СЕТЕВОЙ КОММУТАТОР МОДУЛЬНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2023 года по МПК H04L12/00 

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Изобретение относится к области электроники, а именно, к электронной технике и предназначено для создания сетевых коммутаторов с различной степенью защищенности от внешних воздействующих факторов, таких, например, как вибрация, влага, пыль.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известен МОДУЛЬНЫЙ МАСШТАБИРУЕМЫЙ КОММУТАТОР И СПОСОБ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КАДРОВ В СЕТИ БЫСТРОГО ETHERNET [1], который относится к системам передачи данных, и в частности, к коммутаторам сетей быстрого Ethernet. Техническим результатом является обеспечение гибкости управления распределения данных. Технический результат достигается тем, что коммутатор Ethernet выполнен в виде множества индивидуально программируемых однопортовых модулей связи для доступа к общей распределительной шине (10), при этом каждый однопортовый модуль связи содержит программируемый микроконтроллер (1), выполненный как блок управления доступом к передающей среде Ethernet (MAC), содержащий процессор с сокращенным набором команд (RISC CPU), и логическое устройство (5) распределения кадров данных, предусматривающие обработку в реальном времени и передачу на адресуемые порты назначения кадров данных Ethernet, поступающих на указанный однопортовый модуль связи, процесс передачи является последовательным и осуществляется в режиме "сохранить-и-переслать"

Кроме того, известна высокопроизводительная вычислительная платформа на базе процессоров с разнородной архитектурой [2], которая относится к вычислительным комплексам и может быть использовано для параллельной обработки больших объемов информации от специальных систем в режиме реального времени. Технический результат заключается в повышении надежности системы при формировании вычислительных задач и повышении эффективности при их выполнении на центральном компьютере. Указанный результат достигается за счет применения вычислительной платформы на базе процессоров с разнородной архитектурой, содержащей установочный блок высотой 4U, предназначенный для установки в телекоммуникационную стойку и выполненный в виде корпуса, разделенного на две секции. В одной из секций смонтирована система питания, а во второй - размещена объединительная плата со слотами, для размещения в них помещаемых через указанный проем модуля коммутации и вычислительных модулей на базе разнородных процессоров, объединенными через высокоскоростную шину стандарта CompactPCI Serial для образования многопроцессорной конфигурации. Система охлаждения корпуса в зоне каждого слота содержит теплосъемные кассеты для отвода тепла от модуля коммутации и вычислительных

Из уровня техники известны модули, на основе которых могут быть построены коммутаторы в защищенном исполнении (например, см. продукцию компании Cisco https://www.cisco.com/c/en/us/products/collateral/switches/embedded-service-3000-series-switches/embedded-services-3300-series-ds.html#Primaryfeatures) [3]. Данная система состоит из основной платы и дополнительной платы. На базе основной платы реализуется базовый набор интерфейсов: 2 порта 10 Гбит Ethernet, 8 портов 10/100/1000 BASE-T, RS-232 и USB консоль. На дополнительной плате реализуется 10/100/1000 BASE-T. Путем постановки данных плат на дополнительную плату носитель с дальнейшим выводом интерфейсов на защищенный корпус может быть создан защищенный коммутатор. Для отвода тепла от основной и дополнительной платы необходимо предусмотреть тепловое решение с учетом высоты и расположения компонентов на платах. Общим для предлагаемого изобретения и указанного устройства является то, что на выделенных-на одном или на двух модулях установлен полный набор микросхем, обеспечивающих функционирование изобретения по назначению - коммутация Ethernet пакетов и управление. На основе подобных модулей может быть разработано защищенное исполнение коммутатора. Однако, в данном аналоге возникает необходимость разработки достаточно сложной платы носителя и блока питания для получения законченного изделия - защищенного коммутатора. Одна из сложностей платы заключается в необходимости трассировки высокоскоростных линий связи для высокоскоростного интерфейса 10 Гбит Ethernet до оптического приемопередатчика. Также при разработке защищенного корпуса для данного изобретения возникает необходимость разрабатывать систему отвода тепла на корпус с учетом высот компонентов, допусков на высоты и расположения микросхем на плате.

