中图分类号：TP316.8   文献标识码：A

The technology of Linux protocol stack virtualization

based on the ethernet switch

CHEN bing-bing*a，b，c，  CHENG you-qingb，c

（a.Wuhan Research Institute of Post and Telecommunications， Wuhan 430074， China; b.State Key Laboratory of Optical Communication Technologies and Networks， Wuhan， 430074， China; c.Wuhan FiberHome Networks Co. ， Ltd. ， Wuhan 430074， China）

Abstract： The goal of network protocol stack virtualization is that virtualize multiple virtual protocol stacks based on one network device in order to implement the function of one network device virtualized into multiple. Since the network protocol stack of the Linux operation system itself dont support this kind of technology， so this paper implement the technology of network protocol stack virtualization by means of modifying the IPV4 network protocol stack based on the 3.11.10 Linux operation system version. And then， it is proved on the device platform that the Ethernet switch， of which the protocol stack virtualization has been realized， has the function of isolating business flow

Key words： protocol stack;virtualization;network device

1  引言

随着网络规模的不断扩大，业务种类的不断丰富，网络对业务的隔离以及安全性、可靠性等属性提出了越来越高的要求[1]。此外，随着硬件能力的迅速提升，多框、集群、分布式路由交换系统的成熟，单台物理网络设备的业务处理能力已经达到了一个新的高度[2]。为了将单台物理设备的强大业务处理能力充分利用，弹性的适应当前的业务需求和未来的发展，网络设备的一虚多（即将一台物理设备虚拟成多个逻辑设备）成为了网络与通信界追求的目标[3]。Linux操作系统因其具有的开源、安全和稳定等优点，受到网络设备制造商的青睐，被广泛应用到网络设备的嵌入式开发中。

目前，国内外对Linux操作系统虚拟化的研究都着力于操作系统级的全局性资源隔离虚拟化，而缺少对网络协议栈虚拟化的深入研究。对于小规模以太网而言，全局性的资源隔离会对网络设备的进程资源造成不必要的浪费，增加了网络设备的负荷，影响网络数据包处理速率。

因此，本文在以太网交换机设备上研究了Linux嵌入式操作系统中虚拟协议栈技术，以实现业务流的隔离，提高单个以太网交换机设备的资源利用率[4]。

2  Linux网络协议栈的层次结构

网络协议栈是指TCP/IP协议栈，实现了一个网络中数据传输的过程：包括上层协议到底层协议，和由底层协议到上层协议。Linux网络协议栈的层次架构模型如图1所示，最上面一层为用户空间中的应用层，中间部分为内核空间中的网络协议栈部分，底层为物理设备[5]。在网络协议栈中用户空间和内核空间之间的数据通过套接字缓存（socket buffer） 来传递，相应的数据结构为sk_buffer。

图1  Linux网络协议栈层次架构

Linux网络协议栈的最上层是系统调用接口，为用户空间中的应用程序提供一种访问内核网络协议栈的接口。通过网络协议栈进行通信都需要对套接字进行操作，网络协议栈提供了两种调用接口给用户进程。一种是在sys_socketcall中会根据网络系统调用号调用具体的功能，另一种是通过普通文件操作来访问网络协议栈，将套接口的输入、输出操作当成典型的文件读写操作来进行。

套接字是一个与协议无关的接口层，它提供了一组通用接口来支持各种协议，它对用户层的应用程序屏蔽了与协议相关的实现细节，将应用程序发送的与协议无关的请求映射到与协议相关的实现。传输层负责数据的传输和数据的控制，提供端到端数据交换机制，传输层协议包括面向连接的TCP协议和面向无连接的UDP协议。网络层负责接收、发送或转发数据包，网络层的协议包括IP协议、ARP协议、RARP协议、ICMP协议和IGMP协议等。邻居子系统为三层协议地址与二层协议地址提供了的映射关系，此外还缓存了二层首部，以加速数据包的发送。在发送数据包的时候，先进行路由查找，如果找到对应的路由，再查看邻居表中是否存在相应的映射关系，如果不存在则新建对应的邻居项;然后再判断邻居项是否为可用状态，如果不可用则把数据报存至发送缓存队列后发送请求;在接收到请求应答后，将对应的邻居项置为可用，并将其缓存队列中的数据包发送出去;如果在指定时间内为收到响应包，则将对应邻居项置为无效状态。对于以太网交换机而言，邻居子系统提供了三层IP地址和二层MAC地址的映射，邻居表就是ARP表。

网络协议栈底部是一个与硬件无关的网络设备接口层，它将网络层的不同协议与各种网络设备连接在一起。设备无关接口层提供了一组通用函数供底层网络设备驱动程序和上层协议栈调用。当输出数据时协议栈不必关心底层的网络设备，而当输入数据时网络设备驱动同样也不必关心上层的协议栈。协议栈向设备发送数据包时都需调用dev_queue_xmit函数。该函数对sk_buffer进行排队，最终由底层设备驱动程序进行传输。而接收报文通常是调用netif_rx函数实现的。当底层设备驱动程序收到一个报文时，就会通过调用netif_rx函数将报文的sk_buffer上传至网络层。

以太网交换机设备上网络接口卡（NIC）的相关信息是由net_device结构来描述的，net_device包括了硬件信息成员变量、接口信息成员变量、设备操作接口变量和一些辅助成员变量。网络接口卡的IPv4地址等相关配置信息存放在in_device结构中，net_device中有一个指针指向in_device。每个网络接口卡都会有一个对应的net_device结构。当设备启动时调用register_netdevice函数注册到系统中，注册过的网络接口卡NIC可通过unregister_netdevice函数注销。net_device结构中包含了一个名为hard_start_xmit的接口，通常在初始化网络接口卡时设置该接口。当协议栈向网络接口卡发送数据包时，会通过设备无关接口调用到此接口[6]。

3  Linux协议栈虚拟化的实现框架

Linux协议栈虚拟化技术是属于控制平面的虚拟化，Linux协议栈虚拟化技术的实现分为以下四个部分：路由表的虚拟化、网络接口的虚拟化、与上层应用接口的虚拟化、套接字层的虚拟化。路由表的虚拟化通过对存储路由表项的数据结构的虚拟化扩展来实现，使每一个虚拟出来的协议栈都对应一份独立的路由转发表实例，虚拟协议栈的路由转发表实例之间互不干扰[7]。网络接口的虚拟化使网络接口卡在收发数据包的时候，可以区分出这个数据包是属于哪个虚拟协议栈，也使数据包在协议栈中传递的时候，可能选择正确的函数处理接口。以上两部分都是通过virtual_id标识来区分不同的虚拟协议栈，每个虚拟协议栈都自己唯一的virtual_id标识，virtual_id和虚拟协议栈是一一对应的。

图2  虚拟化协议栈架构

3.1  路由表的虚拟化

Linux协议栈中使用数据结构fib_table来描述路由表信息，所有的fib_table结构链接在全局散列表fib_table_hash中。fib_table_hash存储在数据结构struct net中的struct netns_ipv4成员中。参数不同的fib_table_hash表示不同类型的路由表，例如fib_table_hash[RT_TABLE_LOCAL]表示设备本地地址的路由表。路由表的虚拟化是将指针数据结构struct hlist_head*fib_table_hash重定义为指向指针的数据结构struct hlist_head** fib_table_hash，使用不同virtual_id标识来区分不同虚拟协议栈的路由表转发实例，例如本地路由表就重定义为fib_table_hash[RT_TABLE_LOCAL][virtual_id]。

Linux协议栈中使用数据结构rtable来描述路由缓存，路由缓存链接在散列表rt_hash_bucket中，为了使路由缓存和虚拟路由表项实例一一对应，散列表rt_hash_bucket需要被重定义为virtual_id 个不同的散列表，即rt_hash_bucket[virtual_id]。

由于不同虚拟协议栈中的目的IP地址可以重用，所以相同的IP地址在邻居子系统的ARP表中对应的目的MAC地址是不同的。而ARP表查找函数的输入参数为net_device和目的IP地址，因此可以通过net_device来区分不同虚拟协议栈中IP地址对应的MAC地址。

3.2  网络接口的虚拟化

协议栈底层网络接口的虚拟化是通过协议栈的net_device结构实现的，需要在net_device数据结构中添加一个virtual_id标识，net_device数据结构中的virtual_id表示该net_device结构对应的网络接口卡属于该virtual_id对应的虚拟协议栈。

