CN106059927B - 一种星型结构的有限级联自动重构网络路由设备及其网络 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种星型结构的有限级联自动重构网络路由设备及其网络，所述路由设备包括至少八个标准端口、与标准端口一一对应的缓存、数据寻址调度模块、路由表和E2PROM，路由设备采用星型组网协议，实现同一层次单机设备之间的互联通信，其中1个标准端口是用于本级路由设备和上级路由设备级联的专用端口，在寻址过程中本级的路由设备通过该专用端口与上级路由设备进行通信，其它至少7个标准端口用于连接至少7个单机设备，或者至少6个单机设备和一个下级路由设备进行下级拓展。利用路由设备实现了单机测量设备不同级别之间的自动级联组网，便于网络拓展，消除了组网门槛。

Description

一种星型结构的有限级联自动重构网络路由设备及其网络
技术领域
本发明涉及应用于航空航天工业测量与控制领域，尤其涉及的是一种星型结构的有限级联自动重构网络路由设备及其网络。
背景技术
随着航空航天等空间探测技术的发展，获取设备工作状态数据的测量系统变得越来越重要。测量系统的数据记录器是获取测量数据的有效手段。目前国内数据记录器在测量系统内都是以单机的方式存在，无论测量系统中包含一个还是多个测量设备都是由测量系统分别对每个测量设备进行操作，这种操作方法存在以下问题：
1)目前可用于测量的各类工业现场总线虽然可以达到较高的传输速率，但组网能力较差，需要复杂的配置，协议复杂，实时性较差；而实时性较强的总线因为推出年代较早，普遍存在速率低，配置复杂的问题，远不能满足当前工业界实时大信息量的测量与传输要求。
2)由于测量系统的需求不同，所以每次测量系统和测量设备之间的通信接口也是按照任务要求不断更改的，造成双方测试设备的通信接口不统一、不确定，即每台设备都要进行单独的接口设计、研制，造成软硬件的重复性使用率低，新研制设备需要重新测试，可靠性得不到保障；
3)接口的不统一造成对测量设备进行自检或者获取测量设备的测试数据时，需要一对一的进行，测试线路不能复用，导致每台设备需要连接专用的地面测量设备来进行测试，这样就增加了测量系统的输入输出接口，使得测量系统变得更加复杂，不利于测量系统整体功能的稳定实现；
4)由于测试系统和测量设备之间没有标准的通信接口，在测量设备的使用上没有约束力，可以随意的改变测试设备的接口功能，使得测量设备标准化的过程举步维艰；
5)在非标准化的设计中，测试设备的不同功能需求以及参差不齐的设计水平不利于先进技术的普及，同时不统一的设计电路和不均衡的设计能力也直接决定着测试设备的性能，不利于测试设备的大规模生产普及。
鉴于以上问题，测试设备的网络化和接口标准化已经成为下一代测试设备发展的必然方向。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足提供一种星型结构的有限级联自动重构网络路由设备及其网络。
本发明的技术方案如下：
一种星型结构的有限级联自动重构网络路由设备，包括至少八个标准端口、与标准端口一一对应的缓存、数据寻址调度模块、路由表和E2PROM，路由设备采用星型组网协议，实现同一层次单机设备之间的互联通信，其中1个标准端口是用于本级路由设备和上级路由设备级联的专用端口，在寻址过程中本级的路由设备通过该专用端口与上级路由设备进行通信，其它至少7个标准端口用于连接至少7个单机设备，或者至少6个单机设备和一个下级路由设备进行下级拓展；单机设备通过标准端(接)口和路由设备通信，将单机设备处理过的数据和请求按照协议转换后发给路由设备，路由设备按照协议寻址分散流入目的接口；任何标准端口输入的数据都可以根据数据包中的设备地址，通过另一个端口输出；单机设备连接到任何一个端口时，