А также из уровня техники известны сетевые коммутаторы с модульной организацией с пассивной объединительной платой (например, см. продукцию компании Моха https://www.moxa.com/en/products/industrial-network-infrastructure/ethernet-switches/rackmount-switches/mds-g4028-series) [4]. Данное устройство имеет степень защиты оболочки IP40 (защита от попадания внутрь твердых тел размером не менее 1 мм), которое устанавливается на DIN-рейку и состоит из 10-ти модулей (максимальное количество). В зависимости от выбранных модулей, может быть реализовано различное количество портов Ethernet. Модули между собой взаимодействуют через пассивную объединительную плату. Общим для предлагаемого изобретения и указанного устройства является модульность конструкции, которая позволяет создать изделие с необходимыми потребителю параметры по количеству портов. Данная модульная система может быть установлена в защищенную оболочку, однако это приведет к существенному увеличению габаритных размеров окончательного решения и стоимости, однако, у данной конструкции является низкий уровень защищенности от внешний воздействующих факторов, в том числе, отсутствие защиты от влажности и пыли.

Кроме того, из уровня техники известны сетевые коммутаторы в защищенном корпусе со степенью защиты IP65 (например, см. продукции компании Kyland, https://www.kyland.com/Products/Aquam86208120.html) [5]. Данное изделие имеет 16 портов 100 Мбит Ethernet и 4 порта 1Гбит Ethernet, выведенные на защищенные соединители на корпусе изделия. Общими для предлагаемого изобретения и указанного устройства является возможность обеспечения защиты изделия от внешний воздействующих факторов, таких, например, как влага, пыль. Однако, в данной конструкции налицо отсутствие возможности вывода портов 1 Гбит и 10 Гбит Ethernet с использование оптических линий связи (оптоволокна). Из уровня техники известны также сетевые коммутаторы в защищенном корпусе со степенью защиты IP65 и возможностью вывода оптических линий связи на защищенные соединители (например, продукция компании Элкус, http://www.elcus.ru/boards.php?ID=esp-box) [6]. Данное изделие позволяет вывести до 22х портов 10/100/1000 Гбит Ethernet и 2х портов 1000 Гбит Ethernet с использованием оптических линий связи на корпус изделия. Общими для предлагаемого и указанного устройства является возможность обеспечения защиты изделия от внешний воздействующих факторов, таких, например, как влага, пыль. Однако, в данной конструкции является не предусмотрен вывод порта 10 Гбит Ethernet с использованием оптических линий связи на защищенный соединитель на корпусе изделия. Также для этого аналога не предусмотрена модульность конструкции как принцип построения изделия для обеспечения возможности модификации.

Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является создание сетевого коммутатора (Ethernet) модульной организации для защищенного исполнения, которая позволяла бы обеспечить высокую степень ремонтопригодности, технологичности, унификации, возможности создания модифицированных исполнений изделий без значительных временных и трудовых затрат на проектирование при этом с сохранением надежности и устойчивости готовых изделий к внешним воздействующим факторам, таким, как пыль, влага, и другим возможным.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Технический результат достигается тем, что предложен с вариантами исполнения:

