一种无源光网络结构的SpaceFibre总线系统的制作方法

本发明属于航天器高速数据传输技术领域，具体地涉及一种无源光网络结构的spacefibre总线系统。

背景技术：

随着航空航天技术的发展，航天器所负担的任务日益繁重，功能也趋于复杂化，所搭载的设备种类也逐渐丰富，航天电子系统内部各单元件需要交换的数据量越来越庞大。为满足航天器电子系统复杂结构组网与大量数据传输的需求，欧洲空间局于2003年提出了spacewire总线协议，它是一种专门面向航天应用设计的高速、全双工、点对点的串行数据传输技术，典型链路速率为200mbps。相比传统数据总线，其带宽得到了极大的提升，且spacewire中允许各个节点间通过路由交换开关相互连接进行自由组网，更加适应大规模航天器电子系统中的应用。

同时，欧洲空间局也于2013年开始推广spacefibre总线协议，发布了标准产品设备并且公布了可供研究者与设备制造商参考的spacefibre标准协议草案(下文简称spacefibre标准协议)，目前spacefibre标准协议也已进入正式出版流程。spacefibre作为spacewire的升级版本，可以同轴电缆或光线作为传输介质，提供单链路2.5gbps的传输速率，并且加入了服务质量控制机制，更加适用于航天器复杂电子系统内部组网。

spacefibre总线依靠交换机组建网络，支持任意节点间的数据交换，且支持不相干路径并发交换，能够大大提高系统吞吐量。然而，在一些集中控制类型的系统中，主机需要与多个从机进行大量数据通信，而从机之间数据交换量较少，所以采用交换机组网的并发交换优势不再明显。并且由于spacefibre交换机采用的是无缓存的虫孔路由策略，当网络中多个从机需要与同一主机进行通信时，面临共享信道的问题，需按照如spacewire-d等协议的规定，在主机端采用时分复用多址接入的控制方式，与多个从机进行数据交换。

因此，在集中控制型星载电子系统中，spacefibre交换机不能发挥并发交换优势，且交换机的使用还会占用宝贵的系统空间、增加系统功耗，交换机中的有源光收发器与可编程门阵列还易受空间复杂环境的影响，为系统可靠性设计增加负担。

技术实现要素：

本发明针对集中控制型星载电子系统中，并发交换需求不明显，且spacefibre交换机体积大、功耗高、可靠性设计复杂等问题，提供了一种基于无源光网络结构的spacefibre总线系统，其采用无源光分路/合路器将spacefibre总线中的光纤进行集束，各总线节点共享光路，以时分复用的方式轮流按spacefibre多点连接控制协议建立数据链路完成数据传输。

无源光网络(passiveopticalnetwork)技术在电信网络中发展迅速，是一种点到多点共享光路的光纤传输技术，具有节省光缆资源、设备功耗低、环境适应性强、建网速度快、运维成本低等突出的优点，成为了电信接入网主流技术。由于其点到多点的传输方式以及诸多应用优势，无源光网络技术近年来也开始被应用在航空航天等总线系统中。

根据本发明的一方面，提供了一种无源光网络结构的spacefibre总线系统，包括通过无源光分路/合路器连接的主控设备和多个从设备，主控设备和从设备按照spacefibre多点连接控制协议，以时分复用的方式实现数据无冲突传输，所述spacefibre多点连接控制协议在spacefibre标准协议的基础上，还包括如下控制帧：

-连接id标识帧，用于在链路初始化中，区分主控设备正在试图与哪个从设备建立握手连接，以及区分哪个从设备正在向主控设备回应握手帧；

-销毁连接请求帧，用于在数据传输中，在主控设备与下一个从设备通信前，主控设备对当前从设备发起销毁连接请求，以关闭与当前从设备建立的连接；

-销毁连接确认帧，用于在数据传输中，从设备对主控设备发起销毁连接请求的回应。

进一步，所述spacefibre多点连接控制协议分为应用在主控设备上的主动端协议与应用在从设备上的被动端协议。

主控设备按照主动端协议的规定控制总线上的数据传输连接，具体流程如下：

步骤1：主控设备发送其中周期性穿插有连接id标识帧的spacefibre握手帧，若主控设备收到穿插有目标从设备id的握手回应帧，则执行进入步骤2；若主控设备收到穿插有其他从设备id的握手回应帧，则将其作为错误数据处理；

