光纖通信技術(shù)的數(shù)據(jù)單向傳輸設(shè)備研究

蔣夢浩（武警江西省總隊，江西 南昌 330025）

0 引 言

光纖通信技術(shù)中應用最廣的是數(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)絡數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，因為在實際運行過程中經(jīng)常憑借單向網(wǎng)展開傳輸，能夠確保至少兩個網(wǎng)絡之間實現(xiàn)有效連接，并通過這兩個網(wǎng)絡推動數(shù)據(jù)的單向傳播。一般來說，網(wǎng)絡通信中的每個層次協(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)備都會存在一定的安全隱患。目前，許多技術(shù)人員會在數(shù)據(jù)單向傳輸過程中采用物理原理，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)計應用

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，因為利用了物理原理，可以有效杜絕雙向通信體制。具體來講，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)，能夠在任何場合實現(xiàn)快速安裝、架設(shè)和應用。

1.2 設(shè)備分層

該設(shè)備技術(shù)研究深入細膩，具體可劃分為4個層次，包括硬件設(shè)計、固件設(shè)計、驅(qū)動程序設(shè)計以及單向傳輸業(yè)務系統(tǒng)軟件設(shè)計。另外，發(fā)送端和接收端各個層次都對應獨立的業(yè)務邏輯，主要通過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)務層次和邏輯關(guān)系，如圖2所示。

圖2 設(shè)備內(nèi)部業(yè)務層次和邏輯關(guān)系

1.3 軟硬件設(shè)計應用

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)計應用過程。

1.3.1 設(shè)備硬件的設(shè)計和應用

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制，保證電路部分滿足單向通信的運作機制。

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)備選擇應用了Cypress公司的EZUSB CY7C68013A芯片，芯片中專門配置了增強型單片機核，可有效處理USB 3.0協(xié)議和設(shè)備標識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)動程序設(shè)計采用Windows驅(qū)動程序，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下載程序等，最終可獲得設(shè)備驅(qū)動程序入口結(jié)構(gòu)框圖。

在驅(qū)動程序設(shè)計中，包含EZUSB固件自動下載驅(qū)動和通用功能驅(qū)動程序源代碼。前者固件自動下載驅(qū)動源代碼可存放于驅(qū)動程序中。當主機上的驅(qū)動程序發(fā)現(xiàn)默認固件時，要同時插入EZUSB設(shè)備，保證驅(qū)動程序中捆綁的單片機代碼能夠通過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，實現(xiàn)設(shè)備的有效升級維護，保證新驅(qū)動程序在不打開數(shù)據(jù)單向傳輸設(shè)備情況下，也能完成設(shè)備升級[1]。

1.3.2 設(shè)備軟件的設(shè)計和應用

單向傳輸業(yè)務系統(tǒng)的軟件設(shè)計應用基于計算機用戶軟件基礎(chǔ)實現(xiàn)，所有的軟件功能都要遵循等級、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發(fā)包指揮下完成。軟件設(shè)計中，用戶也可根據(jù)提供的二次開發(fā)庫定制系統(tǒng)和專用業(yè)務軟件系統(tǒng)完成整個設(shè)計操作。以下簡單介紹設(shè)備中的發(fā)送端軟件、接收端軟件和二次開發(fā)包設(shè)計。

首先，發(fā)送端軟件設(shè)計，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)計操作包括參數(shù)初始化、文件自動搜索、協(xié)議打包、文件發(fā)送、發(fā)送狀態(tài)檢測以及函數(shù)處理。

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

最后，二次開發(fā)包設(shè)計專門采用開發(fā)專用管理軟件，利用其中的庫文件和頭文件進行用戶硬件細節(jié)解析，同時開發(fā)應用程序，加速對用戶軟件的開發(fā)速度，具有極高的實際應用價值。

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)計內(nèi)容。該設(shè)備具有一定的結(jié)構(gòu)復雜性，采用的技術(shù)內(nèi)容也非常繁多。實際操作中，需要結(jié)合具體的實驗，對設(shè)備的傳輸速率、傳輸準確性以及數(shù)據(jù)傳輸可靠性等基本性能進行科學測試分析[2]。

