Блок доступа оптической локальной сети
Предлагаемая полезная модель относится к распределенным информационно-вычислительным системам реального времени и другим, а также к телекоммуникациям. С ее помощью предполагается реализовать блоки доступа оптических локальных сетей звездообразной или древовидной топологии с пассивными узлами на основе волоконно-оптических разветвителей. Предлагаемые устройства обеспечивают доступ в сеть, как специализированных электронных модулей, так и различных, в том числе, персональных компьютеров. Благодаря использованию в предлагаемых устройствах оригинального протокола синхронного бесконфликтного доступа с квитированием на уровне доступа, в сетях, построенных на основе предлагаемых устройств, удалось добиться гарантированной доставки информационных кадров при малых значениях задержки их передачи, что существенно расширяет область применения предлагаемого решения. Для достижения поставленной цели предлагается дополнить прототип передатчиком оптическим, приемником оптическим, устройством разделительным, передатчиком и приемником команд, опорным генератором, задатчиком адреса, анализатором, переключателем S1 «центральное/периферийное» («Ц/П»), блоком интерфейса.
Предлагаемая полезная модель относится к распределенным информационно-вычислительным системам реального времени авиационных, судовых, железнодорожных и других радиоэлектронных комплексов, а так же к телекоммуникациям.
Применение данной полезной модели позволит строить сетевые интерфейсы передачи данных электронных вычислительных модулей с гарантированной доставкой сообщений в распределенных информационно-вычислительных системах.
Известны различные устройства для организации доступа к ресурсам удаленных ЭВМ в распределенных вычислительных системах. Например, авторское свидетельство СССР 
1443757 от 8 августа 1988 г. «Система передачи данных с информационной обратной связью» Автор Никульский И.Е., в том числе, с акустическими соединителями (а/с СССР 1232113 от 15 января 1986 «Акустический соединитель», авторы Никульский И.Е., Володин Н.А., Обухов И.В.). Такие устройства находили применение, например, в распределенных системах отображения информации, для подключения к центральной ЭВМ удаленных устройств отображения, например, таких как «Устройство для отображения дуг на экране электронной лучевой трубки», а/с СССР 1062685 от 27 августа 1983 г., авторы Безруков Д.С., Колесников Ю.А. и другие, например, с устройствами для считывания графической информации (световым пером), такими как «Устройство для считывания графической информации» а/с СССР 1109775 от 22 апреля 1983 г., авторы Безруков Д.С., Колесников Ю.А. и другие. Недостатком таких систем являлась низкая (от десятков бит/с до нескольких килобит/с) скорость передачи данных и большие задержки при передаче сообщений, а также звездообразная топология сети, требующая больших объемов оборудования.
Известны высокоскоростные устройства для организации оптических интерфейсов в сетях доступа, на основе применения волоконно-оптических линий связи, оптических приемников и передатчиков, например, описанные в книге: Никульский И.Е. Оптические интерфейсы цифровых коммутационных станций и сети доступа. М: Техносфера, 2006 - 256 с, или таких, как: «Универсальная телекоммуникационная платформа с широкополосным доступом, использующая технологию пассивной оптической сети», патент РФ на полезную модель 81023, зарегистрирован 27 ноября 2009 г., авторы Никульский И.Е., Морозов Г.Г., Степуленок О.А., «Синхронный мультиплексор с волоконно-оптическим интерфейсом для устройств сетевого стыка цифровых АТС и абонентских цифровых концентраторов», патент РФ на полезную модель 78021 от 10 ноября 2008 г. и многие другие. Теоретическое обоснование применения таких устройств доступа изложено в работе: Никульский И.Е. Модели и методы построения широкополосных сетей доступа. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук.: С-Пб, 2010 г.
Недостатком всех этих систем является отсутствие гарантированной доставки сообщений на уровне сети доступа и, как следствие, высокие задержки при передаче данных, не смотря на высокую скорость передачи в физической среде распространения.
Близкими по технической сущности к предлагаемому устройству, то есть его аналогами можно считать такое устройство, как: например, показанное на рис. 6.1, 6.2 в книге: Овчинников В.В., Рыбкин И.И. Техническая база интерфейсов локальных вычислительных сетей. - М.: Радио и связь, 1989, на с. 170, имеющее бесконфликтный способ доступа с централизованным управлением.
Недостатками этого устройства являются: низкая надежность из-за применения в сети, построенной на его базе однонаправленной кольцевой технологии, при которой однократный обрыв линии будет приводить к отказу связи всех абонентов, включенных сеть, а так же отсутствие гарантированной передачи сообщений.
В качестве другого аналога может быть выбран, например, блок доступа, схема которого приведена на рис. 7.4 в указанной книге. Это устройство ориентировано на применение шинного моноканала. Однако его недостатками являются низкая помехоустойчивость из-за применения электрической физической среды распространения и отсутствие гарантированной доставки сообщений на уровне сети передачи данных.
В качестве прототипа, то есть устройства, наиболее близкого к предлагаемому по технической сущности, выбран блок случайного многократного доступа к моноканалу по методу CSMA/CD, описанный в книге: Овчинников В.В., Рыбкин И.И. Техническая база интерфейсов локальных вычислительных сетей. - М.: Радио и связь, 1989, на стр. 207-210, см. рис. 7.1, рис. 7.2.
Прототип - блок доступа, использующий метод случайного доступа с разрешением конфликтов по методу CSMA/CD, представляет собой блок многократного доступа с асинхронным случайным доступом к моноканалу, допускающим конфликты (столкновения, коллизии) передаваемых по сети информационных кадров, включающий блок синхронизации и управления, селектор кадров, ОЗУ передачи, ОЗУ приема, линейный кодер/декодер, схему "или", схему "и", триггер готовности. Преимуществом таких систем является простота реализации блоков доступа.
Очевидными недостатками прототипа являются:
- возможность потерь передаваемых пакетов информации при их передаче через сеть. Потери возникают при отбрасывании кадров, принятых с ошибками в приемной части блоков доступа. Этот недостаток сохраняется и современных сетях, работающих с подобными блоками доступа по технологии Ethernet, например, описанных в книге В.Г. Олифер, Н.А. Олифер. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: учебник для вузов, 2-е издание. - С-Пб: «Питер», 2005 - 864 с. (см. стр. 380, предпоследний абзац; структура блоков доступа в этой книге не раскрывается).