1. Сетевой коммутатор модульной организации, выполненный защищенного исполнения, позволяющий создавать защищенные от внешних воздействующих факторов коммутаторы различных модификаций с минимальными затратами, в короткие сроки, состоящий, не менее, чем из трех основных модулей: модуля управляемого коммутатора, модуля сопряжения интерфейсов, модуля источника питания, которые выполнены установленными в защищенный корпус со степенью защиты IP65, включающий такие основные конструктивные элементы, как лицевая панель и основание, причем, модуль управляемого коммутатора представляет собой печатную плату, на которую установлены, такие конструктивные элементы, как набор системной логики для обеспечения применения изделия по назначению, включающий микросхему управляемого коммутатора, память для микросхемы управляемого коммутатора, микросхемы физического уровня Ethernet, микросхемы управления питанием, а также соединитель для подключения к модулю сопряжения интерфейсов, кроме того, на модуле управляемого коммутатора установлены не менее восьми соединителей, предназначенных для подключения SFP (SFP+) модулей для обеспечения возможности вывода интерфейсов 1/10 Гбит Ethernet с использованием оптических линий связи на защищенные соединители на корпусе, также на модуле управляемого коммутатора установлена теплораспределительная пластина, которая выполнена с учетом высот и расположения микросхем на печатной плате с одной стороны и имеющая плоскую поверхность с другой стороны, что упрощает реализацию системы теплоотвода на корпус изделия, причем, теплораспределительная пластина изготовлена из теплопроводного материала, в том числе, из сплава алюминия, модуль источника питания представлен в виде печатной платы, на которой размещены элементы защиты, в том числе, от микросекундных и наносекундных импульсных помех и элементы фильтрации питания, а также преобразователь входного напряжения в выходное, предназначенное для питания модуля управляемого коммутатора и модуля сопряжения интерфейсов, а модуль сопряжения интерфейсов представлен в виде печатной платы, на которой размещены такие конструктивные элементы, как соединитель для подключения модуля управляемого коммутатора, трансформаторы для обеспечения гальванической развязки интерфейсов Ethernet, использующих витую пару в качестве среды передачи данных, защищенные соединители для вывода упомянутых интерфейсов на корпус изделия и дополнительные элементы для системы индикации.

2. Сетевой коммутатор модульной организации по пункту 1, в котором теплораспределительная пластина для модуля управляемого коммутатора выполнена из меди.

3. Сетевой коммутатор модульной организации по пункту 1, в котором корпус выполнен из двух и более деталей, обеспечивающих защиту от пыли и влаги для степеней защиты IP65 и выше.

4. Сетевой коммутатор модульной организации по пункту 1, выполненный с наличием модуля фильтрации или модуля защиты от импульсных помех в составе модуля источника питания.

5. Сетевой коммутатор модульной организации по пункту 1, в котором для системы индикации на плате сопряжения интерфейсов не предусмотрены трансформаторы, соединители или иные конструктивные элементы.

6. Сетевой коммутатор модульной организации по пункту 1, выполненный с оребрением на деталях корпуса, в том числе, на лицевой панели или на основании.

Достижение указанного результата обеспечивается за счет разделения функционала на три основных модуля: модуль управляемого коммутатора, модуль сопряжения интерфейсов и модуль источника питания.

Предлагаемое изобретение представляет собой печатную плату, на которую установлены набор системной логики для обеспечения применения изделия по назначению: микросхема управляемого коммутатора, память для нее, микросхемы физического уровня Ethernet, микросхемы управления питанием, - и соединитель для подключения к модулю сопряжения интерфейсов. Также на модуль управляемого коммутатора устанавливается до 8 соединителей для подключения SFP (SFP+) модулей для обеспечения возможности вывода интерфейсов 1/10 Гбит Ethernet с использованием оптических линий связи на защищенные соединители на корпусе.

Для обеспечения теплового режима работы системной логики на печатной плате и упрощения конструкции передачи тепла на корпус изделия на модуль устанавливается теплораспределительная пластина. Теплораспределительная пластина сделана с учетом высот и расположения микросхем на печатной плате с одной стороны и имеет плоскую поверхность с другой стороны, что упрощает реализацию системы теплоотвода на корпус изделия.

Теплораспределительная пластина изготавливается из теплопроводного материала, например, в том числе, из сплава алюминия. Данный модуль является универсальным и, в большинстве случаев, не подлежит модификации под требования заказчика.

Модуль источника питания представляет собой печатную плату, на которой размещены элементы защиты - от микросекундных и наносекундных импульсных помех - и фильтрации питания и преобразователь входного напряжения в выходное для питания модуля управляемого коммутатора и модуля сопряжения интерфейсов. Данный модуль может быть модифицирован для обеспечения различных требований потребителей к параметрам входного напряжения питания изделия.

Модуль сопряжения интерфейсов представляет собой печатную плату, на которой размещены соединитель для подключения модуля управляемого коммутатора, трансформаторы для обеспечения гальванической развязки интерфейсов Ethernet, использующих витую пару в качестве среды передачи данных, защищенные соединители для вывода этих интерфейсов на корпус изделия и дополнительные элементы для системы индикации. Модуль сопряжения интерфейсов может быть модифицирован по требованиям потребителей: замена типов защищенных соединителей, реализация дополнительных узлов, например, системы цифровых входов/выходов и т.п.

