CN101753318B - 实现分组交换机数据记录功能的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现分组交换机数据记录功能的系统及方法，主要解决现有机载交换机中缺乏终端故障检测和数据记录功能的问题。该系统包括：终端输入模块、终端输出模块、端口输入模块、端口输出模块、控制模块、交换模块和数据记录模块。端口输入模块接收到终端输出模块的检测响应帧，生成端口状态数据；数据记录器将从端口输入模块发送来的输入数据帧、端口状态数据和从交换模块发送的输出数据帧及转发表数据分别添加控制域后，作为数据记录进行存储，以分析系统故障，定位事故原因。本发明可用于飞机、航天器和舰船及其它任何使用分组交换机作为重要数据和指令交换平台的场合。

Description

实现分组交换机数据记录功能的系统及方法

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种实现分组交换机数据记录功能的系统及方法，用于飞机、航天器、舰船以及其它任何需要记录分组交换机数据的场合。

背景技术

现代大型运载工具，从飞机、舰船到航天飞机、空间站等，已经从电子化、数字化一直发展到今天的信息化。当前，大型交通运输工具内部的电子设备之间仍主要使用专用数据传输总线来实现互连，机载计算机设备、乘用计算机之间，有的已经使用以太网交换机等分组数据交换机来互联。今后，在机舱、船舱和航天飞机等大型运载工具内部，将逐步过渡到使用统一的数据交换平台来连接机载电子设备和乘用设备。

一旦使用数据交换平台来传输和交换仪器设备产生的数据和指令，交换机便成为机载/舰载通信系统的枢纽。各种电子设备和人机界面设备与之相连，大量的数据通过它发给目的终端，保证整个飞机或舰船的安全运行。

虽然现代航空航海技术得到快速发展，但是空中和海上还是不断发生各种灾难性事故。虽然经验告诉我们，很多事故源于突发故障、天气灾害和自然环境等因素，但为了理清事故真相、不断提高交通运输的安全性，人们必须设法了解事故发生的真实原因。为此，在飞机上已经装有“黑匣子”，目前“黑匣子”主要有两种：飞行数据记录器(FDR)和飞行员语言记录器(CVR)。其中，FDR专门记录飞行中的各种数据，如飞行的时间、速度、高度、飞机舵面的偏度、发动机的速度等。CVR通过安装在驾驶舱及座舱内的扬声器，主要记录机组人员和地面人员之间的通话、机组人员之间的对话以及驾驶舱内出现的各种音响，包括飞机发送机的运转声音等。与此同时，现在舰船上也有类似飞机上“黑匣子”的船舶航行状态记录器，它是一种专门用于记录和保存船舶航行过程重要信息参数的智能化记录设备。因此，飞机或者是舰船一旦发生灾难性事故，可以通过查看“黑匣子”中的数据来分析事故发生的原因。但是在飞机或者是舰船上使用统一的数据交换平台后，利用原有的“黑匣子”技术来分析事故的原因就不够全面。现代飞机、航天器、舰船等运载工具中的电子设备、仪器仪表和控制设备复杂多样，相互之间的交互频繁，因此，采用统一的数据交换平台之后，分组交换机即成为运载工具上的信息交通“枢纽”，通过添加终端检测和数据记录功能，可以全面记录机载仪器设备之间的信息内容、传递情况和终端状态，有利于分析系统故障，查清事故原因。而现有普通交换机均不具备数据记录功能，一些正在发展中的备选机载/舰船交换平台技术，如航空专用全双工以太网交换(AFDX)、光纤通道(FC)等，也未考虑在交换机中实现此功能。

发明内容

本发明目的在于避免机载/舰载“黑匣子”技术分析事故的原因的局限性，提供一种实现分组交换机数据记录功能的系统及方法，以在分组交换机上实现数据记录，检测终端装置故障。本发明能改善现有机载分组交换设备的不足，提高安全性和事故原因分析能力。