- ограничение применения сетей с блоками доступа, такими как прототип, в системах передачи данных реального времени, требующих гарантированной передачи сообщений в течение заданного ограниченного интервала времени. В системах, использующих такой способ доступа, как в прототипе и аналогах, подтверждение данных и автозапрос кадров, принятых с ошибками (отброшенных на уровне доступа) осуществляется программными средствами протоколов верхних уровней иерархии сети (например, LLC и др.), что требует промежутка времени, зависящего от производительности вычислительных устройств.
- в режиме большой нагрузки и помех протокол доступа CSMA/CD, используемый в прототипе, при условии возникновения ошибок и конфликтов, не обеспечивает гарантированного времени передачи кадров.
Все эти недостатки ограничивают применение таких широкораспространенных систем в условиях, когда предъявляются жесткие требования к надежности (отсутствие потерь и ошибок) передачи сообщений и к задержке при передаче кадров через сеть. Такие требования предъявляются, например, при передаче управляющих команд и другой информации в распределенных системах управления реального времени.
Целью данной полезной модели является создание такого блока доступа оптической локальной сети, который позволит обеспечить гарантированную доставку и низкую задержку информационных кадров, передаваемых в локальной сети на уровне доступа во всем диапазоне нагрузок, позволит реализовать бесконфликтный метод доступа, обеспечит защиту от ошибок, возникающих при передаче кадров через общий канал, что, несомненно, позволит использовать данный блок в системах передачи данных реального времени, а также низкую восприимчивость к воздействию электромагнитных помех, наводок и полную электрическую развязку терминалов, включенных в сеть, что создает дополнительную помехозащищенность из-за отсутствия возможности протекания блуждающих токов.
Поставленная цель достигается тем, что в блок доступа оптической локальной сети, включающий блок синхронизации и управления, селектор кадров, ОЗУ передачи, ОЗУ приема, линейный кодер/декодер, схему «ИЛИ», схему «И», триггер готовности, дополнительно введены: устройство разделительное, передатчик оптический, приемник оптический, передатчик и приемник команд, генератор опорный, задатчик адреса, анализатор, блок интерфейса, переключатель режимов работы "центральный"/"периферийный", детектор ошибок, причем устройство разделительное имеет оптический интерфейс в сторону линии, а также связано с выходом передатчика оптического, с входом приемника оптического, а выход приемника оптического соединен с первым входом линейного кодера/декодера, а первый выход этого кодера/декодера соединен с входом передатчика оптического, второй выход этого кодера/ декодера соединен со вторым входом приемника команд, вторым входом детектора ошибок, первым входом ОЗУ приема, а третий выход кодера/декодера соединен с первым входом приемника команд, вторым входом детектора ошибок, вторым входом ОЗУ приема, первым входом селектора кадров, при этом второй вход кодера/декодера соединен с выходом схемы «ИЛИ», первый вход этой схемы связан с первым выходом ОЗУ передачи, а второй ее вход - с выходом передатчика команд, а третий вход передатчика команд присоединен к выходу детектора ошибок и второму входу схемы «И», а второй вход блока синхронизации и управления связан с выходом опорного генератора, который также соединен с первым входом передатчика команд, третьим входом приемника команд, третьим входом кодера/декодера, первый вход блока синхронизации и управления соединен с выходом приемника команд, а выход задатчика адреса связан со вторым входом передатчика команд, третьим входом селектора кадров, первым входом блока интерфейса, и с четвертым входом приемника команд, а третий вход блока синхронизации и управления соединен с выходом селектора кадров, связанным с первым входом схемы «И», четвертый вход блока синхронизации и управления связан с выходом триггера готовности, с четвертым входом передатчика команд, с четвертым входом блока интерфейса пятый вход блока синхронизации и управления - с выходом анализатора, а шестой вход этого блока - с переключателем 81, присоединенным также ко второму входу анализатора, первый вход анализатора присоединен к четвертому выходу блока синхронизации и управления, при этом вход, установки в единицу триггера соединен со вторым выходом ОЗУ передачи, а вход обнуления триггера связан со вторым выходом блока синхронизации и управления, первый выход которого подан на пятый вход передатчика команд, а третий выход блока подключен к тактовому входу ОЗУ передачи, а интерфейсы ОЗУ передачи и приема связаны с блоком интерфейсов, который имеет интерфейс в сторону компьютера или электронного модуля, а на второй вход этого блока подан сигнал с выхода схемы «И».
Достижение цели и технические результаты достигаются посредством:
1. Применение предлагаемого блока доступа позволяет организовать на уровне сети доступа гарантированную передачу информационных кадров, за счет реализации синхронного бесконфликтного способа доступа с квитированием кадров на уровне доступа, за счет того, что в состав блока доступа введены передатчик и приемник команд, второй выход линейного кодера-декодера соединен со вторым входом приемника команд, третий выход кодера-декодера с первым входом приемника команд, третий вход передатчика команд присоединен к выходу детектора ошибок, первый вход блока синхронизации и управления соединен с выходом приемника команд, выход передатчика команд связан через схему «ИЛИ» со вторым входом линейного кодера-декодера.
2. Применение протокола доступа с опросом нагрузки и назначением интервалов доступа в предлагаемых блоках доступа позволит обеспечить кроме гарантированной доставки сообщений также и низкую задержку их передачи, которая будет пропорционально возрастать по мере увеличения загрузки сети, но даже при максимальной загрузке, задержка на уровне доступа не превысит интервала времени, равного полному циклу опроса и передачи, за счет того, что в схему блока доступа введен анализатор, переключатель S1, и пятый вход блока синхронизации и управления связан с выходом анализатора, а шестой вход этого блока связан с переключателем S1, присоединенным также ко второму входу анализатора, первый вход анализатора присоединен к четвертому выходу блока.
3. Применение протокола доступа с гарантированной доставкой сообщений позволит использовать предлагаемый блок доступа в сетях реального времени, что особенно важно при построении систем управления и распределенных вычислительных систем реального времени, за счет того, что в схему блока доступа введен анализатор, приемник и передатчик команд.
