组合的电机械和固态交换架构的制作方法

专利名称：组合的电机械和固态交换架构的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及网络交换。更具体而言，本发明提供了用于有效地和高效地将缆线切换到可用活动线路卡的技术。
背景技术：
诸如线缆调制解调器端接系统之类的线缆网络数据转发器(headend)一般包括连接到各条缆线的多个线路卡。缆线可以是连接到线缆线路(cable plant)和线缆网络的同轴线缆线或光纤线路。由于多种原因可能引发线路卡故障，因此经常需要通过提供冗余线路卡来提供支持高可用性和冗余的机制。
在某些示例中，保护线路卡与活动线路卡一起提供。例如，一个保护线路卡可以与5个活动线路卡相关联。如果连接到缆线的活动线路卡发生故障，则缆线被切换到保护线路卡上。然而，用于将缆线从故障线路卡切换到保护线路卡的硬件机制是受限的。在许多情况下，硬件切换机制在切换和正常操作期间都会引起损耗和效率低下。示例是可以从Frederick，Maryland的Weinschel公司获得的Weinschel外部RF交换机和可以分别从Schaumburg，Illinois的Motorola公司和Wayne，Pennsylvania的Arris公司获得的Motorola和Arris内部RF交换机。可获得的交换机仅支持N+1冗余，并且需要两个分离的卡以支持上游和下游应用。此外，交换机还需要3dB分离器或低隔离组件，这些组件引起DS信号质量降低。
因此，希望提供用于改进在线缆网络数据转发器中提供冗余的机制的技术。

发明内容
根据本发明，提供了用于允许高效地将缆线从故障线路卡切换到保护线路卡的方法和装置。线路卡可以安排在既支持上游发送频率又支持下游发送频率的多个保护和活动组中。本发明的技术使用电机械中继器(electro-mechanical relay)和固态开关(solid state switch)技术来启用大数量的多个冗余组。
根据各种实施例，本发明的技术不需要使用无源分离器(passivesplitter)，从而消除了这些分离器的额外插损，同时满足了超过60dB的信道到信道隔离。由于电机械中继器的隔离，该技术和机制也不需要禁用下游上变频器，从而消除了故障安全切换期间潜在的共信道干扰。
在一个实施例中，提供了一种冗余线缆网络数据转发器。该线缆网络数据转发器包括通过模块和交换模块。通过模块耦合到多个活动线路卡和多个活动线缆网络端口。通过模块被配置为经由多个通过模块电机械开关将多个活动线路卡连接到多个活动线缆网络端口。交换模块包括多个交换模块电机械开关和固态开关机制。交换模块与控制电路相关联，并且耦合到通过模块。控制电路通过经由通过模块将多个活动线缆网络端口之一切换到冗余线路卡，来对线路卡故障信息作出响应。
在另一个实施例中，提供了一种用于在线缆网络数据转发器处支持冗余的方法。多个活动线路卡经由在线缆网络数据转发器处的多个电机械开关耦合到多个活动线缆网络端口。监视多个活动线路卡之一的故障。在检测到故障时将多个活动线缆网络端口之一切换到保护线路卡。多个活动线缆网络端口之一被经由电机械开关和固态开关机制切换到保护线路卡。
对本发明本质和优点的进一步理解可通过参考说明书的剩余部分和附图实现。


通过结合附图参考下面的描述可以最好地理解本发明，附示了本发明的特定实施例。
图1是可以使用本发明的技术的系统的图示表示。
图2是示出冗余线缆调制解调器端接系统交换体系结构的图示表示。
图3是示出通过模块的图示表示。
图4是示出交换模块的图示表示。
图5是示出具有10个线路卡的通过模块的图示表示。
图6是示出具有10个线路卡的交换模块的图示表示。
图7是示出故障接管(failover)的流程过程图。
图8是可用来实现本发明的系统的图示表示。
具体实施例方式
下面详细参考本发明的某些特定实施例以用于执行本发明，这些特定实施例包括由发明人预期的最佳模式。这些特定实施例的示例在附图中示出。尽管结合这些特定实施例描述了本发明，但是应当理解这并不是要将本发明限制在所述实施例。相反地，其试图覆盖可以包括在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的替换、修改和等同物。
