一种抗恶劣环境以太网局域网通信系统的制作方法

本发明涉及以太网通信技术领域，具体涉及一种抗恶劣环境以太网局域网通信系统。

背景技术：

目前，特种装备的互联总线仍多采用485总线、1553B总线和CAN总线等，传输架构仍然沿用二三十年前的总线型架构，总线系统成本高，传输速率低，难以实现大数据传输，已经成为限制系统整体性能的瓶颈。特种装备总线也尝试过其它高速总线如光纤通道(FC)和以太网。但由于FC的连接器抗震性不强、光纤截面易受污染、光纤线缆易折损、不耐高温等缺点导致FC难以应用在武器装备的恶劣环境。而以太网由于各个终端在占用以太网总线上产生冲突，竞争总线带宽，带来不确定性。现有技术采用TCP/IP协议，但由于TCP/IP协议复杂，需要操作系统协议栈支持，且软件协议实时性差。并且网络监控、管理和维护性不足等缺点也进一步限制了以太网在特种装备领域的应用。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何设计一种具有实时性、确定性、可靠性、可监控、易维护特点的抗恶劣环境的以太网局域网通信系统，不使用TCP/IP协议，实现恶劣环境下以太网局域网通信。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种抗恶劣环境以太网局域网通信系统，包括三层协议架构：物理层、链路层和应用层，所述物理层采用标准以太网物理层，用于实现以太网PHY和100BASE-TX物理接口功能；所述链路层采用标准以太网MAC子层和LLC逻辑链路控制子层，用于实现MAC逻辑和LLC逻辑功能；所述应用层用于实现客户应用软件和硬件接口驱动功能；

所述系统采用双冗余网络，系统的终端设备由计算机和终端接口板卡构成，每块终端接口板卡有2个完全相同的以太网物理接口，终端接口板卡的每个以太网物理接口分别连接2台完全相同的以太网二层交换机，系统中各个终端设备拥有2套相同的交换网络，实现双冗余通信；

优选地，所述系统的交换设备所采用的所述以太网二层交换机，MAC地址与端口号之间的查找表，即MAC地址-端口号查找表采用静态配置；端口接收处理丢弃CRC校验错误的以太网帧，丢弃源MAC地址与接收端口号不符的以太网帧；交换根据接收到的以太网帧的目的MAC地址，查找MAC地址-端口号查找表获得发送端口号，并将接收到的以太网帧交换到发送端口；端口发送处理不修改以太网帧内容，发送接收到的原始以太网帧；监控端口可对任意一个被监视端口的业务进行镜像处理。

优选地，所述系统中，终端设备与以太网二层交换机之间通过以太网线缆建立物理链接，设通信双方为终端设备A和终端设备B，则终端设备A与终端设备B之间的数据流为：经终端设备A内从上至下的应用层-LLC子层和MAC子层-物理层后，通过设备A与太网二层交换机之间的物理链接到达太网二层交换机，再经太网二层交换机内物理层-MAC子层-物理层后，通过太网二层交换机与终端设备B之间的物理链接到达终端设备B，再流经终端设备B内从下至上的物理层-MAC子层和LLC子层-应用层；其中终端设备A的应用层与终端设备B的应用层之间的数据传输路径称为虚拟链路，系统采用面向连接的服务模式，即在两个终端设备应用层间提供虚拟链路建立、复位、终止和数据传输这一系列端到端的通信服务。

优选地，所述端到端通信服务通过LLC子层功能实现LLC Type2操作模式，即源终端设备向目的终端设备发送通信命令，目的终端设备接收处理完成后向源终端设备发送应答响应，在链路建立阶段，终端设备A向终端设备B发送SABME帧，用于建立虚拟链路，终端设备B接收到SABME帧后，向终端设备A发送状态响应UA帧，表示接受建立虚拟链路命令；在数据传输阶段，终端设备A向终端设备B发送I帧，用于数据传输，终端设备B接收到I帧后，向终端设备A发送状态响应RR帧，表示接收数据传输命令，终端设备A接收终端设备B返回的状态响应，如果成功则继续发送下一I帧，否则重新发送当前I帧；在链路拆除阶段，终端设备A向终端设备B发送DISC帧，用于拆除虚拟链路，终端设备B接收到DISC帧后，向终端设备A发送状态响应UA帧，表示接收拆除虚拟链路命令。

