（光学专业论文）高速铁路安全信息光纤传输局域网的研究.pdf

硕士学位论文 摘要 中文摘要 传统的安全信息传输网络使用铜缆作为传输介质，由于其固 有的缺陷，在高速、电气化铁路中很容易受到强电磁环境的干扰， 难以保证列车提高运行速度后安全行驶的要求，所以采用不受电 磁干扰的光纤作为传输介质，组成高速铁路安全信息传输网络势 在必行。 我们设计的高速铁路安全信息光纤局域网采用h d l c 协议， 主从工作方式、网络的拓扑结构是物理环型，逻辑星型。为了增 强局域网的安全性，不论主站和从站都采用了双卡冗余备份的方 式，光纤线路则采用双环冗余备分。通信的数据分为两类，分别 为6 0 字节的周期性数据和4 8 0 字节的非周期性数据。 在本网络的设计过程中，我们时刻以网络的安全性为根本设 计原则，并兼顾网络的可靠性和实时性。本论文详细介绍了本课 题的软硬件设计，并对网络的接体性能进行了详细的分析。 f 本人在前人工作的基础上，依据本课题的设计规范，主要做 了苡下几点工作： 】、对本局域网系统的工作方式做了较大的变更，改变了以 往主、从站进行通信过程中，中间节点对数据进行接收再转发的 二f ：作方式，实现了主、从站之间的端端直接通信的工作方式( 桥 接方式) 。整个网络的系统结构也变成了物理环型，逻辑星型。 提高了实时性；抑制了有源环型拓扑结构和星型拓扑结构各自的 缺点，而结合了它们的优点。 2 、在h d l c 协议的基础上，根据安全信息局域网的实际： 作情况( 本局域网由个主站、3 0 个从站组成，网卡采用智能通 信控制芯片8 0 c 1 5 2 ) ，结合新的通信方式，重新修改制定了适应 本局域网的通信协议。 3 、研究了网络的现场可维护性问题，、发讣了可带电热拔捅 的电路，采用了最新的m a x 4 2 7 2 热拔插控制器，实现了现场可 操作性( 带电拔插) 。 4 、重新设计了主站网卡和从站网卡的硬件电路；并分别重 新编写了相应的网卡软件。制作了从站的备份网卡。在原实验网 络中，只能进行主站双卡的切换，不能进行从站网卡的切换。经 过本人的工作，实现了既能进行主站双卡的切换，又能进行从站 双卡的切换。 ! ! ! ! ! ! 堂竺堡苎塑! l 经实验测定，本局域网的整体性能在原有的基础上得到了显 著的提高，网络功能更加全面( 从站可切换) ，尤其是网络通信 周期更是提高了几十倍( 由1 5 秒提高到1 8 1 毫秒) ，现场可操作 性也得到了很大的提高，向实用化前进了一大步，达n t 设计规 范的要求o 0 a b s t r a e t t h et r a d i t i o n a lt r a n s m i s s i o nm e d i ao fs a f ei n f o r m a t i o ni sc o p p e r c a b l e b e c a u s et h ec o p p e rc a b l ei se a s yt ob ed i s t u r b e db ys t r o n g e l e c t r o m a g n e t i s mf i e l di nt h eh i g h s p e e da n de l e c t r i cr a i l w a y , i ti s d i f f i c u l tt oe n s u r et h et r a i ns a f er u n n i n gr e q u i r e m e n tw h e nt h e r u n n i n gs p e e do ft r a i ni si m p r o v e d o nt h eo t h e rh a n d ，t h eo p t i c a l f i b e ri si m m u n ef r o mt h ed i s t u r b a n c eo fs t r o n ge l e c t r o m a g n e t i s m f i e l d ，s oi tn e e db u i l das a f ei n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o nn e t w o r ko f h i g h s p e e dr a i l w a yt h a tu s e sf i b e rc a b l ea st r a n s m i s s i o nm e d i a i nt h eh i g h s p e e ds a f ei n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o no p t i c a ll a n ， w ea d o p tt h eh d l cc o m m u n i c a t i o np r o t o c o la n dm a i n s u bm o d e t h et o p o l o g ys t r u c t u r eo ft h el a ni sr i n gi np h y s i c sa n da s t e r o i di n l o g i c i no r d e rt oi m p r