3.3  与上层应用接口的虚拟化

协议栈内部不同层次之间接口的虚拟化是通过在协议栈内部接口函数中添加参数virtual_id实现的，virtual_id表示了同一个接口函数中对不同虚拟协议栈进行操作时，选择的表项结构是不同的。比如网络设备状态变化时或者网络设备上IP配置变化时，路由子系统收到通知链的通知，需要对路由表和路由缓存进行添加、删除、修改等操作，接口函数中的virtual_id可以选择对应的路由表项实例进行操作。同样，OSPF、RIP、ISIS等路由协议在网络路由拓扑变化时，需要对路由表进行动态添加、修改、删除的函数，因此修改路由表的接口函数传入的参数struct fib_config结构中也需要增加virtual_id标识，用来标识将要操作的路由表转发实例。

3.4  套接字层的虚拟化

在保证虚拟协议栈业务隔离的前提下，为了兼顾设备内存资源利用率，协议栈接口允许一定的共享，比如多个虚拟协议栈中同种类型的业务流可以共享同一个socket接口。应用层的协议通过socket发送数据包的时候，需要在接收方的网络地址结构中添加相应的virtual_id标识，使应用层的报文通过socket进入协议栈之后可以区分不同的虚拟协议栈，在进行报文转发的时候也可以查找对应虚拟协议栈的路由表转发实例。应用层的协议用socket接收数据包的时候，也可以从接收的地址结构中取出virtual_id标识，区分数据包是由哪个虚拟协议栈送上来的。

4  Linux虚拟协议栈的关键操作

由于网络设备上的每个虚拟协议栈可以对应设备的多个虚拟网络接口卡NIC，所以可以通过网管配置命令将多个虚拟网络接口卡的net_device结构用同一个virtual_id标识，标识为同一个逻辑组，这个逻辑组收发的所有数据包都交给同一个虚拟协议栈处理。当网络设备的网络接口卡NIC收到数据包的时候，根据网络接口卡逻辑组的划分，在数据包的地址结构中添加上对应的virtual_id标识，如图3所示将存放其地址信息的sockaddr_in结构强制转换成sockaddr_in_virtual结构。当数据包在协议栈上下层之间传递的时候，就根据virtual_id标识查找对应的函数接口和路由表项转发实例[8]。当网络设备从出端口发送数据包的时候，数据包不再带有virtual_id标识，virtual_id标识只在设备内部有效，因此设备协议栈的虚拟化对对整个网络是透明的。

图3  sockaddr_in_virtual地址信息结构

5  Linux虚拟协议栈在以太网交换机上的实现

5.1  测试平台的搭建

搭建的测试环境拓扑结构如图4所示，三层交换机设备为烽火网络的S5800系列三层千兆路由交换机。将网络协议栈被改造后的Linux嵌入式操作系统download到三层交换机设备上，该交换机设备与四台电脑相连，PC1和PC2属于vlan1，PC3和PC4属于vlan2，PC1和PC3 的IP 地址相同，PC2和PC4的IP 地址相同。

在网管界面中输入配置命令行，将与PC1和PC2相连的交换机接口划分为同一个逻辑组，它们的net_device数据结构中virtual_id都被赋值为1，与PC3和PC4相连的交换机接口也划分为同一个逻辑组，它们的net_device数据结构中virtual_id都被赋值为2。因此， PC1和PC3发送到交换机的数据包分别被送往不同的虚拟协议栈，实现业务流的隔离。

图4  以太网交换机测试拓扑

5.2 测试结果分析

图5显示了在电脑PC1上ping PC2的实验结果，图6显示了在电脑PC3上ping PC4的实验结果，虽然PC1和PC2的IP地址相同，但是业务流之间互不影响，相互隔离。图7和图8显示了协议栈经过一虚多虚拟化后每个虚拟协议栈都有自己独立的路由转发表。

由上可知，经过网络协议栈虚拟化的虚拟设备可以承载不同的业务，或者服务于不同的用户群，达到业务隔离提升网络可靠性和安全性，降低用户成本，并可以实现多用户群管理隔离，有效简化运维。

图5  PC1 ping PC2实验结果

图6  PC3 ping PC4实验结果

图7  虚拟协议栈1的路由表        图8  虚拟协议栈2的路由表

6  结论

本文描述了Linux协议栈虚拟化技术的实现框架，并通过设备验证了协议栈虚拟化技术对业务流的隔离。运用Linux协议栈的虚拟化技术可以将一台以太网交换机虚拟成多台专用的三层交换机，每个虚拟交换机都有自己独立的路由表转发实例VRF和相应的接口[9]。虚拟协议栈的交换机设备可以帮助用户快速部署网络，实现业务流的隔离，节约网络成本，提高网络的可拓展性和弹性[10]。

参考文献

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交换式工业以太网的时延分析 第4篇

以太网取代传统的现场总线是未来工业控制网络的发展趋势,随着交换式以太网技术的引入,通过全双工通信和微网段的划分,提高了以太网的性能和时间的确定性,不再受限于CSMA/CD( 带冲突检测的多路访问侦听技术) 的工作方式[1],不管在工厂还是车载等小型化的设备[2]都具有一定的应用前景,而为了大规模的对交换式以太网技术在进行推广使用,需要对其实时能力给予一个客观的评价, 即对传输时延上限进行精确的计算。采用确定性网络演算理论可以准确的计算业务流的端到端传输时延,文中给出了一种适合实际工业现场的业务流队列调度模型,并给出了精确的时延计算数学表达式。

2传输时延因素分析

在实际的工业控制现场,影响以太网在工厂中现实应用的主要是它的时延[3]。业务流的端到端通信时延为从信息发送到信息接收之间的全部延迟,主要包括以下几个方面的因素[4]:

( 1) 排队延迟: 从业务流进入排队队列,到信息获取通信网络所需的时间。排队延迟主要由通信网络的媒体存取控制( MAC) 协议和相应的队列调度算法决定的。

( 2) 发送延迟: 从数据帧的第一个字节开始发送到数据帧的最后一个字节发送结束所需的时间。 发送延迟时间的长短取决于数据帧的长度和网络的通信速率。

( 3) 传输延迟: 业务流在现场设备之间的传输时间。传输延迟取决于通信网络在现场设备之间的物理长度。

综述所述,可以看出交换式工业以太网的端到端通信延迟主要取决于数据的排队时延和发送大数据时的发送时延。下文主要是计算其业务流在网络中的排队时延。

3确定性网络演算理论

网络演算理论[5]是基于极小代数在网络中用于定性和定量分析的一系列有用结论的集合,相比于传统的采用排队论的思想来分析网络时延上限, 网络演算理论结合了到达曲线和服务曲线[6]的概念来分析网络系统的缓冲区调度和网络时延等一些基本属性。传统的排队论思想分析时延是建立在统计概率基础上的,有文献研究证明这种模型是不符合实际工业现场的数据信息。

定理1( 到达曲线) : 给定一个函数 α( t) ,且 α ∈ Γ,t ≥ 0,如果通信流的累积函数R( t) 对任何时刻s和t满足以下两个条件: ( 1) R( t) - R( s) ≤ α( t s) ; ( 2) R ≤ R  α,则称 α( t) 为R( t) 的到达曲线。

定理2( 服务曲线) : 给定一个通信流的累积函数R( t) ,对于函数 β( t) ∈ Γ,且 β( 0) = 0,若通信流的输出函数 β*( t) 满足R*( t) ≥ R  β,则称该系统为通信流提供了服务曲线 β( t) 。

定理3( 输出流的到达曲线) : 假设到达曲线为 α 限制的流通过一个服务曲线为 β 的服务器,则输出流由到达曲线 α*= α  β 限制。

定理4( 串联系统的服务曲线) : 假设一个业务流顺序流过系统S1和S2,Si为该流提供服务曲线 βi,i = 1,2,则串联系统提供的服务曲线为 β1 β2。

定理5( 时延上限)[7]: 假设一个到达曲线为 α( t) 的通信流穿过一个网络系统,该系统为通信流提供的服务曲线为 β( t) ,对任意时间t,则通信流在系统中的延时D( t) 满足关系: D( t) = h( α,β) 。

如图1为网络节点的到达曲线、服务曲线和时延上限之间的关系。

4传输时延上限的计算

4.1队列调度模型及调度算法

在网络数据发生交换的地方,调度算法的应用让数据更加有效的接收与转发,在交换机中采用调度算法对数据进行存储转发,可以有效的减少数据在交换机中的阻滞与传输转发时延。在这里介绍一种加权轮询类算法: 基于WRR的改进型算法[8]。

