Способ и устройство оперативного управления каналами связи

Изобретение относится к области телекоммуникаций. Технический результат заключается в обеспечении возможности автоматизированного изменения конфигурации каналов связи. Способ включает опрос переключателей управления каналами связи, установку связи с маршрутизатором по интерфейсу командной строки через предназначенный для этого физический интерфейс на маршрутизаторе, отправку сообщений маршрутизатору через интерфейс командной строки в соответствии с положением переключателя и требуемыми значениями параметров, прием ответных сообщений от маршрутизатора через интерфейс командной строки, анализ принятых от маршрутизатора сообщений, формирование и отправку новых сообщений в зависимости от содержания ответных сообщений от маршрутизатора, проверку соответствия параметров требуемым значениям путем отправки в интерфейс командной строки команд-запросов, приема ответных сообщений от маршрутизатора и анализа содержания ответных сообщений, задержку между повторами общего цикла в соответствии с требуемым интервалом опроса. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Настоящее изобретение относится к области телекоммуникаций, а именно, к управлению каналами связи. Настоящее изобретение может использоваться в промышленной автоматизации, автоматизации предприятий и других сферах, использующих сети пакетной передачи данных.

Современные компьютерные сети, создаваемые для обеспечения информационного обмена между устройствами, являются системой со сложной структурой, которая может включать в себя самые разные среды передачи данных, протоколы, службы и другие ресурсы. Для того, чтобы сеть функционировала стабильно, безопасно и в соответствии с потребностями владельца и пользователей, все её составляющие должны быть подобраны и сконфигурированы тщательным образом.

Логическая топология компьютерной сети обычно отличается от физической. В пределах физической сети находится множество логических каналов связи, образующих логические сети. Также, логические каналы связи могут включать в себя узлы разных физических локальных сетей, имеющих подключение к интернету или иную возможность обмена данными между собой.

Логический канал связи можно определить как совокупность средств, обеспечивающих обмен данными между двумя или более устройствами. При этом, с точки зрения устройств, соединённых каналом связи, не имеет значение структура канала, которая может включать в себя любое количество транзитных промежутков, физических сред, протоколов, служб и других программных и аппаратных средств. Устройства, использующие один логический канал связи, могут находиться как в той же локальной сети, так и на разных континентах. Для формирования логических каналов связи используются промежуточные специализированные устройства – коммутаторы и маршрутизаторы, обеспечивающие оптимальную загрузку сетей, гарантированную доставку пакетов с данными, выбор оптимального маршрута прохождения пакетов и другие важные функции.

Коммутаторы и маршрутизаторы играют ключевую роль в формировании логических каналов связи. Имея множество настроек, они предоставляют возможность гибкого управления каналами связи, позволяя подключать и отключать отдельные узлы, соединять и разъединять разные подсети между собой, выполнять фильтрацию, блокировать, перенаправлять пакеты данных по заданным правилам на основе определённых признаков и выполнять множество других функций. Для того, чтобы внести изменение в функционирование канала связи, необходимо произвести настройку задействованных коммутаторов и/или маршрутизаторов, воспользовавшись встроенным интерфейсом командной строки (CLI) либо графическим интерфейсом.

В отдельных случаях возникает необходимость оперативного управления каналами связи. Чаще всего это означает, что нужно задать или изменить заранее известные параметры или наборы параметров в коммутаторах и/или маршрутизаторах. Например, может возникнуть потребность во временном ограничении доступа одного из пользователей к определённым ресурсам сети. Данную задачу можно решить вручную, например, исключив узел или группу узлов из ACL-листа на маршрутизаторе доступа к целевому ресурсу, воспользовавшись веб-интерфейсом или интерфейсом командной строки маршрутизатора. После этого, когда нужно будет восстановить доступ этого узла к ресурсам сети, нужно будет снова вручную изменить в маршрутизаторе соответствующие параметры. Однако, данный подход имеет ряд недостатков:

- необходимость использования персонального компьютера для подключения к интерфейсу коммутатора или маршрутизатора;

- необходимость в квалифицированном сотруднике для взаимодействия с интерфейсом коммутатора или маршрутизатора;

- низкая безопасность: сотрудник, который вносит изменение в конфигурацию коммутатора или маршрутизатора, имеет доступ ко всем его настройкам, что делает систему потенциально незащищённой от вероятного злого умысла сотрудника;

- вероятность ошибочных действий: сотрудник, который вносит изменение в конфигурацию коммутатора или маршрутизатора, может произвести ошибочные действия, потенциально имеющие негативные или даже опасные последствия;

- ощутимые временные затраты на повторяющиеся действия: установление связи с интерфейсом коммутатора или маршрутизатора, авторизация, внесение изменений и проверка внесённых изменений.