本发明的技术方案是这样实现的：

一.术语说明

MAC：Media Access Control，媒质接入控制。

输入数据帧：从终端输出装置传输到数据记录模块的数据帧。

输出数据帧：从交换模块传输到终端输入装置的数据帧。

二.实现分组交换机数据记录功能的系统，包括终端装置和分组交换机：

该终端装置包括：

终端输入模块，用于接收来自交换机的端口输出模块的输出数据帧并向上层实体传输输出数据帧，并根据检测帧通知终端输出模块发出检测响应帧；

终端输出模块，用于接收上层实体要传输的输入数据帧，并向分组交换机的端口输入模块传输输入数据帧和检测响应帧；

该分组交换机包括：

端口输入模块，用于向交换模块和数据记录模块传输输入数据帧，并根据检测响应帧生成端口状态数据，该端口状态数据传输到数据记录模块；

端口输出模块，用于向终端输入模块传输输出数据帧，并定时生成检测帧，向终端输入模块发送检测帧；

控制模块，用于自我检测和控制交换模块，并向交换模块发送配置信息和控制信息；

交换模块，用于将输入数据帧从分组交换机端口输入模块转发到目的端口输出模块，并向控制单元发送统计数据，向数据记录模块传输转发表数据、输出数据帧、时间数据；

数据记录模块，用于对不同类型的数据和数据帧添加控制域，并对添加控制域后的数据记录进行存储。

上述数据记录模块包括：数据生成模块和数据记录器，该数据记录模块包括数据生成模块和数据记录器，该数据生成模块对不同类型的数据帧和数据添加控制域，并将添加控制域后的数据记录传输到数据记录器；该数据记录器用以存储最近接收的大量数据记录，并在数据存储满时，用新写入的数据记录覆盖掉最早写入到该数据记录器中的数据记录。

上述数据生成模块包括：输入打包子模块、输出打包子模块、转发打包子模块、端口打包子模块和复接器，该输入打包子模块，用于对输入数据帧添加定界符、类型域、时间戳、输入端口标号和长度域，生成输入扩展数据记录，并向复接器传输所生成的数据记录；该输出打包子模块，用于对输出数据帧添加定界符、类型域、时间戳、输出端口标号和长度域，生成输出扩展数据记录，并向复接器传输所生成的数据记录；该转发打包子模块，用于对转发表数据添加定界符、类型域、时间戳和长度域，生成转发扩展数据记录，并向复接器传输所生成的数据记录；该端口打包子模块，用于对端口状态数据添加定界符、类型域、时间戳和长度域，生成端口扩展数据记录，并向复接器传输所生成的数据记录；该复接器，用于对输入扩展数据记录、输出扩展数据记录、转发扩展数据记录和端口扩展数据记录进行复接，并向数据记录模块传输复接后的数据记录。

三.实现分组交换机数据记录功能的方法，包括如下步骤：

(1)分组交换机的端口输出模块向终端输入模块发送输出数据帧或者定时向终端输入模块发送检测帧；

(2)终端输入模块读取接收到数据帧的类型字段值，若该类型字段值为0xFFFF，则该数据帧为检测帧，执行步骤(4)，否则该数据帧为输出数据帧，执行步骤(3)；

(3)终端输入模块将输出数据帧提交给上层实体；

(4)终端输出模块发送检测响应信号到分组交换机的端口输入模块；

(5)分组交换机的端口输入模块读取接收到数据帧的类型字段值，若该类型字段值为0xFFFF，则该数据帧为检测响应帧，执行步骤(6)，否则该数据帧为输入数据帧，执行步骤(8)；