这里将交换机需要转发的三种数据: 周期性实时数据、周期性非实时数据以及非实时非周期数据分别定义为EF( 加速转发) 、AF( 保证转发) 、BE( 尽力服务) ,本文所讨论的改进型WRR队列调度算法中,AF和BE数据是直接进入PRI调度器进行调度,所以本文不会讨论这两种优先级的转发,而着重讨论AF数据的传输时延。假设每次进入交换机某端口的AF数据有3个队列,WRR算法可以保证这三个队列轮流进行输出,而且相比SP算法Strict Priority,严格优先级队列) ,它避免了低优先级队列中的数据长时间得不到服务的特点,保证每个队列都可以得到一定的服务时间。WRR可为每个队列分配一个加权值 ( w3、w2、w1) 。加权值意味着获取资源的比重。假设有一个100M的输出端口,三个队列分配到的加权分别为6,3,1,这样可以保证带宽最窄的AF队列也可以获取到10M的带宽。同时由于WRR算法中分组变长给优先级低的数据带来的不公平性,这里改进型的算法限制了高优先级数据的长度,防止由于高优先级数据过长造成的低优先级数据得不到服务的状况。

如图2所示,当交换机有分组到达端口,首先进入边缘路由器,当检查接收到的是实时周期数据[9]( EF) : 如控制单元发出的控制信息,则分配给此队列为最高优先级,之后需要经过令牌桶的过滤, 当令牌桶确认该数据队列的长度没有超过最大数据长度时方可获取进入PRI调度器进行调度转发,否则丢弃该数据。因为PRI调度器是" 饥饿" 型调度方式,如果不对优先级最高的数据进行令牌桶的选择过滤就直接获得进入PRI中,当在网络资源严重不足时,造成高优先级的队列完全占据网络资源,低优先级的数据" 饥饿" 的现象。当检查到AF数据, 则根据WRR调度器对其中的队列赋予不同的优先级 ( w3、w2、w1) 。之后排队等待进入PRI中进行转发,而BE数据这里将不会单独的赋予其优先级,而是在EF和AF全部发送完毕后,在进行转发。

4.2网络拓扑模型

本文采用图3所示的两级树型拓扑,用主站模拟中央控制器,用从站模拟现场设备( 数据采集器和变送器等) 。二级交换机的个数假设为m个,与每个二级交换机相连的从站有n个。此处的所有交换机都采用存储转发方式。

4.3时延上限计算

( 1) 到达曲线

设vi,bi分别为交换机接收端口数据的持续传输速率和数据最大的突发尺寸。这里假设输出端口开始有数据输出此时刻t = 0,由于交换机采用存储转发方式,那么在( 0,t]时间内进入交换机第i个输入端口的数据量应该小于该时刻内传输的数据总量vit及最大数据突发尺寸bi的和( 设某段时间t内的最大数据量用R( t) 表示) ,那么则有R( t) ≤ vi( t) + bi,此处可以运用到达曲线的概念,设此数据流的到达曲线[7]αi( t) = vit + bi,每个二级交换机共有n个端口,则总到达曲线

( 2) 二级交换机的服务曲线

假设本文交换机的总的服务能力为C ,那么对于供给到达交换机的数据的服务曲线有:

本文以分析最高优先级的实时周期性数据的时延为例( 优先级为w3) ,同样,优先级较低的周期性非实时数据和非实时数据( 优先级为w2,w1) 按照同样的方法可以推出,此处不再赘述。当交换机接收到周期性实时数据流的时候,首先会判断该数据流是否超过数据长度的限制,当符合要求优先级调度器会赋予其优先级并提供服务。而由参考文献 [3]可知交换机提供给到达交换机等待服务的数据流的服务曲线为

根据图2所示的WRR改进型队列调度算法,由公式( 2) 可得该数据流实际分配到的服务曲线为

由( 等式右边是除第i个数据流之外的其他数据流在0时刻的积压数据) 可得

又因为

代入式( 3) 可得

从式( 4) 可得AF数据流经过二级交换机的服务时延

( 3) 一级交换机的服务曲线

由上文中的定理三可知该AF数据流在二级交换机的离开曲线( 一级交换机的到达曲线)

由二级交换机的n个从站聚合在一起的数据流到达曲线,类似的,m个二级交换机汇聚而成到达一级交换机的总到达曲线

5结束语

电脑教程：以太网交换机如何搭建 第5篇

在交换以太网的环境下，一般两台工作站之间的通讯是不会被第三者侦听到的。在某些情况下，我们可能会需要进行这样的侦听，如：协议分析、流量分析、入侵检测。为此我们可以设置Cisco交换机的SPAN(SwitchedPortAnalyzer交换端口分析器)特性,或早期的“端口镜像”、“监控端口”功能。

侦听的对象可以是一个或多个以太网交换机端口，或者整个VLAN。如果要侦听的端口(“源端口”)或VLAN和连接监控工作站的端口(“目标端口”)在同一台交换机上，我们只需配置SPAN;如果不在同一台交换机上。

需要配置RSPAN(RemoteSPAN)。不同的以太网交换机对SPAN有不同的限制，如2900XL交换机中源端口和目标端口必须在同一VLAN、某些交换机不支持RSPAN等等，详见设备文档。在配置SPAN的时候，我们需要提供的参数是源端口或VLAN号以及目标端口。

4000/6000CatOS交换机:

2900/3500XL交换机：

setspan6/176/19//SPAN:源端口为6/17目标端口为6/192950/3550/4000IOS/6000IOS交换机：monitorsession1local//SPANmonitorsession1sourceinterfacefastethernet0/17both//源端口，也可以是某个VLANmonitorsession1destinationinterfacefastethernet0/19//目标端口

在配置RSPAN的时候，我们首先要定义一个类型为RSPAN的VLAN，

在普通VLAN上如果源主机和目标主机都在同一台以太网交换机上，则它们之间的单播通讯不需要通过TRUNK传递到别的以太网交换机。

而RSPANVLAN需要在TRUNK上转发这样的通讯，以保证监控机能够侦听到。在源交换机上，需设置使被侦听的端口或VLAN把流量转发到RSPANVLAN上(如果是运行IOS的交换机，需要另外设置一个端口作为反射端口);在目标交换机上，需设置把RSPANVLAN中的信息转发到连接监控主机的目标端口。

最近一次配置完RSPAN之后，有用户反映：部分网段出现严重丢包现象。仔细检查，发现部分以太网交换机的上联端口负载很重。再分析，原来在两台中心以太网交换机上启用了一个RSPAN进程，RSPANVLAN上的流量很大，达300M。

由于VTP域中没有启用Pruning功能，这个RSPANVLAN的流量出现在所有的TRUNK上，造成了阻塞。把RSPANVLAN从这些TRUNK上修剪掉之后，网络恢复了正常。SPAN功能的出现，使保护交换机不被非法控制变得更为重要。因为假如 控制了一台主机和部分以太网交换机，他将能够使用SPAN/RSPAN和Sniffer 任何在网络上传递的信息。

交换式以太网 第6篇

本项目采用MRTG, 配合ASP+IIS+SQL+WINDOWS组合的平台完成。其中, MRTG (Multi Router Traffic Grapher, MRTG) 是一个监控网络链路流量负载的工具软件, 它通过snmp协议从设备得到设备的流量信息, 并将流量负载以包含PNG格式的图形的HTML文档方式显示给用户, 以非常直观的形式显示流量负载。整个软件采用上述技术为基础, 具有直观、可靠、功能全等特点, 是合适的选择。

二、需求分析

本文以中国电信IP城域网接入层交换机为监控对象, 通过对其性能和流量的监控达到对齐安全运行的维护管理。流量监控是网络安全运行监控的重要指标之一。用户业务流量的监控;上行端口流量的监控是设备监控的必要项目。通过技术手段对接入层设备进行监控是接入层设备维护的必要工作。

这里将实现对交换机上下行的流量监控, 并生成统计页面汇总到指定的WEB系统下进行日常的监控及管理。

基于以上原因, 开发并应用一套接入层交换机流量监控管理系统就成为支撑维护工作的必然需要。

三、系统设计

1、系统设计思想与遵循标准

实用性:整个系统与实际结合紧密, 其对于资源数据的收集、处理、分析都是为生产工作提供最直接、最快捷的支持。

易用性:系统采用当今流行的MRTG+WEB方式开发设计, 用户只要拥有浏览器就可以进入系统。

2、系统软硬件配置及开发平台

系统采用MRTG+WEB设计开发。

开发平台:操作系统:Windows-server2003;WEB服务器:IIS6.0;Perl平台+MRTG软件。

3、系统实施中解决的关键技术

MRTG的调试:MRTG是利用SNMP协议去查询指定有SNMP协议的设备, 定时统计其设备的流量或负载, 再将统计结果绘成统计图, 从统计图上能很容易、直观地就能查出流量或负载。由此MRTG与SNMP协议的交互是实现功能的关键。

流量统计图的生成:MRTG对读取的信息利用自带的cfgmaker软件会生成对应的流量统计图, 该图将直观里表示出以时间为单位的统计记录。利用CFGMAKER的一些参数可已对生成的页面进行控制, 这也是MRTG的特色之一。