Наиболее близким аналогом способа оперативного управления каналами связи, представленного в настоящем изобретении, является изобретение «Администрирование удалённой системы с использованием среды командной строки» (патент RU № 2357289, опубликовано 29.09.2009). В способе администрирования удалённой системы посредством командной строки описывается способ, при котором действия оператора преобразуются в строковые сообщения командной стоки и направляются в интерфейс командной стоки целевой системы. Однако, данный способ не позволяет решить обозначенную проблему в силу ряда особенностей, а именно: не предусмотрено подключение к маршрутизатору и взаимодействие с ним через интерфейс командной строки; не предусмотрено управление каналами связи; взаимодействие с пользователем осуществляется через графический интерфейс с применением компьютера.

Известно множество устройств, физически разрывающих транзитный промежуток. Пример такого устройства – ipELB производства IPCOMM GmbH, Германия (ссылка на описание устройства: https://www.ipcomm.de/product/ipELB/en/sheet.html). Устройство ipELB выполнено в корпусе, предназначенном для монтажа в стандартную 19-дюймовую телекоммуникационную стойку. Оно позволяет разъединять до четырёх транзитных промежутков путём физической релейной коммутации. Управляется устройство ipELB переключателями, расположенными на его лицевой стороне. Также, устройство ipELB позволяет организовать удалённое управление по цифровому последовательному интерфейсу.

Прототипом устройства управления каналами связи настоящего изобретения можно считать Аппаратно-программный комплекс “Lan Lzoe” (патент RU 2578697 C2, опубликовано 27.03.2016 г.). Данный прототип предусматривает управление коммутатором, направленное на отключение отдельных его портов, один из которых подключён к сетевой карте компьютера, другие – к одной или разным компьютерным сетям. Таким образом, устройство позволяет разрывать и восстанавливать соединение компьютера с одной или несколькими сетями и/или разных сетей между собой, причём, осуществляться такое управление может как с компьютера, так и с кнопок.

В целом, устройства, такие как ipELB и Аппаратно-программный комплекс “Lan Lzoe” на своём уровне выполняют задачу управления каналами связи. Однако, в действительности, управление каналами связи далеко не всегда подразумевает разрыв транзитного промежутка. Один транзитный промежуток может использоваться несколькими логическими каналами связи, и его разрыв может привести к нарушению работы всех логических каналов, использующих разрываемый транзитный промежуток. Одно устройство, подключённое к сети, может использовать несколько логических каналов связи, и физические размыкатели неспособны обеспечить оперативное управление этими каналами в отдельности. Другими словами, устройства, разрывающие физические каналы связи, работают исключительно на физическом уровне вертикальной модели OSI, не затрагивая канальный, сетевой и более высокие уровни модели OSI. При этом, основным недостатком таких устройств является отсутствие возможности изменения настроек коммутатора или маршрутизатора, касающихся таких протоколов, как MAC, IP, TCP/UDP и других.

Таким образом, существует проблема, позволяющего оперативно и безопасно управлять как физическими, так и логическими каналами связи, без привлечения специальных сотрудников и использования персональных компьютеров. Соответственно, есть проблема в отсутствии устройства, реализующего такой способ, имеющего переключатели для оперативного управления со стороны пользователя и интерфейс автоматизированного взаимодействия с маршрутизатором.

Задачей настоящего изобретения является создание нового способа оперативного управления каналами связи с высоким уровнем автоматизации, безопасности и быстродействия, а также устройства, реализующего такой способ.

Техническим результатом настоящего изобретения является создание способа автоматизированного изменения конфигурации каналов связи через настройки коммутатора или маршрутизатора путём обмена сообщениями по интерфейсу командной строки коммутатора или маршрутизатора и внесения предустановленных наборов параметров в конфигурацию коммутатора или маршрутизатора в соответствии с положением переключателей, а также устройство, содержащее микропроцессор, порты ввода-вывода, переключатели и программное обеспечение, алгоритм которого соответствует вышеописанному способу.

Технический результат способа оперативного управления каналами связи достигается тем, что способ оперативного управления каналами связи, основанный на управлении через интерфейс командной строки, преобразующий действия пользователя в группы последовательных строковых команд, принимающий и анализирующий ответные сообщения, согласно изобретению, предусматривает:

- опрос состояния переключателей управления каналами связи;

- установку связи с коммутатором или маршрутизатором по интерфейсу командной строки через предназначенный для этого физический интерфейс;

- отправку сообщений коммутатору или маршрутизатору через интерфейс командной строки в соответствии с положением переключателя и требуемыми значениями параметров;

- формирование и отправку новых сообщений в зависимости от содержания ответных сообщений от коммутатора или маршрутизатора;

- проверку соответствия параметров требуемым значениям путём отправки в интерфейс командной строки команд-запросов, приёма ответных сообщений от коммутатора или маршрутизатора и анализа содержания ответных сообщений;

- задержку между повторами общего цикла в соответствии с требуемым интервалом опроса.