o v et h es a f e t yo ft h el a n n o to n l yt h em a i n s t a t i o nb u ta l s oa l lt h es u b s t a t i o n sa l la d a p t sd u a lc a r d sr e d u n d a n c y m o d e ，a n dt h ef i b e rl i n ea d a p t sd u a lr i n g sr e d u n d a n c ym o d e t h e r e a r et w ok i n d so fd a t a p e r i o dd a t aw i t h6 0b y t e sa n du n p e r i o d d a t aw i t h4 8 0b y t e s w ed e s i g nt h el a no nt h ep r i n c i p i eo fs e c u r i t ya l la l o n g ，a n d g i v ea t t e n t i o nt ot h er e l i a b i l i t ya n dr e a l t i m ec h a r a c t e r ie x p a t i a t et h e d e s i g no fs o f t w a r ea n dh a r d w a r ei nm yp a p e r , a n dd i s c u s st h ew h o l e c a p a b i l i t yo f t h el a nd e t a i l e d l y o nt h eb a s i so fa n t e r i o rs t u d e n t sw o r k ，t h ed i s s e r t a t i o ni s d e v o t e dt ot h es t u d yo nt h eh i g h s p e e ds a f ei n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o n o p t i c a ll a n ，m ym a j o rw o r ki nt h i st h e s i si sa sf o l l o w ： 1 、b yc h a n g i n gt h ew o r km o d eo ft h el a nt h a ti st h em i d d l e n o d e t r a n s m i t t i n g ，i tc o m e st r u e t h a tt h em a i ns t a t i o na n dt h e s a b _ s t a t i o nc a nc o m m u n i c a t ep o i n t _ t op o i n t t h et o p o l o g ys t r u c t u r e o ft h el a ni sr i n gi np h y s i c sa n da s t e r o i di n l o g i c t h el a n s r e a lt i m e c a p a b i l i t y i sa d v a n c e d ；t h ed i s a d v a n t a g eo fr i n ga n d 2 硕士学位论文 摘要 a s t e r o i dt o p o l o g ys t r u c t u r ei sr e s t r a i n e d ，b u tt h e s ea d v a n t a g ei s c o m b i n e d 2 、o nt h eb a s i so fh d l cp r o t o c o l ，a c c o r d i n gt ot h ea c t u a lw o r k s t a t u s ( t h el a n i sc o m p o s e do f1m a i ns t a t i o na n d3ls u bs t a t i o n s ， a n dt h ei n t e l l e c t i v ec o m m u n i c m i o nc o n t r o l l e ri si n t e l s o c l 5 2 ) ，t h e n e wh d l cp r o t o c o li sm o d i f i e da n de s t a b l i s h e d 3 、ah o ts w a pc o n t r o l l i n go np o w e rc i r c u i ti sd e s i g n e d ，u s i n gt h e n e w e s th o ts w a pc o n t r o l l e rm a x 4 2 7 2 4 ，刀，eh a r d w a r ec i r c u i to fm a i ns t a t i o nn e t w o r kc a r da n d s