专利名称：一种实现自动平滑切换多种网络拓扑结构的网络装置的制作方法
技术领域：
本实用新型提供一种实现自动平滑切换多种网络拓扑结构的网络装置，实现远程 访问的网络装置，属于计算机网络通信技术领域。
背景技术：
依据网络拓扑结构，通过应用多台非管理型交换机或支持虚拟局域网技术(VLAN) 的交换机，实现相应网络拓扑结构需求。然而，由于单台支持可划分虚拟局域网技术 的网络交换机设备，在应用过程中VLANID身份值设定后网络接口处于静止状态，单 台交换机内只能存在固定拓扑结构。如果网络拓扑发生变更，必须连接到交换机的配 置端口 (Console)以命令行(CLI)或菜单界面控制的方式完成相关参数设置。因此， 在实际应用过程中，尤其是网络教学实验过程中，搭建不同类型的网络拓扑结构，需 要频繁在各种拓扑结构间进行切换，这将是一个非常繁琐的操作过程，且实验效率降 低。因此，需要一种智能化的网络装置在N种网络拓扑结构间进行自动、灵活切换的 网络装置。
实用新型内容
实用新型公开了一种实现自动平滑切换多种网络拓扑结构的网络装置，实现在多 种网络拓扑结构瞬间动态切换，解决了传统方法网络分组切换时，频繁跳接网线易击 穿网络设备，磨损较大，影响网络设备使用寿命及工作性能问题。
本实用新型实现自动平滑切换多种网络拓扑结构的网络装置，其特征在于多台 计算机或网络设备采用网络双绞线介质通过与对应切换单元的网络接口连接，将网络 信号发送至切换单元的网络隔离变压器信号输入端，网络隔离变压器对模拟的网络信 号进行信噪滤波处理，信号输出端发送至上端所连接的物理层芯片的模拟信号输入/输 出管脚，物理层芯片接收网络隔离变压器发送的模拟网络信号，进行对模拟的网络信 号数据采样处理，并生成对应的数字网络信号发送至上端所连接的网络交换芯片的信
号输入/输出管脚；切换单元的网络交换芯片的信号输入/输出管脚接收物理层片发送
的数字网络信号端，学习介质访问控制地址，实时维护并索引介质访问控制地址与切
换单元的网络接口对应关系表，每个网络接口都具有一个对应的VLANID值；前台触发单元的拓扑切换按键与控制单元的微处理器一组输入/输出控制管脚连接 输入控制信号，触发微处理器一组输入/输出控制管脚向前台控制触发单元的液晶显示 屏串行外围设备接口 (SPI)发送寄存器中对应第N+1种网络拓扑结构信息；微处理器 的同步一组输入/输出控制管脚向控制单元蜂鸣器发送脉冲信号；微处理器的同歩另一 组输入/输出控制管脚连接切换单元的网络交换芯片媒体数据控制/媒体数据输入输出 接口 (MDC/MDIO)发送控制信号；网络交换芯片受控于控制单元的控制信号，应用
网络交换芯片片内支持的虚拟局域网技术(VLAN)，创建/变更各切换单元的网络接口 VLANID值，网络拓扑结构发生变化。
所述的网络装置，其特征在于切换单元的电可擦可编程存储器存储介质访问控
制地址及其它状态参数，应用两线式串行总线连接网络交换芯片，实现计算机通过切 换单元的网络接口查阅装置身份标识的信息查询。
所述的网络装置，其特征在于前台触发单元的集中控制按键及集中控制指示灯 分别与控制单元的微处理器两组输入/输出控制管脚连接，实现装置的集中网络拓扑结 构切换的控制功能。
所述的网络装置，其特征在于控制单元的拨码开关组与微处理器一组输入/输出 控制管脚连接，输入控制信号；控制单元的调试接口一端与程序计算机的通用串行总 线(USB)或串行接口 (COM)连接，另一端与微处理器JTAG管脚接口连接，通过 计算机操作系统的集成开发平台(IDE)实现对微处理器片内闪速存储单元程序调试、 更新、等烧写操作。
所述的网络装置，其特征在于控制端计算机应用反转信号线向控制单元的RJ-45 连接器发送指令信号，串口通信控制芯片通过接收RJ-45连接器的指令信号转换成 RS-232通信协议信号，发送至微处理器通用同步和异步串行接收/转发接口管脚 (USART)，实现远程配功能。