4. Использование в сети физической среды распространения на основе оптоволокна позволяет обеспечить высокую помехоустойчивость в условиях воздействия мощных электромагнитных полей, а также существенно затрудняет перехват информации посредством побочных электромагнитных излучений и наводок (ПЭМИН), что обеспечит высокую помехоустойчивость и защиту информации в локальной сети, построенной на основе предлагаемых блоков доступа, а создаваемая при этом полная электрическая развязка терминалов создаст дополнительную помехоустойчивость из-за отсутствия "блуждающих" токов. Данные преимущества особенно важны при построении объектовых систем, насыщенных радиоэлектронными средствами (РЭС), такими как радиостанции, радиолокационные станции (РЛС) и другими, где кроме этого требуется защита передаваемой информации, а также отсутствие восприимчивости оборудования сети к грозовым разрядам. Кроме этого важным преимуществом является использование решений, обеспечивающих реализацию экономичной одноволоконной инфраструктуры (ресурсосбережения), а использование разделения направлений передачи по направления распространения светового потока в линии обеспечивает экономию длин волн (для двунаправленной передачи используется всего одна длина волны). Данные преимущества реализуются за счет того, что в схему блока доступа введены: устройство разделительное, передатчик оптический, приемник оптический, причем устройство разделительное имеет оптический интерфейс в сторону линии, а также связано с выходом передатчика оптического, с входом приемника оптического.
На базе предлагаемого блока доступа (БД) локальной сети могут быть реализованы локальные сети реального времени, используемые для построения распределенных вычислительных и информационно-управляющих систем радиоэлектронных комплексов как наземного, так и бортового базирования и другие информационно-сетевые системы, требующие гарантированной доставки пакетов информации.
Перечень чертежей:
На фиг. 1 приведен один из примеров реализации блока доступа локальной сети, где:
1 - устройство разделительное;
2 - задатчик адреса;
3 - приемник оптический;
4 - передатчик оптический;
5 - генератор опорный;
6 - линейный кодер/декодер;
7 - приемник команд;
8 - блок синхронизации и управления;
9 - детектор ошибок;
10 - схема «ИЛИ»;
11 - передатчик команд;
12 - селектор кадров;
13 - триггер готовности;
14 - схема «И»;
15 - ОЗУ приема;
16 - ОЗУ передачи;
17 - блок интерфейса;
18 - анализатор;
19 - переключатель режимов работы S1 «Ц/П».
На фиг. 2 изображена структура локальной сети, где:
ПР - пассивный разветвитель;
БД - блок доступа;
ЭМ - электронный модуль;
На фиг. 3 показана временная диаграмма работы сети, где:
а - интервал фазирования;
b - цикл опроса;
с - цикл назначения окон;
tобр - интервал обработки запросов анализатором 18;
T0 - интервал окна передачи;
ЦПi - i-й цикл передачи;
ЦПi+1 - следующий i+1 цикл передачи (начало);
Устройство 1 разделительное предназначено для разделения направлений передачи оптического сигнала (прямого и обратного).
Задатчик 2 адреса предназначен для подготовки и хранения адресной информации (адреса) блока доступа.
Приемник 3 оптический предназначен для преобразования оптического сигнала, поступающего из линии в электрический сигнал, кодированный линейным кодом,
Передатчик 4 оптический предназначен для преобразования электрического сигнала, кодированного линейным кодом оптический сигнал, а также для ввода оптической мощности в оптоволоконный световод.
Генератор 5 опорный предназначен для формирования опорных тактовых сигналов, стабильных по частоте.
Кодер 6 декодер линейный предназначен для преобразования передаваемого двоичного сигнала, поступающего с выхода схемы «И» в сигнал передачи, кодированный линейным кодом и обратного преобразования сигнала приема, поступающего с выхода приемника 3 оптического, а также для выделения сигнала тактовой частоты приема (синхроимпульсов приема - «СИ ПР»).
Приемник 7 команд предназначен для приема и декодирования команд управления, квитанций и синхрокомбинаций.
Блок 8 синхронизации и управления предназначен для реализации функций циклового фазирования, формирования, передачи и приема фазирующих комбинаций, поиска и проверки состояния циклового синхронизма, формирования временной шкалы блока доступа, временных окон для своевременных передачи и приема кадров, квитанций, команд запроса нагрузки, команд ответов на эти запросы, для формирования сигналов временной диаграммы управления ОЗУ, сброса триггера готовности, для анализа управляющих сигналов, поступающих от приемника 7 команд и для выдачи управляющих сигналов в передатчик 11 команд, для анализа сигналов поступающих от селектора 12 кадров, от анализатора 18, для формирования сигналов управления анализатором.
Детектор 9 ошибок предназначен для формирования контрольной суммы принимаемых кадров, ее сравнения с контрольной суммой передаваемых кадров и принятия решения о достоверности принимаемых блоком доступа информационных кадров. управления передачей положительных либо отрицательных квитанций, передаваемых в соответствующих временных окнах передатчиком 11 команд.
Схема 10 «ИЛИ» предназначена для объединения передаваемого двоичного сигнала, поступающего с выхода ОЗУ и сигналов квитанций от передатчика 11 команд.
Передатчик 11 команд предназначен для формирования и передачи команд управления, синхрокомбинаций, квитанций.
Селектор 12 кадров предназначен для селекции (выделения из общего потока) «своих» кадров, то есть кадров, адресованных данному блоку доступа, кадров с открывающим флагом-разделителем, выделяющим информационные кадры на фоне команд, с адресом получателя соответствующим адресу, установленному в данному блоке доступа задатчиком 2 адреса. Он выдает на выходе сигнал, используемый для активации считывания безошибочно принятого кадра.
Триггер 13 готовности предназначен для установки состояния готовности к передаче очередного кадра и подачи активного сигнала соответствующего наличию кадра в ОЗУ 16 передачи в блок синхронизации и управления, в передатчик 11 команд, в блок 17 интерфейса, а также для перевода этого сигнала в пассивное состояние после получения данным БД положительной квитанции и формирования соответствующего управляющего сигнала в блоке синхронизации и управления в конце временного окна передачи.