u b _ s t a t i o nc a r di sd e s i g n e do v e ra g a i n , a n dt h ec o r r e s p o n d i n g s o f t w a r ep r o g r a m m e ri s c o m p i l e de s p e c t i v e l y 1 1 1 es u b _ s t a t i o n n e t w o r kc a r di sf a c t u r e d i nt h ep r i m a r ye x p e r i m e n tl a n ，o n l yt h e m a i ns t a t i o nc a ns w i t c hc a r d s ，n o wt h es u b _ s t a t i o nc a ns w i t c hc a r d s b yt h ee x p e r i m e n tm e n s u r a t i o n ，t h el a n sw h o l ec a p a b i l i t yi s a d v a n c e de v i d e n t l y ，t h el a n sf u n c t i o nb e c o m e sm o r ea c r o s s t h e a b o a r d ( t h es u bs t a t i o nc a ns w i t c hc a r d s ) ，e s p e c i a l l yt h el a n s c o m m u n i c a t i o np e r i o di s8 0t i m e st h a no v e r t h eh i g h s p e e ds a f e i n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o no p t i c a ll a na t t a i n st ot h er e q u e s to f d e s i g n c r i t e r i o n 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的提出及意义 随着社会经济的发展和科学技术的进步，运输业在全世界 范围内飞速发展，特别是2 0 世纪7 0 年代以来，交通运输工具发 生了翻天覆地的变化。航空业的成本不断下降，高速公路的飞速 发展，都使铁路作为传统运输手段的铁老大地位受到了极大的挑 战。在这种形式下，发展高速铁路成为保持铁路在运输领域地位 的唯一出路。 高速铁路是一个国家综合实力的反映，在国民经济建设中起 着重要的作用。广泛吸取世界各国的技术特长，结合我国具体国 情，采用最先进的最安全可靠的技术是建设好我国第一条高速铁 路应遵循的基本原则之一。然而，现有以继电控制、电缆传输为 主的信号系统由于在电气化的高速铁路中易受强电磁环境的干 扰，限制了传输速率的提高，难以达到行车指挥系统提出的更高 传输速率、更高可靠性和更高安全性的要求，因而采用带宽极宽、 无电磁干扰的光纤作为传输介质成为解决该问题的最佳方案。同 州，随着计算机技术、通信技术、网络技术的发展及其产品的普 及，铁路信号的控制技术也发生了深刻的变化，先进的信号技术 无1 i 是建立在现代通信技术和计算机技术基础之上，通信、信号、 汁算机的结合将成为铁路信号控制领域在今后相当长一端时间内 的发展方向。高速铁路行车安全信息光纤局域网j 下是在高传输速 率、高可靠性和高安全性要求下，这种结合的产物。 高速铁路行车安全信息光纤局域网承担了与铁路的行s l - 指 托i 、洲度商接相关的行车安全信息的传输任务，是确保行车安全 的汛要技术措施之一。它使用光纤作为传输介质，是具有光热备 份、戳k 热备份的网络设备，采j f j 多重冗余结构的双s f c 形拓扑白1 i 构，可以满足高速铁路建设和列车普遍提速对行车调度指挥系统 提出的更高传输速率、更高可靠性( 抗电磁干扰能力) 和更高安 个。p i ：的要求，具有广泛的应用i i s j ；i 。 高速铁路行车安全信息光纤局域网( 以下简称安全信息封域 网) 是承担与铁路的行车指挥、调度直接相关的行车安全信息传 输任务的光纤通信网。它是为适应高速铁路建设和列车普遍提速 x q 1 i 车调度指挥系统提出的更高速率、更高可靠性( 抗电磁干扰 能力) 和更高安全性要求而建立的用光纤作为传输介质、传输铁 坝i 学位论文第一章绪论 路行车调度指挥信息的局域网，是确保行车安全的重要技术措施 之一。 铁路信息可分为行车安全信息和非行车安全信息。与铁路的 行车指挥、调度直接相关的信息称为行车安全信息，如列车调度 信息、列车运行控制信息、微机连锁信息等。这些信息与旅客的 性命生死攸关，是确保列车安全、高效运行的信息。其它信息， 如供电网的监测信息、旅客导引信息、气象信息等，虽然也关系 到列车行驶的畅通与否，但不直接控制列车的运行，所以不作为 行车安全信息。安全信息局域网应满足以下基本要求： ( 1 ) 安全信息局域网应确保安全信息的可靠传输，严格遵循 铁路信号中关于“故障导向安全”的基本原则，确保行车安全。 ( 2 ) 安全信息局域网应具有较快的传输速率，确保与列车调 度系统的设备具有良好的接口，满足列车调度指挥系统的使用。 ( 3 ) 安全信息局域网应具有良好的现场可操作性和可维护 性，以方便铁路现场使用。 ( 4 ) 安全信息局域网应能与铁路高层信息网络接v i ，两个站 问的安全信息局域网也应能够互联，以便为实现全路全网的 联、信息共享并为统一管理打下基础。 1 2 安全信息局域网在铁路信息网中的地位 安全信息局域网是车站信息综合网的一个子网，上端通过劂 关与车站信息综合网( 非安全网) 相联，下部直接与列车行车渊 度设备( 列控中心设备、列控设备) 相接。而列控中心设备又和 t 站直接相连，从站又直接和列控设备相连接。 安全信息局网域与其它网络的关系如图1 1 所示。 2 f l ! j ! i 学位论义 第一章绪论 图1 1 安全信息局域网与其它网络关系 1 3 安全信息局域网传输参数 安全信息局域网全部采用光纤作为传输介质。在机械室内 可使用控制单芯软光缆，在长途远距离通信时，与其它通信网共 用铁路综合光缆，每条光缆中用两根光纤作为安全信息局域网的 号用光纤( 同其它通信网同缆不同纤) 。 机械窀内通信距离短，通f f ij q , 境条件好，光缆采用多模光 缆，光发删、接收单7 i 为多模光模块，具体参数如卜： ( 1 ) 光纤：l o o 1 4 0umj t u 一，l 标准多模光纤： ( 2 ) 光缆：单芯控制光缆： ( 3 ) 波跃：0 8 5 um ( 4 ) 损耗：在0 8 5um 处，损耗不大于3 5 d b k m ( 5 ) 使用条件：室温0 - 4 0 。c 。 ( 6 ) 光发送功率：不小于1 0 0 微瓦f 1 0 d b m l ( 7 ) 光接收灵敏度：不大于1 微瓦( 3 0 d b m ) ( 8 ) 连接器：s m a ( 9 ) 总线信号：光信号为c m i 的r z 码，编码规则为： 顺l + 学位论文 第一章绪论 原码 0 线路码 o l1 10 0 其它线路码( 1 0 ) 为禁码，这样可以保证最大连0 与连1 数不大 于3 。 铁路区间综合光缆中光纤参数为： ( 1 ) 光纤：g 6 5 2 标准单模光纤； ( 2 ) 光缆：铁路综合光缆； ( 3 ) 使用波长：1 3 1 0 n m ； ( 4 ) 损耗：在1 3 1 0 n m 处不大于0 3 5 d b k m ： ( 5 ) 使用条件：户外，- 2 0 - 5 5 ； ( 6 ) 光发送入纤功率：不小于2 0 微瓦f 1 7 d b m ) ： ( 7 ) 光接收灵敏度：不大于1 微瓦f 3 0 d b m ) ： ( 8 ) 连接器：s c ； ( 9 ) 总线信号：光信号为i b i h 编码，再扰码后的n r z 码。 1 b l h 编码方案中，b 码为业务码，即传输的数据：h 码为混合 f j ，其中四分之三为b 码的反码，另外四分之一包含有帧同步 三l 、监控信息等。经l b l h 编码后，线路上最高同码数为3 ，速 率翻了倍。扰码采用7 级扰码，不改变速率，经扰码后的线路 码中0 码和l 码的出现概率各占l 2 。 网络的最大节点数为3 1 ，包括一个从站和3 0 个从站；传输 的波特率为2 m b p s ：最大通信距离不大于1 5 k m ；最大轮询周期不 尺f2 0 0 m s ：传输信息最大长度不大于4 8 0 字节；被轮询的从站 ： 尺态信息、主站命令信息长度为6 0 字节。 1 4 通信方式和传输数据 1 4 1 通信方式 安全信息局域网采用半双：r ，：从 作方式，每次都m 擅5 发 起通信，从站根据主站的命令给f f 怕鹰。蕾站在接收从站的响应 超时：i 次的情况下，切换通路，使j h 另个通路再次发送数据， ，1 ：产l ! 告警信号。 1 , 4 2 传输的数据 网络_ 卜传输的数据分为周期性数据和非周期性数据两种。 坝i 。学位论史 第一章绪论 周期性数据是指从站列控设备的状态信息和主站列控中心对 从站列控设备下达的命令信息。列控设备的状态信息反映了列控 设备当前的工作情况，如道岔的分合、信号灯的显示等，列控中 ，t l , 根据这些信息下达响应的命令，指示列控设备完成正确的操 作，保证列车的安全运行。周期性数据是高速铁路正常运营的保 证，其特点是长度短而时间性强，因此传输的时间必须是确定的 和有界的。它由主站发起，采用轮询方式，在轮询周期时间内， 不间断的传输。 非周期性数据包括消息数据和管理数据。 消息数据是主站或从站在正常轮询过程以外，随机发生的主 站事件或从站的请求，是一些非紧急的信息。消息数据的长度较 大，长度超过一帧时可以由若干帧组成，通常在一次轮询结束后 爿传输。 管理数据是总线中主站对从站的运行以及全网运行进行管理 必需的数据，比如局域网初始化数据等，特点是数据帧很短。 局域网中的数据传输协议采用h d l c 协议。其帧格式如下： l s b m s b l e ! ! gl 垒垒尘! ! ! l9 2 呈! 翌! i ! 呈尘! 垩! ! ! ! 墨1竺垦竺l! ! gi 其中：f l a g 标志一帧的开始和结束； a d d r e s s 为设备地址； c o n t r o l 为控制字段： i n f o r m a t i o n 为数据字段； c r c 为循环冗余校验码； 关fh d l c 协议将在第三章详细介绍。 