CN102082679B - 一种安全网络切换装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于安全网络通信中点对点连接的网络切换装置，其结构包括由切换模块和通信节点通过通信电路构成，其中切换模块由多个物理层收发器和复杂可编程器组成，物理层收发器和复杂可编程器使用MII(媒介无关信号)接口连接，其特征在于各通信节点中由物理层收发器、先进先出存储器和复杂可编程器组成；所述的节点物理层收发器与切换模块的物理层收发器连接；所述的先进先出存储器与节点物理层收发器；所述的节点复杂可编程器与先进先出存储器连接，节点复杂可编程器与节点物理层收发器连接。先进先出存储器器件在不使用软件实现数据的非同步，很大程度的提高了系统的可靠性；该装置中没有复杂的协议提高了通信的确定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种网络切换装置，尤指一种用于安全网络通信中点对点连接的网络切换装置。
背景技术
工业以太网重点在于利用交换式以太网技术为控制器和操作站，各种工作站之间的相互协调合作提供一种交互机制并和上层信息网络无缝集成。目前工业以太网开始在监控层网络上逐渐占据主流位置，正在向现场设备层网络渗透。工业以太网相对于以往自动化技术有很多优势，然而事物是相对的，在我们享受开放互联技术进步的成果同时应该对它们存在的隐患和可能带来的严重后果要有深刻认识。因此工业以太网是一个网络控制系统，实时性要求高，网络传输要有确定性；整个企业网络按功能可分为处于管理层的通用以太网和处于监控层的工业以太网以及现场设备层(如现场总线)。管理层通用以太网可以与控制层的工业以太网交换数据，上下网段采用相同协议自由通信；工业以太网中周期与非周期信息同时存在，各自有不同的要求。周期信息的传输通常具有顺序性要求，而非周期信息有优先级要求，如报警信息是需要立即响应的；工业以太网要为紧要任务提供最低限度的性能保证服务，同时也要为非紧要任务提供尽力服务，所以工业以太网同时具有实时协议也具有非实时协议。
应用于反应堆保护系统(RPS)的数据通信系统属于1E级系统，简称安全网络通信，对于实现RPS的安全性，可靠性和实时性具有重要的影响。在《NUREG/CR-6082Data Communications》中，明确给出了对一个通信系统审查时需要满足的条件。
工业以太网技术在大量工控场合得到应用，工业以太网相对于普通网络的要求主要体现在实时性和确定性方面。目前业界的一般做法就是提供一个全局时钟，根据这个全局时钟来提高通信的确定性。有了全局时钟，各个通信节点事先都给定一定的约束条件，这样各个节点就在约定的时间发包和收包。现有工业以太网全局时钟的实现方法有IEEE 1588等，其主要原理就是利用通信信道的富余带宽来传送全局时钟信息，来实现对时功能。IEEE 1588的功能相当于OSI数据链路层上直接加应用层的功能，实现时需要通信节点上的软件或较复杂的FPGA来配合。由此可见，IEEE1588的缺点就是较复杂，需要一定的软件和硬件资源。
对于安全数据通信系统的设计者来讲，最关注的有三个方面：安全性，可靠性和性能。对通信的确定性要求，可大大提高安全数据通信系统的安全性和可靠性。本发明通过对通信各个信道进行定时切换，从而保证了通信的点对点连接，明确了通信的发送方和接收方。配合切换的动作，再向通信双方发出可发出数据的信号，以保证通信的完成。在通信切换的电路中，明确了电气的通路，由此保证了数据传输的延时。而在安全级网络通信中，其软件和硬件是有一定要求的，服务于IEEE1588的软硬件提高了系统复杂度，降低了系统可靠性。