Схема 14 «И» предназначена для формирования сигнала «запрос прерывания» («ЗПР»), активизируемого при достоверном (безошибочном) состоянии принятого информационного кадра, при наличии у него открывающего флага-разделителя (признака, отличающего кадр Ethernet. от квитанций и управляющих команд) и при соответствии адреса получателя этого кадра адресу, устанавливаемому в данному блоке доступа задатчиком 2 адреса
ОЗУ 15 приема предназначено для записи принимаемого кадра под управлением тактовой частоты канала (сигнал «СИ ГГР») и для его считывания (перезаписи) в ОЗУ электронного модуля или компьютера, к которому подключен данный блок доступа, через блок 17 интерфейса, для дальнейшей обработки этого информационного кадра в случае его соответствующей селекции и безошибочной передачи.
ОЗУ 16 передачи предназначено для записи передаваемого информационного кадра из ОЗУ электронного модуля или компьютера по интерфейсу и дальнейшей его передачи в канал под управлением сигнала тактовой частоты канала, поступающей с выхода 3 блока синхронизации и управления.
Блок 17 интерфейса предназначен для преобразования сигналов интерфейсов ОЗУ 15, 16, управляющего сигнала «ЗПР», сигнала с выхода триггера 13 готовности в соответствующие сигналы интерфейса, используемые в вычислительной системе электронного модуля или компьютера (например, шины Q-BUS, PCI и других).
Анализатор 18 предназначен для анализа содержания команд ответов на запросы нагрузки и назначения интервалов доступа, для сбора информации от всех блоков доступа, включенных в локальную сеть, о поступлении в их ОЗУ передачи информационных кадров (об установке в единичные состояния триггеров 13 готовности), хранения этой информации в течение каждого цикла опроса, а также для вычисления и назначения каждому блоку доступа, включенному в данную локальную сеть, соответствующего интервала («окна») доступа, отсчитываемого по временной шкале, задаваемой устройством синхронизации и управления.
Переключатель 19 S1 предназначен для установки блоки доступа в один из двух режимов работы: «П» или «Ц», и выдачи соответствующего потенциального управляющего сигнала в блок 8 синхронизации и управления и в анализатор 18. При этом анализатор 18 активизируется только в режиме «Ц». В режиме «П» этот блок не используется.
Устройство 1 разделительное имеет оптический интерфейс в сторону линии, а также связано с выходом передатчика 4 оптического, с входом приемника оптического, а выход приемника 3 оптического соединен с первым входом линейного кодера/декодера 6, а первый выход этого кодера/декодера 6 соединен с входом передатчика 4 оптического, второй выход этого кодера/декодера 6 соединен со вторым входом приемника 7 команд, первым входом детектора 9 ошибок, первым входом ОЗУ 15 приема, а третий выход кодера/декодера 6 соединен с первым входом приемника 7 команд, вторым входом детектора 9 ошибок, вторым входом ОЗУ 15 приема, вторым входом селектора 12 кадров, при этом второй вход кодера/декодера 6 соединен с выходом схемы 10 «ИЛИ», первый вход этой схемы связан с первым выходом ОЗУ 16 передачи, а второй ее вход - с выходом передатчика 11 команд, а выход детектора 9 ошибок присоединен к третьему входу передатчика 11 команд и второму входу схемы 14 «И», а второй вход блока 8 синхронизации и управления связан с выходом опорного генератора 5, который также соединен с первым входом передатчика 11 команд, третьим входом приемника 7 команд, третьим входом кодера/декодера 6, первый вход блока 8 синхронизации и управления соединен с выходом приемника команд, а выход задатчика 2 адреса связан со вторым входом передатчика 11 команд, третьим входом селектора 12 кадров, первым входом блока 17 интерфейса, и с четвертым входом приемника 7 команд, а выход селектора 12 кадров соединен с третьим входом блока 8 синхронизации и управления, связанным с первым входом схемы 14 «И», выход триггера 13 готовности связан с четвертым входом блока 8 синхронизации и управления, с четвертым входом передатчика 11 команд, с четвертым входом блока 17 интерфейса; пятый вход блока 8 синхронизации и управления - с выходом анализатора 18, а шестой вход этого блока - с переключателем S1, присоединенным также ко второму входу анализатора 18, первый вход анализатора 18 присоединен к четвертому выходу блока 8 синхронизации и управления, при этом вход 8 триггера 13 соединен со вторым выходом ОЗУ 16 передачи, а вход обнуления триггера 13 связан со вторым выходом блока 8 синхронизации и управления, первый выход которого подан на пятый вход передатчика 11 команд, а третий выход блока 8 подключен к тактовому входу ОЗУ 16 передачи, а интерфейсы ОЗУ 16 передачи и ОЗУ 15 приема связаны с блоком 17 интерфейсов, который имеет интерфейс в сторону компьютера или электронного модуля, а на второй вход этого блока подан сигнал с выхода схемы 14 «И».
Предлагаемое техническое решение функционирует следующим образом. Оптический сигнал из линии поступает с выхода устройства 1 разделительного на вход приемника 3 оптического, а электрический сигнал приемного направления с выхода этого приемника подается на первый вход кодера/декодера 6 линейного. Сигнал передающего направления с выхода кодера/декодера 6 поступает на вход передатчика 4 оптического. Преобразуется в оптический сигнал, который поступает на вход устройства 1 разделительного и через это устройство - в линию. Устройство 1 разделительное построено таким образом, что имеет высокое затухание между портами, к которым подключены передатчик и приемник, и приемник «не слышит» сигнал своего передатчика, а затухания сигнала, передаваемого от передатчика в линию и принимаемого из линии в приемник - незначительные. Таким образом, осуществляется разделение направлений передачи и приема по направлениям распространения светового потока в линии (прямому и обратному).
Декодированный информационный сигнал в последовательном двоичном коде поступает со второго выхода кодера/декодера 6 на информационный первый вход ОЗУ 15 приема в сопровождении приемного тактового сигнала, поступающего с третьего выхода кодера/декодера 6, на второй вход ОЗУ 15 приема. Кроме этого, информационный и тактовый сигналы подаются, соответственно, на первый и второй входы детектора 9 ошибок, на первый и второй входы селектора 12 кадров, на первый и второй входы приемника 7 команд.
Сигнал передачи в двоичном последовательном коде подается с первого выхода ОЗУ 16 передачи на первый вход схемы 10 «ИЛИ» и с выхода этой схемы - на второй вход кодера/декодера 6. Такты передачи подаются с выхода генератора 5 опорного на тактовые входы: третий вход кодера/декодера 6, на третий вход приемника 7 команд, на первый вход передатчика 11 команд, на второй вход блока 8 синхронизации и управления.