步骤2：主控设备等待spacefibre链路连接的建立，若在授权时间内未能与当前目标从设备成功建立连接，则返回步骤1，尝试与总线上下一个目标从设备建立连接；若在授权时间内与目标从设备成功建立连接，则执行进入步骤3；

步骤3：主控设备与当前目标从设备通过已经建立的连接进行数据交换，直到授权时间结束，之后执行进入步骤4；

步骤4：主控设备将正在发送的数据包发送完毕并停止继续发送数据，然后向当前目标从设备发送销毁连接请求，当主控设备接收到当前目标从设备返回的销毁连接确认后，返回步骤1，尝试与总线上下一个目标从设备建立连接。

进一步，步骤1中，主控设备按照spacefibre标准协议规定的链路初始化流程发送其中周期性穿插有连接id标识帧的spacefibre握手帧。

从设备按照被动端协议的规定响应主控设备的总线连接控制，配合实现数据传输连接，具体流程如下：

步骤1：从设备关闭发送器光源，保持接收器打开，若从设备持续接收到其中周期性穿插有自身id的连接id标识帧的spacefibre握手回应帧，则执行进入步骤2；

步骤2：从设备开启发送器光源，发送其中周期性穿插有自身id的连接id标识帧的spacefibre握手回应帧，等待与主控设备建立连接，若在等待过程中接收到带有非自身id的连接id标识帧，则立刻关闭发送器光源，返回步骤1；若与主控设备成功建立连接，则执行进入步骤3；

步骤3：从设备与主控设备通过已经建立的连接进行数据交换，若从设备收到主控设备发来的销毁连接请求，则执行进入步骤4。

步骤4：从设备将正在发送的数据包发送完毕后，停止数据的发送，然后向主控设备回复销毁连接确认，之后从设备关闭发送器光源，返回步骤1。

进一步，步骤1中，从设备按照spacefibre标准协议规定的链路初始化流程发送其中周期性穿插有自身id的连接id标识帧的spacefibre握手回应帧。

优选地，主控设备和从设备上使用支持突发发送/接收的快速开关光收发器。

进一步，主控设备对各个从设备开展轮询的轮询顺序以spacewire-d协议的方式、按照主控设备中维护的调度表执行。

进一步，对于从设备与从设备之间的数据传输，发送数据的从设备先在与主控设备建立连接后将数据发送至主控设备进行缓存，再由主控设备在与接收数据的从设备建立连接后将缓存的数据转发给接收数据的从设备。

本发明的有益效果：

1)本发明采用无源光分路器代替spacefibre标准总线系统中的有源交换机，减少了数据传输中光电转换次数与电域的数据处理次数，降低了系统功耗，节约了部署空间，提高了总线可靠性。

2)本发明设计了spacefibre多点连接控制协议，采用主控设备时分复用轮询从设备的方式实现数据传输，相比如波分复用的共享光路方式节约了总线系统所需光收发器的数量，进一步降低了系统的体积功耗。

3)本发明的系统工作模式基于spacefibre标准协议进行扩展，而未对原始协议进行修改，可直接在spacefibre标准总线系统方案基础上进行升级，易于实现。

附图说明

图1是本发明的无源光网络结构的spacefibre总线系统的连接示意图。

图2是本发明的无源光网络结构的spacefibre总线系统的主控设备按照调度表的安排轮流与各从设备进行数据传输的过程示意图。

图3是本发明的无源光网络结构的spacefibre总线系统的主控设备端的spacefibre多点连接控制协议流程图。

图4是本发明的无源光网络结构的spacefibre总线系统的从设备端的spacefibre多点连接控制协议流程图。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明的无源光网络结构的spacefibre总线系统做进一步说明。以1个主控设备与8个从设备构成的总线网络为例，无源光网络结构的spacefibre总线系统连接方式如附图1所示。应该理解，从设备的数量可根据光功率分配要求任意变化。