所述的网络装置，其特征在于控制单元的拨码开关组向微处理器输入状态置位 控制信号，微处理器读取片内对应软件版本模式中包含的网络拓扑结构，并将对应该 软件片本载入片内寄存器单元，运行载入的该软件版本模式包含的网络拓扑结构。
的所述的网络装置，其特征在于控制单元集中控制接口一端与微处理器一组输
入/输出控制管脚连接，另一端与多种网络拓扑结构切换装置的集中控制接口应用DB-9 串行总线接口互联，前台触发单元的集中控制按键向控制单元的微处理器一组输入/输出控制管脚发控制信号，微处理器对集中控制接口进行开启或关闭循环切换控制信号 状态锁存，微处理器另一组控制管脚分别向蜂鸣器及前台触发控制单元的集中控制指 示灯发出信号。
具体工作过程
1. 装置连接网线工作状态
多台计算机或网络设备采用网络双绞线介质通过与对应切换单元的网络接口连 接，网络隔离变压器2接收模拟的网络信号，进行信噪滤波处理发送至上层所连接的 物理层芯片3，物理层芯片接收网络隔离变压器发送的模拟网络信号，进行对模拟的网 络信号采样处理，并生成对应的数字网络信号发送至上端所连接的网络交换芯片4。网 络交换芯片实时维护并索引介质访问控制地址(MAC)与切换单元的网络接口对应关 系表(Address Table),每个网络接口都具有一个对应的VLAN ID值，网络交换芯片数 据控制/输入输出接口 (MDC/MDIO)受控于控制单元的控制信号，基于虚拟局域网 技术(VLAN),将接收到源介质访问地址(MAC)转发至目标介质访问地址(MAC), 网络交换芯片Lookup Engine查询片内网络接口对应关系表(Address Table),即将源 数据报文发送至物理芯片及其网络隔离变压器，通过网络接口发送至目标计算机或网 络设备。
物理层芯片输入端接收网络交换芯片发送的网络信号，物理层芯片一组输入/输出 接口管脚向网络隔离器输出网络信号，另一组输入/输出接口管脚向网络接口指示灯发 送控制信号。
上述为计算机或网络设备发送一个数据报文，装置通过网络信号处理输出至目标 计算机或网络设备的处理过程。
2. 装置网络拓扑结构间切换状态
前台触发单元的拓扑切换按键8与控制单元的微处理器9 一组输入/输出控制管脚 连接，输入控制信号，触发微处理器一组输入/输出控制管脚向前台控制触发单元的液 晶显示屏10串行外围设备接口 (SPI)发送寄存器中对应第N+1种网络拓扑结构信息。 微处理器同步一组输入/输出控制管脚向控制单元蜂鸣器11发送脉冲信号，蜂鸣器鸣一 声长音。微处理器同步另一组输入/输出控制管脚连接切换单元的网络交换芯片4媒体 数据控制/媒体数据输入输出接口 (MDC/MDIO)发送控制信号。网络交换芯片受控于 控制单元的控制信号，应用网络交换芯片片内支持的虚拟局域网技术(VLAN)，创建/变更各切换单元的网络接口 VLANID值，网络拓扑结构发生变化。
3. 装置集中控制网络拓扑切换状态
控制单元集中控制接口 20 —端与微处理器9 一组输入/输出控制管脚连接，另一端 与多种网络拓扑结构切换装置的集中控制接口应用DB-9串行总线接口互联，前台触发 单元的集中控制按键14向控制单元的微处理器一组输入/输出控制管脚发控制信号，微 处理器对集中控制接口进行开启或关闭循环切换控制信号状态锁存，装置实现对应隶 属工作组集中控制网络拓扑结构切换模式，或脱离工作组单台装置网络拓扑结构切换 模式，微处理器另一组控制管脚同步向蜂鸣器11及前台触发控制单元的集中控制指示 灯15发出信号，提示对装置集中控制网络拓扑结构切换操作成功。前台触发单元的拓 扑切换按键8向控制单元的微处理器一组输入/输出控制管脚发送控制信号，微处理器 一组输入/输出控制管脚向切换单元的网络交换芯片4发送控制信号，创建/变更各切换 单元的网络接口 VLANID值，多种网络拓扑结构切换装置通过与此台装置控制单元的 集中控制接口应用DB-9串行总线接口互联，多种网络拓扑结构切换的装置开启集中控 制接口与此台装置的网络拓扑结构同步发生变化，关闭集中控制接口的装置网络拓扑 结构不发生变化。
4. 装置多种程序版本切换状态