MRTG与WEB的融合:对于MRTG生成的流量统计图是分散的, 如果将生成页集中规划至WEB服务器, 从而有效的有序的查看和管理。

四、系统实现

1、平台的搭建

网络平台的搭建是该项目实施的前提。安全稳定的服务器平台是运行系统的关键。本项目采用WINDOWNS2003作为操作系统, 应用软件部分则包括:MRTG软件、PERL软件、IIS软件及前台WEB也制作软件等。这里软过选择LINUX作为操作系统则不需要单独安装PERL软件。

上述软件在操作系统下直接运行安装程序即可。

另外:运行MRTG软件需要INSTSRV.EXE;SRVANY.EXE是两个微软的工具, 同样只需要下载并在操作系统下安装运行即可。

2、SNMP的开启和调试

简单网络管理协议 (SNMP) 是目前TCP/IP网络中应用最为广泛的网络管理协议。目前, 几乎所有的网络设备生产厂家都实现了对SNMP的支持。领导潮流的SNMP是一个从网络上的设备收集管理信息的公用通信协议。设备的管理者收集这些信息并记录在管理信息库 (MIB) 中。这些信息报告设备的特性、数据吞吐量、通信超载和错误等。MIB有公共的格式, 所以来自多个厂商的SNMP管理工具可以收集MIB信息, 在管理控制台上呈现给系统管理员。

如何控制MRTG与相关设备的SNMP协议的交互是该项目的重点之一。以华为交换机例, 配置SNMP协议的具体步骤如下:首先登录交换机并进行特权模式下进行操作:

以上就将交换机侧的SNMP配置完毕。 (其中, 10.10.10.2是进行

监测的服务器主机地址) 。

3、MRTG的调试

MRTG的调试是该项目调试的核心内容之一。MRTG运行在网管服务器上, 具体调试步骤如下:

(1) 安装PERL软件

MRTG是由PERL编写的开源软件, 在微软操作系统下需要安装PERL来支持MRTG的运行。

(2) 解压MRTG软件到制定文件夹

将MRTG下载并解压缩安装到制定的文件夹下面, 此处建议单独建立文件夹存放MRTG运行文件。该项目中新建目录为d:mrtg.

(3) 添加微软服务

由于运行MRTG需要INSTSRV.EXE;SRVANY.EXE两个文件的服务的支持, 故这里需要将上述两个文件MRTG相应目录的bin文件夹下。这里的具体路径为d:mrtgbin

(4) 添加MRTG服务

在服务的运行中输入:d:mrtgbin>instsrv mrtg d:mrtgbinsrvany.exe, 同时修改注册表:

HKEY_LOCAL_MACHINESYSTEMCURRENT-SERVICEMRTG为其新建一个名为parameters的项, 并在该项下添加以下键值 (字符串) Application值为:d:perlbinperl.exe (perl的安装目录) 、App Directory值为:d:mrtgbin、App Parameters值为:mrtg mrtg5haolou.cfg

对上述配置完成后, 就可以启动MRTG服务了。启动MRTG服务方法为:在控制面板管理工具服务中, 找到MRTG服务, 启用服务, MRTG即可全天监视指定设备的网络信息了。

4、页面的生成

本系统技术上采用当前流行的B/S方式设计并且以框架结构完成各种模块功能的实现。基础部分采用ASP脚本语言编写, 使其易读易懂。MRTG与WEB页面的接口则采用系统自带的cfgmaker和indexmaker两个文件来生成。其中, cfgmaker文件用来生成配置文件, 配置文件是生成流量监控页面的前提, 流量监控页面的各种属性均由配置文件声明生效。Indexmaker文件是用来生成对应WEB流量监控页, 它利用确认生成的配置文件来产生面向用户的WEB监控页。

(1) cfgmaker.cfg文件的生成与简要配置

首先, 通过在操作系统中打开DOS平台, 进入到目录d:mrtgbin (mrtg解压后的目录) , 执行如下命令:

上述命令中, ping2为设备SNMP中的读写密钥;192.168.0.1为被监控设备的管理地址;text.cfg则为生成的CFG配置文件。执行上述命令后, 系统会生成一个配置文件, 是运行流量监控的核心文件。而对于该配置文件的部分可更改属性, 这里简要介绍几个, 如:Run As Daemon参数提供按时间刷新页面功能;language参数提供生成页面的语言系统。

(2) 监控页面的生成与简要配置

进行设备流量监控的最终方式是通过WEB页面面向用户的。由此, 如何生成恰当的监控流量图也是关键步骤。Indexmaker是控制生成监控页面的功能文件。在DOS模式下输入一下命令即可生成WEB页面:d:mrtgbin>perl indexmaker test.cfg>D:webwang汇聚接入S3000系列jiankong.htm-section=descry.

可以通过修改test.cfg中每个端口的Title、Page Top信息来指定每个端口流量信息页面的标题, 可以修改test.cfg中其他的一些信息, 也可以修改index.htm文件来改变页面的显示, 当然你每次修改之前最好备份一下test.cfg文件.

5、应用评价分析

对于学校、企业等规模不大的网络中, 该系统的性价比是比较高的, 他的直观性、开源性是其最大的特点。

网络维护的难点就在于接入网, 难于其网络庞大、结构复杂、调整频繁和设备稳定性差。在这种背景下应运而生的“接入网设备监控系统”恰到好处地解决了这种管理需求和难题, 而且具有广泛的应用前景和切实的推广价值。

五、系统测试

1、测试技术

软件测试的方法是多种多样的。对于软件测试方法, 可以从不同的角度进行分类, 从测试是否针对系统的内部结构和具体实现算法的角度来看, 可分为白盒测试、黑盒测试和灰盒测试。黑盒测试也称功能测试;白盒测试是通过程序的源代码进行测试而不使用用户界面;灰盒测试与黑盒测试类似, 是通过用户界面测试, 但是测试人员对该软件已经有所了解或了解软件功能的源代码程序具体是怎样设计的。

2、测试过程

本系统测试采用的是灰盒测试法, 测试过程着眼于程序的外部特征, 同时对软件功能的源代码程序的具体设计过程有所了解, 根据系统中各种确定条件或功能有的放矢地进行测试。主要查看软件是否完成功能的要求。

3、测试结果

通过以上实验室测试结果表明软件能够完成各功能模块的所有要求, 运行正常。

摘要：接入设备是传统以太网络中提供用户接入的终端设备。其往往由众多的高性价比的中低端交换机构成, 是网络中能数量庞大的一个层次, 处于树形网络的最下端。有效的接入层设备管理是全网维护的重中之重。一般情况下对接入层设备的监控包括:性能的监控、流量的监控等。常用的设备监控方式也有很多种, 如何选择一种成本低、功能全的监控方法是很重要的。本文中采用MRTG配合IIS的WEB方式实现对接入层交换机的性能及流量管理。WEB方式的友好性、直观性, MRTG的开源性, 对于小型网络来说是一个不错的选择。

关键词：流量监控,性能监控,IIS MRTG

参考文献

[1]萨师煊、王珊:《数据库系统概论》.高等教育出版社, 2002年2月。

[2]王珊、陈红:《数据库系统原理教程》, 清华大学出版社, 2004.6。

[3]启明工作室编著:《MIS系统开发与应用》, 人民邮电出版社, 2005.1。

[4]毕建信:《基于MVC设计模式的Web应用研究与实现》, 武汉理工大学, 2006年。

工业以太网交换机的热设计 第7篇

工业以太网交换机具备功能复杂、应用环境恶劣、使用时间长、可靠性要求高等特点, 所以在设计这对产品的散热设计提出了更高的要求。

1 工业以太网交换机对散热的要求

1.1 温度对电子设备的影响

电子设备的有效输出功率仅为输入功率的一部分, 功率损失一般都以热能的形式散发出来。有数据显示电子元器件的热耗约等于功耗, 大功率设备的热耗占功耗的75%, 电源模块将近10%~20%的功率损失在热能上。如果热能不能及时散发出去, 电子设备整机和元器件的温度都会提高。而高温对大多数电子元器件将产生严重的影响, 例如变压器、扼流圈等材料绝缘性能退化、电容器等材料热老化、低熔点焊缝开裂、焊点变脆脱落等, 这会导致电子元器件的失效, 进而引起整个设备的失效。同时高温还会损坏整机结构。例如材料软化导致结构在机械应力下损坏、材料膨胀变形导致零件磨损增大甚至结构损坏。