主控设备与8个从设备间按照无源光网络架构，通过光纤并采用无源光分路/合路器件连接，其中，主控设备端的光纤连接至无源光分路/合路器的合路端口，各从设备端的光纤连接至无源光分路/合路器的各分路端口，形成主控设备与各从设备间的一点对多点共享光路连接方式，这种连接方式与现有的时分复用无源光网络(tdm-pon)一致，光电器件均可采用现有tdm-pon系统所用器件。下面为方便说明，称从主控设备向从设备传输数据为下行，从从设备向主控设备传输数据为上行。

根据目前常用光分路器的特性，在如附图1的连接方式下，主控设备发出的光信号能被所有从设备接收到，下行属于广播；而各从设备间光路隔离，每个从设备发出的光信号只有主控设备能够接收到，上行属于单播。但如果多个从设备同时发送光信号，则上行信号会产生混叠，主控设备无法收到正确的信号，导致通信异常。

在电信无源光网络中，上行与下行两个方向是独立且异步工作的，相互不会干扰，即，主控设备向一个从设备发送数据的同时，可能接受另一个从设备向主控设备发送的数据。但对于spacefibre标准协议而言，数据传输需要基于高可靠的连接完成，数据传输前先要在收发两端间通过握手建立全双工点对点的专用传输管道，即，主控设备同一时间段只能与一个从设备进行相互的数据收发。

基于此，本发明针对spacefibre标准协议规定的数据链路特点，设计了spacefibre多点连接控制协议，其实在现有的spacefibre标准协议基础上进行扩展，引入新控制帧配合对处于同一物理信道中多条spacefibre数据链路的时分复用选择性通断控制来实现共享介质情况下的一点对多点数据传输，而未对spacefibre标准协议所定义的点对点连接机制做出修改，即，主控设备每次与一个从设备建立连接并传输数据的过程均遵循spacefibre标准协议的规定。因此，本发明的无源光网络结构的spacefibre总线系统在工作中仍按照spacefibre标准协议规定的链路初始化流程、流控制机制、数据打包与帧拆分方式、链路故障检测与恢复重传机制等进行数据传输。

spacefibre多点连接控制协议对spacefibre标准协议的扩展内容包括：

1)增加了“连接id标识”帧：用于链路初始化中区分主控设备正在试图与哪个从设备建立握手连接、以及区分是哪个从设备正在向主控设备回应握手帧；

2)增加了“销毁连接请求”帧，用于数据传输中主控设备在与下一个从设备通信前，主控设备对当前从设备发起销毁连接请求，以关闭与当前从设备建立的连接；

3)增加了“销毁连接确认”帧，用于数据传输中，从设备对主控设备发起销毁连接请求的回应。

本发明的无源光网络结构的spacefibre总线系统在工作中，按照spacefibre多点连接控制协议中规定的连接模式，由主控设备进行控制，轮流与总线上各个从设备握手建立传输管道，以时分复用的方式占用光纤信道，实现无冲突的点到多点数据传输。在图2中，以1个主控设备与3个从设备间的数据传输为例，描述了spacefibre多点连接控制协议中主控设备按照调度表的安排轮流与各从设备进行数据传输的过程。

首先，主控设备从调度表中得知下一个进行数据交换的设备为从设备1，于是主控设备下行广播穿插有id1(从设备1的id)标识的spacefibre握手帧。从设备1收到该握手帧后，上行回复穿插有id1标识的握手回应帧，与主控设备建立连接。而从设备2与3判断收到的id标识不属于自己(即，不是从设备2的id2或从设备3的id3)，因此保持发送器关闭的静默状态，不干扰当前总线传输。