1 5 本人的工作 本人在前人工作的基础上，依据本课题的发汁规范，主要做 了以下几点工作： l 、对本局域网系统的工作方式做了较大的变更，改变了以 往卜、从站进行通信过程中，中阳j 节点对数据进行接收再转发的 l ：作方式，实现了主、从站之问的端端直接通信的工作方式( 桥 接方式) 。整个网络的系统结构也变成了物理环型，逻辑星型。 提高了实时性：抑制了有源环型拓扑结构和星型拓扑结构各自的 缺点，可d 结合了它们的优点。 侦士学位论文第一章绪论 2 、在h d l c 协议的基础上，根据安全信息局域网的实际工 作情况( 本局域网由个主站、3 0 个从站组成，网卡采用智能通 信控制芯片8 0 c 1 5 2 ) ，结合新的通信方式，重新修改制定了适应 本局域网的通信协议。 3 、研究了网络的现场可维护性问题，设计了可带电热拔插 的电路，采用了最新的m a x 4 2 7 2 热拔插控制器，实现了现场可 操作性( 带电拔插) ， 4 、重新设计了主站网卡和从站网卡的硬件电路：并分别重 新编写了相应的网卡软件。制作了从站的备份网卡。在原实验网 络中，只能进行主站双卡的切换，不能进行从站网卡的切换。经 过本人的工作，实现了既能进行主站双卡的切换，又能进行从站 双卡的切换。 经实验测定，本局域网的整体性能在原有的基础上得到了显 著的提高，网络功能更加全面( 从站可切换) ，尤其是网络通信 周期更是提高了几十倍( 由1 5 秒提高到1 8 1 毫秒) ，达到了设计 舰范的要求。 6 硕士学位论文第二章高速铁路安全信息光纤局域网系统结构 第二章高速铁路安全信息光纤局域网系统结构 2 1 安全网的拓扑结构 将通信网络的网络模块抽象成节点，通信线路抽象成链路， 通信线路与网络节点连接形成的几何图形称为网络的拓扑结构。 通信网络的拓扑结构如果不考虑它们的具体实现，主要有以下几 种：环型、星型和线形、有源网型等，在增加分支器后，又派生 出总线型、树型、网型拓扑结构。每种拓扑结构都有各自的优点 和缺点。下面简单介绍一下环型和星型拓扑的优缺点。 l 、星型拓扑结构 优点： ( 1 ) 每个节点都与中央节点直接相连，因此从源节点传 送信息时所花费的时间也短。 ( 2 ) 采用星型拓扑可以很容易的控制和管理网络，并能 及时发现和排除系统错误和故障。 ( 3 ) 中央节点和各个节点可同时进行数据传输，某条线 路或设备的故障只影响一个节点，不会影响全网。 ( 4 ) 要增加一个新节点，只需在中央节点和该节点间增 加一条通信线路即可。 缺点： ( 1 ) 由于每个节点都需要专用线路与中央节点直接相 连，费用相当高。 ( 2 ) 中央节点发生故障，则整个网络不能正常工作。 星型拓扑结构广泛应用于需要智能集中控制和管理的场 合，建网费用商是限制它发展的最大因素。 2 、坏型拓扑结构 优点： ( 1 ) 所需费用最低。 ( 2 ) 数据从一个节点到另一个节点的时间可以确定，实 现数据传送实时控制。 ( 3 ) 传输介质适应性好，环型拓扑结构基于点点通信， 实现数据单方向传输。 缺点： ( 1 ) 任何两个节点之问的连线故障或节点的故障都可 能引起全网的故障。因为数据是单方向传输，而且数据的 传输可能要经过网上的每一个节点，因此要求可靠性高。 ( 2 ) 安装维护麻烦，不易重新配置和扩展。 f i ! j ! 卜学位论文第二章高速铁路安全信息光纤局域网系统结构 高速铁路安全信息光纤传输局域网要求网络具有较高的安全 性、可靠性、实时性，所花费用也要尽可能低。从可靠性考虑， 选择星型拓扑比较适合；从低花费和实时性考虑选择环型拓扑结 构比较适合。要实现较高的安全性，又应该选用多重冗余技术。 因此本安全信息光纤传输局域网采用了物理环型逻辑星型的拓扑 结构，使环型和星型拓扑得到了很好的优势互补。( 具体见第4 6 节桥接功能单元) 2 2 安全网的体系结构 高速铁路安全信息光纤传输局域网遵循i e e e 8 0 2 委员会颁布 的局域网标准，覆盖了o s i 参考模型中的底部两层，即物理层和 数据链路层。物理层规定了与通信媒体相关的机械特性、电气特 性、功能特性和规程特性四方面的接口关系，由网卡硬件、连接 器、分路器、光纤组成，完成线路编码和解码、定时提取、位同 步、帧同步、码速调整、监控和检测等功能。数据链路层也可分 为媒质接入控制( m a c ，m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 子层和逻辑 链路控制( l l c ，l o g i c a ll i n kc o n t r 0 1 ) 子层。m a c 子层用来提 供一个多个通信站共享通信媒体的方式，即任何需要交换数据的 设备都可以访问这个通信媒体，同时又不干扰其他设备的正常通 信。常用的方式有3 种：带碰撞检测的载波侦听多路访问协议 ( c s m a c d ) ，令牌协议和查询方法。高速铁路安全信息传输局域 网各个节点的地位是不同等的，只有主站和从站的数据传输，没有 从站与从站的数据传输。从这一点看m a c 层协议采用查询来完成 从通信效率和可靠性来讲都是比较适合的。