光纖通信技術(shù)的數(shù)據(jù)單向傳輸設(shè)備研究

蔣夢(mèng)浩（武警江西省總隊(duì)，江西 南昌 330025）

0 引 言

光纖通信技術(shù)中應(yīng)用最廣的是數(shù)據(jù)單向傳播技術(shù)。該技術(shù)所采用設(shè)備不同于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，因?yàn)樵趯?shí)際運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)常憑借單向網(wǎng)展開(kāi)傳輸，能夠確保至少兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間實(shí)現(xiàn)有效連接，并通過(guò)這兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)推動(dòng)數(shù)據(jù)的單向傳播。一般來(lái)說(shuō)，網(wǎng)絡(luò)通信中的每個(gè)層次協(xié)議都建立在雙向傳輸體系上，因此所有數(shù)據(jù)單向傳輸設(shè)備都會(huì)存在一定的安全隱患。目前，許多技術(shù)人員會(huì)在數(shù)據(jù)單向傳輸過(guò)程中采用物理原理，從而幫助設(shè)備合理規(guī)避雙向通信體制問(wèn)題。

1 數(shù)據(jù)單向傳輸設(shè)備的總體構(gòu)成框架和軟硬件設(shè)計(jì)應(yīng)用

1.1 總體構(gòu)成框架

發(fā)送端設(shè)備、接收端設(shè)備以及光纖是單向傳輸設(shè)備的總體構(gòu)成框架，如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)單向傳輸設(shè)備的技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)成框架

如圖1所示，數(shù)據(jù)單向傳輸設(shè)備的設(shè)備安全性保障很好，因?yàn)槔昧宋锢碓?，可以有效杜絕雙向通信體制。具體來(lái)講，結(jié)合單向光電轉(zhuǎn)換的基本原理，首先在物理層上保證信號(hào)的單向傳遞。在單向傳遞中必須考慮高速串行的通信技術(shù)和光纖通信技術(shù)內(nèi)容，保證傳統(tǒng)串行接口、并行接口、100 M以太網(wǎng)接口等也能獲得數(shù)據(jù)高速傳輸能力。在設(shè)計(jì)易用性方面，該技術(shù)采用即插即用的USB 3.0技術(shù)，能夠在任何場(chǎng)合實(shí)現(xiàn)快速安裝、架設(shè)和應(yīng)用。

1.2 設(shè)備分層

該設(shè)備技術(shù)研究深入細(xì)膩，具體可劃分為4個(gè)層次，包括硬件設(shè)計(jì)、固件設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)以及單向傳輸業(yè)務(wù)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。另外，發(fā)送端和接收端各個(gè)層次都對(duì)應(yīng)獨(dú)立的業(yè)務(wù)邏輯，主要通過(guò)虛擬通道連接所有設(shè)備，形成了數(shù)據(jù)單向傳輸設(shè)備的內(nèi)部業(yè)務(wù)層次和邏輯關(guān)系，如圖2所示。

圖2 設(shè)備內(nèi)部業(yè)務(wù)層次和邏輯關(guān)系

1.3 軟硬件設(shè)計(jì)應(yīng)用

光纖通信技術(shù)的數(shù)據(jù)單向傳輸設(shè)備包含軟、硬件兩大組成部分。以下分別介紹軟、硬件設(shè)計(jì)應(yīng)用過(guò)程。

1.3.1 設(shè)備硬件的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

數(shù)據(jù)單向傳輸設(shè)備的發(fā)送端和接收端硬件設(shè)備都存在USB 3.0接口電路、高速串行收發(fā)器電路、邏輯控制電路以及千兆光模塊電路。圖3、圖4分別為發(fā)送端設(shè)備電路和接收端設(shè)備電路。

圖3 數(shù)據(jù)單向傳輸設(shè)備的發(fā)送端設(shè)備電路

圖4 數(shù)據(jù)單向傳輸設(shè)備的接收端設(shè)備電路

結(jié)合圖3、圖4，設(shè)備硬件主要通過(guò)物理元器件配合數(shù)據(jù)流提高單向傳輸效率。使用的物理元器件包括安裝于發(fā)送端和接收端設(shè)備的只發(fā)光模塊和只收光模塊。另外，在數(shù)據(jù)流向方面，采用USB接口電路的雙向通信機(jī)制，保證電路部分滿足單向通信的運(yùn)作機(jī)制。

以USB 3.0接口為例，作為設(shè)備中的重要硬件端口，它可滿足480 Mb/s的高帶寬，同時(shí)提供500 mA自供電功能，可完全滿足即插即用。另外，該設(shè)備選擇應(yīng)用了Cypress公司的EZUSB CY7C68013A芯片，芯片中專門配置了增強(qiáng)型單片機(jī)核，可有效處理USB 3.0協(xié)議和設(shè)備標(biāo)識(shí)信息可能存在的沖突矛盾。再結(jié)合大容量數(shù)據(jù)交換配合芯片的FIFO硬件結(jié)構(gòu)，能提高USB 3.0接口帶寬，保證傳輸速度的最大化。

驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)采用Windows驅(qū)動(dòng)程序，配合設(shè)備創(chuàng)建、設(shè)備關(guān)閉、設(shè)備卸載、I/O處理請(qǐng)求，專門處理即插即用PnP派遣函數(shù)和電源處理派遣函數(shù)，包括合理控制固件自動(dòng)下載程序等，最終可獲得設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序入口結(jié)構(gòu)框圖。

在驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)中，包含EZUSB固件自動(dòng)下載驅(qū)動(dòng)和通用功能驅(qū)動(dòng)程序源代碼。前者固件自動(dòng)下載驅(qū)動(dòng)源代碼可存放于驅(qū)動(dòng)程序中。當(dāng)主機(jī)上的驅(qū)動(dòng)程序發(fā)現(xiàn)默認(rèn)固件時(shí)，要同時(shí)插入EZUSB設(shè)備，保證驅(qū)動(dòng)程序中捆綁的單片機(jī)代碼能夠通過(guò)USB接口下載到EZUSB中。此外，該設(shè)備操作系統(tǒng)還加載了通用功能驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的有效升級(jí)維護(hù)，保證新驅(qū)動(dòng)程序在不打開(kāi)數(shù)據(jù)單向傳輸設(shè)備情況下，也能完成設(shè)備升級(jí)[1]。

1.3.2 設(shè)備軟件的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

單向傳輸業(yè)務(wù)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)應(yīng)用基于計(jì)算機(jī)用戶軟件基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)，所有的軟件功能都要遵循等級(jí)、管理、數(shù)據(jù)交換控制這一流程。其中，部分程序由發(fā)送端軟件和接收端軟件在二次開(kāi)發(fā)包指揮下完成。軟件設(shè)計(jì)中，用戶也可根據(jù)提供的二次開(kāi)發(fā)庫(kù)定制系統(tǒng)和專用業(yè)務(wù)軟件系統(tǒng)完成整個(gè)設(shè)計(jì)操作。以下簡(jiǎn)單介紹設(shè)備中的發(fā)送端軟件、接收端軟件和二次開(kāi)發(fā)包設(shè)計(jì)。

首先，發(fā)送端軟件設(shè)計(jì)，用于管理發(fā)送設(shè)備的所有文件操作內(nèi)容。其中，主要設(shè)計(jì)操作包括參數(shù)初始化、文件自動(dòng)搜索、協(xié)議打包、文件發(fā)送、發(fā)送狀態(tài)檢測(cè)以及函數(shù)處理。

其次，接收端軟件設(shè)計(jì)，專門用于管理并接收來(lái)自設(shè)備中的各種操作文件，滿足參數(shù)的初始化過(guò)程，同時(shí)接收數(shù)據(jù)和協(xié)議并進(jìn)行解析、保存，也能接收處于檢測(cè)處理狀態(tài)的函數(shù)內(nèi)容。

最后，二次開(kāi)發(fā)包設(shè)計(jì)專門采用開(kāi)發(fā)專用管理軟件，利用其中的庫(kù)文件和頭文件進(jìn)行用戶硬件細(xì)節(jié)解析，同時(shí)開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序，加速對(duì)用戶軟件的開(kāi)發(fā)速度，具有極高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

以上是基于光纖通信技術(shù)數(shù)據(jù)單向傳輸設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)框架組成和軟硬件設(shè)計(jì)內(nèi)容。該設(shè)備具有一定的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，采用的技術(shù)內(nèi)容也非常繁多。實(shí)際操作中，需要結(jié)合具體的實(shí)驗(yàn)，對(duì)設(shè)備的傳輸速率、傳輸準(zhǔn)確性以及數(shù)據(jù)傳輸可靠性等基本性能進(jìn)行科學(xué)測(cè)試分析[2]。

2 數(shù)據(jù)單向傳輸設(shè)備的性能實(shí)驗(yàn)分析

在正式使用數(shù)據(jù)單向傳輸設(shè)備前，需要對(duì)其傳輸速率、傳輸準(zhǔn)確性以及應(yīng)用可靠性等重要參數(shù)進(jìn)行科學(xué)細(xì)致分析。

2.1 設(shè)備傳輸速率和傳輸準(zhǔn)確性分析

在針對(duì)數(shù)據(jù)單向傳輸設(shè)備的傳輸速率和傳輸準(zhǔn)確性分析方面，采用長(zhǎng)度為1 km的多模光纖。利用它結(jié)合6個(gè)不同大小文件的傳輸展開(kāi)精確化測(cè)試，保證每項(xiàng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)次數(shù)都達(dá)到500次，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

結(jié)合表1中測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)，在沒(méi)有明確通信協(xié)議背景下，可基本保證12 Mb/s的設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸速率，達(dá)到了相對(duì)穩(wěn)定的傳輸狀態(tài)。而設(shè)備的傳輸速率則遠(yuǎn)遠(yuǎn)要大于串行傳輸?shù)?50 kb/s，并行傳輸速度在2 Mb/s左右，因此理論上可實(shí)現(xiàn)100 Mb/s的上網(wǎng)速度[3]。