Технический результат достигается тем, что устройство, управляющее каналами связи посредством внешнего сетевого устройства, имеющее интерфейс взаимодействия с пользователем в виде переключателей и с возможностью программного управления через внешний порт, микропроцессор, интерфейсы ввода-вывода, согласно изобретению, включает в себя: переключатели и светодиодные индикаторы, расположенные (напишете, как они закреплены) на лицевой панели и предназначенные для взаимодействия с пользователем и связанные через сдвиговые регистры и синхронный последовательный интерфейс с центральным процессором; дискретные выходы, управляемые центральным процессором; синхронный последовательный интерфейс связи с модулями расширения для увеличения количества контролируемых каналов связи; вторичный источник питания; встроенное программное обеспечение, реализующее способ оперативного управления каналами, а так же содержит дополнительно один или более модулей расширения, предназначенных для увеличения количества управляемых каналов связи, содержащих переключатели и светодиодные индикаторы, расположенные на лицевой панели и предназначенные для взаимодействия с пользователем и связанные через сдвиговые регистры и синхронный последовательный интерфейс с микропроцессором и другими модулями расширения.

Наличие новой совокупности существенных отличительных от прототипа признаков в заявляемом изобретении позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию «новизна».

Проведённый дополнительный сопоставительный анализ патентной и научно-технической информации не выявил источники, содержащие сведения об известности совокупности отличительных признаков заявляемого изобретения, что свидетельствует о его соответствии критерию «изобретательский уровень».

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан алгоритм способа;

На фиг.2 – блок-схема базового модуля устройства;

На фиг.3 – пример фрагмента схемы блока переключателей;

На фиг.4 - блок-схема модуля расширения и электрическая схема соединения базового модуля и модулей расширения;

На фиг.5 - базовый модуль, вид спереди

Алгоритм представляет собой циклически повторяемый набор действий. В начале каждого повторения цикла происходит считывание состояния переключателей, которыми пользователь задаёт требуемое состояние каналов связи. В действительности, функция считывания предусматривает не однократное измерение логического уровня, а повторение данного измерения несколько раз с заданной паузой и усреднения результата с целью защиты от ложного срабатывания из-за дребезга контактов или электромагнитных помех. Результаты считывания сравниваются с состоянием переключателей, считанным в предыдущую итерацию цикла. В случае если состояние переключателей изменилось, в коммутатор или маршрутизатор через его интерфейс командной строки отправляются команды и записываются параметры, соответствующие новому состоянию переключателей, состояние которых изменилось. После записи новых данных выполняется опрос состояния всех контролируемых параметров и каналов связи и сравнение их с заданными значениями. В случае если состояние переключателей осталось неизменным, опрос состояния контролируемых каналов связи и параметров происходит без отправки команд и записи новых значений.

Также, как один из вариантов реализации данного способа, возможна отправка команд и запись новых данных даже при неизменном состоянии переключателей. Это может потребоваться, например, при динамически изменяющихся параметрах, значение которых необходимо записывать в коммутатор или маршрутизатор при каждом повторении цикла. В общем случае, данный способ предусматривает гибко настраиваемый и, при необходимости, многоэтапный порядок обмена сообщениями с коммутатором или маршрутизатором через интерфейс командной строки, при этом, в качестве одного из входных параметров выступает состояние переключателей.

Опрос контролируемых параметров коммутатора или маршрутизатора представляет собой отправку через интерфейс командной строки специальных команд-запросов, инициирующих со стороны коммутатора или маршрутизатора отправку ответного сообщения, содержащего какой-либо параметр или группу параметров, значения которых затем сравниваются с ожидаемыми (требуемыми) значениями.

При возникновении несоответствия между фактическими и ожидаемыми значениями параметров соответствующий канал связи считается неисправным. Такая неисправность канала связи сигнализируется световой индикацией, сообщением по какому-либо протоколу передачи данных, изменением состояния дискретных выходов и/или любым другим доступным способом. Если несоответствие между фактическими и заданными значениями параметров выявлено не было, то канал считается исправным, что также сигнализируется аналогичным образом.