(6)分组交换机的端口输入模块生成状态数据，并将该数据发送到数据记录模块；

(7)数据记录模块对接收到的端口状态数据添加定界符、类型域、时间戳和长度域，生成端口扩展数据记录，并将该记录存储到数据记录器；

(8)分组交换机的端口输入模块将输入数据帧发送到数据记录模块，执行步骤(9)，同时将输入数据帧发送到交换模块，执行步骤(10)；

(9)数据记录模块对输入数据帧添加定界符、类型域、时间戳、输入端口标号和长度域，生成输出扩展数据记录，并将生成的记录存储到数据记录器；

(10)交换模块查看内部转发表数据是否有更新，若有，交换模块将转发表数据传输到数据记录模块，执行步骤(11)，若没有，则执行步骤(12)；

(11)数据记录模块对接收到的转发表数据添加定界符、类型域、时间戳和长度域，生成转发扩展数据记录，并将该记录存储到数据记录器；

(12)交换模块对输入数据帧进行转发，并将输出数据帧发送到数据记录模块，执行步骤(13)，同时对输入数据帧进行交换，将输出数据帧发送到端口输出模块，执行步骤(1)；

(13)数据记录模块对接收到的交换模块的输出数据帧添加定界符、类型域、时间戳、输出端口标号和长度域，生成输出扩展数据记录，并将生成的数据记录存储到数据记录器。

本发明由于在飞机/舰船的分组交换机中设数据记录器，因而具有以下优点：

(1)在飞机或者舰船发生事故时，可以通过查看数据记录器及“黑匣子”中的数据，来恢复事故现场，分析事故原因，准确查出出现故障的终端装置；

(2)在飞机/舰船的平时演练中，可以及时发现和排除终端装置出现的故障，对维护用户终端的安全具有重要意义。

附图说明

图1为本发明实现分组交换机数据记录功能的系统结构图；

图2为图1中数据生成模块的结构图；

图3为本发明实现分组交换机数据记录功能的方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

参见图1，本发明的实现分组交换机数据记录功能的系统包括：终端装置和分组交换机，其中终端装置包括终端输入模块和终端输出模块，分组交换机包括端口输入模块、端口输出模块、交换模块、控制模块和数据记录模块。终端输出模块与端口输入模块单向连接，端口输入模块分别与交换模块和数据记录模块单向连接，端口输出模块分别与交换模块和数据记录模块单向连接，交换模块与数据记录器单向连接，交换模块与控制模块双向连接，端口输出模块与终端输入模块单向连接。其中控制模块，用于自我检测和控制交换模块，并向交换模块传输配置信息和控制信息；数据记录模块，对接收到的不同类型的帧和数据添加控制域，并对添加控制域后的不同类型数据记录进行复接后传输到数据记录器中。

任一终端装置的终端输入模块读取接收到的数据帧的类型字段值，若该值为0xFFFF，表明该数据帧为检测帧，则通知终端输出模块有检测帧到来，若该值不为0xFFFF，表明接收到的该数据帧为分组交换机端口输出模块的发送过来的输出数据帧，则将该数据帧提交给上层实体。

任一终端装置的终端输出模块接收到上层实体的输入数据帧，则将该帧发送到分组交换机的端口输入模块，并且在接收到终端输入模块给出的通知后，生成类型字段值为0xFFFF的检测响应帧，并将该帧发送到分组交换机的端口输入模块。

分组交换机的任一端口输入模块读取接收到的数据帧的类型字段值，若该值为0xFFFF，表明该数据帧为检测响应帧，则生成端口状态数据，并将该生成的数据传输到数据记录模块，若该值不为0xFFFF，则表明接收到的数据帧为终端输出模块发送的输入数据帧，则将该数据帧发送到交换模块，同时将该数据发送到数据记录模块。

交换模块在接收到分组交换机任一端口输入模块发送的数据帧时，以MAC地址学习的方式来更新转发表。当转发表数据一旦有更新，交换模块则将转发表数据发送到数据记录器，同时将接收到的该数据帧转发到目的端口输出模块和传输到数据记录模块；若转发表数据没有更新，则将接收到的该数据帧转发到目的端口输出模块和发送到数据记录模块；在数据记录模块需要读取时钟时，交换模块将当前时间数据传输到数据记录器。