优选地，所述状态响应UA帧，包含LLC标准规定的设备接收命令后的响应，而且包含设备当前的状态信息，用于反馈给虚拟链路的对端。

优选地，所述状态响应UA帧采用设备的状态信息替换以太网帧净荷的填充部分。

(三)有益效果

本发明应用基于标准以太网技术，具有高速低成本的优势；精简协议架构，优化掉上层软件协议，提高通信实时性；采用LLC Type2命令-响应操作模式，提高通信确定性；采用双冗余网络技术，提高通信可靠性；采用监控端口，可以监视通信业务；采用应答帧携带设备状态信息，提高系统维护性。

附图说明

图1为本发明的一种抗恶劣环境以太网局域网通信系统的分层结构示意图；

图2为本发明的一种抗恶劣环境以太网局域网通信系统的拓扑结构图；

图3为本发明的一种抗恶劣环境以太网局域网通信系统的数据流与链路(虚拟链路)示意图；

图4为本发明的一种抗恶劣环境以太网局域网通信系统的端到端通信服务示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明提出的一种抗恶劣环境的以太网局域网通信系统，采用优化的三层协议架构：物理层采用标准以太网物理层、链路层采用标准以太网MAC子层和LLC逻辑链路控制子层，优化掉(去掉)网络层、传输层、会话层和表示层，保留应用层。如图1所示，物理层功能基于商用IC芯片进行硬件设计，实现以太网PHY和100BASE-TX物理接口功能。链路层基于FPGA进行逻辑设计，主要实现MAC逻辑和LLC逻辑功能。应用层基于CPU进行软件设计，主要实现客户应用软件和硬件接口驱动功能。

所述的一种抗恶劣环境的以太网局域网通信系统，采用双冗余网络。系统的终端设备由计算机和终端接口板卡构成。每块终端接口板卡有2个完全相同的以太网物理接口。终端接口板卡的每个以太网物理接口分别连接2台完全相同的以太网二层交换机。如图2所示，系统中各个终端设备拥有2套相同的交换网络，实现双冗余通信。

所述抗恶劣环境的以太网局域网通信系统，其交换设备所采用的以太网二层交换机，MAC地址-端口号查找表采用静态配置；端口接收处理丢弃CRC校验错误的以太网帧，丢弃源MAC地址与接收端口号不符的以太网帧；交换根据接收到的以太网帧的目的MAC地址，查找MAC地址-端口号查找表获得发送端口号，并将接收到的以太网帧交换到发送端口；端口发送处理不修改以太网帧内容，发送接收到的原始以太网帧；监控端口可对任意一个被监视端口的业务进行镜像处理。

所述抗恶劣环境的以太网局域网通信系统中，终端设备与以太网二层交换机之间通过以太网线缆建立物理链接。如图3所示，终端设备A与终端设备B之间的数据流为：经终端设备A内从上至下的应用层-LLC子层和MAC子层-物理层后，通过设备A与太网二层交换机之间的物理链接到达太网二层交换机，再经太网二层交换机内物理层-MAC子层-物理层后，通过太网二层交换机与终端设备B之间的物理链接到达终端设备B，再流经终端设备B内从下至上的物理层-MAC子层和LLC子层-应用层。其中终端设备A的应用层与终端设备B的应用层之间的数据传输路径称为虚拟链路。系统采用面向连接的服务模式，即在两个终端设备应用层间提供虚拟链路建立、复位、终止和数据传输这一系列端到端的通信服务。

所述的端到端通信服务通过LLC子层功能实现LLC Type2操作模式，即源终端设备向目的终端设备发送通信命令，目的终端设备接收处理完成后向源终端设备发送应答响应。如图4所示，在链路建立阶段，终端设备A向终端设备B发送SABME帧，用于建立虚拟链路。终端设备B接收到SABME帧后，向终端设备A发送状态响应UA帧，表示接受建立虚拟链路命令；在数据传输阶段，终端设备A向终端设备B发送I帧，用于数据传输。终端设备B接收到I帧后，向终端设备A发送状态响应RR帧，表示接收数据传输命令。终端设备A接收终端设备B返回的状态响应，如果成功则继续发送下一I帧，否则重新发送当前I帧；在链路拆除阶段，终端设备A向终端设备B发送DISC帧，用于拆除虚拟链路。终端设备B接收到DISC帧后，向终端设备A发送状态响应UA帧，表示接收拆除虚拟链路命令。

所述状态响应帧，不仅仅包含LLC标准规定的设备接收命令后的响应，而且包含设备当前的状态信息，用于反馈给虚拟链路的对端。LLC标准定义的响应帧，不携带数据信息，为满足802.3标准，以太网帧净荷部分进行无效填充。系统的状态响应帧，采用设备的状态信息数据替换该无效填充，以提高端到端通信的可维护性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。