图1是可以使用本发明的技术的系统的图示表示。尽管图1被用来在线缆调制解调器上下文中描述本发明，但是应当注意，本发明的技术是通用的，并且可以应用于多种上下文中。线缆网络数据转发器101将包括线缆调制解调器103、105和107以及IP电话109在内的各种设备耦合到网络111。将线缆设备耦合到网络的诸如同轴线或光纤线路之类的任何线路在这里被称为缆线。通过网络111，各种设备可以访问服务器113和服务器115。在一个示例中，网络111是因特网。线缆网络数据转发器101包括活动线路卡101a和冗余线路卡101b。线缆网络数据转发器101可以包含其他组件，这些组件中的某一些可以具有备份组件，而另外一些具有独立组件。活动线路卡101a包括允许各种设备103-109与服务器113和115通信的功能。
例如，线路卡101a为各种线缆网络设备处理功率和频率范围。在许多情况下，线缆网络数据转发器101监视活动线路卡101a的状态，并跟踪保护线路卡101b的可用性。
图2是线路卡冗余模块的图示表示。任何用于将缆线连接到活动线路卡和保护线路卡的机制在这里被称为线路卡冗余模块。根据各种实施例，线路卡冗余模块与线缆调制解调器端接系统相关联。线路卡冗余模块可以是线缆调制解调器端接系统的一部分，或者可以完全是单独的实体。在某些示例中，线路卡冗余模块包括通过模块221和交换模块231。通过模块221将线路卡耦合到缆线。
根据各种实施例，在线路卡冗余模块中提供了一些机制，以显著减少信号损耗和失真。通过减少信号损耗和失真，可以节省功率，并且在许多情况下，活动线路卡几乎可以直接连接到缆线。线路卡冗余模块还可以包括交换模块。在许多示例中，交换模块231包括用于在活动线路卡发生故障时将缆线连接到冗余线路卡或保护线路卡的功能。交换模块231可以与控制电路233相关联，控制电路233以信号告知通过模块和交换模块内的各个机制重路由数据线。交换模块231可以与线缆网络数据转发器操作系统接触。线缆网络数据转发器操作系统跟踪保护线路卡的可用性以及活动线路卡的故障。
应当注意，尽管通过模块221和交换模块231被示为线路卡冗余模块内的分离实体，但是这两个模块的机制和功能可以以多种不同的方式安排。在某些示例中，通过模块和交换模块可以是单个实体。在其他示例中，模块还可以进一步被划分为附加模块。本领域技术人员会意识到多种安排。
图3是通过模块的一个示例的图示表示。在该示例中，支持六个线路卡，其中多达两个线路卡可操作为冗余线路卡。这六个线路卡可以连接到线路卡接口301、302、303、304、305和316。可以支持多达六条缆线。如果所有六个线路卡都是活动的，则六条缆线可以通过缆线接口307、308、309、310、311和318连接。然而，如果只有四个线路卡是活动的，并且与接口303和316相关联的线路卡是两个冗余线路卡，则缆线可以通过端口307、308、310和311连接。到交换模块的接口也通过端口306和312-317提供。多种电机械开关被包括在通过模块中，以允许在缆线和线路卡之间实现基本无损的传输。任何允许在分离的系统之间进行RF信号的基本无损的传输的开关在这里被称为电机械开关。
这与固态开关、分离器或其他设备不同，这些设备在同时传输期间或者引起显著损耗，或者缺乏足够的RF隔离。在一个示例中，电机械开关是这样的中继器，其允许在缆线和线路卡之间有几乎金属到金属的接触以实现低损耗和高隔离。根据各种实施例，中继器351-360被用来互连线路卡和缆线。诸如中继器351之类的各个中继器具有耦合到缆线的连接节点1。中继器或者可以切换到允许缆线接口307连接到节点3和线路卡接口301，或者可以切换到节点2和到交换模块315的接口。
图4是耦合到图3的通过模块的交换模块的图示表示。接口401至406允许将交换模块连接到通过模块。交换模块包括中继器451至457、460和468-469，以允许缆线从发生故障的线路卡切换到冗余线路卡。尽管交换模块可以完全用中继器实现，但是不得不使用一定数目的相对较大的中继器。因此，本发明的技术和机制认识到过去使用的固态开关481可以与中继器相组合以允许仍然相对无损的传输和高隔离，同时维持灵活性和缩放性。固态开关481允许RF信号被导向至特定端口。尽管固态开关481可能引入某些失真，但是由于对于缆线和线路卡之间的任何给定路径只使用了单个固态开关481，因此仅仅引入了最小的失真。