表1 不同大小文件傳輸?shù)膫鬏斔俾屎蛡鬏敎?zhǔn)確性測(cè)試

2.2 設(shè)備可靠性分析

2.2.1 可靠性分析技術(shù)類型

數(shù)據(jù)單向傳輸設(shè)備還要展開(kāi)可靠性實(shí)驗(yàn)。因此，利用單向傳輸可靠性算法，結(jié)合多種技術(shù)數(shù)據(jù)糾正與檢測(cè)，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩煽啃院屯暾浴?/p>

首先，可以基于RS算法分析設(shè)備的前向糾錯(cuò)機(jī)制。要做到第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)發(fā)送端的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，并在接收端實(shí)施RS解碼，解碼過(guò)程中就能發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤碼元。此時(shí)，要第一時(shí)間糾錯(cuò)?？衫镁矸e編碼配合RS編碼的綜合方式，有效減少誤碼率。

其次，可以采用擾碼機(jī)制，對(duì)每個(gè)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)包中的擾碼進(jìn)行處理分析，并對(duì)數(shù)據(jù)流實(shí)施隨機(jī)化操作，避免數(shù)據(jù)流中出現(xiàn)長(zhǎng)連0或長(zhǎng)連1，同時(shí)減少傳輸出錯(cuò)率。具體來(lái)講，利用設(shè)備進(jìn)行數(shù)字通信中，會(huì)出現(xiàn)長(zhǎng)連0和長(zhǎng)連1的情況，導(dǎo)致接收端信息恢復(fù)質(zhì)量低下，產(chǎn)生設(shè)備分析誤碼率，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使設(shè)備獲得全錯(cuò)信息。為此，應(yīng)該在設(shè)備系統(tǒng)的光發(fā)射機(jī)端安裝一個(gè)擾碼器（系統(tǒng)調(diào)制前），利用擾碼器的擾碼機(jī)制變換二進(jìn)制碼序列，保證其序列順序和隨機(jī)序列接近，再配置一個(gè)解擾碼器確保原始序列恢復(fù)。從技術(shù)角度來(lái)講，擾碼器和解擾碼器二者之間是通過(guò)反饋移位寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)前饋移位信息反饋，形成的隨機(jī)序列信號(hào)發(fā)生器會(huì)產(chǎn)生分布相對(duì)均勻的長(zhǎng)連1和長(zhǎng)連0信號(hào)序列，從而有效恢復(fù)原信息序列，同時(shí)清除大量通道發(fā)送冗余光信號(hào)，確保數(shù)據(jù)單向傳輸設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院头€(wěn)定性。通過(guò)設(shè)備接收端實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的校驗(yàn)和恢復(fù)計(jì)算，確保對(duì)所接收信號(hào)進(jìn)行有效裁決，減少信號(hào)丟失和干擾問(wèn)題。

2.2.2 可靠性分析應(yīng)用案例

以下結(jié)合數(shù)據(jù)單向傳輸設(shè)備的可靠性實(shí)驗(yàn)展開(kāi)案例簡(jiǎn)析。利用設(shè)備的發(fā)送端1向發(fā)送端2發(fā)送文件數(shù)據(jù)，原則是要保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼鎸?shí)性、完整性、安全可靠性以及不可否認(rèn)性。因此，需要對(duì)數(shù)據(jù)文件進(jìn)行數(shù)字簽名加密。

設(shè)備可靠性分析應(yīng)用實(shí)驗(yàn)過(guò)程：1端口運(yùn)算準(zhǔn)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)文件，得到信息摘要→1端口隨機(jī)生成加密密鑰，用密鑰發(fā)送文件數(shù)據(jù)并加密，形成密文→1端口用2端口的公鑰對(duì)隨機(jī)產(chǎn)生的加密密鑰進(jìn)行加密，加密后生成DES密鑰→與密文同時(shí)傳送到2端口。

該試驗(yàn)過(guò)程可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)流量控制優(yōu)化設(shè)備性能，特別是能夠改善設(shè)備應(yīng)用延遲問(wèn)題。如果在設(shè)備系統(tǒng)中某一環(huán)節(jié)節(jié)點(diǎn)無(wú)限趨于飽和點(diǎn)，則意味著網(wǎng)絡(luò)延遲已經(jīng)在大幅度上升，此時(shí)要進(jìn)行進(jìn)一步的延遲檢查實(shí)驗(yàn)[4]。

3 結(jié) 論

綜上所述，探析基于光纖通信技術(shù)的數(shù)據(jù)單向傳輸設(shè)備，分析指出其多個(gè)技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新點(diǎn)，如利用自動(dòng)以通信協(xié)議和無(wú)握手機(jī)制，有效解決了設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸單向性問(wèn)題。所采用的USB 3.0接口和光纖信道技術(shù)也滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸高速率的要求。所以，該設(shè)備基本結(jié)合了當(dāng)前最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)發(fā)展技術(shù)，是值得深入研究和廣泛應(yīng)用的優(yōu)質(zhì)設(shè)備。