控制单元的拨码开关组18向微处理器9输入状态置位控制信号，微处理器读取片 内对应第X种软件版本模式中包含的N种网络拓扑结构，并将对应第X种软件片本载 入片内寄存器单元，运行载入的第X种软件版本模式包含的N种网络拓扑结构。
5. 装置远程配工作状态
计算机(控制端)应用反转信号线向控制单元的RJ-45连接器连接，RJ-45连接器 上端与串口通信控制芯片16输入端连接，计算机(控制端)操作系统超级终端软件， 设置串口连接属性参数，串行通信控制芯片输入端接收计算机(控制端)发送的指令 信号转换成RS-232通信协议信号，发送至微处理器9通用同步和异步串行接收/转发 接口管脚(USART)，对装置嵌入软件参数配置及远程配功能。
6. 装置远程访问工作态
切换单元的电可擦可编程存储器17存储介质访问控制地址(MAC)及其它状态参 数，应用两线式串行总线(I2C)连接网络交换芯片，前台触发单元的拓扑切换按键8 向控制单元的微处理器9输入控制信号，使装置切换至预定的网络拓扑结构模式。计算机采用网线与切换单元的网络接口连接，计算机操作系统安装Wincap软件，并运行 配套远程管理软件(RMT),计算机通过向装置发送建立连接请求，网络隔离变压器2 对模拟的网络信号进行信噪滤波处理，发送连接的物理层芯片3，物理层芯片接收网络 隔离变压器发送的模拟网络信号，并生成对应的数字网络信号发送至连接的网络交换 芯片4，网络交换芯片通过串行总线(I2C)读取电可擦可编程存储器中介质访问控制 地址(MAC)及其它状态参数，通过物理层芯片及网络隔离变压器发送至计算机，建 立远程连接，计算机查阅装置的运行状态信息，及参数配置操作。
本实用新型具有以下优点
(1) 内置多种软件版本对应多种网络拓扑结构，保证正常通信状态下，通过使用 拓扑切换按键，动态网络拓扑结构循环切换，无需断电复位操作；
(2) 在教学实验中获得广范应用及推广，在完成不同网络拓扑结构的切换，切换 至设定的模式，支持运程访问式，实现对装置的参数配置操作，进而培养学生动手实 验能力，真正做到理论与实践相结合新颖教学模式；通用异歩收发接口 (UART):该 端口通信模式为串行接口速率，通过与计算机串行端口 (COM)进行快速连接，方便 进行对该装置的设置及调试，便于在各种教学案例应用，及软件版本升级、维护工作；
(3) 支持将多装置间集中控制模式，即对单台装置网络结构的动态切换，与此同 时，通过集中控制接口 (I2C)连接的其它装置集中同步完成相对应的网络拓扑结构动 态切换，支持最多12台装置集中控制。通过集中控制按键操作，及工作状态指示灯的 提示，实现将操作的设备处于单台工作模式或集中控制两种工作模式；
(4) 前台触发单元应用液晶显示屏，显示装置处于何种模式中何种网络拓扑结构， 及其它装置信息。以数字代表对应网络拓扑结构，版本号及图标等装置状态信息，N 秒单位时间内无人对装置按键操作，向液晶显示屏循环发送装置当前状态信息；
(5) 使用网线跳接，可以更改网络拓扑结构，但釆用跳接网线，易产生静电击损 坏穿电子元器件。采用该智能网络设备将磨损率低到最低，瞬间动态切换，应用操作 简单、响应时间快捷；
(6) 控制单元提代JTAG调试接口，方便进行调试、维护及快速开发的需要，可 扩展应用功能较强；
(7) 应用蜂鸣器切换按键置位操作，同步蜂鸣器长声提示操作成功；
(8) 应用拨码开关组，实现N种软件版本对应X种网络拓扑结构的系统设定；
8(1种软件版本包含多种网络拓扑结构)
本实用新型不采用继电器技术，应用物理层芯片、切换芯片，结合单板机控制技 术，形成以集成电路芯片为主的数字化电路设计方案，且减少网络设备磨损。可替代 通用网络交换机，减少资金重复性投资，提高应用效率；
图1为本实用新型原理框图。
具体实施方式