1.2 工业以太网交换机和民用以太网交换机的区别

两种交换机因应用领域的不同, 功能上有一些差异。工业以太网交换机多应用于工业控制自动化、电力系统控制自动化、矿井自动控制系统等领域的实时数据传输。功能上兼容民用以太网交换机, 此外还需要支持大量新型的以太网协议、支持灵活的光口电口模块扩展、内置智能报警设计、双电源冗余等。

在性能上, 工业以太网交换机要求高有效性、可靠性、抗干扰性、安全性等。同时还需要具备高适应性, 以满足在恶劣或特殊的工作环境下正常工作。

主要区别如表1所示。

1.3 工业以太网交换机对散热的要求

工业以太网交换机功能复杂、扩展灵活、要求高可靠性、安全性和适应性等。有数据显示, 如果不采用任何散热措施, 一台24口的交换机 (不含光口) 正常工作4小时后, 它的机内温度要比周围的环境温度高约40℃。根据10℃法则, 机内环境温度每升高10℃, 元器件寿命将下降50%。值得注意的是, 工业以太网交换机不同于民用以太网交换机, 上电后需要在恶劣环境中常年运行。而且工业以太网交换机结构的要求密封设计, 所以无法安装风扇。这些都对交换机的散热处理提出了更高的要求。

所以必须根据热学原理, 采取各种散热手段, 使电子产品的工作温度不超过额定温度, 从而保证电子设备在预定的环境条件下稳定可靠的工作。

2 热设计的主要内容

2.1 电子设备热技术

电子设备热技术包含了热分析、热设计和热测试。热分析是在产品的概念设计阶段采用有限元法、有限差法等数学方法模拟出电子设备的温度分布, 以尽早发现并修改设计中的热缺陷。热设计是在产品设计阶段选择冷却方法并运用不同层级的散热技术, 以提供一套可靠的散热系统。热测试是在原型机阶段应用接触式、非接触式测温方法对产品进行热测量。

通过热分析得到产品的热分布以及不可避免热缺陷, 热设计依据热分析的结果设计散热系统, 热测量通过测量原型机温度, 检测散热系统的有效性。热分析再次分析测量得到数据和结论, 在需要的情况下修改热设计方案。可以看出, 这三者的循环使得电子设备散热有效性能得到持续的改进, 如图1所示。

2.2 热设计的主要内容

热设计的主要目的是通过采用适当可靠的方法控制产品内部所有电子元器件的温度, 使其在所处的工作环境条件下不超过稳定运行的最高允许温度, 以保证产品运行的安全性和可靠性。“适当可靠的方法”指的是在在热源和外部环境之间建立一个热量传递的通道, 使得热量顺利的散发出去。

热设计的基本原则中最重要的是保证冷却功能满足要求, 此外还需要散热系统有良好的可靠性、适应性和经济性。

热设计的主要内容包括:①冷却方法选择;②元器件的选择与热设计;③印制板热设计;④整机热设计。

3 工业级以太网交换机的热设计

下面以一种工业以太网交换机为实例进行热设计。该交换机提供3个快速以太网模块插槽和1个千兆以太网模块插槽, 最大支持24个快速以太网接口和4个千兆以太网接口。整机高度为1U (1U=44.45mm) , 外形结构尺寸为:482.6 mm44 mm356 mm (WHD) 。满配时功率小于等于40W。

3.1 冷却方法选择

选择冷却方法时要考虑系统的经济性和可靠性。常用的冷却方法有自然冷却、强迫空气冷却、强迫液体冷却和蒸发冷却四种。在密封设备中还可采用金属传导的方法。各种方法的热流密度和体积功率密度如图2-3所示。

计算交换机的体功率密度和热流密度。热流密度如下:

体积功率密度为:

从计算结果可以看出, 满配情况下的φ和v的值均小于自然空气冷却能达到的热流密度和体积功率密度。所以该交换机的冷却方法可以使用自然空气冷却。

3.2 元器件的选择与热设计

元器件选型时应注意以下原则:①元器件尽量降额使用;②具备相同功能的器件中选择功率较低的器件;③具备相同功能的器件中选择对温度不敏感的器件。

下面以常见的电子元器件来介绍应该如何热设计和安装:

(1) 半导体器件, 包含功率晶体管、整流管和二极管、半导体集成电路等。器件面积较小, 传热方法主要为导热。热设计时应尽量减少从大热源或金属导热通路的发热部分吸收热量。安装时可搭配合适的散热器, 散热器使用导热膏或导热绝缘硅橡胶片、螺钉或导热螺栓安装。

(2) 电子管, 包含玻壳电子管、传导冷却的发射管和微波发射管等。电子管的工作温度较高, 玻壳电子管主要靠辐射传热, 所以热设计时应采用辐射屏蔽罩或“热屏蔽板”等结构;传导冷却的发射管和微波发射管主要传热方式为导热, 热设计时需要添加安装垫或金属接地连接到导热热流通路。安装时电子管间距离越大越好。

(3) 电阻器。主要靠与金属底座或散热器之间的金属导热。热设计时必须降低功率使用。如果有多个电阻器, 安装时最好是垂直安装。

(4) 变压器和电感器。变压器的热量是由于铁芯的磁滞及涡流损耗和绕组的铜耗所造成。而电感器的铁芯损耗较小。热设计时应采用较粗的导线, 安装表面应平整光滑以增强热接触, 必要时接触界面可以添加铜箔。

(5) 无源元件。包含电容器、连接器和开关等。自身不产生热量, 但会从其他有源器件接受热量, 从而变质失效。热设计时应在热源和无源元件中设计热隔离, 并将它们安装在温度最低的区域。

3.3 印制板热设计

印制板热设计的主要目的是将元器件产生的热量通过导热的方式传递到印制板及机箱侧壁。在进行印制板的热设计时需要将发热器件尽可能分散布置, 热敏器件远离远离发热器件。印制板中的电子元器件的安装应按照元器件的热特性以及空气流动方向排序, 常见的布局方式如下:进风口放大电路逻辑电路敏感电路集成电路小功率电阻电路有发热元件电路出风口。

为了提高印制板的热传导效率, 热设计时还可以在印制板上添加散热过孔或大面积连续的散热铜箔。

3.4 整机热设计

整机热设计是以机箱结构为散热体通过传导、对流和辐射的方式将机箱内部元器件产生的热量散发出去。整机热设计时需参考整机的结构尺寸以及机箱内部热耗的分布。整机热设计的目的是增加内部元器件与机箱结构的导热接触面积, 并增大机箱表面的对流传导辐射能力。

文中引用的交换机结构为:整机高度为1U (1U=44.45mm) , 外形结构尺寸为482.6mm44mm356mm (WHD) 。内部包含双电源、电源滤波板、光模块以及处理板。其中热耗最大的是双电源、电源滤波板, 处理板中的电源模块。

图4-5是该工业以太网交换机的外部结构。

根据热耗最大的器件摆放在入风口, 热耗小的器件放在出风口的原则, 设计出散热方案如图6所示。

4 结束语

高温严重影响电子设备及元器件的有效性和可靠性。散热设计的目的就是为了在电子设备内部以及电子设备和外部环境间设计低热阻通道, 将热量及时散出, 以保证电子设备和元器件的有效性和可靠性。工业级以太网交换机运行环境恶劣且实时通讯、可靠性、稳定性、安全性、环境适应性等方面要求高于商业以太网交换机, 对散热设计提出了更高的要求。本文以某交换机为例进行了热设计, 后续可利用热测试方法对该设计进行验证。

摘要：高温严重影响电子设备及元器件的有效性和可靠性。散热设计的目的就是为了在电子设备内部以及电子设备和外部环境间设计低热阻通道, 将热量及时散出。工业级以太网交换机运行环境恶劣, 且可靠性、稳定性、安全性、环境适应性等方面要求高于商业以太网交换机, 这对散热设计提出了更高的要求。

关键词：工业以太网交换机,散热,热设计

参考文献

[1]顾子天.计算机可靠性理论与实践[M].成都:电子科技大学出版社, 1994:92-93.

[2]GJB/Z 27-1992.电子设备可靠性热设计手册[S].1992.

[3]吕永超, 杨双根.电子设备热分析、热设计及热测试技术综述及最新进展[J].电子机械工程, 2007, 23 (1) :5-9.

[4]吴耀刚, 陈敏.小型化电子设备密封机箱的散热设计[J].通信与广播电视, 2005 (1) :34-38.

