千兆以太网旁路器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及网络通信领域，具体而言，涉及千兆以太网旁路器。该千兆以太网旁路器，包括：物理接口模块和信号转换模块，物理接口模块包括信号采集单元，所述信号转换模块包括模数转换单元、第一数模转换单元和第二数模转换单元。本发明提供的该千兆以太网旁路器，通过模数转换单元将模拟信号转换为数字信号，来修复采集到的数据(也可以称为电气信号)，在将信号发送到旁路端口和将信号发送到被测线路接收端口之前，使用数模转换单元进行转换，以保证信号能够正常被被测线路接收端口所接收和使旁路端口能够正常接收，在保证以太网拓扑结构不发生改变的前提下，保证了数据(电气信号)的完整性，解决了现有技术的不足。
【专利说明】千兆以太网旁路器
【技术领域】
[0001] 本发明涉及网络通信领域，具体而言，涉及千兆以太网旁路器。
【背景技术】
[0002] 工程系统（包括飞机、导弹、卫星、汽车等）在设计定型之前必须经过大量的测试， 其中包括对每个设备的以太网接口进行数据采集的测试。
[0003] 目前，所有的对以太网端口进行的数据采集测试，均通过交换机或者物理旁路方 式实现。如果通过交换机进行测试，则需要将设备之间互联的以太网转接到交换机中，但这 种测试方式直接改变了被测系统的以太网拓扑结构，无从保证被测系统的完整性；如果是 通过物理旁路方式进行测试，对于百兆以太网来说，需要利用滤波器和放大器对电气信号 进行过滤放大，可实现基本旁路数据采集功能，但是对于千兆以太网来说，对线路的电气特 性要求太高，简单的电气信号放大无法保证被测系统中以太网线路数据的完整通讯，会产 生一定量的电气损耗，进而导致传输数据的完整性受损。
[0004] 综上，还没有出现一种既不破坏原系统拓扑结构，又能够保证传输的数据的完整 性的数据采集装置。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供千兆以太网旁路器，以解决上述的问题。
[0006] 在本发明的实施例中提供了千兆以太网旁路器，包括：物理接口模块和信号转换 模块，物理接口模块包括信号采集单元，信号转换模块包括模数转换单元、第一数模转换单 元和第二数模转换单元；
[0007] 信号采集单元，用于采集被测线路发送端口的信号，获得模拟采集信号；
[0008] 模数转换单元，用于将模拟采集信号转换为数字采集信号；
[0009] 第一数模转换单元，用于将数字采集信号转换为模拟旁路信号，并发送到预定的 芳路端口；
[0010] 第二数模转换单元，用于将数字采集信号转换为模拟还原信号，并发送到被测线 路接收端口。
[0011] 优选的，物理接口模块还包括：信号过滤单元和信号放大单元；
[0012] 信号过滤单元，用于将模拟采集信号的噪音进行过滤；
[0013] 信号放大单元，用于将模拟采集信号进行物理放大。
[0014] 优选的，信号采集单元包括：千兆以太网变压器，用于与被测线路发送端口进行信 号耦合，以产生模拟采集信号。
[0015] 优选的，第一数模转换单元和第二数模转换单元均为多个，且不同的第一数模转 换单元用于将模拟旁路信号发送到不同的旁路端口，不同的第二数模转换单元用于将模拟 还原信号发送到不同的被检测线路接收端口；
[0016] 信号采集单元为多个，不同的信号采集单元用于采集不同的被测线路发送端口的 信号；
[0017] 模数转换单元为多个，不同的模数转换单元用于将不同的被测线路发送端口所产 生的模拟采集信号转化为数字采集信号。
[0018] 优选的，还包括：反相器，反相器连接于信号转换模块与物理接口模块之间。
[0019] 优选的，还包括FPGA模块；
[0020] FPGA模块，用于根据预先获取的配置表，获取指定的模数转换单元所生成的数字 采集信号；
[0021] 将获取接收到的数字采集信号分别发送到指定的第一数模转换单元和第二数模 转换单元。
[0022] 优选的，还包括：