都会通过协议报告其地址和路由表，并且在相关路由设备中自动建立新的路由表以供下次通信查询；数据寻址调度模块，它是负责决定数据流的起始地址和目的地址，并启动数据的传输；路由设备的寻址是通过查询路由设备中的路由表实现的，路由表中存储着网络中每个设备的端口信息，数据寻址调度模块通过查询路由表中的端口信息来决定数据的发送端口；数据在不同端口间的转移和速率匹配是通过端口后端的缓存实现的，缓存主要负责作为路由设备接收数据速率和发送数据速率的速率同步，接收端以接收码率写入缓存，发送端以发送速率读出缓存。
所述的星型结构的有限级联自动重构网络路由设备，每个标准端口接收数据，不管单组接收还是批量接收，进入标准端口后都被重新打包为“端口+数据”的形式放在FIFO队列中，协议中数据转移内核异步轮训处理每一个端口，快速将数据搬运到相应的标准端口，由相应的标准端口发送出去；在数据量比较少或者是命令字信息的传递时，采用单包数据传输方式，便于提高优先级和保证可靠传输；在大批量数据传输时为了减少冗余信息，采用批量数据传输方式，提高传输效率。
所述的星型结构的有限级联自动重构网络路由设备，所述标准端口为LVDS通信接口。
所述的有限级联自动重构网络路由设备的网络，包括若干级联的路由设备和与路由设备标准端口连接的单机设备，路由设备采用星型组网协议，实现同一层次单机设备之间的互联通信。
本发明具有以下有益效果：
1)本发明利用路由设备实现了测量设备不同级别之间的自动级联组网，便于网络拓展，消除了组网门槛；
2)路由设备采用星型组网协议，实现同一层次单机设备之间的互联通信，提高设备间通信效率；
3)网络设备之间采用标准的LVDS通信接口，保证了较高的通讯速率，降低通信端口复杂性，有利于实现设备的通用化；
4)在多种测量设备同时需要连接测量系统时，网络大部分的命令和数据交互通过路由设备完成，大大降低测量系统的通信压力，有效减轻测量系统的负荷，提高系统可靠性。
附图说明
图1为分布式测量设备网络框图；
图2为网络采用的标准化LVDS端口；
图3为有限级联自动重构网络路由节点设备内部数据调度示意图；
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
一种星型结构的有限级联自动重构网络路由设备，包括至少八个标准端口、与标准接口一一对应的缓存、数据寻址调度模块、路由表和E2PROM，路由设备采用星型组网协议，实现同一层次单机设备之间的互联通信，其中1个标准端口是用于本级路由设备和上级路由设备级联的专用端口，在寻址过程中本级的路由设备通过该专用端口与上级路由设备进行通信，其它至少7个标准端口用于连接至少7个单机设备，或者至少6个单机设备和一个下级路由设备进行下级拓展；单机设备通过标准端(接)口和路由设备通信，将单机设备处理过的数据和请求按照协议转换后发给路由设备，路由设备按照协议寻址分散流入目的接口；任何标准端口输入的数据都可以根据数据包中的设备地址，通过另一个端口输出；单机设备连接到任何一个端口时，都会通过协议报告其地址和路由表，并且在相关路由设备中自动建立新的路由表以供下次通信查询；数据寻址调度模块，它是负责决定数据流的起始地址和目的地址，并启动数据的传输；路由设备的寻址是通过查询路由设备中的路由表实现的，路由表中存储着网络中每个设备的端口信息，数据寻址调度模块通过查询路由表中的端口信息来决定数据的发送端口；数据在不同端口间的转移和速率匹配是通过端口后端的缓存实现的，缓存主要负责作为路由设备接收数据速率和发送数据速率的速率同步，接收端以接收码率写入缓存，发送端以发送速率读出缓存。
参考图1，图1是本发明设备联网工作的示意图。路由设备主要负责组网协议的实现和单机设备的连接以及路由设备之间级联；单机设备负责完成测量系统的测量信息。每个单机设备通过路由设备接收处理测量系统发送的测量信号，单机设备通过标准接口和路由设备通信，将单机设备处理过的数据和请求按照协议转换后发给路由设备，路由设备按照协议寻址分散流入目的接口；