图5是通过模块的一个示例的图示表示。在该示例中，支持十个线路卡，其中多达两个线路卡可操作为冗余线路卡。这十个线路卡可以连接到线路卡接口501、503、504、505、506、507、510、511、515和516。也可以支持多达十条缆线。如果所有十个线路卡都是活动的，则十条缆线可以通过缆线接口502、508、509、512、513、514、517、518、519和520连接。然而，如果只有八个线路卡是活动的，并且与接口501和503相关联的两个线路卡冗余，则缆线可以通过端口513、514、517、518、508、509、512和5 19连接。到交换模块的接口也通过端口521-530提供。
多种电机械开关被包括在通过模块中，以允许在在缆线和线路卡之间进行基本无损的传输，同时维持不同信号路径之间的高隔离。在一个示例中，电机械开关是这样的中继器，其允许在缆线和线路卡之间有几乎金属到金属的接触。根据各种实施例，中继器551-564被用来互连线路卡和缆线。诸如中继器557之类的各个中继器具有耦合到缆线的连接节点1。中继器或者可以切换到允许缆线接口510连接到线路卡接口501，或者可以切换到节点2和交换模块接口522。
每个中继器依赖于各种线路卡的状态而转换。例如，中继器557转换到3位置(当与接口510相关联的线路卡可用时，将节点1和接口513连接到节点3和接口510)。然而，如果与接口510相关联的线路卡变得不可用，则中继器557转换到2位置(将接口513连接到接口522和交换模块)。缆线被通过交换模块从故障线路卡重路由到保护线路卡。在某些情况下，一个线路卡可用来保护9个线路卡。即，如果这9个线路卡中的任何一个发生故障，则保护线路卡接管。该配置在这里被称为1P+9配置。然而，本发明的技术允许其他安排或线路卡分组。在某些示例中，线路卡可通过服务分组。在其他示例中，线路卡通过优先级分组。例如，一个冗余线路卡可被安排为保护7个线路卡，而另一个冗余线路卡保护一个特别重要的映射到DOCSIS服务流的线路卡。该配置在这里被称为1P+7，2P+1。在另一个示例中，第一冗余线路卡可被安排为保护三个线路卡，而第二冗余线路卡可被安排为保护5个卡。该配置在这里被称为1P+3，2P+5。下面的表示出了基于特定线路卡的可用性或不可用性的各种冗余线路卡分组以及开关位置。
表1.通过模块的中继器位置


图6是耦合到图5的通过模块的交换模块的图示表示。接口601-610允许将交换模块连接到通过模块。交换模块包括中继器651-664，以允许缆线从故障线路卡切换到冗余线路卡。尽管交换模块可以完全用中继器实现，但是一定数目的相对较大的中继器将不得不使用，从而使下一步的向上可缩放性变得不可能。因此，本发明的技术和机制认识到固态开关681和683可以与中继器一起使用，从而仍然允许进行相对无损的传输、高隔离，同时保持灵活性和可缩放性。随着线路卡的数目增加，在交换模块中需要的固态开关的数目线性增加。如果不使用固态开关，则需要的中继器的数目会更快速地增长。固态开关681允许RF信号被导向至特定端口。尽管固态开关681可能引入某些失真，但是由于对于缆线和线路卡之间的任何给定路径从固态开关681或683中只会产生最小的失真结果，因此引入了最小的失真。下面的表2示出了依赖于冗余组和卡故障的各个中继器的开关位置。
表2.交换模块的中继器位置






图7是示出可用来将缆线从活动线路卡切换到冗余线路卡的一种机制的流程过程图。在701，检测到线路卡故障。线路卡故障一般由线缆网络数据转发器操作系统检测。然而，也可以使用对线路卡执行心跳(heartbeat)检查的硬件机制。在某些示例中，线路卡故障来源于线路卡电源的故障，或者来源于线路卡上变频器模块的故障。在703，线路卡冗余模块控制电路识别发生故障的线路卡。在705，确定是否有可用的保护线路卡。在707，参考表或其他数据存储机制以确定要转换的开关。在许多情况下，表类似于表1和表2。在709，任何中继器和固态设备被切换。在711，执行路由表切换。