[0023] 串口控制模块，用于生成配置表，配置表定义了被测线路的发送端口、被测线路的 接收端口和芳路端口。
[0024] 优选的，FPGA模块包括：控制单元和切换矩阵单元，切换矩阵单元包括多个输入 端口和多个输出端口；
[0025] 控制单元，用于根据获取的配置表，调整多个输入端口和多个输出端口的映射关 系，以将数字采集信号发送到指定的输出端口，每个所述输入端口与一个所述模数转换单 元电连接，每个的所述输出端口分别与一个所述第一数模转换单元和一个所述第二数模转 换单元电连接。
[0026] 优选的，FPGA模块还包括：MAC单元，用于分别监听第一数模转换单元和第二数模 转换单元的传输信道，若第一数模转换单元的传输信道处于空闲状态，则将数字采集信号 发送至第一数模转换单元，若第二数模转换单元的传输信道处于空闲状态，则将数字采集 信号发送至第二数模转换单元。
[0027] 优选的，FPGA模块还包括：
[0028] 监测单元，用于判断输入端口与输出端口的映射关系是否与配置表所携带的映射 关系相同，若否，则生成报警信息。
[0029] 本发明实施例提供的千兆以太网旁路器，与现有技术中的通过滤波器和放大器 对电气信号进行过滤放大，再通过旁路对数据进行采集，却由于千兆以太网的电气特性要 求过高，只是数据的完整性受损相比，其通过信号采集单元对被测线路发送端口进行采集， 以获取模拟信号，再使用模数转换单元将模拟信号转换为数字信号，来修复采集到的数据 (也可以称为电气信号），在将信号发送到旁路端口和将信号发送到被测线路接收端口之 前，使用数模转换单元进行转换，以保证信号能够正常被被测线路接收端口所接收和使旁 路端口能够正常接收，在保证以太网拓扑结构不发生改变的前提下，保证了数据（电气信 号）的完整性，解决了现有技术的不足。
【专利附图】
【附图说明】
[0030] 图1示出了本发明实施例的千兆以太网旁路器的基本模块连接图；
[0031] 图2示出了本发明实施例的千兆以太网旁路器的优化模块连接图；
[0032] 图3示出了本发明实施例的千兆以太网旁路器的旁路器内部模块连接图；
[0033] 图4示出了本发明实施例的千兆以太网旁路器的一种具体实施情况的模块连接 图。
【具体实施方式】
[0034] 下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。本发明实施 例1提供了千兆以太网旁路器，如图1至图3所示，包括：物理接口模块和信号转换模块1， 物理接口模块包括信号采集单元102,信号转换模块1包括模数转换单元103、第一数模转 换单元104和第二数模转换单元105 ;
[0035] 信号采集单元102,用于采集被测线路发送端口 101的信号，获得模拟采集信号；
[0036] 模数转换单元103,用于将模拟采集信号转换为数字采集信号；
[0037] 第一数模转换单元104,用于将数字采集信号转换为模拟旁路信号，并发送到预定 的芳路端口 107 ;
[0038] 第二数模转换单元105,用于将数字采集信号转换为模拟还原信号，并发送到被测 线路接收端口 106。
[0039] 在不加设千兆以太网旁路器的时候，被测线路的发送端口将信号发送给被测线路 的接收端口。此处的被测线路的接收端口和发送端口，是指能够使信号采集单元从被测线 路采集到所需要进行旁路采集的信号（发送端口）和能够将信号发送回被测线路（接收端 口），并不限定发送端口和接收端口具有何种的发送和接收功能。
[0040] 在使用千兆以太网旁路器之后，信号采集单元102通过发送端口采集到被测线路 正在发送的数据（信号），其采集方式可以是使用信号采集器，通过信号耦合的方式进行采 集，也可以使用其他的方式进行采集。在采集之后获取被测线路正在传输的信号，并以模拟 信号的形式发送给模数转换单元103。受千兆以太网所传输信号的电气特性所限，使用滤 波器和放大器对采集到的电气信号进行放大处理无法保证被测系统中以太网线路数据的 完整通讯，会产生一定量的电气损耗，导致数据采集丢包，也就是数据丢失的现象。为了克 服该现象，可以使用模数转换单元103,将模拟信号转换为数字信号，以使采集到的电气信 号得到修复，保证数据的完整性。也就是保证信号在千兆以太网旁路器内部进行传输的时 候，不会造成信号受损的情况发生。模数转换单元103可以如：Realtek 8201BL、Realtek 8139C/D、lntel Pro/100VE、3Com 905C等，信号转换模块1还定义了数据传送与接收所需 要的电与光信号、线路状态、时钟基准、数据编码和电路等，并向数据链路层设备提供标准 接口。