本发明针对安全级网络通信，在一个较小的网络环境中并不需要一个统一的全局时钟，而通过一定的分时切换来提高通信的确定性。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于反应堆保护系统(RPS)的数据通信系统1F级系统的安全网络切换装置，提高数据通信的可靠性。
为了达到上述的目的，本发明所采用的技术手段是：由切换模块和多个通信节点通过通信电路构成，其中切换模块由多个物理层收发器和复杂可编程器组成，物理层收发器和复杂可编程器使用媒介无关信号MII接口连接，其特征在于各通信节点中由物理层收发器、先进先出存储器和复杂可编程器组成；
所述的节点物理层收发器与切换模块的物理层收发器连接；
所述的先进先出存储器与节点物理层收发器连接；
所述的节点复杂可编程器与先进先出存储器连接，节点复杂可编程器与节点物理层收发器连接。
节点物理层收发器与切换模块的物理层收发器之间用以太网光纤或以太网网线进行连接。
先进先出存储器通过MII总线将数据发送给物理层收发器器件，MII总线是两者的连接通道。
通信节点中复杂可编程器通过MII总线接口与物理层收发器PHY连接。
物理层收发器中的MII发出的信号来自于先进先出存储器的输出口。
先进先出存储器的输入来自于节点的链路层器件。
网络切换装置两边的其中一边的各个节点通过主切换模块依次与另一边的节点逐个接通。
安全网络切换装置的方法包括以下步骤：
a切换模块中的复杂可编程控制器确定与切换模块连接的节点个数；
b通过固定周期与连接的节点个数的比值来确定时间段；
c确定时间段后复杂可编程控制器按照每个时间段对各个节点依次逐个导通；
d导通后的两个节点进行数据交换。
经过上述的手段，本发明所带来的有益效果是：通过分时切换和FIFO器件的配合来提高通信的确定性，应用硬件及逻辑算法的判断，不采用软件与硬件的结合来降低系统的不确定性，满足了实现RPS的安全性，可靠性和实时性。
为了能够对本发明有一个详细了解，特举一较佳实施例进行详细的说明。
附图说明
图1为本发明的模块结构图；
图2为本发明的装置结构图；
图3为本发明的4个通信节点与主切换模块的模块图。
具体实施方式
本发明由切换主模块和通信节点相关通信电路构成，如图1与图2所示。其主要器件是PHY，CPLD，以及FIFO。PHY是10/100M以太网物理层收发器的简称，主要完成媒介信号和MII(媒介无关信号)信号的转换，PHY的功能完全符合IEEE802.3，具体功能可参照相关厂商的产品手册或IEEE802.3。CPLD是复杂可编程器件的简称，实现数字逻辑的功能。FIFO是先进先出的意思，FIFO器件内部有数据存储空间，读写操作是分离的，这样实现数据的异步传输。FIFO通过MII总线将数据发送给PHY器件，MII总线就是两者的连接通道。MII总线是802.3标准规定的一种数据总线，类似于并行总线，是数字信号。在这里是单向的，只能是FIFO到PHY。
切换模块和多个通信节点通过通信电路构成，其中切换模块由多个物理层收发器PHY和复杂可编程器CPLD组成，物理层收发器PHY和复杂可编程器CPLD使用MII(媒介无关信号)接口连接，其特征在于各通信节点中由物理层收发器PHY、先进先出存储器FIFO和复杂可编程器CPLD组成；所述的节点物理层收发器PHY与切换模块的物理层收发器PHY连接；所述的先进先出存储器FIFO与节点物理层收发器PHY；所述的节点复杂可编程器CPLD与先进先出存储器FIFO连接，节点复杂可编程器CPLD与节点物理层收发器PHY连接。
节点物理层收发器PHY与切换模块的物理层收发器PHY之间用以太网光纤或以太网网线进行连接；FIFO通过MII总线将数据发送给物理层收发器PHY器件，MII总线是两者的连接通道；通信节点中CPLD通过MII总线接口与物理层收发器PHY连接；物理层收发器PHY中的MII发出的信号来自于先进先出存储器FIFO的输出口；先进先出存储器FIFO的输入来自于节点的链路层器件。