Сигнализация состояния каналов, кроме наличия или отсутствия неисправности, отражает также значение контролируемого параметра или группы параметров канала связи. Управление светодиодной индикацией является настраиваемой функцией. Заданный набор данных для световой индикации, состояния дискретных выходов и передачи по выбранному протоколу – обновляется при каждом повторении цикла.

Слишком частое повторение цикла может стать причиной чрезмерной нагрузки на вычислительные ресурсы процессора маршрутизатора и используемый интерфейс передачи данных. Для того, чтобы это избежать, в конце каждого повторения цикла имеется задержка с настраиваемой продолжительностью.

Также, с целью оптимизации управления каналами связи, обработка определённых каналов может происходить не каждый раз, а с пропусками заданного числа повторений цикла. Таким образом, некоторое количество подобных циклов, у каждого из которых есть определённый набор контролируемых параметров, может входить в более крупный цикл и выполняться поочерёдно.

Устройство управления каналами связи состоит из одного базового модуля и, при необходимости увеличения количества контролируемых каналов связи, может включать себя нужное количество модулей расширения.

Базовый модуль содержит в себе микропроцессорный блок, блок интерфейсов ввода-вывода, блок переключателей, плату светодиодной индикации, источник питания. Блок-схема базового модуля приведена на фиг. 2.

Источник питания является импульсным преобразователем напряжения, который имеет два выхода – 5 В и 3,3 В. Выход с напряжением 5 В соединён с портами ввода-вывода, переключателями, панелью светодиодной индикации. Выход 3,3 В подключён к микропроцессорному блоку. В зависимости от модификации, источник питания поддерживает входное напряжение 24, 48, 110 и/или 230 В постоянного и/или переменного тока, имеет одиночный вход, дублированный вход с диодной развязкой или дублированный вход и дублированные силовые преобразовательные цепи. По используемой топологии источник питания является понижающим, прямоходовым или обратноходовым преобразователем.

Микропроцессорный блок состоит из микропроцессора, системной памяти, ПЗУ и интерфейсов связи и вспомогательных элементов, таких как тактовый генератор, контроллер питания и так далее, в зависимости от используемого микропроцессора. В случае использования микроконтроллера или системы на кристалле (SoC), часть этих элементов интегрирована в одну микросхему с процессорным ядром. ПЗУ содержит программное обеспечение, в состав которого входят функции обмена данными через внешние интерфейсы, опроса переключателей, управления светодиодной индикацией и дискретными выходами, а также обработки данных в соответствии с пользовательскими настройками.

Переключатели управления каналами связи, находящиеся с лицевой стороны устройства, подключены к питанию 5 В и сдвиговым регистрам с подтягивающими резисторами. Каждый переключатель имеет избыточное количество контактов для контроля достоверности его положений. Сдвиговые регистры представляют собой интегральные схемы с параллельным входом и последовательным выходом, например, 74HC165. К параллельному входу подключены контакты переключателей, к последовательному выходу – линии последовательного синхронного интерфейса передачи данных микропроцессорного блока. На фиг. 3 приведён пример фрагмента схемы для четырёх двухпозиционных переключателей. Переключатели SW1..SW4 общим контактом подключены к питанию 5 В, а нормально замкнутым и нормально разомкнутым контактами – к входам сдвигового регистра DD1. Подтягивающие резисторы R1..R8 подключены между параллельными входами сдвигового регистра и «землёй» схемы. Несколько таких фрагментов схемы соединены между собой таким образом, чтобы выход данных Q одного сдвигового регистра соединялся с последовательным входом DS следующего сдвигового регистра, при этом выход данных последнего в этой цепочке сдвигового регистра подключается к входу последовательного синхронного интерфейса микропроцессорного блока. Входы CE и CP подключаются к выходам разрешения (chip select) и тактового сигнала (clock) последовательного синхронного интерфейса микропроцессорного блока соответственно. В случае если используется большое количество (6 и более) сдвиговых регистров, сигналы clock и chip select включаются через цифровые буферы (повторители) для снижения токовой нагрузки на выход и обеспечения целостности сигнала.

Панель светодиодной индикации содержит в себе светодиоды и сдвиговые регистры. Сдвиговые регистры с последовательным входом и параллельным выходом (например, SN54HC16) соединены между собой и с последовательным синхронным интерфейсом микропроцессорного блока аналогичным образом, а к выходам через токоограничивающие выходы подключены светодиоды. Также, в качестве одного из вариантов исполнения, могут использоваться светодиоды со встроенным сдвиговым регистром с последовательным асинхронным интерфейсом и ШИМ-контроллером, такие как WS1812B.