[0041] 旁路器是将一个被测线路中采集到的信号通过一个旁路端口 107进行采集。也 可以是选择通过预设的多个旁路端口 107中的某一个进行信号采集，但在通过旁路采集之 前，还需要使用第一数模转换单元104将信号转换为模拟信号，以使旁路端口 107能够正常 接收，不需要使旁路端口 107增加额外的设备。
[0042] 物理接口模块包括变压器（用于信号耦合，采集被测线路的信号）、继电器、运放 113电路和RJ45标准接口，物理接口模块的主要作用是将千兆以太网旁路器接入以太网线 路，连接被测系统中的两端设备（两端设备之间进行的信号传输），并保证不改变任何被测 系统的以太网拓扑结构的前提下，实现两端设备的以太网信号物理旁路。
[0043] 考虑到具体使用的情况，物理接口模块还包括：信号过滤单元108和信号放大单 元109 ;信号过滤单元108,用于将模拟采集信号的噪音进行过滤；信号放大单元109,用于 将模拟采集信号进行物理放大。
[0044] 通过信号过滤单元108的作用，能够使信号中的噪音降低，提高信号的质量，通过 信号放大单元109的作用，以防止信号在传输的时候，由于电器损耗，而导致数据的丢失现 象。具体的，可以通过设置信号过滤单元108和信号放大单元109的工作顺序来处理不同 的信号。如：
[0045] 1，当接收到的信号带外噪声为主要矛盾，噪声幅度远远大于信号幅度，则需要先 进行滤波，然后再放大。因为假设先对信号进行放大，接收到的信号噪声幅度较大，放大器 将输出饱和，导致信号被进一步削弱，就算后继滤波做得再好也已经没有意义。那么此时， 应将采集到的模拟采集信号先通过信号过滤单元108,再通过信号放大单元109。
[0046] 2,接收到的信号和噪声幅度都很小。这种情况下为了尽量多的保存信号的信息需 要先进行放大，再滤波。放大不会导致饱和输出，最大程度上保存了原始信号。假设先滤波 再放大，则可能在滤波过程引入其他微弱干扰同时可能使信号产生一定的畸变，这就相当 于加入了噪声。这种情况需要先进行放大处理。那么此时，应将采集到的模拟采集信号先 通过信号放大单元109,再通过信号过滤单元108。
[0047] 由于被采集线路是千兆以太网，受气信号的电气特性的影响，使用一般的信号采 集装置会导致信号的损失，由此实现信号采集的信号采集单元102包括：千兆以太网变压 器114,用于与被测线路发送端口 101进行信号耦合，以产生模拟采集信号。具体的，千兆 以太网变压器114可以通过RJ45接口器件与被测线路进行耦合。具体的，千兆以太网变压 器114可以使用如Pulse品牌的变压器，其标准参数如下：匝数比1:1、插入损耗_1.2dB(推 荐范围：-ldB?-3dB)、反射损耗-10. 5dB (推荐范围：-6dB?-15dB)、电感350uH、串 扰-35dB (推荐范围：-15dB?-40dB)、直流阻抗0. 65 Ω (推荐范围：〇. 4 Ω?0. 8 Ω )。 [0048] 为了使千兆以太网旁路器的工作范围得到提高，也就是可以从不同的被测线路采 集信号，并且可以将信号通过不同的旁路端口 107进行采集，以实现有选择性的进行采集 信号的功能。
[0049] 第一数模转换单元104和第二数模转换单元105均为多个，且不同的第一数模转 换单元104用于将模拟旁路信号发送到不同的旁路端口 107,不同的第二数模转换单元105 用于将模拟还原信号发送到不同的被检测线路接收端口；信号采集单元102为多个，不同 的信号采集单元102用于采集不同的被测线路发送端口 101的信号；模数转换单元103为 多个，不同的模数转换单元103用于将不同的被测线路发送端口 101所产生的模拟采集信 号转化为数字采集信号。