路由设备是网络协议的主要执行者，它完成对单机设备的组网和同其它路由设备进行级联，路由设备本身包括8个标准的LVDS端口，这些端口主要负责协议内的不同设备之间的数据转移和命令互传。其中第1个端口是本机路由设备进行上级级联的专用端口，在寻址过程中本机的路由设备通过这个端口与上级路由设备进行通信；其它7个端口负责连接单机设备或者连接下级路由设备进行下级拓展。
每个路由设备内含E2PROM，用来存储各个设备出厂前的配置信息和地址信息，任何端口输入的数据都可以根据数据包中的设备地址，通过另一个端口输出，其它单机设备连接到任何一个端口，都会通过网络通信协议报告其地址和路由表，并且在相关路由设备中自动建立新的路由表以供下次通信查询。
图2是协议网络的标准化LVDS端口结构框图，路由设备、单机设备之间的相互通信都采用这种一路发送一路接收的LVDS接口。路由设备中FPGA(即图3中的数据寻址调度模块)是整个网络的数据集散中心，在该中心的控制下，复合数据流从某一个端口流入，然后按照协议寻址分散流入目的接口，实现数据的自动转发；每个端口接收数据，不管单组接收还是批量接收，进入接口后都被重新打包为“端口+数据”的形式放在FIFO队列中，协议中数据转移内核异步轮训处理每一个端口，快速将数据搬运到相应的端口，由相应的端口发送出去；在数据量比较少或者是命令字等信息的传递时，采用单包数据传输方式，便于提高优先级和保证可靠传输；在大批量数据传输时为了减少冗余信息，采用批量数据传输方式，提高传输效率。
图3是有限级联自动重构网络中路由设备内部数据调度示意图，路由设备的核心部分是数据寻址调度模块，它是负责决定数据流的起始地址和目的地址，并启动数据的传输；路由设备的寻址主要是通过查询路由设备中的路由表实现的，路由表中存储着网络中每个设备的端口信息，数据寻址调度模块通过查询路由表中的端口信息来决定数据的发送端口；数据在不同端口间的转移和速率匹配是通过端口后端的缓存实现的，缓存主要负责作为路由设备接收数据速率和发送数据速率的速率同步，接收端以接收码率写入缓存，发送端以发送速率读出缓存；路由设备的对外接口是标准的LVDS接口，主要完成数据的接收和发送工作，LVDS接口的一端接网络中其它设备的端口，另一端接本设备中的数据缓存模块。
本发明的网络通信协议中一个标准的数据包格式由模式域、源地址域、目的地址域、寄存器域、参数字域和检验域组成。模式域主要是区分数据包的各种功能的标志，不同的模式标志字代表着不同的功能，比如“C9”代表写寄存器，“CB”代表读寄存器等；在协议中规定了各种不同的寄存器代表着协议中的各种参数状态，通过模式控制可以读/写这些寄存器以实现检测协议中参数的状态。FPGA中数据调度模块循环判读各端口缓存中是否有数据，在收到数据后数据处理调度模块对数据包进行解析，首先判断数据包中目的地址是否为本机，是本机的话进一步在判读模式域以执行相应的模式功能，不是本机的话根据目的地址执行转发功能。在网络协议中设定了冗余端口和校验域以保障数据传输的可靠性。
本网络通信协议主要是通过内核逻辑结合外部端口实现的，内核是数据集散中心，在该中心的控制下，复合数据流从某一个端口流入，分散流入目的接口，实现数据的自动转发；外部标准接口是网络中设备间通信的基本通道，决定数据传输的格式。协议转换层和数据缓冲层在内核内部实现，协议转换层主要完成接口数据格式和协议数据格式的转换，在发送端将缓存内的数据包拆分为发送接口数据，在接收端将接口数据组合为数据包格式写入数据缓存层。内核的多通道数据数据处理中心负责对路由设备上的各个端口循环进行判读，每个端口接收数据，不管单组接收还是批量接收，进入接口后都被重新打包为“端口：数据”的形式放在FIFO队列中。