Защищенный корпус, состоящий из двух половинок, соединяющихся посредством винтов; для обеспечения защиты соединения деталей корпуса применяется эластичный электропроводный уплотнитель. В корпусе предусмотрены посадочные места под вышеописанные модули и. плоскости системы теплоотвода от модулей для обеспечения теплового режима теплорассеивающих элементов - коммутационная матрица, преобразователи питания и т.п..

При массовом производстве корпус представляет собой отлитую заготовку с посадочными местами под модули. Вырезы для соединителей и индикацию осуществляются при реализации конкретного изделия по требованиям потребителя.

Предлагаемое изобретение поясняется Фиг. 1-3.

На фиг. 1 показана лицевая часть корпуса с внутренней стороны - стороны установки модулей.

На фиг. 2 показана тыльная часть корпуса с внутренней стороны - стороны установки модулей.

На фиг. 3 показан внешний вид уже собранного изделия.

На фиг. 1-3:

1 - Модуль управляемого коммутатора,

2 - Модуль сопряжения интерфейсов,

3 - Модуль источника питания,

4 - Основание,

5 - Оптические линии связи,

6 - Защищенные соединители для интерфейсов Ethernet.

7 - Лицевая панель корпуса изделия.

8 - Площадка, в которую вкладывается теплопроводная прокладка.

9 - Паз 9 для вкладывания прокладки из электропроводного материала.

Модуль управляемого коммутатора 1 подключается к модулю сопряжения интерфейсов 2 с использование стековых соединителей и фиксируется с использованием винтов и стоек на лицевой панели 7. Модуль источника питания 3 устанавливается в основание 4 таким образом, чтобы преобразователь питания плотно прилегал к основанию с использование теплопроводной прокладки, что обеспечивает эффективный теплоотвод на основание. В случае необходимости повышения рассеиваемой мощности, основание с внешней стороны может быть снабжено дополнительным оребрением.

Модуль сопряжения интерфейсов 2 устанавливается в лицевую панель корпуса изделия 7 таким образом, чтобы внешние соединители интерфейсов Ethernet модуля через уплотнители плотно прилегали к корпусу фланцевой частью, а часть соединителя для подключения ответной части был доступна с обратной стороны детали корпуса. Модуль сопряжения интерфейсов с помощью винтов фиксируется в лицевой панели. Данные соединители с использование оптических линий связи 5 соединяются с SFP (SFP+) модулями, установленных в соединители на модуле управляемого коммутатора 1.

На лицевой панели корпуса устанавливаются защищенные соединители 6 для интерфейсов Ethernet, использующих в качестве среды передачи данных оптическую линию связи.

На основании 4 предусмотрена площадка 8, в которую вкладывается теплопроводная прокладка. Также в основании предусмотрен паз 9 для вкладывания прокладки из электропроводного материала. При соединении лицевой панели и основания корпуса с установленными модулями теплоотводящая пластина модуля управляемого коммутатора плотно прилегает к площадке 8, что обеспечивает эффективный теплоотвод с микросхем модуля.

Примеры вариантов выполнения предлагаемого изобретения:

Сетевой коммутатор модульной организации выполнен защищенного исполнения, позволяющий создавать защищенные от внешних воздействующих факторов коммутаторы различных модификаций с минимальными затратами, в короткие сроки. Состоит не менее, чем из трех основных модулей: модуля управляемого коммутатора, модуля сопряжения интерфейсов, модуля источника питания, которые выполнены установленными в защищенный корпус со степенью защиты IP65.

Сетевой коммутатор включает такие основные конструктивные элементы, как лицевая панель и основание, причем, модуль управляемого коммутатора представляет собой печатную плату, на которую установлены, такие конструктивные элементы, как набор системной логики для обеспечения применения изделия по назначению, который включает микросхему управляемого коммутатора, память для микросхемы управляемого коммутатора, микросхемы физического уровня Ethernet, микросхемы управления питанием, а также соединитель для подключения к модулю сопряжения интерфейсов.