[0050] 不同的信号采集单元102用于采集不同的被测线路发送端口 101的信号，可以理 解为每个信号采集单元102通过一个被测线路发送端口 101进行信号采集，并且每个信号 采集单元102与被测线路发送端口 101是一一对应的，并且每个模数转换单元103与信号 采集单元102也是一一对应的关系。
[0051] 不同的模数转换单元103用于将不同的被测线路发送端口 101所产生的模拟采集 信号转化为数字采集信号，可以理解为，每个模数转换单元103将与其对应的信号采集单 元102所采集到的信号进行模数转换。
[0052] 也可以设置为不同的信号采集单元102在采集到信号之后，均通过一个模数转换 单元103进行转换，但如此设置则不方便控制多个信号采集单元102的工作情况，易造成混 舌L。需要说明的是，信号采集单元102为多个时，相应的，信号过滤单元108和信号放大单 元109也应对应的设置为多个，或者将每个信号采集单元102所采集到的信号均连接至同 一组信号过滤单元108合信号放大单元109。
[0053] 电气设备在上电工作的时候，可能会由于瞬时电压过高而烧毁用电器，考虑到此， 千兆以太网旁路器还包括：反相器110,反相器110连接于信号转换模块1与物理接口模块 之间。
[0054] 通过设置反相器110,来防止上电时瞬间电流过大烧坏器件。
[0055] 进一步，千兆以太网旁路器还包括FPGA模块111 ;
[0056] FPGA模块111，用于根据预先获取的配置表，获取指定的模数转换单元103所生成 的数字采集信号；将获取接收到的数字采集信号分别发送到指定的第一数模转换单元104 和第二数模转换单元105。在没有使用FPGA模块111的时候，虽然有多个信号采集单元 102,但只能通过手动控制的方式，实现具体从哪个被测线路中采集信号的作用，这样容易 造成失误。
[0057] FPGA作为可编程的阵列，通过对其进行设置能够使FPGA实现处理器的功能，也就 是根据预先获取的配置表，来从指定的模数转换单元103获取数字采集信号，模数转换单 元103所获取的数字采集信号是通过指定的一个信号采集单元102对被测线路进行采集， 来获得的。其中，配置表中描述了哪个信号采集单元102工作，进而决定了从哪个被测线路 发送端口 101来获取数据。并且，配置表中描述了从哪个旁路端口 107来采集数据，由于每 个旁路端口 107所连接的终端是不同的，所以，通过将信号发送给指定的第一模数转换单 元103,便能够进一步通过该第一模数转换单元103将信号发送到指定的旁路端口 107,而 不需要使用者人工调整千兆以太网旁路器内部的连接方式。还可以选择信号通过哪个被测 线路接收端口 106，"还"给被测线路。也就能够控制信号的旁路采集流向和信号的运行流 向。
[0058] 进一步，千兆以太网旁路器还包括：串口控制模块112,用于生成配置表，配置表 定义了被测线路的发送端口、被测线路的接收端口和旁路端口 107。
[0059] 其中，串口控制模块112可以通过上位机下达的指令来生成配置表，也可以按照 预先录入的指令，每个预定的时间生成配置表。如，系统要求，计时5秒，数据从被测线路发 送端口 A切换为被测线路发送端口 B，再计时5秒数据从被测线路发送端口 B切换为被测 线路发送端口 A。具体的，信号采集单元102或者模数转换单元103,或者RJ45应配置有地 址，以便于根据配置表的实现控制。
[0060] 具体的，FPGA模块111包括：控制单元和切换矩阵单元，切换矩阵单元包括多个输 入端口和多个输出端口；
[0061] 控制单元，用于根据获取的配置表，调整多个输入端口和多个输出端口的映射关 系，以将数字采集信号发送到指定的输出端口，每个所述输入端口与一个所述模数转换单 元103电连接，每个的所述输出端口分别与一个所述第一数模转换单元104和一个所述第 二数模转换单元105电连接。
