具有多网关功能的交换机及通信系统的制作方法

本发明涉及应用于机车、高铁、动车、地铁等轨道交通行业的网络控制系统领域，尤其涉及一种具有多网关功能的交换机及通信系统。

背景技术：

近年来，随着轨道交通行业的高速发展，传统的列车通信网络(英文：Train Communication Network，简称：TCN)也得到了广泛的应用。尤其绞线式列车总线(英文：Wire Train Bus，简称：WTB)，是为轨道交通量身打造的总线，在动车组、大型客运车和重载机车都有广泛的应用。

然而随着信息化的高速发展，列车上要承载的信息越来越庞大，传统的TCN速率低，带宽窄的缺点越来越制约着轨道交通的发展；WTB总线作为列车级总线，是车辆与车辆之间的信息交互通道，传输的信息量受到很大的限制，为此，新一代列车工业以太网总线应运而生，以太网总线包括：以太列车骨干网(英文：Ethernet Train Backbone，简称：ETB)总线以及以太列车固定网(英文：Ethernet Train consist network，简称：ECN)总线，ETB总线能够实现列车灵活编组和车辆之间信息交互，同时提高了传输的速率和带宽，ECN总线负责车辆内部固定网络通信，从而大大提升了列车的网络传输容量和传输性能。

但是，目前TCN列车与以太网列车由于采用的总线不同，无法实现互联互通。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种具有多网关功能的交换机及通信系统，用于实现基于不同通信协议通信的通信设备之间的互联互通。

第一方面，本发明实施例提供一种具有多网关功能的交换机，包括：

背板，以及设置在所述背板上的电源板、中央处理器CPU板、第一交换 机板、第二交换机板；

其中，所述电源板，用于通过所述背板向所述CPU板、所述第一交换机板和所述第二交换机板提供电源；

所述CPU板分别与所述第一交换机板、所述第二交换板连接；

所述第一交换机板，用于获取第一通信设备的第一数据包，解析所述第一数据包获得第一数据，输出所述第一数据至所述CPU板；所述第一交换机板与所述第一通信设备之间采用第一通信协议通信；所述第一数据包为所述第一通信协议封装的数据包；所述第一数据为所述第一交换机板识别的数据；

所述CPU板，用于获取所述第一交换机板输出的所述第一数据，并将所述第一数据转换为第二数据，输出所述第二数据至所述第二交换机板；所述第二数据为所述第二交换机板识别的数据；

所述第二交换机板，用于获取所述CPU板输出的所述第二数据，并将所述第二数据封装为第二数据包，输出所述第二数据包至第二通信设备；所述第二交换机板与所述第二通信设备之间采用第二通信协议通信；

所述第一通信协议与所述第二通信协议不同。

第二方面，本发明实施例提供一种通信系统，包括：第一通信设备、第二通信设备和如上所述的具有多网关功能的交换机；所述第一通信设备与所述交换机采用第一通信协议通信，所述第二通信设备与所述交换机采用第二通信协议通信。

基于上述，本发明实施例可以实现基于不同通信协议通信的通信设备之间的互联互通，进而使两种不同网络之间实现互相兼容；例如：使得TCN和以太网网络实现互相兼容，提高了列车网络设计的灵活性和多样性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明具有多网关功能的交换机实施例一的结构示意图；

图2为本发明具有多网关功能的交换机实施例二的结构示意图；

图3为本发明具有多网关功能的交换机实施例三的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的背板的一种结构示意图；