逻辑链路控制( l l c ) 子层完成链路建立功能以及解决由于帧的损坏、丢失和重复所出 现的问题，同时还要完成信息流量的调配和控制，这一层采用最 广泛使用的h d l c ( 高级数据链路控制) 协议。 采用环网结构，主从方式，以半双工模式进行通信的高速铁 路安令信息光纤传输局域网主要包括以下四部分： ( 1 ) 二e 站：用于控制、管理蝗个刚络，直接与列车控制中，i i , 十接，并通过网关与上层车站信息综合网进行通信。通过主站可 以j e 成发起通信，指示从站的：l 作状念，告警，控制网络的环路 f 内切换等功能。它是安全信息局域网的核心部分； ( ! ) 从站：它直接与列控设备年1 j 接，同时受主站的管理：用 于获得、传递列控设备的状态到主站。并将从主站得到的命令下 达给列控设备。 坝l 学位论文第二章高速铁路安全信息光纤局域网系统结构 图2 1 安全信息局域网结构示意图 ( 3 ) 网桥：作为车站间局域网的连接者； ( 4 ) 传输光路：包括光纤、连接点、耦合点等光路器件。 安全信息局域网在物理位置上又可分为近端部分和远端部分。近 端部分指机械室内部分，包括主站、机械室内的从站和相应的光 纤、连接点、光收发模块：远端部分是指机械室外，行车区间内 的从站，以及相应的光纤、连接点、光收发模块。安全信息局域 网结构如图2 1 所示。 为了提高系统的可靠性与安全性，网络设计中采用双倍份冗 余技术： 1 、光纤环的冗余。既采用主、备两个光纤环以实现传输通 路的切换，达到最大限度的传输安全性； 2 、网卡的冗余。无论是主站网卡还是从站网卡都有备用卡 做为冗余。一旦工作网卡出现故障，接收不到光信号， 则自主切换到备用网卡，并伴随有告警指示。若主站的 上位机或从站的下位机发现数据失常，也可以命令主、 备网卡进行切换，并显示告警。 3 、为了保证数据传输的可靠性，一方面在h d l ci 帧巾使用 8 位c r c 校验，接收端校验不i f 确时，拒绝接收；另一方 9 坝【j 学位论文第二章高速铁路安全信息光纤局域网系统结构 面，在对远端设备的通信中，使用单模光纤，减小了电 磁干扰，数据经扰码传输，降低了抖动，降低了误码率。 4 、考虑到现场可维护性，现场的维护必须在不中断网络通 信的前提下，对有故障的网卡进行维护。由于网络系统 已经采用了双卡备分，所以当网卡出现故障时需要对网 卡进行热插拔操作。为了提高网络的可靠性，在网卡热 拔插的时候，必须对工作网卡和主机进行保护，所以应 采用热拔插控制器进行保护。 0 帧上学位论文 第三章本局域罔数据链路通信协议 第三章本局域网数据链路通信协议 安全信息局域网的数据链路控制协议则规定了网络通信中 数据链路方面的内容，包括帧的组成、主机的编址、差错控制等 方面。我们在安全信息局域网中采用物理环型、逻辑星型的网络 拓扑结构；m a c 层上采用查询方式，由主站控制整个网络信息 的交换以及网络的监控、管理，从站对主站的命令进行应答；数 据链路控制层协议参照使用高级数据链路控制( h d l c ) 规程， 并根据该网络的特殊性，定义了自身通信所需的地址编址方式、 报文格式、主站帧格式、从站帧格式以及主从站之间的信息呼叫、 应答方式，组成了该局域网的数据链路控制层协议。 本章以下部分介绍h d l c 通信协议，以及本文根据安全信 息局域网的实际情况对该协议的修改和扩充。 3 1 高级数据链路控制通信协议 高级数据链路控制( h d l c ) 是为支持在点到点和多点链路 上的半双工和全双工通信而设计的，它是面向比特的数据链路协 议。采用h d l c 协议的系统可以通过他们的站点类型、配管及 相应模式进行描述。 1 、站点类型 h d l c 办议有三种不同类型的站点：主站点，从站点，以及 复合站点。 主站点是在点到点或多点线路配置中对链路具有完全控制的 没备，主站点发布命令到从站点，从站点进行相应。主站点和从 站点的关系一个实例是计算机和终端的关系。复合站点既可以发 们命令也可以进行响应。 本安全网中只有主站点和从站点两种类型的站点。 2 、配置 配置实指链路上设备的关系。 种配置方式。 非平衡配置( 也称主从配置) 个为从设备，受主设备控制。 对于以上三种类型的站点有三 是一个设备为主设备，另# t - ；l 对称配置是指链路上每个物理站点都有西个逻辑站点， 个事物主站点一个是从站点。独立的线路将一个物理站点的逻 辑主站点和另一个物理站点的逻辑从站点相连。对称配置就向 非平衡配置一样 ：作，只是链路控制杖可以在两个站点之j 目交 坝i 学位论文 第三章本局域网数据链路通信协议 换。 平衡配置是指在点到点拓扑重两个站点都是复合型的。站点 之间有一条线路连接，并且该链路可以由任一方控制。 本安全网采用非对称配置。一个主站点控制3 0 个从站点。 3 、通信方式 h d l c 支持站点间的三种不同通信方式：正常应答方式 ( n r m ) ，异步应答方式( a r m ) ，以及异步平衡方式( a b m ) 。 ( 1 ) 正常应答方式( n r m ) ，是标准的主从关系。在这种 方式下，从设备必须在传输前获得许可，一旦获得许可，从设 备可以开始一次具有一帧或多帧数据的传输响应。 ( 2 ) 异步应答方式( a r m ) ，在这种方式中，只要新到空 闲，从设备可以在没有得到许可的情况下发起一次传输。 ( 3 ) 异步平衡方式( a b m ) ，所有站点都是平等的，只是 用于使用点到点方式连接的复合站点。 本安全网采用正常应答方式( n r m ) 。 3 2 安全网所采用的帧格式 本文根据安全网的设计需要对h d l c 协议所规定的帧结构稍 加改动，设计了适合本安全网的特殊的帧结构。如图3 2 所示 i 开始标志地址字段控制宇段k 度宁段信息一段校验序列结束标忐l b o f ac l lc r c e o f 0 1 1 1 1 1 1 08b i t s8b i t s8b i t s 任意1 6 b i t s 0 1 1 1 1 1 1 0 图3 2 安全信息局域网的帧格式 安全网h d l c 协议中的每一帧包含七个域：丌始标志域， 地址域，控制域，帧长度域，信息域，帧校验序列域，结束标志 域。最明显处是比h d l c 协议所规定的帧结构多了一个帧长度 域。 ( 开始，结束) 标志域 h d l c 协议虽然本意是只定义数据链路层的帧格式，但实际 一j ：它的帧格式是出各层共同实现的。h d l c 协议帧的标志域是具 有比特模式0 1 1 1 1 “0 的八比特序列，是表明帧的丌始和结束并 n 为接收方作同步模式服务的。 一旦一个站点在线路上发现一个标志，并确定该帧是发给它 的，并丌始读入数据流，他就等待表示帧结束的下一个标志。总 是有可能存在一个比特序列，不管是控制信息还是数据，都可能 f 畎i 学位论文 第三章本局域网数据链路通信坍议 含有这个标志字节0 1 1 1 1 1 1 0 ，如果不加以控制，接收方会误认 为帧末尾已经到了，从而产生接收错误。h d l c 协议采用了一种 称为比特填充的办法来解决这个问题。比特填充是在数据中每连 续五个1 后附加一个额外的0 的过程。当接收方接收输入比特时， 进行1 的计数。当发现0 后面有五个连续的1 时，它检查下一个 比特( 第七个比特) ，如果第七个比特是0 ，接收方把它当作一 个填充比特，丢弃该比特并重置计数器，如果第七个比特是1 ， 接收方检验第八个比特。如果第八个比特是0 ，该序列被认为是 一个标志并采取相应动作。( 这一过程在物理层中实现) 。 地址域 安全信息局域网网络结构采用主从方式，其上的节点设备， 包括主站和从站都有一个固定的可编程地址，每个站的地址由网 卡上的5 位编码器确定。主站的逻辑地址为f f h 或0 0 h ，从站 的地址为o l h 一2 0 h ，共3 0 个从站。地址f f h 和0 0 h 也为广播 地址，当主站发送这一地址时，所有的从站必须接收、响应。由 于设定了一个广播地址，所以实际上该局域网的节点共有3 1 个， 包括一个主站和3 0 个从站。 h d l c 协议中的地址字段占一个字节，8 位，而安全信息局 域网中一个区段内的站点数为3 l ，只需要5 位( 2 5 = 3 2 3 1 ) ，还 剩下3 位。安全信息局域网采用双环双卡冗余结构，带有自愈功 能。安全信息局域网共有4 个通道，所谓通道，即安全信息通过 的路径，数据传输时由主站根据通道的畅通情况选择，从站按照 t 蟊i ，的命令使用响应的通道发送响应信息。所以这之间存在一个 迎道的标识问题，为了减少比特刀：销，充分利用各字段，我们将 h d i 。c 协议地址字段中剩余的3 位明来标以通道。修改后的地址 i ：段如图3 2 所示。 通道字段地址字段 p a 3b i t s 5b i t s 图3 2 安全信息局域网中的地址字段 安全信息局域网同一站上的两个网卡使用同一个地址，工作 时最多只有一个网卡工作，另一个网卡处于热备状态，只有当切 换时才被唤醒，因而不会产生网卡地址冲突的问题。网卡的地址 不在控制设备中显示，仅用于通信中站址的标识。同一站点的两 个网卡，无沦如何切换，对主站网卡的列控中心和从站网卡的列 颁：| 学位论文 第三章本局域罔数据链路通信协议 控设备而言，都视为同一地址，网卡的切换通过调用中断的方式 通知相应的列控中心或列控设备。 控制域 控制字段( c ) 实际上是类别字段，用于表明本帧的类型。 本文中，安全信息局域网包括控制应答帧、事件帧、命令状态帧 三类帧类型，每类帧类型都是在h d l c 帧格式的基础上略有改 动。 ( 1 ) 初始化帧 初始化帧用于主从站间链路的建立，初始化局域网的状态， 也可以用于站址序列出错时，使链路簧于初始状态。在安全信息 局域网中它包括两种帧：建链帧和建链完成帧。 ( a ) 建链帧( s n r m 帧) s n r m 帧用于系统上电或复位后，重新建立正常的工作模式。 s n r m 帧的c 字段为7 3 h 。 ( b ) 建链完成帧( h a 帧) u a 帧表示对收到建链帧的确认。其c 字段为9 3 h 。 初始化帧因为不包含任何数据的传输，所以没有信息字段， l 有7 个字节，长度字段的值为0 。 ( 2 ) 周期性数据传输帧 安全信息局域网中的周期性数据使用命令状态帧传输。它包 括命令状态信息帧( c i 帧) 和( 对命令状态的) 应答索取帧o r 帧) ( a ) 命令状态信息帧( c i 帧) c l 帧传输主站的命令信息，刷j 二告诉从站马 ：发送从站状 态。本安全网的控制字段( c ) 用3 0 t l 表示。 ( b ) ( 对命令状态的) 应答索取帧( i r o 帧) i r o 帧表示从站对主站命令信息的应答( 传送状念信t l t ) ，以 及主站传送命令信息。