2 數(shù)據(jù)單向傳輸設(shè)備的性能實驗分析

在正式使用數(shù)據(jù)單向傳輸設(shè)備前，需要對其傳輸速率、傳輸準確性以及應用可靠性等重要參數(shù)進行科學細致分析。

2.1 設(shè)備傳輸速率和傳輸準確性分析

在針對數(shù)據(jù)單向傳輸設(shè)備的傳輸速率和傳輸準確性分析方面，采用長度為1 km的多模光纖。利用它結(jié)合6個不同大小文件的傳輸展開精確化測試，保證每項測試實驗次數(shù)都達到500次，測試結(jié)果如表1所示。

結(jié)合表1中測試結(jié)果數(shù)據(jù)，在沒有明確通信協(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，達到了相對穩(wěn)定的傳輸狀態(tài)。而設(shè)備的傳輸速率則遠遠要大于串行傳輸?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)膫鬏斔俾屎蛡鬏敎蚀_性測試

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)備還要展開可靠性實驗。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，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)備的前向糾錯機制。要做到第一時間發(fā)現(xiàn)發(fā)送端的錯誤數(shù)據(jù)，并在接收端實施RS解碼，解碼過程中就能發(fā)現(xiàn)錯誤碼元。此時，要第一時間糾錯。可利用卷積編碼配合RS編碼的綜合方式，有效減少誤碼率。

其次，可以采用擾碼機制，對每個傳輸?shù)綌?shù)據(jù)包中的擾碼進行處理分析，并對數(shù)據(jù)流實施隨機化操作，避免數(shù)據(jù)流中出現(xiàn)長連0或長連1，同時減少傳輸出錯率。具體來講，利用設(shè)備進行數(shù)字通信中，會出現(xiàn)長連0和長連1的情況，導致接收端信息恢復質(zhì)量低下，產(chǎn)生設(shè)備分析誤碼率，嚴重時會使設(shè)備獲得全錯信息。為此，應該在設(shè)備系統(tǒng)的光發(fā)射機端安裝一個擾碼器（系統(tǒng)調(diào)制前），利用擾碼器的擾碼機制變換二進制碼序列，保證其序列順序和隨機序列接近，再配置一個解擾碼器確保原始序列恢復。從技術(shù)角度來講，擾碼器和解擾碼器二者之間是通過反饋移位寄存器來實現(xiàn)前饋移位信息反饋，形成的隨機序列信號發(fā)生器會產(chǎn)生分布相對均勻的長連1和長連0信號序列，從而有效恢復原信息序列，同時清除大量通道發(fā)送冗余光信號，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。通過設(shè)備接收端實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的校驗和恢復計算，確保對所接收信號進行有效裁決，減少信號丟失和干擾問題。

2.2.2 可靠性分析應用案例

以下結(jié)合數(shù)據(jù)單向傳輸設(shè)備的可靠性實驗展開案例簡析。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)恼鎸嵭浴⑼暾浴踩煽啃砸约安豢煞裾J性。因此，需要對數(shù)據(jù)文件進行數(shù)字簽名加密。

設(shè)備可靠性分析應用實驗過程：1端口運算準備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)文件，得到信息摘要→1端口隨機生成加密密鑰，用密鑰發(fā)送文件數(shù)據(jù)并加密，形成密文→1端口用2端口的公鑰對隨機產(chǎn)生的加密密鑰進行加密，加密后生成DES密鑰→與密文同時傳送到2端口。

該試驗過程可通過網(wǎng)絡流量控制優(yōu)化設(shè)備性能，特別是能夠改善設(shè)備應用延遲問題。如果在設(shè)備系統(tǒng)中某一環(huán)節(jié)節(jié)點無限趨于飽和點，則意味著網(wǎng)絡延遲已經(jīng)在大幅度上升，此時要進行進一步的延遲檢查實驗[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，分析指出其多個技術(shù)應用創(chuàng)新點，如利用自動以通信協(xié)議和無握手機制，有效解決了設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸單向性問題。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)合了當前最先進的計算機發(fā)展技術(shù)，是值得深入研究和廣泛應用的優(yōu)質(zhì)設(shè)備。