图5为本发明实施例提供的电源板的一种结构示意图；

图6为本发明实施例提供的CPU板的一种结构示意图；

图7为本发明实施例提供的WTB板的一种结构示意图；

图8为本发明实施例提供的ECN板的一种结构示意图；

图9为本发明实施例提供的ETB板的一种结构示意图；

图10为本发明实施例提供的具有多网关功能的交换机的一种逻辑示意图；

图11为本发明实施例提供的具有多网关功能的交换机的一种软件架构示意图；

图12为本发明实施例提供的通信系统的一种结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明具有多网关功能的交换机实施例一的结构示意图，如图1所示，本实施例的交换机可以包括：背板11、电源板12、CPU板13、第一交换机板14和第二交换机板15；其中，电源板12、CPU板13、第一交换机板14、第二交换机板15分别设置在背板11上。电源板12，用于通过背板11向CPU板13、第一交换机板14和第二交换机板15提供电源；CPU板13，用于通过背板11分别与第一交换机板14和第二交换机板15通信，即CPU板13通过背板11分别与第一交换机板14和第二交换机板15连接。其中，第一交换机板14，用于获取第一通信设备的第一数据包，解析第一数据包获得第一数据，输出第一数据至CPU板13；第一交换机板与第一通信设备之间采用第一通信协议通信；第一数据包为第一通信协议封装的数据包；第一数据为第一交换机板14识别的数据。CPU板13，用于获取第一交换机板14输 出的第一数据，并将第一数据转换为第二数据，输出第二数据至第二交换机板15；第二数据为第二交换机板15识别的数据。第二交换机板15，用于获取CPU板13输出的所述第二数据，并将所述第二数据封装为第二数据包，输出所述第二数据包至第二通信设备；第二交换机板15与所述第二通信设备之间采用第二通信协议通信。

可选地，CPU板13、第一交换机板14、第二交换机板15分别与背板11上的紧凑型外设组件互连(英文：Compact Peripheral Component Interconnect，简称：CPCI)总线相连。因此，背板11、CPU板13、第一交换机板14和第二交换机板15中均具有CPCI总线。

本实施例中的交换机可以与第一通信设备进行通信，也可以与第二通信设备进行通信，而且交换机与第一通信设备之间采用第一通信协议通信，交换机与第二通信设备之间采用第二通信协议通信，并且第一通信协议与所述第二通信设协议不同，由于第一通信设备基于通信的第一通信协议与第二通信设备基于通信的第二通信协议不同，所以第一通信设备与第二通信设备不能直接通信，需要通过本实施例提供的交换机来实现第一通信设备与第二通信设备之间的信息互通。

具体实现过程为：交换机中的第一交换机板14与第一通信设备之间通信，由于第一交换机板14与第一通信设备之间采用第一通信协议通信，第一交换机板14可以获取第一通信设备的第一数据包，第一数据包为采用第一通信协议封装的数据包，第一交换机板14也可以对第一数据包进行解析，获得第一数据包中的数据，称为第一数据，该第一数据是第一交换机板14可以识别的数据；然后第一交换机板14再将第一数据输出给CPU板13。

CPU板13获取到第一交换机板14输出的第一数据，根据第一数据需要发送至第二通信设备，由于第二通信设备无法识别第一数据，所以需要将第一数据转换为第二通信设备可以识别的数据，因此，CPU板13将第一数据转换为第二数据，该第二数据为第二通信设备可识别的数据，然后将第二数据输出给第二交换机板15。其中，第一交换机板14识别出第一数据的含义与第二交换机板15识别出第二数据的含义相同。

第二交换机板15，获取到CPU板13输出的第二数据，由于第二交换机板15与第二通信设备之间采用第二通信协议进行通信，因此，第二交换机板 15要将第二数据传送至第二通信设备，则要根据第二通信协议将第二数据进行封装，获得的数据包称为第二数据包，然后再将第二数据包输出给第二通信设备，从而实现了第一通信设备与第二通信设备之间的信息互通。

可选地，在一种可行的实现方式中，第一交换机板为WTB板，相应地，第一通信设备为TCN列车，第一通信协议为基于WTB的通信协议；第二交换机板为ETB板，相应地，第二通信设备为以太网列车，第二通信协议为基于ETB总线的通信协议；从而可以实现TCN列车的信息可以传输至以太网列车，实现了TCN列车与以太网列车之间的互联互通。

可选地，在另一种可行的实现方式中，第一交换机板为ETB板，相应地，第一通信设备为以太网列车，第一通信协议为基于ETB总线的通信协议；第二交换机板为WTB板，相应地，第二通信设备为TCN列车，第二通信协议为基于WTB的通信协议；从而可以实现以太网列车的信息可以传输至TCN列车，实现了TCN列车与以太网列车之间的互联互通。

图2为本发明具有多网关功能的交换机实施例二的结构示意图，如图2所示，本实施例中的多网关功能的交换机包括：背板21，以及设置在背板21上的电源板22、CPU板23、WTB板24、ETB板25以及ECN板26；ECN板26与CPU板23连接，其中，电源板22，用于通过背板21向CPU板23、WTB板24、ETB板25和ECN板26提供电源；本实施例中的WTB板24可以作为本实施例一中的第一交换机板14，相应地，本实施例中的ETB板25可以作为本实施例一中的第二交换机板15，WTB板24、ETB板25和CPU板23的相关描述可以的相关描述可以参见本发明实施例一中的相关记载；本实施例中的ETB板25可以作为本实施例一中的第一交换机板14，相应地，本实施例中的WTB板24可以作为本实施例一中的第二交换机板15，WTB板24、ETB板25和CPU板23的相关描述可以参见本发明实施例一中的相关记载。本实施例中的ECN板26通过背板21与CPU板23连接。