交换式以太网 第8篇

关键词：视频传输,GAP,DP,DG,字节插补,扫描行

0 引言

工业监控特别是实时性要求比较高的场合,一般使用视频光端机来进行传输音视频及通信控制数据,其特点是延迟短,传输距离远,受干扰和衰减小,稳定性高[1]。而设计光端机时,往往采用低成本的以太网交换芯片来实现光电转换,笔者针对使用以太网交换芯片实现视频传输遇到的问题进行分析和研究。

1 视频传输的GAP问题

首先,视频信号通过以太网交换芯片,在光纤中实现实时传输,其传输的帧格式必须遵循以太网协议。由于标准IEEE802.3协议定义了标准以太网MAC帧格式,如图1所示。可以看到,当此交换芯片被用作MAC时,相邻以太网两帧数据之间的PREAMBLE字段和SFD帧起始标志引起的GAP[2],不可避免地会屏蔽掉实时传输的视频信息,导致视频传输的信息丢失和整个传输的失败。

同时工业级视频传输有着严格的标准规范,国家电子行业军用标准SJ 20358的部分规定如表1所示[3]。其中受以太网帧间GAP影响比较大的几个指标有信噪比(SNR),微分增益失真(DG)和微分相位失真(DP)。任何一个字节的丢失都有可能对这些参数造成很大的影响,而一个GAP共8 byte,显然这对视频的传输是致命的。

2 使用插补法克服帧间GAP问题

2.1 解决帧间GAP的方案

针对GAP引起的信息丢失,有两种解决方案:一是采用高速的传输时钟,空余出多余的帧字节位置来传输丢失的信息,但这要求接收端为了保证信号严格的行同步和场同步以及色相信号的同步,而采用锁相环对高速GAP时钟进行平滑,但是这无疑在实现上增加了设计的复杂性和成本,平滑的结果也很难达到要求;二是采取字节插补来实现,也就是把这8 byte的GAP数据进行比特拆分,把关键位填补到每一帧数据特定的Nibble里,在接收端再进行筛选、组合及帧定位。

2.2 方案可行性分析及实现

首先来分析下这种方案的可行性,因为以太网芯片传输的数据,是实时从监控设备采样得到的数字信号,其特点是每个采样点信号对整体性能的影响是逐位降低的,笔者以五阶色阶信号为例来进行分析,标准的五阶色阶信号波形如图2所示[4]。

信号最大幅值为S,信号经过高阶FIR滤波器并进行放大后,信号增益为N,采样位数为M,可以调整满量程采样幅值L=NS,设第M位为MSB,则对应的第m位控制的量化精度

当满足系统信噪比时,噪声的幅值有个最大值Nmax,当量化精度小于这一数值时,恢复信号的精度就会淹没在噪声里,即

这样m就有个临界值

可见,只要保证实时传输[m*]+1位的视频信号,在接收端就可以保证恢复出符合SNR要求的视频信号,其他M-[m*]-1位可以用来传输音频、报警、控制及其他数据,现在工业视频光端机一般都是采取这种方案进行信号的成帧复接。

值得注意的是,由于要进行多路数据的复接,每一路数据都有特定的时隙,所以不可能设置过大的BUFFER来存储和恢复GAP中的数据,也就是必须要丢弃FRAME DATA中的某些数据位用来传输GAP信息,由于GAP只有8 byte,理论上来讲只要保证GAP里高位信号的传输,在接收端再用特定的比特来进行恢复,再通过高阶FIR滤波平滑,完全可以实现符合规范的视频数据。

2.3 方案测试结果及分析

经过VM700视频综合测试仪和TG700视频信号发生器对整个系统测试,如图3所示。经过传输,在接收端对GAP里视频信号的舍弃位填补全零,信号的全白信噪比为53.8 dB,采用标准FCC信号测试的DG为4.33%,DP为0.98°,DG和SNR均达不到要求。可见,对舍弃的GAP数据位填补全零,满足不了要求。

考虑到填补的信号太过单一,即使采用均匀的随机平衡序列填补信号,也只能很小程度地提高SNR,DG参数,还是没有明显改善。

3 采用扫描线预测来提高视频品质

3.1 帧间GAP噪声的传输特性分析

可以看到对舍弃的数据位单纯填补0或1,很难达到视频的传输标准,这时就必须结合视频信号的传输特性,对帧间GAP引起的噪声进行分析。对于标准的PAL格式视频信号,它的显示分辨力是720576 pixel,场频50 Hz,采用625条扫描线隔行扫描,色度信号采用4.43 MHz的载波进行同步[5]。

那么每一行扫描数据加上行消隐期的时间T0=64μs,而用以太网信号进行传输时,每一帧的Nibble大小为K(包含8 byte的GAP),以太网的MII端口时钟频率为F,也就有每一帧数据用的传输时间T1=K/F,对应视频显示扫面线条数R=T1/T0,即每行扫描线(包括行消隐期)对应的NIBBLE大小

下面分析采用Frame来同步视频的采样数据的特性。625条扫描线分别用来传输视频图像信号,场均衡,场同步和色同步信号,其中每一次GAP出现,对应有占当前扫描线比重v长度的信号精度被舍弃,而

由于传送视频的时钟和视频帧同步的时钟是异步的,所以在接收端会看到因GAP引起的噪声是周期性地在显示器上滑动,如果是全黑信号测试,接收端补充全1时,会隐约看到长度为h(单位为pixel)的白色亮条在滑动,其中

当F=25 MHz时,h=(11 520 pixel)/(25 MHz64μs)=7.2 pixel,和实际观察一致。

3.2 结合视频捕获原理对GAP信号的预测

经过以上分析,可见GAP里的有效位数舍弃的过多会引起信号很大程度的失真噪声,并且这种噪声是有规律的,所以要解决GAP噪声的问题,除了采用插补法,还要结合视频的产生原理和传输特性来进一步分析。

首先,视频捕获是动态扫描,这些扫描到的信号具有时间相关性和空间相关性的特点[6]。考虑到空间相关性,填补方案有横向填补、纵向填补、方形邻域填补等;考虑到时间相关性,可以考虑用单场填补、场平滑填补等。

3.2.1 采用相邻场对GAP信号进行预测

对实时性要求比较高的场合,如果每一场采用时间相关性处理,使用单场填补,必然会采用大的Buffer来存储特定位置的信号,而奇数场和偶数场的扫描线个数不一致,单纯依靠采样信号不进行特征处理的情况下,很难定位场的奇偶性,所以很容易导致预测或添补的行错位;而采用场平滑填补不仅存在上述问题,还会由于平滑要用到前后场的信息,所以至少会引起一个场的延时,同时,采用时间相关性处理还会增加系统实现的复杂度。

3.2.2 采用相邻扫描行对GAP信号进行预测

如果采用空间相关性处理,通过当前场对GAP信号进行预测,可以使用横向均值填补处理,由于要填补的信号是横向连续的几个像素点,单纯采用左右的像素很难做出准确的预测,采用邻域填补也存在这个问题;而采用纵向填补可以有效地解决这个问题。

因为当前出现GAP的扫描行,它上下的扫描行肯定不会是GAP,由于信号不太可能出现一个扫描行的畸变,所以用上下两个扫描行在GAP的位置进行均值填补,一定可以较好地得到要恢复的信号。即使信号出现一个扫描行的畸变或信号扫描线出现阶跃变化时,在GAP高位信息保证的情况下,低位的差值往往表现在Color Burst上,对色度的相位影响比较小,因此采用这种方式,一定可以较好地得到要恢复的信号,但是这会引起至少一行的扫描线延迟,大约为64μs。

对于这个问题,因为视频光端机的采样频率和视频发生端的同步频率差异一般小于210-4,所以相邻两条扫描线Color Burst采样点的相对位置不会发生很大偏移,上下扫描行在GAP位置恢复的填补信号几乎等同于其中任意一条扫描线。也就是可以只用上一个扫描行的信息添补GAP的低位,避免了由于平滑引起的64μs时延。

同时采用扫描线预测法,也比较容易由硬件实现,用FPGA编码,加上用到的FIFO,只用了不到800个LE。

3.3 扫描线预测法的实现

通过以上分析,可以在FPGA内部采用很小的FIFO来缓存定位的GAP信号,然后再用其进行填补,实现硬件框图如图4所示。发送端的帧格式遵循插补法的帧格式,接收端的处理流程如下:

1)接收到RDATA,缓存到BUF0中,依据FRAME中RNUM1的大小进行帧定位,把打散的GAP信号和要进行插补预测的上一条扫描线的GAP信号,在MUX1的控制下进行重组,得到恢复的完整GAP信号。

2)从BUF0输出的RDATA和MUX1恢复的GAP信号在RNUM2的控制下,经MUX2进行切换,实时恢复出完整并且连续的VDATA。

3)通过帧序位号RNUM3控制MUX3,在已正确恢复的完整扫描线的视频数据VDATA中,筛选出下一条扫描线中GAP信号的预测信号,放到BUF1中,以备MUX1调用。

在确定参数时,RNUM1和RNUM3是个1n(n定义为包括GAP字节大小在内并且传输GAP信息的Nibble大小)的矩阵,RNUM2是个1K(K的定义同上)的矩阵,内部有一个116的子矩阵用以定位16个Nibble的GAP信号。

这样

对于RNUM3,关键是求出矩阵的第一个元素,因为每一个视频FRAME大小为K,每一个扫描行的Nibble大小是K1=T0F,所以

即

3.4 扫描线预测法测试结果及分析

在插补法的基础上,笔者在光端机接收端结合扫描线预测法对GAP信号进行预测,经过VM700视频综合测试仪和TG700视频信号发生器测试,最终测试结果如图5所示,信号的全白信噪比为71.8 d B,采用标准FCC信号测试的DG参数为0.70%,DP为0.35°。可见,DG,DP和SNR均达到要求。

4 结论

经过以上分析、计算及测试,笔者得出结论,综合使用插补法和扫描线预测法,可以有效解决视频光端机通过光电转换进行传输时,由于以太网芯片传输带来的GAP问题。

参考文献

[1]蒋昊.基于CPLD数字光端机视频模块设计与研究[D].长春:吉林大学,2008.