在主切换模块上，PHY的MII口连接到CPLD，而媒介口对外与通信节点相连。由于MII口是类似于并行总线的数字信号，所以可以连接到CPLD，并进行处理。CPLD分时来连接不同的PHY，从而实现分时让两个节点连通。如图3所示，主切换模块中CPLD确定节点的连接个数，通过连接个数将时间分为与连接个数相等的时间段，在每一个时间段内将两边节点的其中一边的节点逐个依次的与另一边的节点导通进行数据信息交换。在主切换模块CPLD中处理4个节点的连通分为4个时间段，在时间段1让节点1和节点A分别对应的PHY连通；在时间段2让节点1和节点B分别对应的PHY连通；在时间段3让节点2和节点A分别对应的PHY连通；在时间段4让节点2和节点B分别对应的PHY连通。依据这样的循环就可实现4个节点的周期性连通。与主切换模块有N个节点连接时，主模块中的CPLD处理多个节点的连通分为多个时间段，在每个时间段上分别将各节点之间导通交换数据。这样循环就可实现不同节点周期性连通。
主切换模块的另一个重要的功能就是配合切换来发送特殊包给相应的节点。如图3所示，在时间段1，CPLD会发出这个包到节点1和节点A。这个特殊的包，可以通过PHY，但是不符合以太网链路层规格，所以通信节点可以通过链路层器件来阻挡该数据包。
在通信节点上，PHY的媒介口对外与主切换模块相连。而PHY的MII口收发有不同的处理，其收直接连到节点的链路层器件；其发来自于FIFO的输出口，FIFO的输入则来自节点的链路层器件。CPLD监听MII接收端的数据，当发现是特殊包时，则发出信号，让FIFO发出储存的数据。正常数据时，CPLD没有动作，数据直接到达链路层器件。
Claims (7)
1.一种安全网络切换装置，由主切换模块和多个通信节点通过通信电路构成，其中主切换模块由多个物理层收发器和复杂可编程器组成，物理层收发器和复杂可编程器使用媒介无关信号MII接口连接，其特征在于各通信节点由物理层收发器、先进先出存储器和复杂可编程器组成；主切换模块中CPLD确定节点的连接个数，通过连接个数将时间分为与连接个数相等的时间段，在每一个时间段内将两边节点的其中一边的节点逐个依次的与另一边的节点导通进行数据信息交换，这样循环就可实现不同节点周期性连通；
所述的节点物理层收发器与主切换模块的物理层收发器连接；
所述的先进先出存储器与节点物理层收发器连接；
所述的节点复杂可编程器与先进先出存储器连接，节点复杂可编程器与节点物理层收发器连接。
2.根据权利要求 1所述的安全网络切换装置，其特征在于节点物理层收发器与主切换模块的物理层收发器之间用以太网光纤或以太网网线进行连接。
3.根据权利要求1所述的安全网络切换装置，其特征在于是先进先出存储器通过MII接口将数据发送给物理层收发器器件，MII总线是两者的连接通道。
4.根据权利要求1所述的安全网络切换装置，其特征在于通信节点中复杂可编程器通过MII接口与物理层收发器PHY连接。
5.根据权利要求1所述的安全网络切换装置，其特征在于物理层收发器中的MII接口发出的信号来自于先进先出存储器的输出口。
6.根据权利要求1或5所述的安全网络切换装置，其特征在于先进先出存储器的输入来自于节点的链路层器件。
7.根据权利要求1—6的任意一项安全网络切换装置的方法包括以下步骤：
a切换模块中的复杂可编程控制器确定与切换模块连接的节点个数；
b通过固定周期与连接的节点个数的比值来确定时间段；
c确定时间段后复杂可编程控制器按照每个时间段对各个节点依次逐个导通；
d导通后的两个节点进行数据交换。
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