[0062] 通过调整输入端口和输出端口的映射关系，便能够实现选择从哪个被测线路发送 端口 101来获取信号，从哪个被测线路接收端口 106来发出信号，和使用哪个旁路端口 107 进打芳路米集的功能。
[0063] 为了能够确保用户的配置控制命令能够有效传递到切换矩阵单元并准确执行，需 要单独设计监测单元，负责对切换矩阵的行为进行监测、验证以及问题调试，在千兆以太网 旁路器正常工作的时候，能够有选择性的从一个被测线路发送端口 101来获取信号，和分 别从指定的旁路端口 107和指定的被测线路接收端口 106来提供数据（向这两个端口发送 数据），但由于各种原因，如端口映射故障等原因，会导致想要获取数据的端口（旁路端口 107和被测线路接收端口 106)没有接收到指定的数据，或者是没能从指定的被测线路发送 端口 101获取到数据，这样，则会直接影响到其他工作的执行，有鉴于此，FPGA模块111还 包括：监测单元，用于判断输入端口与输出端口的映射关系是否与配置表所携带的映射关 系相同，若否，则生成报警信息。
[0064] 进一步，还包括LED切换指示灯115, LED切换指示灯115为多个，且每个LED切 换指示灯115用于与一个输入端口，或者输出端口相连接，以显示某个输入端口或者输出 端口的工作状态，通过LED切换指示灯115的显示，使使用者能够清楚的得知哪个输入端 口，或者输出端口在工作，进而能够得知哪个千兆以太网旁路器在从哪个被测线路发送端 口 101获取信号，并通过哪个旁路端口 107和被测线路的接收端口发送信号。
[0065] 以上设计的优点在于使用者可以随时修改以太网旁路切换的端口，并能够及时查 看切换执行情况。由于PHY芯片（信号转换模块1)和FPGA芯片的价格低廉，直接决定了 本发明的成本较低；由于没有其他额外功能，因此与常规以太网交换机的价格相比也很低。 [0066] 检测单元能够根据获取到输入端口和输出端口的工作状态，并且根据预先获取的 配置表，来判断，是否只有正确的（配置表中描述的）输入端口和输出端口在工作，如果不 是，则说明千兆以太网旁路器内部出现问题，则应发出报警信息，以告知使用者。
[0067] 另一方便，如果千兆以太网旁路器内部的模块，或者单元同时相互进行数据传输， 则会造成干扰，导致数据丢失，或者混乱，由此，FPGA模块111还包括：MAC单元，用于分别监 听第一数模转换单元104和第二数模转换单元105的传输信道，若第一数模转换单元104 的传输信道处于空闲状态，则将数字采集信号发送至第一数模转换单元104,若第二数模转 换单元105的传输信道处于空闲状态，则将数字采集信号发送至第二数模转换单元105。 [0068] MAC单元接收切换矩阵单元的数据帧，然后通过PHY芯片（保护模数转换单元 103、第一数模转换单元104和第二数模转换单元105)提供的载波侦听和冲突检测信号，在 信道空闲时通过该信道将数据发送给PHY芯片。
[0069] 下面提供一个具体实施的情况来说明千兆以太网旁路器的工作方式：如图4所 示，图中A、B、C、D四个端口均可作为旁路端口 107,四个端口（A、B、C、D)均为RJ45接口， 被测线路发送端口 101，或者被测线路接收端口 106。
[0070] 串口控制模块112 (COM)通过串口将控制逻辑数据写入FPGA模块111，完成对千兆 以太网旁路器内部端口数据流向进行配置。具体的，使用者通过修改路由配置表，由串口通 过CPU接口模块下发到切换矩阵单元；然后由控制模块读取配置表内容，直接控制切换矩 阵完成相应物理通道切换（调整输入端口和输出端口的映射关系）。这样可以实现数据采 集的灵活配置，自由指定四个端口的功能定义（也就是，指明了每个端口的工作情况，如通 过网络采集A 口进行数据采集还是数据发送，通过网络采集B 口进行数据采集还是数据发 送，通过）。具体功能如下：