实现线路卡切换的本发明的技术可以实现在多种网络系统中。根据各种实施例，冗余开关可以实现在高带宽网络(如线缆网络或卫星网络)的数据转发器中。在线缆网络的上下文中，本发明实现在诸如可以从思科系统公司获得的Cisco UBR TBD(3G路由器)之类的线缆网络数据转发器中。
图8图示了根据特定实施例可用来实现本发明的线缆网络数据转发器的基本组件。尽管本发明的技术可被集成到线缆网络数据转发器中，但是本发明也可以用在独立系统中。图8示出了使用线缆网络数据转发器的实现方式。
数据网络接口802是外部数据源和线缆系统之间的接口组件。外部数据源经由光纤、微波链路、卫星链路或者各种其他介质将数据发送到数据网络接口802。如上所述，媒体访问控制块(MAC块)804接收来自数据网络接口802的数据包，并利用MAC头部对其进行封装。
在如图8所示的特定实施例中，CMTS提供三个网络层上的功能，这三个网络层包括物理层832、媒体访问控制(MAC)层830和网络层834。通常，物理层负责接收和发送线缆线路上的RF信号。物理层的硬件部分包括下游调制器和发送器806以及上游解调器和接收器814。物理层还包括用于驱动物理层的硬件组件的软件886。
一旦信息数据包被解调器/接收器814解调，其随后就被传递到MAC层830。MAC层830的主要目的是优选地根据上述用于数据发送的DOCSIS标准或其他信息对MAC头部内的数据包进行封装和解封装。
MAC层830包括MAC硬件部分804和MAC软件部分884，这两个部分一起动作以利用系统上线缆调制解调器的适当MAC地址对信息数据包进行封装。在上游信息已被MAC层830处理后，其随后被传递到网络层834。网络层834包括用于使上游信息数据包被切换到数据网络接口802上的适当数据网络接口的交换软件882。
当在数据网络接口802处从外部源接收到数据包时，网络层834内的交换软件将数据包传递到MAC层830。MAC块804经由单向通信介质将信息发送到下游调制器和发送器806。下游调制器和发送器806获取数据包结构中的数据(或其他信息)，并例如使用QAM调制将其转换为下游载波上的经调制下游帧，如MPEG或ATM帧(也可以使用其他调制方法，如CDMA(码分多址)、OFDM(正交频分复用)、FSK(频移键控))。返回的数据被类似地利用例如QAM16或QSPK调制。来自其他服务(例如电视)的数据在组合器807处被添加。转换器808将经调制RF电信号转换为光信号，光信号可以被光纤节点810接收并被发送到线缆调制解调器集线器。
应当注意，CMTS(未示出)的替换实施例可以不包括网络层834。在这种实施例中，CMTS设备可以仅包括物理层和MAC层，这两个层负责根据用于线缆调制解调器网络上的信息发送的适当标准来修改数据包。CMTS设备的这些替换实施例的网络层834也可以被包括在内，例如作为用于分组交换网络的传统路由器的一部分。
在特定实施例中，CMTS的网络层被配置为耦合到标准路由器的线缆线路卡，该标准路由器包括物理层832和MAC层830。线缆线路卡可以是线路卡冗余模块的一部分。利用这类配置，CMTS能够利用交换软件块882向数据网络接口802发送IP数据包并从数据网络接口802接收IP数据包。数据网络接口802是外部数据源和线缆系统之间的接口组件。外部数据源例如经由光纤、微波链路、卫星链路或各种介质向数据网络接口802发送数据。数据网络接口包括用于接口到各种网络(例如，以太网、ATM、帧中继等)的硬件和软件。
如图8所示，CMTS包括硬件块850，硬件块850包括一个或多个处理器855和存储器857。这些硬件组件与CMTS内各层的软件和其他硬件部分进行交互。存储器857例如可以包括I/O存储器(例如缓冲器)、程序存储器、共享存储器等。硬件块850可以物理地与其他CMTS组件驻留在一起。
在一个实施例中，软件实体882、884和886被实现为运行在硬件850上的网络操作系统的一部分。网络操作系统可用来监视各种线路卡的活动性。
尽管参考特定实施例具体示出和描述了本发明，但是本领域技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神或范围的前提下，可以对所公开实施例的形式和细节进行变化。例如，本发明的实施例可以用在多种通信协议中，并且不应当限于上述的一种。例如，数据转发器具有多种实施例，这些实施例包括耦合到路由器或多播路由器的线缆调制解调器端接系统。线缆调制解调器也可以是分离实体，或者完全集成到客户端系统中。除了上述内容外，本发明还可以实现在差分和单端配置中。因此，本发明的范围应当参考所附权利要求确定。