可选地，CPU板23、WTB板24、ETB板25和ECN板26分别与背板21上的CPCI总线相连。因此，背板21、CPU板23、WTB板24、ETB板25和ECN板26中均具有CPCI总线。

在本实施例的一种可选的实现方式中，若ETB板25作为本实施例一中的第一交换机板14，WTB板24作为本实施例一中的第二交换机板15，则 ECN板26，用于获取至少一辆第一车辆的第三数据包，解析所述第三数据包获得第三数据，输出所述第三数据至CPU板23；ECN板26与所述第一车辆之间采用基于第三通信协议通信；所述第三数据包为所述第三通信协议封装的数据包；所述第三数据为所述第三交换机板识别的数据；所述第一列车包括所述至少一辆第一车辆；所述第三通信协议为基于ECN总线的通信协议。CPU板23，还用于获取所述TCN列车输出的第三数据，并将所述第三数据转换为第一数据，将所述第一数据输出ETB板25。ETB板25，还用于获取CPU板23输出的所述第一数据。

具体地，第一通信设备可以包括至少一辆第一车辆，ECN板26可以与该至少一辆第一车辆进行通信，由于ECN板26与第一车辆之间采用第三通信协议通信，ECN板26可以获取该至少一辆第一车辆的第三数据包，第三数据包为采用第三通信协议封装的数据包，ECN板也可以对第三数据包进行解析，获得第三数据包中的数据，称为第三数据，该第三数据是ECN板26可以识别的数据，然后ECN板26将第三数据输出给CPU板23。

CPU板23获取到ECN板26输出的第三数据，第三数据需要先输出至ETB板25，由于ETB板25无法识别第三数据，所以需要将第三数据转换为ETB板25可以识别的数据，因此，CPU板23将第三数据转换为第一数据，该第一数据为ETB板25可识别的数据，然后将第三数据输出给ETB板25。其中，ETB板25识别出第一数据的含义与ECN板26识别出第三数据的含义相同。若ETB板25还需要将第一数据输出给WTB板24，相关实现过程可以参见本发明实施例一中的相关记载。

在本实施例的另一种可选的实现方式中，若WTB板24作为本实施例一中的第一交换机板14，ETB板25作为本实施例一中的第二交换机板15，则ETB板25还用于：输出所述第二数据至CPU板23。CPU板23，还用于获取ETB板25输出的所述第二数据，并将所述第二数据转换为第三数据，将所述第三数据输出至ECN板26；所述第三数据为ECN板26识别的数据。ECN板26，用于获取CPU板23输出的所述第三数据，并将所述第三数据封装为第三数据包，输出所述第三数据包至少一辆第二车辆；ECN板26与所述第二车辆之间采用第三通信协议通信；所述第三数据包为所述第三通信协议封装的数据包；所述第二通信设备包括所述至少一辆第二车辆；所述第三 通信协议为基于ECN总线的通信协议。

具体地，第二通信设备可以包括至少一辆第二车辆，ECN板26可以与该至少一辆第二车辆进行通信，而且ECN板26与第二车辆之间采用第三通信协议通信。ETB板25获取到第二数据后，还可以将第二数据输出给CPU板23以使CPU板23输出给ECN板26，CPU板23获取到ETB板25输出的第二数据，由于ECN板26无法识别第二数据，所以需要将第二数据转换为ECN板26可以识别的数据，因此，CPU板23将第二数据转换为第三数据，该第三数据为ECN板26可识别的数据，然后将第三数据输出给ECN板26。其中，ETB板25识别出第二数据的含义与ECN板26识别出第三数据的含义相同。ECN板26，获取到CPU板23输出的第三数据，由于ECN板26与至少一辆第二车辆之间采用第三通信协议进行通信，因此，ECN板26要将第三数据传送至第二车辆，则要根据第三通信协议将第三数据进行封装，获得的数据包称为第三数据包，然后再将第三数据包输出给至少一辆第二车辆。

图3为本发明具有多网关功能的交换机实施例三的结构示意图，如图3所示，本实施例在本发明实施例二的基础上，WTB板24的个数为两个，两个WTB板24采用双板卡冗余，ECN板26为具有环网冗余功能的ECN板，ETB板25为采用冗余线机制的ETB板；因此，不仅能够实现链路聚合、双线路独立通信功能，还能在故障时，自动隔离并连通物理线路。