根据图1所示，由l个切换单元(INTS-1) 、 l个控制单元(INTS-2)及l个前台触 发单元(Font)组成。多台计算机或网络设备采用网络双绞线介质通过与对应切换单 元的网络接口连接(RJ-45)1、 5、 12、 21，网络隔离变压器(81FB-22NL) 2接收模拟的 网络信号，进行信噪滤波处理发送至上层所连接的物理层芯片(RTL8208BF-LF) 3， 物理层芯片接收网络隔离变压器发送的模拟网络信号，进行对模拟的网络信号采样处 理，并生成对应的数字网络信号发送至上端所连接的网络交换芯片(RTL8310P-LF)4。 网络交换芯片实时维护并索引介质访问控制地址(MAC)与切换单元的网络接口对应 关系表(Address Table)，每个网络接口都具有一个对应的VLAN ID值，网络交换芯 片数据控制/输入输出接口 (MDC/MDIO)受控于控制单元的控制信号，基于虚拟局 域网技术(VLAN)，将接收到源介质访问地址(MAC)转发至目标介质访问地址 (MAC)，网络交换芯片Lookup Engine查询片内网络接口对应关系表(Address Table)， 即将源数据报文及流量触发指令信号发送至物理芯片及其网络隔离变压器，网络接口 将数据报文发送至目标计算机或网络设备，网络接口流量灯(LED) 6、 7、 13、 22接 收流量触发指令信号进行一次闪烁，以示数据报文通过网络接口转发至连接的计算机 或网络设备。
电可擦可编程存储器(AT24C08) 17其MAC地址键值具有全球唯一性，互不重复。 计算机釆用网线与切换单元的网络接口连接(RJ-45)1、 5、 12、 21，计算机操作系统安 装Wincap软件，并运行配套远程管理软件(RMT),计算机通过向装置发送建立连接 请求，网络隔离变压器(81FB-22NL)2对模拟的网络信号进行信噪滤波处理，发送连接 的物理层芯片(RTL8208BF-LF)3,物理层芯片接收网络隔离变压器发送的模拟网络信 号，并生成对应的数字网络信号发送至连接的网络交换芯片(RTL8310P-LF)4，网络交 换芯片通过串行总线(I2C)读取电可擦可编程存储器中介质访问控制地址(MAC)及其它状态参数，通过物理层芯片及网络隔离变压器发送至计算机，建立远程连接，计 算机查阅装置的运行状态信息，及参数配置操作。
前台触发单元的拓扑切换按键8与控制单元的微处理器(ATmega64L-8AU)9—组输 入/输出控制管脚连接，输入控制信号，触发微处理器一组输入/输出控制管脚向前台控 制触发单元的液晶显示屏(MzL05-12864)10串行外围设备接口 (SPI)发送寄存器中对 应第N+l种网络拓扑结构信息。微处理器同步一组输入/输出控制管脚向控制单元蜂鸣 器(TMB12A)11发送脉冲信号，蜂鸣器鸣一声长音。微处理器同步另一组输入/输出控 制管脚连接切换单元的网络交换芯片(RTL8310P-LF)4媒体数据控制/媒体数据输入输 出接口 (MDC/MDIO)发送控制信号。网络交换芯片受控于控制单元的控制信号，应 用网络交换芯片片内支持的虚拟局域网技术(VLAN)，创建/变更各切换单元的网络接 口 VLAN ID值，前台触发单元的集中控制按键14向微处理器9输入控制信号，触发 微处理器对集中控制接口 (DB-9) 20进行开启或关闭2种状态控制，微处理器向集中 控制指示灯(LED) 15输出控制信号。
控制单元拨码开关组(3P) 18向微处理器(ATmega64L-8AU)9输入置位控制信号， 载入片内寄存器单元，运行载入的软件版本模式包含的N种网络拓扑结构。微处理器 提供调试接口 (JTAG) 19，程序计算机USB端口连接烧写器输入端口，烧写器输出端 口与调试接口连接，实现在线烧写(ISP)功能。控制端计算机通过RJ-45连接器与串 口通信控制芯片(SP3220EUEY/TR) 16建立通信，串口控制通信芯片接收信号差分处 理形成RS-232通信协议信号，发送至微处理器通用接收/发送异歩传输信息的串口 (USART)，计算机实现与装置建立远程访问及配置参数功能。