权利要求
1.一种线缆网络数据转发器，包括耦合到多个活动线路卡和多个活动线缆网络端口的通过模块，所述通过模块被配置为经由多个通过模块电机械开关将所述多个活动线路卡连接到所述多个活动线缆网络端口；包括多个交换模块电机械开关和固态开关机制的交换模块，所述交换模块与控制电路相关联，并且耦合到所述通过模块，其中控制电路通过经由所述通过模块将所述多个活动线缆网络端口之一切换到冗余线路卡，来对线路卡故障信息作出响应。
2.如权利要求1所述的线缆网络数据转发器，其中所述通过模块耦合到多个冗余线路卡。
3.如权利要求1-2中任何一个所述的线缆网络数据转发器，其中所述多个冗余线路卡中的每一个可操作用来保护所述活动线路卡的子集。
4.如权利要求2所述的线缆网络数据转发器，其中所述多个冗余线路卡中的每一个可操作用来保护所有活动线路卡。
5.如权利要求2所述的线缆网络数据转发器，其中所述多个冗余线路卡中的每一个可操作用来保护特定服务。
6.如权利要求1-5中任何一个所述的线缆网络数据转发器，其中所述控制电路参考数据结构来确定转换所述多个电机械开关中的哪一个，以将所述多个活动线缆网络端口之一切换到所述冗余线路卡。
7.如权利要求1-6中任何一个所述的线缆网络数据转发器，其中所述线缆网络数据转发器是线缆网络数据转发器。
8.如权利要求1-7中任何一个所述的线缆网络数据转发器，其中所述多个活动线缆网络端口中的每一个耦合到线缆线路。
9.如权利要求1-8中任何一个所述的线缆网络数据转发器，其中所述多个线路卡包括上游和下游线路卡。
10.一种用于在线缆网络数据转发器处支持冗余的方法，包括经由在线缆网络数据转发器处的多个电机械开关将多个活动线路卡耦合到多个活动线缆网络端口；监视所述多个活动线路卡之一的故障；在检测到故障后将所述多个活动线缆网络端口之一切换到保护线路卡，其中所述多个活动线缆网络端口之一被经由电机械开关和固态开关机制切换到所述保护线路卡。
11.如权利要求10所述的方法，其中冗余线缆网络数据转发器包括多个保护线路卡。
12.如权利要求10-11所述的方法，其中所述多个保护线路卡中的每一个可操作用来保护所述多个活动线路卡的子集。
13.如权利要求11所述的方法，其中所述多个保护线路卡中的每一个可操作用来保护所有活动线路卡。
14.如权利要求11所述的方法，其中所述多个保护线路卡中的每一个可操作用来保护特定服务。
15.如权利要求10-14中任何一个所述的方法，其中参考数据结构来确定转换所述多个电机械开关中的哪一个，以将所述多个活动线缆网络端口之一切换到所述保护线路卡。
16.如权利要求10-15中任何一个所述的方法，其中所述线缆网络数据转发器是线缆调制解调器端接系统。
17.如权利要求10-16中任何一个所述的方法，其中所述多个活动线缆网络端口中的每一个耦合到线缆。
18.如权利要求10-17中任何一个所述的方法，其中所述多个线路卡包括上游和下游线路卡。
19.一种线缆网络数据转发器，包括用于经由在线缆网络数据转发器处的多个通过模块电机械开关将多个活动线路卡耦合到多个活动线缆网络端口的装置；用于监视所述多个活动线路卡之一的故障的装置；用于在检测到故障后将所述多个活动线缆网络端口之一切换到保护线路卡的装置，其中所述多个活动线缆网络端口之一被经由电机械开关和固态开关机制切换到所述保护线路卡。
20.如权利要求19所述的线缆网络数据转发器，其中冗余线缆网络数据转发器包括多个保护线路卡。
全文摘要
根据本发明，提供了用于允许高效地将缆线从故障线路卡切换到保护线路卡的方法和装置。线路卡可以安排在既支持上游发送频率又支持下游发送频率的多个保护和活动组中。提供了组合的电机械和固态交换架构，以允许高效地将缆线重新分配到线路卡。
文档编号H04L12/28GK1875576SQ200480032320
公开日2006年12月6日 申请日期2004年10月29日 优先权日2003年11月3日
发明者周加怀, 里克·迈勒 申请人:思科技术公司