图4为本发明实施例提供的背板的一种结构示意图，如图4所示，本实施例的背板可以为本发明实施例三提供的交换机中的背板，本实施例中的背板包括：电源板槽、CPU板槽、两个WTB板槽、ECN板槽、ETB板槽以及预留槽；电源板槽可以与电源板连接，CPU板槽可以与CPU板连接，WTB板槽可以与WTB板连接，ECN板槽可以与ECN板连接，ETB板槽可以与ETB板连接，预留槽用于预留与后续增加的板连接。本实施例提供的背板采用CPCI总线与上述各板连接，从而具有总线速率高，集成性强、可热插拔(Hot Swap)、高开放性、高可靠性等优点。例如：电源板槽、CPU板槽、WTB板槽的宽度为8TE，ECN板槽和ETB板槽的宽度为24TE，预留槽的宽度为4TE；1TE的大小为5.08mm。

图5为本发明实施例提供的电源板的一种结构示意图，如图5所示，本实施例的电源板为110V直流电压(英文：Direct Current，简称：DC)输入， 输出分别是5VDC和3.3VDC，为保证设计的可靠性，电源前端和后端都加了保护和监测电路。

图6为本发明实施例提供的CPU板的一种结构示意图，如图6所示，本实施例的CPU板上主要包含CPU芯片、现场可编程门阵列(英文：Field－Programmable Gate Array，简称：FPGA)芯片、外部存储以及一些外设接口；外部存储包括：双倍速率同步动态随机存储器(英文：Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory，简称：DDR)、IDE或小型快闪卡(英文：Compact Flash Card，简称：CF)或闪存(英文：Flash)，外设接口包括：通用输入/输出(英文：General Purpose Input Output，简称：GPIO)接口、通用串行总线(英文：Universal Serial Bus，简称：USB)接口和视频图形阵列(英文：Video Graphics Array，简称：VGA)接口；其中，CPU芯片通过系统管理(System Management，简称：SM)总线与GPIO接口连接，CPU芯片通过阴极射线管(英文：Cathode Ray Tube，简称：CRT)与VGA接口连接。CPU芯片还通过线性预测编码(Linear Predictive Coding，简称：LPC)与基本输入输出系统(英文：Basic Input Output System，简称：BIOS)连接。

本实施例中，CPU芯片还通过PCI总线与交换机中的背板连接，可选地，CPU芯片通过CPCI总线与背板连接。

本实施例的CPU板具有实时操作系统，可选地，CPU板为采用Linux实时操作系统的CPU板，可以保证满足实时性要求较高的数据传输需求。

图7为本发明实施例提供的WTB板的一种结构示意图，如图7所示，本实施例的WTB板包含CPU芯片、FPGA芯片、WTB接口电路以及串口等通用接口，CPU芯片支持Vxworks操作系统，用来运行WTB协议栈软件，FPGA芯片集成有WTB协议控制器，用于完成WTB通信协议，WTB接口电路负责物理波形的接收和发送，而且WTB接口电路还可以连接到WTB总线上；对WTB板进行调试时，还可以通过WTB板中的以太网接口对该WTB板进行调试。

图8为本发明实施例提供的ECN板的一种结构示意图，如图8所示，ECN板包含CPU芯片、以太网协议芯片和接口板，CPU芯片支持Linux操作系统、以太网应用实时通信软件，环网协议等二层网络协议。以太网协议芯片包括介质访问控制(英文：Media Access Control,简称：MAC)芯片和物理层 (Physical，简称：PHY)芯片，MAC芯片与PHY芯片通过串行千兆媒体独立接口(英文：Serial Gigabit Media Independent Interface，简称：SGMII)连接，MAC芯片通过媒体独立接口(英文：Media Independent Interface，简称：MII)和串行管理接口(英文：Serial Management Interface，简称：SMI)与CPU芯片连接。CPU芯片还通过PCI总线与交换机中的背板连接，可选地，PCI总线为CPCI总线。接口板还与有源以太网(英文：Power Over Ethernet,简称：POE)连接，上示出了以太网(英文：Ethernet，简称：ETH)1-8接口，ETH1-8接口为普通二层网络接口，ECN板通过ETH1-8接口可以连接在普通二层工业以太网总线上。