本安全网的控制字段( c ) 用0 9 1 1 表示。 ( 3 ) 非周期性数据传输帧 茸；件帧用于主从站事件信息的传输，也分为事件信息传输 ( i f ) 帧和( 对事件) 的应答索取帧( i a ) 两类。 ( u ) 事件信息传输( i f ) 帧 l fi 侦用于传输主站和从站的事件信息。1 9 贞的c 字段为6 4 1 i 。 作周期数掘传输帧中事件信息晟长可以达到为4 8 0 个字节，而i f 帧每l 贞只能发送6 0 个字节的信息( 原因见第四章) ，所以最多需 1 4 第三章本局域嘲数据链路通信协议 要8 帧才能发完整个4 8 0 字节的事件信息。为了解决同一事件多 帧传输时帧的编号的问题，i f 帧中借用信息字段中的两个字节， 用来表示当前帧号( n o w n o ) 和下一帧号( n e x t n o ) 。当发送前 6 帧时，n e x t n o 等于n o w n o + l ；发送第7 帧时，n o w n o 等于 7 ，n e x t n o 等于0 ，此时可以根据n e x t n o 的值来确定事件发送 是否应该结束。 ( b ) ( 对事件的) 应答帧( i a ) l a 帧用于从站对主站事件信息传输帧的应答，或者主站对 从站事件信息传输帧的命令或应答。i a 帧c 字段为6 5 h 。i a 帧 的总长度为9 个字节。i a 帧也需要应答( 或索取) 帧的编号， 因而i a 帧信息字段设置了两个字节也用来表示当前帧号 ( n o w n o ) 和下一帧号( n e x t n o ) ，其作用和表示方式同l f 帧 的当前帧号和下一帧号。i a 帧不传递实际的信息，所以它的信 息字段只有两个帧号，长度为2 个字节，结构同i f 帧信息字段。 ( c ) 主站事件发起帧( s a ) 主站事件发起帧用于主站通知从站将有主站事件发送，并同 时将要发送的数据总长度通知从站，以便于列控中心或列控设备 准备对事件的接收。s a 帧总长度为9 个字节，利用信息字段内 的2 个字节表明事件数据的总长度。其c 字段的值为5 4 h 。 ( d ) 主从事件辅助帧 为了保证事件信息的可靠、有效传输，些辅助帧是必须具 簖的。这些帧包括： 主站接收事件结束帧( r 0 ) 仅主站捐j 有。表示：e 站接收从站 的事件结束，c 字段用5 5 h 表示。 从站就绪帧( r r ) 和从站未就绪l 帧( n r r ) ：仪从站训有。 当j ：站要发送主站事件时，收到浚帧表示从站就绪( 或米就绪) 接收主站的事件：帧总长7 个字节，无信息字段。r r 帧c 字段 刚9 7 h 表示。n r r 帧c 字段h j9 8 h 表示。 帧长度域 长度域指明了除去开始和结束标志域以及校验序列域以外整 个帧的长度。而这个帧长度域是h d l c 协议所规定的帧结构所 没有的。之所以加上这一字段，是因为我们所用的智能通信控制 器内部从三字节的收发缓冲器( 在内部r a m 的特殊功能寄存器 s f r 区) 到我们在内部r a m 低1 2 8 字节区设置的6 9 字：节的收 发缓冲区用到了d m a 控制器，而要用d m a 必须提供3 个参数， 帧。学位论文 第三章本局域网数据链路通信协议 即目的地址，源地址，数据长度。帧长度域正是向d m a 控制器 提供了数据长度这个参数。 信息域 信息域分为两部分： 这里，为了保证桥接功能，增加了一字节的主站地址字段， 只有从站有这一字段，主站没有。具体原因见桥接功能单元一节。 6 0 字节的信息域字段，主从站都有。 信息存放安全信息局域网所要传送的信息，本安全网只传送 周期性数据和非周期性数据两种形式的信息。由此对应了两种报 文格式：一种为周期性数据报文；另一种为非周期性数据报文。 ( 1 ) 周期性数据报文： 周期性数据报文用来传输周期性数据，固定长度6 0 字节。 如图3 3 所示。 图3 3 周期数据报文格式 ( 2 ) 非周期性数据报文： 非周期性数据报文传输非周期数据，即主站或从站的事件。 它的最大长度为4 8 0 字节，最大需要7 帧来传输，每帧有6 2 字 节的报文。在传输过程中，非周期性数据报文的次序由传输其的 帧的次序来控制。报文格式如图3 4 所示。 图3 4 事件报文格式 事件报文可以不按帧的次序收发。报文各帧的排序、重发 都由接收端软件控制，按照帧序号进行。 此外，从站向主站所发送的报文还要信息域的第一个字节作 为立站的地址。洋细情况见桥接功能单元。 帧校验序列域 安全网采用8 0 c 1 5 2 做通信控制器，8 0 c 1 5 2 提供了1 6 位的 c r c ( 循环冗余校验) 算法，循环冗余校验( c r c ) 是基于二进 1 6 烦1 + 学位论文 第三章本局域网数据链路通信协【义 制算法的。在发送时c r c 发生器对地址域、帧长度域、信息域 的数据产生两个字节的c r c 码，存放于此校验序列域，接收端 c r c 发生器对除去标志域以外的整个数据单元进行校验，方法 是把整个数据单元除以一个预定的除数，如果此时不产生余数则 认为数据单元是完整正确的，从而接收该数据单元，否则意味着 数据单元在传输中被破坏，因此必须拒绝接收该数据单元。 3 3 安全网所采