Информация об адресе данного блока доступа с выхода задатчика 2 адреса передается на четвертый вход приемника 7 команд (для селекции команд, адресованных данному БД), на третий вход селектора 12 кадров для селекции кадров, адресованных этому БД, на первый вход блока 17 интерфейса для передачи в электронный модуль через интерфейс для заполнения полей обратного адреса передаваемых кадров и на второй вход передатчика 11 команд для заполнения полей адреса отправителя передаваемых команд.
Выход приемника 7 команд связан с первым входом блока 8 синхронизации и управления (групповая линия) и передает следующие сигналы:
- сигнал опознавания синхрокомбинации;
- сигнал опознавания запроса нагрузки;
- сигнал опознавания команды назначения временного окна;
- сигнал опознавания положительной квитанции;
- сигнал опознавания отрицательной квитанции.
Кроме этого, через одну из линий этого выхода в блок 8 синхронизации и управления транслируется номер назначенного временного окна в очередном цикле передачи.
Для тактирования этой трансляции на третий вход приемника 7 команд подается тактовый сигнал от генератора 5 опорного.
На третий вход передатчика 11 команд подается сигнал с выхода детектора 9 ошибок для управления формированием положительных и отрицательных квитанций. Этот же сигнал подается также и на второй вход схемы 14 «И» для формирования сигнала «Запрос прерывания» (ЗПР), подаваемого в электронный модуль через интерфейс при селекции «своих» кадров. С первого выхода блока 8 синхронизации и управления на пятый вход передатчика И команд по групповой линии поступают следующие сигналы управления и информация:
- «передача синхрокомбинации» (в режиме «Ц»);
- «передача команды «запрос нагрузки» (в режиме «Ц»);
- «передача команды «ответ на запрос нагрузки» (в режиме «П»);
- «передача квитанции»;
- «передача команды «назначение окон» (в режиме «Ц»);
- информация об адресах получателей (в режиме «Ц»);
- информация о номерах окон, назначаемых соответствующим получателям (в режиме «Ц»).
На четвертый вход передатчика 11 команд управления поступает сигнал о наличии кадра в ОЗУ 16 передачи, сформированный триггером 13 готовности, который устанавливается в единичное состояние по сигналу со второго выхода ОЗУ 16 передачи при записи в это ОЗУ очередного кадра для передачи. Этот сигнал подается и на четвертый вход блока 17 интерфейса для трансляции в электронный модуль через интерфейс, что необходимо для управления разрешением записи в ОЗУ 16 очередных кадров. Обнуляется триггер 13 готовности сигналом со второго выхода блока 8 синхронизации и управления, формируемым этим блоком по мере окончания передачи очередного информационного кадра (получения положительной квитанции получателя).
Также сигнал с выхода триггера 13 готовности подается на четвертый вход блока 8 синхронизации и управления для принятия решения о передаче кадра назначенном временном окне.
Сигналы передаваемых команд с выхода передатчика 11 команд поступают на второй вход схемы 10 «ИЛИ» и с выхода этой схемы - на второй вход кодера 6 декодера, на вход передатчика 4 оптического и через устройство 1 разделительное в линию.
Управление передачей кадров в назначенном временном окне осуществляется посредством выдачи в необходимый интервал времени с третьего выхода блока 8 синхронизации и управления на тактовый вход ОЗУ 16 передачи пакета тактовых импульсов, число которых соответствует длине передаваемого кадра.
Информация из ОЗУ 15 приема передается на третий вход блока 17 интерфейса, и через этот блок, через интерфейс конечного устройства (компьютера) - в его ОЗУ. Информация из ОЗУ конечного устройства поступает в ОЗУ 16 передачи через интерфейс и с выхода блока 17 интерфейса - на вход ОЗУ 16 передачи.
Предлагаемый блок доступа имеет два режима работы: периферийный - «П» и центральный - «Ц». При этом если один блок доступа в сети находится в режиме «Ц», то все остальные блоки находятся в режиме «П».
В режиме «Ц» информация о наличии нагрузки всех блоков, выделенная на основании обработки команд «запрос нагрузки» от других БД «П» в блоке 8 синхронизации и управления поступает с четвертого выхода этого блока на первый вход анализатора 18, а информация о назначении временных окон и об адресах соответствующих БД «П» передается с выхода анализатора 18 на пятый вход блока 8. Потенциальный сигнал о режиме работы БД «Ц/П» поступает от переключателя 19 на шестой вход блока 8 и второй вход анализатора 18.
Блок 8 синхронизации и управления, как и анализатор 18, представляют собой программируемые устройства. При этом в них может загружаться различное программное обеспечение, чем обеспечивается возможность применения различных развиваемых алгоритмов и протоколов фазирования, передачи и управления.
Вариант организации локальной сети на основе предлагаемых блоков доступа показан на фиг. 2. На этом рисунке блок доступа БД1 находится в режиме «Ц», а блоки доступа БДi÷БДN - в режиме «П». Все БД подсоединены оптическими линиями к пассивному разветвителю ПР и связаны через интерфейсы, каждый со своим электронным модулем (ЭМ). Таким образом, оптический сигнал разветвляется между всеми БД, и создается пассивный шинный оптический моноканал (широковещательная физическая среда распространения, где все блоки доступа «слышат» всех). Сеть может находиться в трех режимах:
- в режиме фазирования (тактовой синхронизации);
- в режиме опроса БД, находящихся в режиме «П», блоком, находящимся в режиме «Ц», и назначения интервалов доступа;
- в режиме передачи данных.
Сеть синхронная в отношении моментов начала передачи кадров, то есть все БД, находящиеся в режиме «П», синхронизируют свои «часы» по БД, находящемуся в режиме «Ц». Временная диаграмма работы сети показана на Фиг. 3.