图9为本发明实施例提供的ETB板的一种结构示意图，如图9所示，本实施例提供的ETB板与图8所示的ENC板不同的是，接口板上还包括三层旁路(英文：Bypass)网络接口，图9中示出的三层旁路网络接口包括：旁路A1、旁路A2、旁路B1、旁路B2四个接口，ETB板通过ETH1-4接口可以连接在普通二层工业以太网总线上。还可以通过旁路A1、旁路A2、旁路B1、旁路B2四个接口连接到三层工业以太网总线上。

需要说明的是，上述各实施例提供的具有多网关功能的交换机的机箱尺寸可以为3U19寸，上述所有的板能够集成在该机箱内，结构紧凑、规范且通用，因此，本发明实施例的交换机与现有的以太网交换机相比，尺寸较小，结构紧凑。

本实施例提供的具有多网关功能的交换机，需要实现WTB和ECN两种网络从物理层到应用层的技术要求，在物理层上实现上述两种总线的电气特性，从链路层以上要满足相对应的协议要求，最后对应用层要进行应用处理，图10为本发明实施例提供的具有多网关功能的交换机的一种逻辑示意图，如图10所示。

图11为本发明实施例提供的具有多网关功能的交换机的一种软件架构示意图，如图11所示，其中WTB板包含上位机配置接口软件、CPCI接口驱动软件、WTB协议控制器、RPT协议栈软件、应用控制软件。ECN板包含上位机配置接口软件、CPCI接口驱动软件、2层网络管理和功能软件、应用控制软件。ETB板包括上位机配置接口软件、CPCI接口驱动软件、3层网络管理和功能软件、应用控制软件。CPU板包括初始化软件、应用控制软件和 网络通信软件。WTB协议控制器是指满足IEC81375-2中WTB总线功能的协议控制软件，主要实现WTB链路层及链路层以下的功能，RPT协议栈软件是WTB链路层以上功能的软件；网络管理软件是指简单网络管理、代理服务和远程登录等，二层网络功能软件包括环路冗余、VLAN、链路发现，转发帧等基本功能，三层网络功能软件除包含所有二层网络功能外，还包括路由功能、TTDP(列车拓扑发现协议)、链路聚合功能等特殊功能软件。CPU板中包含的初始化软件是对所有其他板的初始化和检测，应用控制软件是对其他板控制，网络通信软件是指WTB网络和以太网网络的应用数据交互。上位机配置接口软件主要是以太网和串口的配置接口，用于对板的初始化配置，CPCI接口驱动软件是CPCI总线通信的链路层软件，应用控制软件是指应用数据的通信、逻辑控制等。

本发明实施例提供的具有多网关功能的交换机不仅能够独立地连接到WTB板、ECN板和ETB板分别对应的网络上，而且还能够对这三种板分别对应的三种总线进行数据交换。本发明实施例提供的交换机的WTB板和ETB板具有列车组网协议，能够对各自对应的总线进行实时侦测和扫描，并进行组网或者是解网，并能够形成新的列车拓扑信息。本发明实施例提供的CPU板通过CPCI总线与WTB板、ECN板、ETB板进行通信，完成应用的数据交换和控制，同时对不同总线的拓扑信息进行解析，从而实现列车自动编组、解编以及列车重新初运行等基本列车控制。

而且，本发明实施例提供的交换机的背板采用CPCI总线，具有总线速率高，集成性强、可热插拔(Hot Swap)、高开放性、高可靠性等优点。本发明实施例提供的ETB交换机，集合了WTB总线技术，ECN总线技术以及ETB总线技术，能够将传统的WTB网络与新一代列车工业以太网相结合，解决列车新旧网络融合的困难。本发明实施例提供的交换机，在可靠性设计上保留了传统WTB网络的可靠性设计、以太网的可靠性设计，确保交换的可靠性。

图12为本发明实施例提供的通信系统的一种结构示意图，如图12所示，本实施例的通信系统包括第一通信设备31、第二通信设备32和交换机33，其中，交换机33可以为本发明上述各实施例提供的具有多网关功能的交换机，相关描述可以参见本发明上述各实施例中的相关记载，此处不再赘述。 第一通信设备31与交换机33采用第一通信协议通信，第二通信设备32和交换机33采用第二通信协议通信，通过交换机33可以实现第一通信设备31和第二通信设备32之间的信息互通。第一通信设备31位于第一网络，第二通信设备32位于第二网络，从而通过本发明实施例提供的交换机33可以实现第一网络与第二网络之间的互联互通。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。