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[5]GB/T 14086-1993,预录节目光学反射式视盘系统LV50Hz/625行-PAL制式标准[S].1993.

交换式以太网 第9篇

安全监控是预防矿井事故、实现安全生产的主要途径之一, 也成为信息化、智能化矿井管理的重要手段[1]。传统的基于现场总线的煤矿监测监控系统传输速率低, 通信带宽小, 而且由于各个厂家之间的设备不兼容, 在井下形成了“自动化孤岛”, 不利于煤矿综合管理[2]。而以太网技术具有成本低廉、实时性好、稳定性高、开放性好等优点, 逐渐在煤矿安全监测监控网络中得到应用。

矿用千兆以太网交换机具有2个千兆光口将主干网的速率提升至1 000 Mbps, 8个百兆网口有效地改善了井下数据传输的速率, 降低了信息传输碰撞的可能, 煤矿监测监控网络通信实时、稳定和低功耗的要求得到了满足。整个交换机采用防爆柜体结构, 能够在井下恶劣的环境中进行长时间地稳定工作。

1 交换机的功能要求

硬件电路设计、软件设计和防爆柜体设计是矿用千兆以太网交换机的设计重点, 具体应用方案如图1所示。以太网交换机除要求具有一般交换机的功能外, 还要适用于井下复杂的生产环境, 并且能够达到国家的煤矿安全标准[3]。

整个系统的主干网由交换机通过光纤构成一个高速光纤冗余环网, 井下交换机将井下各个分站和监控子系统的数据汇集到千兆以太网中, 上传到井上监控中心。

根据应用方案, 提出交换机性能要求: (1) 使用标准的TCP/IP协议和以太网协议; (2) 支持2个千兆光纤端口, 2个百兆光纤端口和6个10/100M快速以太网端口; (3) 采用井下127VAC电压供电, 额定电流不超过1A; (4) 每一个交换端口具有LED工作状态指示灯; (5) 断电时备用电源自动切换, 并持续供电4 h以上; (6) 工作温度要求在-20~60℃之间; (7) 具有防爆性能等。

2 硬件电路设计

硬件电路由3个模块构成:以LPC2468为核心的控制模块、以88E6095为核心的交换模块和电源模块。硬件电路设计框图如图2所示。

2.1 交换模块设计

以太网交换模块由88E6095芯片及其外围电路组成, 提供与物理层的接口, 主要是用于完成端口之间数据包的转发功能。Marvell公司生产的88E6095芯片集成MAC和PHY, 有11个端口, 时钟源频率为25 MHz。其中P0~P7端口支持10BASE-T/100BASE-TX;P8、P9、P10接口支持SERDES接收器、外接10/100/1000M Copper PHYs、1000BASE-X的光纤端口, 并直接连接到光放大器。另外为了便于查看交换机的工作状态, 交换芯片提供8组LED接口, 用于连接指示P0~P7交换端口LINK/ACT、SPEED、DUPLEX/COLX。

本设计将其配置成8FE+2GE+MII。其中P10端口配置为MII-MAC/PHY, 同LPC2468的MII (介质独立接口) 相连, 对交换模块进行管理和数据交换;P8、P9配置为1000BASE-X的光纤端口, 直接与千兆光模块连接, 这2个接口可以形成自愈环, 链路发生故障时及时启用备用链路, 防止故障带来的损失;P6、P7配置为100BASE-FX接口与百兆光模块相连;P0~P5配置10/100BASE-T自适应电口, 通过隔离变压器YT37-1107s与RJ-45端口相连。网络隔离变压器的作用主要是信号电平的耦合, 阻抗匹配, 波形修复, 信号杂波抑制和高电压隔离。

2.2 控制模块设计

控制模块的主要功能是在开机时对交换机进行的初始化, 对系统参数配置, 启动各种服务程序, 进行管理网络, 检查交换机故障等。

控制模块的设计基于LPC2468的最小系统。LPC2468为NXP公司生产的16/32位ARM7TDMI-SCPU内核微控制器, 运行频率高达72 MHz, 它包括以MAC (以太网媒体访问控制器) 、UART、SPI、SSP、I2C和I2S。

LPC2468通过MII总线与交换模块连接, 完成对交换模块智能管理, 并提供如IGMP Snooping、VLAN、生成树、SNMP等协议的支持。外扩两片HY29LV16并联的方式构建4 M×32位的FLASH空间, 用于存放固化的软件系统以及用户数据等, 系统的引导代码也存放在闪存上, 加电/复位后执行的第一条指令被映射到闪存的某个位置, 实现闪存的启动;采用两片K4S561632H构建64 M×32位SDRAM空间, 主要用作程序的运行空间, 数据及堆栈区;JTAG接口主要用于连接仿真器对系统的软硬件进行仿真、调试, 跟踪处理器的运行状态, 读取寄存器及内存中的数据, 在设计完成后将程序固化到FLASH;利用UART口设计RS232和RS485两种串行通信端口来实现LPC2468与PC之间的通信, 两种串口可以根据实际情况选择。

EEPROM通过SPI总线与控制芯片LPC2468相连, 提供交换机的一些特定功能的代码以及各种配置信息的存储空间, CPU可以对其进行读写来完成对交换机功能的控制以及管理。开机或复位后通过SPI接口读取EEPROM中的信息, 设定交换机的功能。

2.3 电源设计

考虑到交换机的功率并不是很大, 本设计采用井下127 VAC电压作为交换机的供电电压, 通过AC-DC电压模块转换为24 VDC, 采用集成稳压电源进行DC-DC电压转换, 供交换机芯片用电。采用锂电池作为备用电源, 可以在断电后持续为交换机供电4 h, 为抢险救灾提供援助。

利用CN3704芯片设计了一种备用电源切换电路, 当外部电源断开或下降到阈值电压以下时, PMOS管导通, 由电池给外部系统供电;当外部电源接入时, PMOS管关断, 电池和系统电源之间断开, 外部电源对系统供电, 备用电源切换电路如图3所示。

CN3704是PWM降压模式4节锂电池充电管理集成电路, 独立对4节锂电池充电进行自动管理, 具有封装外形小, 外围元器件少和使用简单等优点。D3 (绿) 和D4 (红) 共同指示充电状态:D4亮D3灭表示正在充电;D4灭D3亮则表示充电结束。在TEMP管脚和GND之间连接一个10 kΩ的负温度系数的热敏电阻, 以便监测电池温度。如果电池温度超出正常范围, 充电过程将被暂停, 直到电池温度回复到正常温度范围内为止。

3 软件设计

从系统的角度, 交换机应用软件可以分为硬件层、内核层和应用层, 如图4所示。

交换机的软件主要由操作系统和应用软件组成, 操作系统为应用软件提供运行平台, 使得协议软件和网络管理软件稳定运行。交换机采用嵌入式uc Linux操作系统。uc Linux由Linux2.0/2.4内核派生而来, 是一个代码紧凑、高度优化的嵌入式Linux。它运行稳定、移植性良好、网络功能强大、对各种文件系统支持完备并具有丰富标准的API, 非常适合于LPC2468这类没有内存管理单元 (MMU) 或者虚拟内存的处理器。uc Linux内核的主要功能包括内存管理、进程管理、设备控制、文件系统、网络功能等[4]。应用软件主要对交换模块的配置管理提供组播协议等应用程序。

4 防爆柜体设计

防爆柜大小根据硬件电路板的尺寸及结构来确定, 采用有加强筋的长方体结构, 分为接线腔和主腔2个腔体。柜体外部的电缆、光缆等通过隔爆引入装置进入接线腔, 以隔爆面上的联通孔、接线端子为媒介与主腔进行电气连接。前门采用外置偏心轮式快开门结构, 不仅耐爆隔爆, 而且便于交换机检修。采用科学的计算方法对柜体进行计算校核, 并在设计完成后建立防爆柜的力学模型。将模型导入有限元软件中加载压力进行分析, 仅在柜体任意两个面加强筋的连接处以及隔爆面与内侧加强筋的连接处出现应力集中现象, 但并没有超过材料的屈服极限。对结构进一步优化, 使防爆柜经济实用又能达到防爆要求。经过有限元分析后的防爆柜成功通过1MPa水压试验, 符合煤矿井下防爆要求。

5 结语

矿用千兆以太网交换机的开发流程整体上可以分为方案设计、软硬件设计、柜体设计及试验、调试生产和维护升级5个阶段。设计在硬件结构、软件功能以及外壳性能方面较以往交换机得到进一步完善, 达到了煤矿通信低功耗、实时、稳定的要求, 很好地解决了工业以太网信息传输冲突的问题, 为井下各种数据的传输提供一个稳定可靠的网络环境。

参考文献

[1]张永红.煤矿安全监测监控系统的研究[J].煤矿机械, 2004 (4) :31-32.