Кроме того, на модуле управляемого коммутатора установлены не менее восьми соединителей, предназначенных для подключения SFP (SFP+) модулей для обеспечения возможности вывода интерфейсов 1/10 Гбит Ethernet с использованием оптических линий связи на защищенные соединители на корпусе.

На модуле управляемого коммутатора установлена теплораспределительная пластина, которая выполнена с учетом высот и расположения микросхем на печатной плате с одной стороны и имеющая плоскую поверхность с другой стороны, что упрощает реализацию системы теплоотвода на корпус изделия.

Теплораспределительная пластина изготавлена из теплопроводного материала, в том числе, из сплава алюминия.

Модуль источника питания представлен в виде печатной платы, на которой размещены элементы защиты, в том числе, от микросекундных и наносекундных импульсных помех и элементы фильтрации питания, а также преобразователь входного напряжения в выходное, предназначенное для питания модуля управляемого коммутатора и модуля сопряжения интерфейсов.

Модуль сопряжения интерфейсов представлен в виде печатной платы, на которой размещены такие конструктивные элементы, как соединитель для подключения модуля управляемого коммутатора, трансформаторы для обеспечения гальванической развязки интерфейсов Ethernet, использующих витую пару в качестве среды передачи данных, защищенные соединители для вывода упомянутых интерфейсов на корпус изделия и дополнительные элементы для системы индикации.

Различные варианты исполнения Сетевого коммутатора:

Сетевой коммутатор модульной организации, с вариантом изготовления, в котором теплораспределительная пластина для модуля управляемого коммутатора выполнена из меди.

Сетевой коммутатор модульной организации с вариантом изготовления, в котором корпус выполнен из двух и более деталей, обеспечивающих защиту от пыли и влаги для степеней защиты IP65 и выше.

Сетевой коммутатор модульной организации, выполненный с наличием модуля фильтрации или модуля защиты от импульсных помех в составе модуля источника питания.

Сетевой коммутатор модульной организации, в котором для системы индикации на плате сопряжения интерфейсов не предусмотрены трансформаторы, соединители или иные конструктивные элементы.

Сетевой коммутатор модульной организации, выполненный с оребрением на деталях корпуса, в том числе, на лицевой панели или на основании.

Все вышеперечисленные примеры иллюстрируют, но не ограничивают все возможные варианты исполнения предлагаемого изобретения.

Таким образом, достигнут технический результат тем, что предложен описанный сетевой коммутатор модульной организации, выполненный в защищенных корпусах во всех его вариантах исполнения, который позволяет достичь не только высоких эксплуатационных характеристик, как функциональных - за счет возможности применения оптических линий связи и высокоскоростных интерфейсов Ethernet 10 Гбит, по защите от внешних воздействующих факторов, таких, например, как влага, пыль, удары, любые другие внешние воздействия, так и за счет высокой его технологичности, ремонтопригодности - путем замены вышедшего из строя модуля, модернизации модулей, в том числе, модернизации модулей при возникающей необходимости, и возможности выполнения относительно дешевой модификации изделий по требованиям потребителей.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ

Предлагаемое изобретение во всех его вариантах исполнения предназначено для создания сетевых коммутаторов с различной степенью защищенности от внешних воздействующих факторов, таких, например, как вибрация, влага, пыль Реализация предлагаемых вариантов изобретения заключается в эффективной организации функционала и конструкции модулей сетевого коммутатора Ethernet, что повысит технологичность построенных на них изделий. Технологичность выражается, в частности, в возможности создания вариантов изделий по предлагаемому изобретению в защищенных от внешних воздействующих факторов корпусах с минимальными затратами на проектирование и испытания готовых исполнений вариантов изделий и, как следствие, снизить стоимость и уменьшить время выхода изделий на рынок.