当主控设备与从设备1握手成功后，便开始数据交换。连接保持时间长度由调度表决定，直到该授权时间结束时，主控设备下行发送穿插有id1标识的销毁连接请求，从设备1接收到id1标识的销毁连接请求后，上行回复穿插有id1标识的销毁连接确认，然后关闭发射器。主控设备收到id1标识的销毁连接确认后，等待因为从设备1关光导致的链路复位。待链路复位后，主控设备就继续从调度表中查询下一个要进行数据交换的从设备，建立新的连接。

按照上述过程循环，即实现了无源光网络结构的spacefibre总线中主控设备轮询各从设备，分时复用建立链路连接进行数据传输的工作模式。

上述的spacefibre多点连接控制协议，需要由主控设备与从设备共同配合维护，分为主动端与被动端两个部分。主控设备遵循的主动端控制流程如图3所示，从设备遵循的被动端控制流程如图4所示。

下面以主控设备与从设备1建立一次连接为例，详细阐述主控设备与从设备配合实现spacefibre多点连接控制协议的过程。

在建立一次连接的过程中，主设备首先从调度表中获得一个新的id。紧接着，主控设备发送穿插有该id的握手帧，尝试与该id的从设备建立连接。若主控设备正确收到了该id从设备的握手回应帧，并按照spacefibre标准协议规定的状态转移图建立了连接，便可以开始数据传输；若没收到回应或者收到了错误的回应导致连接建立失败，则重新尝试握手，直到连接建立超时，则主控设备放弃本次连接的建立尝试，重新从调度表获得id，开始新的连接尝试。

与此同时，从设备在默认状态关闭自己的发射器，通过接收机监听总线信号，等待带有自身id的握手帧。直到从设备接收到带有自身id的握手帧，其打开发射机，回应该握手帧，尝试与主控设备建立连接。若按照spacefibre标准协议的规定正确建立了连接，便可以开始数据传输；若连接建立失败，则一直保持握手帧的回应状态继续尝试建立连接，直到接收到带有非自身id的信号，表明主控设备已经在尝试与其他从设备建立连接，则从设备立即关闭自身发射器，继续监听总线信号。

在光路连接正常的情况下，主控设备能够与相应id的从设备建立连接，开始数据传输。

在数据传输过程中，每次连接允许的持续时间由总线调度策略决定，并标记在了调度表对应id的位置。因此，当主控设备发现此次连接授权时间结束时，会在将正在发送的数据包发送完毕后，向从设备发送销毁连接请求，然后停止发送数据，但是保持发送idle码维持链路的连接，并继续接受数据。该idle码是spacefibre标准协议中规定的，在链路连接成功后，若没有实际的数据需要传输，则传输idle码维持链路的连接状态。

此时在从设备端，就会收到主控设备发来的销毁连接请求，然后从设备将正在发送的数据包发送完毕后，紧接着向主控设备发送销毁连接确认，然后关闭自身发射器，只保留接收器开启，监听总线信号。

于是，主控设备就会收到从设备回应的销毁连接确认，然后主控设备就开始等待链路的断开。当从设备关闭发射器后，主控设备接收不到光信号，就会产生spacefibre标准协议规定的los错误，导致连接断开。

主控设备确认本次连接断开后，便可以从调度表中获取新的id，开始建立新的一轮连接。

如此往复，主控设备便可以如图2所示的时分复用方式，轮流与总线上的各个从设备建立连接，进行点对多点的数据传输。

特别地，主控设备和从设备上使用支持突发发送/接收的快速开关光收发模块，减少连接切换耗时，提高总线效率。

对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请创造构思的前提下，还可以对本发明的实施例做出若干变型和改进，这些都属于本申请的保护范围。