数据包被转移到哪个目的端口是通过检索数据包的目的地址，并查询该目的地址匹配的路由表中指出的目的端口来确定的。该路由记录的索引值就是目的设备的ID值，采取这种数据结构可以尽最快速度定位检索到路由信息，获取转发端口。基于该原理，数据转移内核异步轮询处理每一个端口，快速将数据搬运到相应的端口，由相应的端口发送出去；包在传输的过程中，被路由设备分为控制包和数据包两类。控制包都是单包，数据包可以是变长包。控制包具有最高的优先级，会被插队到最近的一组数据发送完就被转发，便于提高优先级和保证整个系统的实时性。
路由设备的任何端口输入的数据都可以根据数据包中的设备地址来决定通过另外一个端口输出，当其它单机设备连接到任何一个端口后，经过枚举过程通过协议报告其地址和路由表，自动建立新的路由表，通过查询路由表中的地址，将数据包准确的发送到目的端口。
在路由表重构过程中，如果一个路由设备枚举两个标准端口时，接收到同样一个单机设备的返回包，路由设备将在冗余端口列表中自动将两个标准端口配置为冗余端口。在数据转发时，路由设备将自动平衡两个端口的数据量，确保负载均衡。这一方面能够增大设备间的数据传输带宽，另一方面可以保证传输通道的可靠连通。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种星型结构的有限级联自动重构网络路由设备，其特征在于，包括至少八个标准端口、与标准端口一一对应的缓存、数据寻址调度模块、路由表和E2PROM，路由设备采用星型组网协议，实现同一层次单机设备之间的互联通信，其中1个标准端口是用于本级路由设备和上级路由设备级联的专用端口，在寻址过程中本级的路由设备通过该专用端口与上级路由设备进行通信，其它至少7个标准端口用于连接至少7个单机设备，或者至少6个单机设备和一个下级路由设备进行下级拓展；单机设备通过标准端口和路由设备通信，将单机设备处理过的数据和请求按照协议转换后发给路由设备，路由设备按照协议寻址分散流入目的接口；任何标准端口输入的数据都可以根据数据包中的设备地址，通过另一个端口输出；单机设备连接到任何一个端口时，都会通过协议报告其地址和路由表，并且在相关路由设备中自动建立新的路由表以供下次通信查询；数据寻址调度模块是负责决定数据流的起始地址和目的地址，并启动数据的传输；路由设备的寻址是通过查询路由设备中的路由表实现的，路由表中存储着网络中每个设备的端口信息，数据寻址调度模块通过查询路由表中的端口信息来决定数据的发送端口；数据在不同端口间的转移和速率匹配是通过端口后端的缓存实现的，缓存主要负责作为路由设备接收数据速率和发送数据速率的速率同步，接收端以接收码率写入缓存，发送端以发送速率读出缓存。
2.根据权利要求1所述的星型结构的有限级联自动重构网络路由设备，其特征在于，每个标准端口接收数据，不管单组接收还是批量接收，进入标准端口后都被重新打包为“端口+数据”的形式放在FIFO队列中，协议中数据转移内核异步轮询处理每一个端口，快速将数据搬运到相应的标准端口，由相应的标准端口发送出去；在数据量比较少或者是命令字信息的传递时，采用单包数据传输方式，便于提高优先级和保证可靠传输；在大批量数据传输时为了减少冗余信息，采用批量数据传输方式，提高传输效率。
3.根据权利要求1所述的星型结构的有限级联自动重构网络路由设备，其特征在于，所述标准端口为LVDS通信接口。
4.根据权利要求1所述的有限级联自动重构网络路由设备的网络，其特征在于，包括若干级联的路由设备和与路由设备标准端口连接的单机设备，路由设备采用星型组网协议，实现同一层次单机设备之间的互联通信。
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