В режиме фазирования: процесс фазирования БД, находящихся в режиме «П» основан на периодической передаче в линию от БД, находящегося в режиме «Ц» фазирующих комбинаций, которые принимаются БД «П» (приемниками 7 команд, с опознаванием и выдачей в блок 8 сигнала «Опознавание фазирующих комбинаций»). Фазирующие комбинации передаются через фиксированные интервалы времени, равные длительности циклов передачи, всегда на одних и тех же временных позициях. Передача данных, опрос и назначение временных интервалов доступа на интервалах фазирования «а» блокируются (в блоках 8 синхронизации и управления).
В режиме опроса: после окончания интервалов «а» начинается первый цикл опроса и назначения окон доступа (первый интервал T0 на фиг. 3), укладывающийся в один или несколько интервалов окна передачи T0.
Далее сеть переходит в режим передачи данных, и БД передает информационные кадры, и квитанции в назначенных окнах доступа до окончания передачи вей нагрузки. В следующем окне доступа «к» возобновляется цикл опроса и назначения окон доступа. Для размещения циклов опроса и назначения окон в цикле передачи предусмотрены K 1 дополнительных временных окон. При этом если всего один блок доступа послал в текущем цикле положительный сигнал о наличии у него в ОЗУ 16 передачи кадра (т.е. о наличии единичного состояния триггера 13 готовности), то ему будет назначено первое окно передачи, после чего будет произведен повторный опрос. Если в процессе следующего опроса в сети выявлены два блок доступа, имеющих триггеры 13 готовности, установленные в единичное состояние, то первому блоку доступа будет назначено первое окно, второму - второе и т.д. Если у всех блоков доступа, опрашиваемых в очередном цикле, триггеры будут установлены в единичные состояния, то всем блокам поочередно будут назначены соответствующие окна, и все блоки доступа гарантированно сумеют один раз за один цикл передать свои информационные кадры. В этом случае каждый кадр в случае его безошибочной передачи будет квитирован положительной квитанцией, передаваемой во временном окне передачи этого кадра, после чего следующий блок доступа, работающий в режиме «П» будет передавать свой кадр, и так до окончания цикла. В случае обнаружения ошибок при передаче кадра хотя бы одним БД (его детектором 9 ошибок) и передачи этим БД отрицательной квитанции (что происходит очень редко ввиду высокого качества оптического канала и отсутствия столкновений), все остальные блоки доступа примут эти квитанции (посредством их приемников 7 команд), и циклы передачи всех блоков доступа кроме блока-отправителя приостановятся (под управлением их блоков 8 синхронизации и управления). При этом блок доступа - отправитель продолжит отправлять свой кадр в следующих временных окнах до получения от блока доступа - получателя положительной квитанции. После чего анализатор блока, находящегося в режиме «Ц», снова соберет информацию от блоков, находящихся в режиме «П», назначит им временные окна доступа, а передатчик 11 команд блока, находящегося в режиме «Ц», передаст всем блокам доступа, находящимся в режиме «П», информацию о назначении им соответствующих окон доступа (через блоки 8 синхронизации и управления), и цикл передачи снова возобновится. Режимы «Ц» и «П» могут устанавливаться вручную переключателем S1, могут - автоматически за счет специального протокола, например, в режим «Ц» устанавливается блок, на который первым подано питание, если при этом в моноканале отсутствует сигналы других БД.
В режиме фазирования передача данных, циклы опроса и назначения окон блокируются. Блок доступа, находящийся в режиме «Ц» осуществляет синхронизацию (фазирование) блоков 8 синхронизации и управления БД, находящихся в режиме «П», в соответствии со специальным протоколом, например, подобным тому, который был описан в работе: Никульский И.Е., Сальков М.М. Цикловая синхронизация в локальной кольцевой сети передачи данных. Рукопись, депонированная в ЦНТИ «Информсвязь», реферат опубликован в БУ Депонированные рукописи. ВИНИТИ, 1988, N2, с. 164.
При этом от БД, находящегося в режиме «Ц» в линию передается синхрокомбинация, поступающая с выхода передатчика 11 команд через схему 10 «ИЛИ» на второй вход линейного кодера/декодера 6. Передача синхрокомбинаций осуществляется под управлением сигнала «передача синхрокомбинации», подаваемого с первого выхода блока 8 на пятый вход блока 11. С первого выхода кодера 6 декодера синхрокомбинация, закодированная линейным кодом, поступает (как и все другие передаваемые сигналы) на вход передатчика 4 оптического, с выхода которого оптический сигнал через устройство 1 разделительное передается в оптическую линию, и через разветвитель ПР (см. фиг. 2) на оптические интерфейсы других БД, находящихся в режиме «П». В каждом из этих БД оптический сигнал поступает на линейный вход устройства 1 разделительного. Выделенный этим устройством сигнал из линии подается на вход приемника 3 оптического, с выхода которого электрический сигнал поступает на первый вход кодера/декодера 6, декодируется, и двоичный сигнал со второго выхода блока 6 поступает на второй вход приемника 7 команд под управлением тактов приема, поступающих с третьего выхода декодера блока 6 на первый вход приемника 7. Приемник 7 команд декодирует синхрокомбинацию и выдает сигнал «опознавание синхрокомбинации» по одному из проводов своей выходной групповой линии на первый вход блока 8, импульсом, соответствующим моменту декодирования фазирующей комбинации. Реализация алгоритма фазирования выполнена в блоке 8 синхронизации и управления После окончания передачи фазирующей комбинации блоком доступа, находящимся в режиме «Ц», и окончания фазирования блоков, находящихся в режиме «П», сеть переходит е режим опроса и назначения окон доступа. При этом блок доступа, находящийся в режиме «Ц» начинает поочередную передачу команд «запрос нагрузки» в направлении БД, находящихся в режиме «П».
В БД, находящихся в режиме «П», при записи в ОЗУ 16 передачи очередного кадра, на втором выходе ОЗУ 16 формируется сигнал логической единицы, который устанавливает триггеры 13 (по входам 8) в единичные состояния, транслируемые на четвертый вход блока 8 синхронизации и управления и на четвертый вход передатчика 11 команд.