分组交换机的任一端口输出模块将接收到的交换模块的输出数据帧发送到终端输入模块，并定时生成类型字段值为0xFFFF的检测帧并发送到终端输入模块。

参见图2，所述的数据记录模块包括：数据生成模块和数据记录器，其中数据生成模块包括输入打包子模块、输出打包子模块、端口打包子模块，转发打包子模块和复接器。输入打包子模块、输出打包子模块、端口打包子模块分别与复接器单向连接，复接器与数据记录器单向连接。其中：

数据生成模块，对到达它的不同类型的数据帧和数据添加控制域，并将添加控制域后的数据记录传输到数据记录器，该数据记录器安全稳定性高，容量大，能存储最近接收的大量数据记录，它将接收到的大量数据记录进行存储，并且在存储器满时使用新到达的数据记录覆盖掉最老的数据记录。

输入打包子模块，先根据接收到的输入数据帧所来自的端口输入模块标号，给所述的数据帧添加输入端口标号；接着从交换模块读取时钟数据并给添加了端口标号的该数据帧添加时间戳；最后给添加输入端口标号和时间戳后的数据帧添加类型域、长度域和定界符，生成输入扩展数据记录，并将该生成的数据记录传输到复接器。其中输入扩展数据记录格式如表一所示。

表一输入扩展数据记录格式

定界符

类型域

时间戳

长度域

输入端口标号

输入数据帧

输出打包子模块，先根据接收到的输出数据帧所来自的端口输出模块标号给该输出数据帧添加输出端口标号；再从交换模块中读取时钟数据，并给添加输出端口标号的数据帧添加时间戳；最后给添加输出端口标号和时间戳后的数据帧添加类型域、长度域和定界符，生成输出扩展数据记录，并将该生成的数据记录发送到复接器，其中输出扩展数据记录格式，如表二所示。

表二输出扩展数据记录格式

定界符

类型域

时间戳

长度域

输出端口标号

输出数据帧

转发打包子模块，在接收到转发表数据后，从交换模块读取时钟数据，给转发表数据打上时间戳，并给打上时间戳后的转发表数据添加类型域、长度域和定界符，生成转发扩展数据记录；再将所生成的数据记录发送到复接器。其中转发扩展数据记录格式，如表三所示。

表三转发扩展数据记录格式

定界符

类型域

时间戳

长度域

转发表数据

端口打包子模块，在接收到端口状态数据后，从交换模块读取时钟数据，给端口状态数据打上时间戳，并给打上时间戳后的数据添加类型域、长度域和定界符，生成端口扩展数据记录；再将该生成的数据记录发送到复接器。其中端口扩展数据记录格式，如表四所示。

表四端口扩展数据记录格式

定界符

类型域

时间戳

长度域

端口状态数据

复接器，对接收到的输入扩展数据记录、输出扩展数据记录、转发扩展数据记录和端口扩展数据记录进行复接，并将复接后的数据记录传输到数据记录器中。

参见图3，本发明实现分组交换机数据记录功能的方法包括如下步骤：

步骤1：分组交换机的端口输出模块将从交换模块接收到的输出数据帧发送给终端输入模块；并且，该交换机端口输出模块定时生成检测帧发送给终端输入模块，该检测帧中的类型字段值设为0xFFFF，用以终端输入模块识别该检测帧。

步骤2：终端输入模块从交换机端口输出模块接收数据帧，并对接收到的数据帧的类型字段值进行识别：若该字段值为0xFFFF，则表明所接收到的数据帧为分组交换机的端口输出模块发送的检测帧，该终端输入模块则通知相应终端输出模块收到检测帧，执行步骤4；若所接收到的数据帧中的类型字段值不为0xFFFF，则表明该数据帧为分组交换机的端口输出模块发送的输出数据帧，执行步骤3。