[2]佟志臣, 陈军霞, 宋爽.集成现场总线技术在矿井安全信息管理中的应用研究[J].煤矿机械, 2009, 30 (7) :203-205.

[3]李鹏, 钱建生, 张智宏, 等.矿用工业以太网交换机的设计[J].工矿自动化, 2006 (4) :38-42.

交换式以太网 第10篇

随着计算机性能的提高及通信量的增加,交换式以太网技术应运而生。千兆、万兆工业以太网交换机在电力、矿山、冶金等领域得到广泛应用。工业环境中干扰较多,对工业以太网交换机供电电源质量的要求较高,要求其采用不间断电源(UPS)供电[1,2]。UPS可分为交流UPS和直流UPS,交流UPS需要DC-AC逆变将电池电压逆变为交流输出[3],而直流UPS则不需要,直流UPS具有自身高频杂波小、产生EMI干扰小、效率高、负载适应性强、低输出阻抗等特点[4,5,6]。鉴此,笔者设计了一种工业以太网交换机直流不间断供电系统。该系统在直流UPS的基础上增加了远程通信功能,可实时显示电池电量信息、交流供电状态、电池电压、电流、UPS输出电压、UPS输出电流等信息。

1 系统总体设计

工业以太网交换机直流不间断供电系统由直流稳压供电电路、蓄电池充电管理控制电路、蓄电池温度检测电路、电源切换电路、CAN总线通信电路和单片机控制电路组成,其结构如图1所示。其中直流稳压供电电路采用线性直流稳压电源,实现24 V直流电压输出;蓄电池充电管理控制电路用于检测蓄电池电压、电流,并实现电池的自动充电管理;CAN总线通信电路采用CAN总线实现系统的远程监控[7];电源切换电路是在单片机的控制下实现直流UPS的不间断供电;蓄电池温度检测电路由DS18B20实现温度的检测和传输,当由于硬件故障导致电池在充放电时温度过高(>50 ℃) 时[8],该电路可切断相关回路,防止过充损坏电池的情况发生;单片机控制电路以STM32F130单片机为控制核心,通过采样模块获取外电电压、电池电压、电池充放电电流、输出电压、输出电流这5组数据,经由STM32F130的AD转换输入,经过处理和判断,输出相关的控制信号。

2 系统硬件电路设计

2.1 蓄电池充电管理控制电路

蓄电池充电管理控制电路如图2所示,采用MAX731芯片对16节2 Ah/1.2 V镍氢电池进行充电控制。 充电电池的数量由管脚PGM0和PGM1编程确定,PGM2和PGM3引脚用于设置快速充电的最大允许时间和快速充电和涓流充电的速率[9]。该电路中,设置快速充电最大允许时间为264 min,快速充电电流为Ifast=500 mA;涓流充电电流Itricklet=Ifast/8=62.5 mA。

接通充电电源后,如果单节电池电压低于0.4 V,对电池以C/16的速率进行涓流充电。当单节电池电压上升到0.4 V或者电压起初就大于0.4 V,开始快速充电,电池电压和电池温度持续上升,充电电流保持在设定值不变。当电池电量达到额定值后,电池组电压开始下降,即dv/dt为负值时,电路从快速充电状态转到涓流充电状态,此时电池电压继续下降到一定值后保持不变,直至充电完成。

2.2 直流稳压供电电路

直流稳压供电电路如图3所示,AC220 V经过变压整流、滤波和稳压后输出DC24 V电压,稳压芯片采用LM317。LM317为三端可调正电压稳压器,在输出电压为1.2～37 V时能够提供超过1.5 A 的电流[10]。输出电压Uo为

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适当调节R2的值可以使Uo达到24 V。在LM317输入端接C1可进一步滤除纹波,输出端接C2能消除自激振荡,确保电路电压稳定;C3与R2并联组成滤波电路,减小输出的纹波电压。

2.3 电源切换电路

电源切换电路如图4所示。系统采用外部供电时,光耦通电导通,INT引脚输出低电平,当外部供电掉电时,INT引脚输出高电平,触发单片机中断,单片机通过PA.0输出低电平,PA.1输出高电平,三极管T2截止,T1关断, T4导通,T3开通,从而切换到电池供电方式。此时电池的输出电压VBAT经过LM7824稳压后输出24 V给交换机供电。VBAT经过采样电阻R8和R9分压后,由单片机采样处理。

2.4 CAN总线通信电路

CAN总线通常用于连接多个节点,铺设距离较长,因此,CAN总线和所连接的各节点之间的隔离非常关键。隔离可以防止CAN总线电缆网络与连接至总线的系统之间的过压瞬变造成破坏,同时消除网络中的接地环路,减少信号失真和误差,并防止电压/接地失配影响电路。隔离CAN网络驱动接口电路如图5所示。CAN总线要求通过电阻连接实现隐性状态,并要求通过CANH和CANL的组合实现显性状态。数字隔离器并不支持这种信号标准。因此,无法在CAN总线收发器与电缆之间插入数字隔离器。ADM3052是一款隔离式控制器区域网络物理层收发器,集成隔离DC/DC转换器,符合ISO 11898标准;它采用ADI公司的iCoupler数字隔离技术,在4线CAN总线配置与微控制器之间提供5 kV有效电压,同时具有CAN总线规范所要求的物理层特性。在CAN协议控制器与物理层总线之间创建一个完全隔离的接口。

2.5 单片机控制及温度检测电路

STM32F130最小系统由晶振电路和复位电路构成,电路如图6所示,其中K2为系统启动方式选择按钮。STM32F130通过I/O口PA3与PA4模拟I2C时序,连接AT24C02存储器,用于保持系统参数。为了监测系统电池温度,采用数字温度传感器DS18B20进行温度测量,DS18B20采用单总线时序通信,由STM32F130通过I/O口PB0模拟实现,DS18B20的温度测量范围为-55～125 ℃,完全可满足系统要求。

3 系统软件设计

工业以太网交换机直流不间断供电系统采用16节1.2 V的镍氢电池串联,输出约20 V电压,当电池电压低于16 V时,STM32F130关断电池输出电路,防止电池过放电;STM32F130通过DS18B20实时监测电池温度,当其温度超过50 ℃时,实行过温保护,停止电池充电;STM32F130通过定时器每隔10 ms产生一次中断进行数据采样。1 s内的数据(100个样本)的平均值用于相关判断,如实现由电池供电方式切换至外电供电方式,以保证可靠性。电池电量通过对电流积分计算获得。将电池充满或放空所需电量与电池额定电量相比较,可以判断电池容量是否减少并且是否需要更换电池。

系统设置10个LED灯,5个绿色,用于显示当前UPS状态,如有无市电,是否充电。其中2个合成一组简单显示电量:都亮,电量约为100%,1亮4灭 约为20%,以此类推。5个红色,用于显示故障,通过分析采样电流、电压、温度等相关数据,判断过流、超温、开关损坏等相关故障。系统主程序流程如图7所示。

4 结语

工业以太网交换机直流不间断供电系统通过64位处理器STM32F130的数字化控制,可实现有市电时由市电为交换机供电并对镍氢电池进行充电管理,无市电时零时间切换至镍氢电池供电,如镍氢电池电压降至最低电压以下,而市电未能恢复,则系统在保存相关数据后停止工作,以防止电池过放电。该系统具有动态响应快、静态功耗小、非线性负载适应能力强等特点。系统样机在测试中获得了比较好的试验结果,有效保证了工业以太网交换机供电的可靠性。

参考文献

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