Схемотехническая реализация портов ввода-вывода сильно зависит от исполнения микропроцессорного блока. Интерфейсы, встроенные в микропроцессор или SoC практически не требуют наличие внешних компонентов схемы. Для других – требуется некоторое количество внешних компонентов. Также, в случае необходимости, могут использоваться дополнительные элементы для гальванической изоляции – микросхемы гальванической развязки, оптроны, изолированные преобразователи напряжения и т.п.

В случае необходимости увеличения количества управляемых каналов связи, к базовому модулю устройства подключается один или более внешних модулей расширения, каждый из которых содержит в себе дополнительный набор переключателей и панель светодиодной индикации. Такие модули соединяются с базовым модулем кабелем. Блок-схема модуля расширения и электрическая схема соединения базового модуля и модулей расширения показаны на фиг.4.

Конструктивно базовый модуль выполнен в корпусе для монтажа в стандартную 19-дюймовую телекоммуникационную стойку. Внешний вид с лицевой стороны показан на фиг. 5, где изображены светодиодные индикаторы состояния устройства 1 (8 шт.), светодиодные индикаторы состояния каналов связи 2 (16 шт.), переключатели 3 (16 шт.), крепёжные отверстия для установки в телекоммуникационную стойку 4, светодиодные индикаторы обмена данными по каналам связи 5 (16 шт.). С задней стороны базовый модуль имеет разъёмы питания, интерфейсов связи и дискретных выходов.

Модуль расширения, также, как и базовый модуль, выполняется в корпусе, предназначенном для монтажа в стандартную 19-дюймовую телекоммуникационную стойку, но, в отличие от базового модуля, не имеет индикаторов состояния устройства, а на задней стороне имеет только два разъёма интерфейса связи с базовым модулем и другими модулями расширения.

Настоящее изобретение применимо во всех отраслях, использующих компьютерные сети. В результате научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, проведённых авторами настоящего изобретения, выявлено, что описанный способ и устройство, реализующее этот способ, может с успехом применяться, например, в электроэнергетике для оперативного ввода-вывода управляющих воздействий в системах противоаварийной автоматики, что в значительной мере упрощает и повышает безопасность предстоящих ремонтных работ и ускоряет ввод оборудования в работу после завершения ремонтных работ, при этом минимизируя количество действий персонала и вероятность совершения ошибки. Данное изобретение может применяться в целях обеспечения информационной безопасности, позволяя оперативно и гибко управлять доступом определённых лиц или групп лиц к определённым данным. В целом, область применения настоящего изобретения ограничивается только областью применения сетей пакетной передачи данных, так, как задача оперативного управления каналами связи может возникнуть в различных отраслях и сферах деятельности.

1. Способ оперативного управления каналами связи, основанный на управлении через интерфейс командной строки, преобразующий действия пользователя в группы последовательных строковых команд, принимающий и анализирующий ответные сообщения, отличающийся тем, что он включает в себя:

- опрос состояния переключателей управления каналами связи;

- установку связи с коммутатором или маршрутизатором по интерфейсу командной строки через предназначенный для этого физический интерфейс;

- отправку сообщений коммутатору или маршрутизатору через интерфейс командной строки в соответствии с положением переключателя и требуемыми значениями параметров;

- формирование и отправку новых сообщений в зависимости от содержания ответных сообщений от коммутатора или маршрутизатора;

- проверку соответствия параметров требуемым значениям путём отправки в интерфейс командной строки команд-запросов, приёма ответных сообщений от коммутатора или маршрутизатора и анализа содержания ответных сообщений;

- задержку между повторами общего цикла в соответствии с заданным интервалом отправки и приёма сообщений через интерфейс командной строки и опроса состояния переключателей управления каналами связи.

2. Устройство, управляющее каналами связи посредством внешнего сетевого устройства, имеющее интерфейс взаимодействия с пользователем в виде переключателей и с возможностью программного управления через внешний порт, микропроцессор, интерфейсы ввода-вывода, отличающееся тем, что включает в себя: переключатели и светодиодные индикаторы, установленные на плату лицевой панели и предназначенные для взаимодействия с пользователем, и связанные через сдвиговые регистры и синхронный последовательный интерфейс с центральным процессором; дискретные выходы, управляемые центральным процессором; синхронный последовательный интерфейс связи с модулями расширения для увеличения количества контролируемых каналов связи; вторичный источник питания; встроенное программное обеспечение, реализующее функционал согласно п. 1.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что дополнительно содержит один или более модулей расширения, содержащих переключатели и светодиодные индикаторы, установленные на лицевой панели и связанные через сдвиговые регистры и синхронный последовательный интерфейс с микропроцессором и другими модулями расширения.