步骤3：终端输入模块将所接收到的输出数据帧提交给终端上层实体。

步骤4：终端输出模块生成并发送检测响应帧到分组交换机的端口输入模块，该检测响应帧的类型字段值也设为0xFFFF，供交换机端口输入模块识别。

步骤5：分组交换机的端口输入模块对所接收数据帧的类型字段值进行读取识别，若该类型字段值为0xFFFF，表明该数据帧为分组交换机的端口输出模块发送的检测响应帧，执行步骤6；否则，表明该数据帧为终端输入模块发送的输入数据帧，执行步骤8。

步骤6：分组交换机的端口输入模块生成端口状态数据，其中包括所连接的终端装置工作是否正常的状态信息，并将该端口状态数据发送到数据记录模块。

步骤7：数据记录器的端口打包子模块从交换模块读取时钟数据，给端口状态数据添加时间戳；之后给添加时间戳后的数据添加类型域、长度域和定界符，形成端口扩展数据记录，并将所产生的扩展数据记录发送到复接器；复接器将复接后的数据记录传输到数据记录器中进行存储。

步骤8：分组交换机的端口输入模块将从终端输出模块接收到的输入数据帧发送到数据记录模块，执行步骤9；同时将从终端输出模块接收到的输入数据帧发送到交换模块，执行步骤10。

步骤9：数据记录模块的输入打包子模块根据所接收到的输入数据帧所来自的端口输入模块标号，给所述数据帧添加输入端口标号；然后从交换模块读取时钟数据，并给添加输入端口标号的数据帧添加时间戳；再给添加输入端口标号和时间戳后的数据帧添加类型域、长度域和定界符，生成输入扩展数据记录；最后，数据记录模块将该生成的数据记录发送到复接器，复接器将复接后的数据记录传输到数据记录器中进行存储。

步骤10：交换模块在接收到输入数据帧时，以MAC地址学习的方式来更新转发表。一旦转发表数据有更新，执行步骤11；若收到所述输入数据帧时，转发表数据无需更新，则执行步骤12。

步骤11：数据记录模块的转发打包子模块从交换模块读取时钟数据，给转发数据添加时间戳；并给添加时间戳后的数据添加类型域、长度域和定界符，形成路由扩展数据记录；再将所生成的扩展数据记录发送到复接器，复接器将复接后的数据记录传输到数据记录器中进行存储。

步骤12：交换模块查看转发表，根据所接收到的输入数据帧的目的地址和转发表内容将所述输入数据帧交换到目的端口输出模块，此时所述输入数据帧被称为输出数据帧，由交换模块发送到相应的端口输出模块，执行步骤1；同时，交换模块将所述输出数据帧发送到数据记录模块，执行步骤13。

步骤13：数据记录模块中的输出打包子模块根据接收到的输出数据帧所来自的端口输出模块标号给该输出数据帧添加输出端口标号；从交换模块读取时钟数据，并给添加输出端口标号的数据帧添加时间戳；再给添加输出端口标号和时间戳后的数据帧添加类型域、长度域和定界符，生成输出扩展数据记录；最后将所形成的数据记录发送到复接器，复接器将复接后的数据记录传输到数据记录器中进行存储。

以上所述仅为该发明的较佳实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明原则之内所作的任何修改、改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种实现分组交换机数据记录功能的系统，包括终端装置和分组交换机，