При передаче команд «запрос нагрузки», блок доступа, находящийся в режиме «Ц» поочередно выдает с первого выхода своего блока 8 синхронизации и управления на пятый вход передатчика 11 команд адреса опрашиваемых блоков «П», вводимые в команды «запрос нагрузки» транслируемые в направлении соответствующих блоков доступа, находящихся в режиме «П», а так же управляющий сигнал «передача команд запрос нагрузки». Команды «запрос нагрузки» передаются через оптическую сеть аналогично фазирующим комбинациям, как было описано выше. От каждого из БД, находящихся в режиме «П», в направлении блока доступа, находящегося в режиме «Ц» передаются ответные команды «ответ на запрос нагрузки», с указанием наличия кадров для передачи (состояний триггеров 13 готовности). Для этого сигнал с выхода триггера 13 передается на четвертый вход передатчика 11 команд и на четвертый вход блока 8 синхронизации и управления. На основании этого сигнала передатчик 11 команд при помощи блока 8 формирует команду «ответ на запрос нагрузки», под управлением соответствующего сигнала, поступающего по групповой линии с первого выхода блока 8 на пятый вход передатчика 11 команд и на четвертый вход блока 8 синхронизации и управления.
В блоке доступа, находящемся в режиме «Ц» информация о состоянии блоков «П», вместе с их адресной информацией, поступает с выхода приемника 7 команд на первый вход блока 8 синхронизации и управления, а оттуда - после соответствующей обработки, с четвертого выхода блока 8 - на первый вход анализатора 18, где формируется база данных состояний всех БД «П» в текущем цикле передачи, и каждому из них назначается соответствующий интервал доступа. Информация о номерах этих интервалов поступает с выхода анализатора на пятый вход блока 8 синхронизации и управления, а оттуда - с первого выхода блока 8 - на пятый вход пеоедатчика 11 команд, который передает в направлении БД «П» поочередно, под управлением сигнала «передача команды «назначение окон» от блока 8 синхронизации и управления, команды с указанием соответствующих номеров временных интервалов, в которых каждый БД «П» будет передавать кадры. В каждом БД «П» эти команды распознаются приемниками 7 команд, на второй вход блоков 8 синхронизации и управления поступают сигналы «опознавание команды назначения временного окна», а также передается информация о номере назначенного окна доступа, и блоки 8 настраиваются под действием этой информации на работу (выдача пакета тактовых импульсов с третьих выходов на тактовые входы ОЗУ 16 передачи в назначенном временном окне доступа формируемого цикла передачи). Этот номер окна запоминается и отсчитывается блоком 8 от синхронизованного момента начала цикла в режиме передачи данных. После окончания опроса всех БД «П», назначения и передачи в их направлении информации о назначении каждому из БД «П» соответствующих неперекрывающихся окон передачи и настройки их блоков 8 синхронизации и управления, сеть переходит в режим передачи данных.
В этом режиме блоки 8 синхронизации и управления всех БД отсчитывают назначенные им моменты начала и конца передачи и выдают на третьих выходах (каждый в своем интервале доступа) пакеты синхроимпульсов на тактовые входы ОЗУ 16 передачи. С первого выхода ОЗУ 16 передачи кадр выводится на первый вход схемы 10 «ИЛИ» и с ее выхода поступает на второй вход кодера 6 декодера, а далее в линию, как и при передаче других протокольных единиц, процесс передачи которых был описан выше. Передаваемый сигнал проходит через ПР (см. Фиг. 2) и поступает через устройства 1 разделительные, приемники 3 оптические, декодеры кодеров 6 декодеров, на входы ОЗУ 16 приема, и записывается в ОЗУ всех БД в сопровождении сигнала СИ ПР, кроме того БД, который ведет передачу. Если кадр имеет заголовок разделителя кадров Ethernet, его адресный заголовок соответствует адресу БД, которому он адресован, и кадр принят без ошибок то на выходах детектора 9 ошибок и селектора 12 кадров формируются сигналы логической единицы, поступающие, соответственно, на первый и второй входы схемы 14 «И», и на ее выходе появляется сигнал логической единицы «ЗПР», который подается на второй вход блока 17 интерфейса и через интерфейс запрашивает вызов подпрограммы электронного модуля, осуществляющей перезапись кадра из ОЗУ 15 приема в ОЗУ электронного модуля.
Блок 8 синхронизации и управления анализирует сигнал, поступающий на его третий вход, выдает в передатчик 11 команд сигнал «передача квитанции», и передатчик 11 команд передает положительную квитанцию. После чего сигналом со второго выхода блока 8 триггер 13 обнуляется. Знак передаваемой передатчиком 11 квитанции (положительная/отрицательная) определяется значением сигнала, подаваемого на его третий вход с выхода детектора 9 ошибок. Все БД получают эту квитанцию. При этом по соответствующему проводу групповой линии на первые входы блока 8 синхронизации и управления всех БД выдаются сигналы «Опознавание положительной квитанции», и блок 8 синхронизации и управления очередного по циклу БД управляет передачей следующего кадра в цикле передачи. Если кадр принимается с ошибкой, то сигнал «ЗПР» не выдается с выхода схемы 14 «И» кадр не переписывается в ОЗУ электронного модуля. Блок 8 выдает сигнал «передача квитанции» по соответствующему проводу групповой линии с первого выхода на вход передатчика 11 команд, а на третий вход этого передатчика подается нулевой сигнал, и передатчик передает отрицательную квитанцию. Приемники 7 команд всех БД в сети, кроме того, который передавал информацию, распознают отрицательную квитанцию, подают с выходов на первые входы блоков 8 сигнал «опознавание отрицательной квитанции», блоки 8 всех БД, кроме отправителя кадра приостанавливают цикл передачи, а блок 8 БД отправителя повторно выдает с третьего выхода пакет тактов в ОЗУ 16, и передача кадра, переданного с ошибками, возобновляется до получения положительной квитанции. После чего принятый кадр переписывается в ОЗУ электронного модуля, триггер 13 обнуляется сигналом со второго выхода блока 8, на четвертый вход блока 17 интерфейса подается нулевой сигнал, который транслируется в электронный модуль через интерфейс, и электронному модулю разрешается запись в ОЗУ 16 передачи очередного кадра для передачи по сети. Это исключает возможность потерь пакетов информации при их передаче через локальную сеть. Кроме этого предлагаемая полезная модель должна обеспечить устойчивую работу высокоскоростной локальной сети в условиях высокого уровня электромагнитных помех и электрическую развязку включенных в сеть электронных модулей, то есть дополнительную помехоустойчивость.