权利要求1、一种实现自动平滑切换多种网络拓扑结构的网络装置，其特征在于多台计算机或网络设备采用网络双绞线介质通过与对应切换单元的网络接口连接，将网络信号发送至切换单元的网络隔离变压器信号输入端，网络隔离变压器对模拟的网络信号进行信噪滤波处理，信号输出端发送至上端所连接的物理层芯片的模拟信号输入/输出管脚，物理层芯片接收网络隔离变压器发送的模拟网络信号，进行对模拟的网络信号数据采样处理，并生成对应的数字网络信号发送至上端所连接的网络交换芯片的信号输入/输出管脚；切换单元的网络交换芯片的信号输入/输出管脚接收物理层片发送的数字网络信号端，学习介质访问控制地址，实时维护并索引介质访问控制地址与切换单元的网络接口对应关系表，每个网络接口都具有一个对应的VLAN ID值；前台触发单元的拓扑切换按键与控制单元的微处理器一组输入/输出控制管脚连接输入控制信号，触发微处理器一组输入/输出控制管脚向前台控制触发单元的液晶显示屏串行外围设备接口发送寄存器中对应第N+1种网络拓扑结构信息；微处理器的同步一组输入/输出控制管脚向控制单元蜂鸣器发送脉冲信号；微处理器的同步另一组输入/输出控制管脚连接切换单元的网络交换芯片媒体数据控制/媒体数据输入输出接口发送控制信号；网络交换芯片受控于控制单元的控制信号，应用网络交换芯片片内支持的虚拟局域网技术，创建/变更各切换单元的网络接口VLAN ID值，网络拓扑结构发生变化。
2、 权利要求1所述的网络装置，其特征在于切换单元的电可擦可编程存储器存 储介质访问控制地址及其它状态参数，应用两线式串行总线连接网络交换芯片，实现计 算机通过切换单元的网络接口查阅装置身份标识的信息查询。
3、 权利要求1所述的网络装置，其特征在于前台触发单元的集中控制按键及集中控制指示灯分别与控制单元的微处理器两组输入/输出控制管脚连接，实现装置的集 中网络拓扑结构切换的控制功能。
4、 权利要求1所述的网络装置，其特征在于控制单元的拨码开关组与微处理器一组输入/输出控制管脚连接，输入控制信号；控制单元的调试接口一端与程序计算机 的通用串行总线或串行接口连接，另一端与微处理器JTAG管脚接口连接，通过计算机 操作系统的集成开发平台实现对微处理器片内闪速存储单元程序调试、更新、等烧写操 作。
5、 权利要求1所述的网络装置，其特征在于控制端计算机应用反转信号线向控 制单元的RJ-45连接器发送指令信号，串口通信控制芯片通过接收RJ-45连接器的指令 信号转换成RS-232通信协议信号，发送至微处理器通用同歩和异歩串行接收/转发接口 管脚，实现远程配功能。
6、 权利要求1所述的网络装置，其特征在于控制单元的拨码开关组向微处理器 输入状态置位控制信号，微处理器读取片内对应软件版本模式中包含的网络拓扑结构， 并将对应该软件片本载入片内寄存器单元，运行载入的该软件版本模式包含的网络拓扑 结构。
7、权利要求1的所述的网络装置，其特征在于控制单元集中控制接口一端与微 处理器一组输入/输出控制管脚连接，另一端与多种网络拓扑结构切换装置的集中控制 接口应用DB-9串行总线接口互联，前台触发单元的集中控制按键向控制单元的微处理 器一组输入/输出控制管脚发控制信号，微处理器对集中控制接口进行开启或关闭循环 切换控制信号状态锁存，微处理器另一组控制管脚分别向蜂鸣器及前台触发控制单元的 集中控制指示灯发出信号。
专利摘要本实用新型公开一种实现自动平滑切换多种网络拓扑结构的网络装置，计算机或网络设备通过连接切换单元的网络隔离变压器与物理层芯片连接，物理层芯片对网络信号处理发送至所连接的网络交换芯片，网络交换芯片应用虚拟局域网技术(VLAN)，受控于控制单元的控制信号，进行多种网络拓扑结构间切换，实现多台计算机与多台网络设备构成多种不同网络通道。本实用新型不采用继电器技术，应用物理层芯片、切换芯片，结合单板机控制技术，形成以集成电路芯片为主的数字化电路设计方案，替代通用网络交换机，减少网络设备磨损，减少资金重复性投资，提高应用效率。
文档编号H04L12/56GK201323593SQ20082007300
公开日2009年10月7日 申请日期2008年12月30日 优先权日2008年12月30日
发明者尚中飞, 张洪海, 李少锋, 王万宇, 王陈章, 蒋一川, 郭东伟 申请人:吉林中软吉大信息技术有限公司