该终端装置包括：

终端输入模块，用于接收来自交换机的端口输出模块的输出数据帧并向上层实体传输输出数据帧，并根据检测帧通知终端输出模块发出检测响应帧；

终端输出模块，用于接收上层实体要传输的输入数据帧，并向分组交换机的端口输入模块传输输入数据帧和检测响应帧；

该分组交换机包括：

端口输入模块，用于向交换模块和数据记录模块传输输入数据帧，并根据检测响应帧生成端口状态数据，该端口状态数据传输到数据记录模块；

端口输出模块，用于向终端输入模块传输输出数据帧，并定时生成检测帧，向终端输入模块发送检测帧；

控制模块，用于自我检测和控制交换模块，并向交换模块发送配置信息和控制信息；

交换模块，用于将输入数据帧从分组交换机端口输入模块转发到目的端口输出模块，并向控制单元发送统计数据，向数据记录模块传输转发表数据、输出数据帧、时间数据；

数据记录模块，用于对不同类型的数据和数据帧添加控制域，并对添加控制域后的数据记录进行存储。

2.根据权利要求1所述的实现分组交换机数据记录功能的系统，其特征在于：数据记录模块包括数据生成模块和数据记录器，该数据生成模块对不同类型的数据帧和数据添加控制域，并将添加控制域后的数据记录传输到数据记录器；该数据记录器用以存储最近接收的大量数据记录，并在数据存储满时，用新写入的数据记录覆盖掉最早写入到该数据记录器中的数据记录。

3.根据权利要求2所述的实现分组交换机数据记录功能的系统，其特征在于：数据生成模块包括：输入打包子模块、输出打包子模块、转发打包子模块、端口打包子模块和复接器，

该输入打包子模块，用于对输入数据帧添加定界符、类型域、时间戳、输入端口标号和长度域，生成输入扩展数据记录，并向复接器传输所生成的数据记录；

该输出打包子模块，用于对输出数据帧添加定界符、类型域、时间戳、输出端口标号和长度域，生成输出扩展数据记录，并向复接器传输所生成的数据记录；

该转发打包子模块，用于对转发表数据添加定界符、类型域、时间戳和长度域，生成转发扩展数据记录，并向复接器传输所生成的数据记录；

该端口打包子模块，用于对端口状态数据添加定界符、类型域、时间戳和长度域，生成端口扩展数据记录，并向复接器传输所生成的数据记录；

该复接器，用于对输入扩展数据记录、输出扩展数据记录、转发扩展数据记录和端口扩展数据记录进行复接，并向数据记录器传输复接后的数据记录。

4.一种实现分组交换机数据记录功能的方法，包括如下步骤：

(1)分组交换机的端口输出模块向终端输入模块发送输出数据帧或者定时向终端输入模块发送检测帧；

(2)终端输入模块读取接收到数据帧的类型字段值，若该类型字段值为0xFFFF，则该数据帧为检测帧，执行步骤(4)，否则该数据帧为输出数据帧，执行步骤(3)；

(3)终端输入模块将输出数据帧提交给上层实体；

(4)终端输出模块发送检测响应信号到分组交换机的端口输入模块；

(5)分组交换机的端口输入模块读取接收到数据帧的类型字段值，若该类型字段值为0xFFFF，则该数据帧为检测响应帧，执行步骤(6)，否则该数据帧为输入数据帧，执行步骤(8)；

(6)分组交换机的端口输入模块生成状态数据，并将该数据发送到数据记录模块；

(7)数据记录模块对接收到的端口状态数据添加定界符、类型域、时间戳和长度域，生成端口扩展数据记录，并将该记录存储到数据记录器；

(8)分组交换机的端口输入模块将输入数据帧发送到数据记录模块，执行步骤(9)，同时将输入数据帧发送到交换模块，执行步骤(10)；

(9)数据记录模块对输入数据帧添加定界符、类型域、时间戳、输入端口标号和长度域，生成输出扩展数据记录，并将生成的记录存储到数据记录器；

(10)交换模块查看内部转发表数据是否有更新，若有，交换模块将转发表数据传输到数据记录模块，执行步骤(11)，若没有，则执行步骤(12)；

(11)数据记录模块对接收到的转发表数据添加定界符、类型域、时间戳和长度域，生成转发扩展数据记录，并将该记录存储到数据记录器；

(12)交换模块对输入数据帧进行转发，并将输出数据帧发送到数据记录模块，执行步骤(13)，同时对输入数据帧进行交换，将输出数据帧发送到端口输出模块，执行步骤(1)；

(13)数据记录模块对接收到的交换模块的输出数据帧添加定界符、类型域、时间戳、输出端口标号和长度域，生成输出扩展数据记录，并将生成的数据记录存储到数据记录器。

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