С помощью предлагаемой полезной модели могут быть построены блоки доступа локальных сетей звездообразной и древовидной топологических структур, обеспечивающие доступ в сеть, как специализированных электронных модулей распределенных вычислительных систем, так и любых компьютеров, в том числе персональных.
Обеспечение гарантированной доставки информационных кадров, малых значений средней задержки при их передаче и отсутствие конфликтов в сети, построенной на основе предлагаемых блоков доступа, позволяет использовать данную полезную модель в управляющих и других распределенных вычислительных системах реального времени.
Основной протокольной единицей в сети, построенной на основе предлагаемых блоков доступа (БД), является кадр Ethernet, что позволяет использовать предлагаемая полезная модель для объединения современных компьютеров с операционными системами, имеющими стандартные стэки протоколов передачи данных (такие как LLC, TCP, RTP, IP и другие). В качестве узлов предлагаемой локальной сети, имеющей звездообразную или древовидную топологию, используются пассивные устройства - оптические разветвители (сплиттеры), не требующие, в отличие от распространенных сетей на основе коммутаторов или концентраторов, подачи электропитания, что обеспечивает повышенное энергосбережение при использовании предлагаемой полезной модели.
Кроме этого, в качестве физической среды распространения в сети, построенной на основе предлагаемых устройств доступа, используется одноволоконная инфраструктура, то есть обеспечивается экономия оптоволокна (ресурсосбережение).
Предлагаемое устройство использует для двунаправленной передачи всего одну длину волны оптического излучения, что обеспечивает его эффективное использование в системах с волновым разделением (экономию длин волн), в отличие от многих известных систем, использующих волновое разделение прямого и обратного направлений передачи по длинам волн, что приводит к использованию двух длин волн для двунаправленной передачи.
Указанных преимуществ удалось достичь благодаря реализации синхронного бесконфликтного способа доступа абонентов сети к общей среде распространения (моноканалу), использованию квитирования информационных кадров при их передаче, использованию волоконно-оптической физической среды распространения с одним оптоволокном, с разделением направлений передачи оптических сигналов методом разделения направлений распространения светового потока.
Оборудование предлагаемого блока доступа может быть полностью реализовано на отечественной электронной компонентной базе (ЭКБ), что исключает возможность недекларированной функциональности (наличия закладных вредоносных устройств и устройств перехвата информации).
Предлагаемый блок доступа оптической локальной сети доставкой может быть реализован на основе следующих компонентов:
В качестве устройства 1 разделительного можно использовать разветвитель оптический планарный 3LC/UPC производства ООО "Проинтех" г. Санкт-Петербург. В качестве задатчика 2 адреса может быть использован восьмиразрядный микропереключатель. В качестве приемника 3 оптического можно применить отечественный приемный оптический модуль ПРОМ 373 производства ЗАО "Телаз" г.Москва, совместно с компаратором AD8561AR. В качестве генератора опорного можно применить отечественный кварцевый генератор MV217, производства ОАО «Морион», г. Санкт-Петербург, совместно с компаратором AD8561AR. В качестве передатчика 4 оптического можно применить отечественный оптический передающий модуль ПОМ-661.
Цифровые узлы блока доступа: приемник 7 команд управления, блок 8 синхронизации и управления, схема 9 контроля ошибок, схема 10 "или", передатчик 11 команд, селектор 12 кадров, триггер 13 готовности, схема 14 "И", ОЗУ 15 приема, можно реализовать посредством двух связанных отечественных программируемых интегральных схем (ПЛИС) типа 5576XC1T, а для реализации анализатора 18 и блока 8 дополнительно можно применить отечественные микроконтроллеры 1986BE91.
Блок доступа оптической локальной сети, включающий блок синхронизации и управления, селектор кадров, ОЗУ передачи, ОЗУ приема, линейный кодер/декодер, схему "ИЛИ", схему "И", триггер готовности, отличающийся тем, что в его состав введены: устройство разделительное, передатчик оптический, приемник оптический, передатчик и приемник команд, генератор опорный, задатчик адреса, анализатор, блок интерфейса, переключатель режимов работы "центральный"/"периферийный", детектор ошибок, причем устройство разделительное имеет оптический интерфейс в сторону линии, а также связано с выходом передатчика оптического, с входом приемника оптического, а выход приемника оптического соединен с первым входом линейного кодера/декодера, а первый выход этого кодера/декодера соединен с входом передатчика оптического, второй выход этого кодера/декодера соединен со вторым входом приемника команд, первым входом детектора ошибок, первым входом ОЗУ приема, а третий выход кодера/декодера соединен с первым входом приемника команд, вторым входом детектора ошибок, вторым входом ОЗУ приема, вторым входом селектора кадров, при этом второй вход кодера/декодера соединен с выходом схемы "ИЛИ", первый вход этой схемы связан с первым выходом ОЗУ передачи, а второй ее вход - с выходом передатчика команд, а выход детектора ошибок присоединен к третьему входу передатчика команд и второму входу схемы "И", а второй вход блока синхронизации и управления связан с выходом опорного генератора, который также соединен с первым входом передатчика команд, третьим входом приемника команд, третьим входом кодера/декодера, первый вход блока синхронизации и управления соединен с выходом приемника команд, а выход задатчика адреса связан со вторым входом передатчика команд, третьим входом селектора кадров, первым входом блока интерфейса, и с четвертым входом приемника команд, а выход селектора кадров соединен с третьим входом блока синхронизации и управления, связанным с первым входом схемы "И", выход триггера готовности связан с четвертым входом блока синхронизации и управления, с четвертым входом передатчика команд, с четвертым входом блока интерфейса; пятый вход блока синхронизации и управления - с выходом анализатора, а шестой вход этого блока - с переключателем S1, присоединенным также ко второму входу анализатора, первый вход анализатора присоединен к четвертому выходу блока синхронизации и управления, при этом вход S триггера соединен со вторым выходом ОЗУ передачи, а вход обнуления триггера связан со вторым выходом блока синхронизации и управления, первый выход которого подан на пятый вход передатчика команд, а третий выход блока подключен к тактовому входу ОЗУ передачи, а интерфейсы ОЗУ передачи и ОЗУ приема связаны с блоком интерфейсов, который имеет интерфейс в сторону компьютера или электронного модуля, а на второй вход этого блока подан сигнал с выхода схемы "И".