[0071] 可以调整原始数据通路端口设置：即设置原始以太网通讯为A/B 口、A/C 口、A/D 口、B/C 口、B/D 口、C/D 口。相应，剩余的两个端口设置为数据采集端口。
[0072] 可以对端口进行设置，以实现不同的功能，具体包括如表1所示的三种情况：
[0073] 表 1
[0074]
【权利要求】
1. 千兆以太网旁路器，其特征在于，包括：物理接口模块和信号转换模块，物理接口模 块包括信号采集单元，所述信号转换模块包括模数转换单元、第一数模转换单元和第二数 模转换单元； 信号采集单元，用于采集被测线路发送端口的信号，获得模拟采集信号； 模数转换单元，用于将所述模拟采集信号转换为数字采集信号； 第一数模转换单元，用于将所述数字采集信号转换为模拟旁路信号，并发送到预定的 芳路端口； 第二数模转换单元，用于将所述数字采集信号转换为模拟还原信号，并发送到被测线 路接收端口。
2. 根据权利要求1所述的千兆以太网旁路器，其特征在于，所述物理接口模块还包括： 信号过滤单元和信号放大单元； 信号过滤单元，用于将所述模拟采集信号的噪音进行过滤； 信号放大单元，用于将所述模拟采集信号进行物理放大。
3. 根据权利要求1所述的千兆以太网旁路器，其特征在于，信号采集单元包括：千兆以 太网变压器，用于与被测线路发送端口进行信号耦合，以产生所述模拟采集信号。
4. 根据权利要求2所述的千兆以太网旁路器，其特征在于，所述第一数模转换单元和 所述第二数模转换单元均为多个，且不同的所述第一数模转换单元用于将模拟旁路信号发 送到不同的所述旁路端口，不同的所述第二数模转换单元用于将模拟还原信号发送到不同 的被检测线路接收端口； 所述信号采集单元为多个，不同的所述信号采集单元用于采集不同的被测线路发送端 口的信号； 所述模数转换单元为多个，不同的所述模数转换单元用于将不同的被测线路发送端口 所产生的模拟采集信号转化为数字采集信号。
5. 根据权利要求3所述的千兆以太网旁路器，其特征在于，还包括：反相器，所述反相 器连接于所述信号转换模块与所述物理接口模块之间。
6. 根据权利要求4所述的千兆以太网旁路器，其特征在于，还包括FPGA模块； FPGA模块，用于根据预先获取的配置表，获取指定的所述模数转换单元所生成的数字 采集信号； 将获取接收到的所述数字采集信号分别发送到指定的所述第一数模转换单元和所述 第二数模转换单元。
7. 根据权利要求6所述的千兆以太网旁路器，其特征在于，还包括： 串口控制模块，用于生成配置表，所述配置表定义了所述被测线路的发送端口、被测线 路的接收端口和所述芳路端口。
8. 根据权利要求6所述的千兆以太网旁路器，其特征在于，FPGA模块包括：控制单元和 切换矩阵单元，所述切换矩阵单元包括多个输入端口和多个输出端口； 控制单元，用于根据获取的配置表，调整多个输入端口和多个输出端口的映射关系，以 将所述数字采集信号发送到指定的输出端口，每个所述输入端口与一个所述模数转换单元 电连接，每个的所述输出端口分别与一个所述第一数模转换单元和一个所述第二数模转换 单元电连接。
9. 根据权利要求8所述的千兆以太网旁路器，其特征在于，FPGA模块还包括：MAC单 元，用于分别监听所述第一数模转换单元和所述第二数模转换单元的传输信道，若所述第 一数模转换单元的传输信道处于空闲状态，则将所述数字采集信号发送至所述第一数模转 换单元，若所述第二数模转换单元的传输信道处于空闲状态，则将所述数字采集信号发送 至所述第二数模转换单元。
10. 根据权利要求9所述的千兆以太网旁路器，其特征在于，FPGA模块还包括： 监测单元，用于判断所述输入端口与所述输出端口的映射关系是否与所述配置表所携 带的映射关系相同，若否，则生成报警信息。
【文档编号】H04L12/02GK104158670SQ201410429334
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月27日 优先权日:2014年8月27日
【发明者】王雁来, 陈亮, 庄严 申请人:北京华力创通科技股份有限公司