Изобретение во всех его возможных вариантах исполнения может быть произведено на любом предприятии соответствующего профиля, найдет широкое применение в области электроники.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ:

1. Патент RU№2257678

2. Патент RU №2635896

3. https://vmwxiscoxom/c/ea/us/products/collateral/switches/embedded-service-3000-series-switches/embedded-services-3300-series-ds.html#Primaryfeatures)

4. https://www.moxaxom/en/products/industrial-network-infrastmcture/ethem switches/rackmount-switches/mds-g4028-series)

5. https://www.kyland.com/Products/Aquam86208120.html)

Изобретение относится к сетевому коммутатору модульной организации, создающему защищенные от внешних воздействующих факторов коммутаторы различных модификаций с минимальными затратами и в короткие сроки. Технический результат состоит в обеспечении высокой степени ремонтопригодности, технологичности, унификации, возможности создания модифицированных исполнений изделий без значительных временных и трудовых затрат на проектирование при этом с сохранением надежности и устойчивости готовых изделий к внешним воздействующим факторам, таким, как пыль, влага, и другим возможным. Для этого коммутатор состоит из трех основных модулей: модуль управляемого коммутатора, модуль сопряжения интерфейсов и модуль источника питания. Модуль управляемого коммутатора состоит из микросхемы коммутатора, микросхем расширения портов и соединителей для оптических линий связи. Теплоотвод от модуля коммутации осуществляется на теплораспределительную пластину, которая в дальнейшем контактирует с корпусом. Модуль сопряжения интерфейсов может иметь несколько модификаций с разными типами и количеством соединителей и позволяет выводить сетевые интерфейсы на корпус изделия с использованием различных соединителей. Третий модуль - модуль источника питания, может иметь разные диапазоны входных напряжений питания. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Сетевой коммутатор модульной организации, выполненный в защищенном исполнении, позволяющий создавать защищенные от внешних воздействующих факторов коммутаторы с минимальными затратами, в короткие сроки, состоящий, не менее, чем из трех основных модулей: модуля управляемого коммутатора, модуля сопряжения интерфейсов, модуля источника питания, которые выполнены установленными в защищенный корпус с разными степенями защиты IP, включающий такие основные конструктивные элементы, как лицевая панель и основание, причем, модуль управляемого коммутатора представляет собой печатную плату, на которую установлены конструктивные элементы, включающие микросхему управляемого коммутатора, память для микросхемы управляемого коммутатора, микросхемы физического уровня Ethernet, микросхемы управления питанием, а также соединитель для подключения к модулю сопряжения интерфейсов, кроме того, на модуле управляемого коммутатора установлены соединители, предназначенные для подключения SFP (SFP+) модулей для обеспечения вывода интерфейсов 1/10 Гбит Ethernet с использованием оптических линий связи на защищенные соединители на корпусе, также на модуле управляемого коммутатора установлена теплораспределительная пластина, которая выполнена с учетом высот и расположения микросхем на печатной плате с одной стороны и имеющая плоскую поверхность с другой стороны, что упрощает реализацию системы теплоотвода на корпус изделия, причем теплораспределительная пластина изготовлена из теплопроводного материала, модуль источника питания представлен в виде печатной платы, на которой размещены элементы защиты, в том числе, от микросекундных и наносекундных импульсных помех и элементы фильтрации питания, а также преобразователь входного напряжения в выходное, предназначенное для питания модуля управляемого коммутатора и модуля сопряжения интерфейсов, а модуль сопряжения интерфейсов представлен в виде печатной платы, на которой размещены такие конструктивные элементы, как соединитель для подключения модуля управляемого коммутатора, трансформаторы для обеспечения гальванической развязки интерфейсов Ethernet, использующих витую пару в качестве среды передачи данных, защищенные соединители для вывода упомянутых интерфейсов на корпус изделия и элементы для системы индикации.

2. Сетевой коммутатор модульной организации по пункту 1, в котором теплораспределительная пластина для модуля управляемого коммутатора выполнена из алюминия.

3. Сетевой коммутатор модульной организации по пункту 1, в котором теплораспределительная пластина для модуля управляемого коммутатора выполнена из меди.

4. Сетевой коммутатор модульной организации по пункту 1, в котором защищенный корпус выполнен со степенью защиты IP65 или выше.

5. Сетевой коммутатор модульной организации по пункту 1, выполненный с наличием модуля фильтрации или модуля защиты от импульсных помех в составе модуля источника питания.

6. Сетевой коммутатор модульной организации по пункту 1, выполненный с оребрением на деталях корпуса, в том числе, на лицевой панели или на основании.