光纤通信技术的数据单向传输设备研究

蒋梦浩（武警江西省总队，江西 南昌 330025）

0 引 言

光纤通信技术中应用最广的是数据单向传播技术。该技术所采用设备不同于网络数据传输设备，因为在实际运行过程中经常凭借单向网展开传输，能够确保至少两个网络之间实现有效连接，并通过这两个网络推动数据的单向传播。一般来说，网络通信中的每个层次协议都建立在双向传输体系上，因此所有数据单向传输设备都会存在一定的安全隐患。目前，许多技术人员会在数据单向传输过程中采用物理原理，从而帮助设备合理规避双向通信体制问题。

1 数据单向传输设备的总体构成框架和软硬件设计应用

1.1 总体构成框架

发送端设备、接收端设备以及光纤是单向传输设备的总体构成框架，如图1所示。

图1 数据单向传输设备的技术应用系统构成框架

如图1所示，数据单向传输设备的设备安全性保障很好，因为利用了物理原理，可以有效杜绝双向通信体制。具体来讲，结合单向光电转换的基本原理，首先在物理层上保证信号的单向传递。在单向传递中必须考虑高速串行的通信技术和光纤通信技术内容，保证传统串行接口、并行接口、100 M以太网接口等也能获得数据高速传输能力。在设计易用性方面，该技术采用即插即用的USB 3.0技术，能够在任何场合实现快速安装、架设和应用。

1.2 设备分层

该设备技术研究深入细腻，具体可划分为4个层次，包括硬件设计、固件设计、驱动程序设计以及单向传输业务系统软件设计。另外，发送端和接收端各个层次都对应独立的业务逻辑，主要通过虚拟通道连接所有设备，形成了数据单向传输设备的内部业务层次和逻辑关系，如图2所示。

图2 设备内部业务层次和逻辑关系

1.3 软硬件设计应用

光纤通信技术的数据单向传输设备包含软、硬件两大组成部分。以下分别介绍软、硬件设计应用过程。

1.3.1 设备硬件的设计和应用

数据单向传输设备的发送端和接收端硬件设备都存在USB 3.0接口电路、高速串行收发器电路、逻辑控制电路以及千兆光模块电路。图3、图4分别为发送端设备电路和接收端设备电路。

图3 数据单向传输设备的发送端设备电路

图4 数据单向传输设备的接收端设备电路

结合图3、图4，设备硬件主要通过物理元器件配合数据流提高单向传输效率。使用的物理元器件包括安装于发送端和接收端设备的只发光模块和只收光模块。另外，在数据流向方面，采用USB接口电路的双向通信机制，保证电路部分满足单向通信的运作机制。

以USB 3.0接口为例，作为设备中的重要硬件端口，它可满足480 Mb/s的高带宽，同时提供500 mA自供电功能，可完全满足即插即用。另外，该设备选择应用了Cypress公司的EZUSB CY7C68013A芯片，芯片中专门配置了增强型单片机核，可有效处理USB 3.0协议和设备标识信息可能存在的冲突矛盾。再结合大容量数据交换配合芯片的FIFO硬件结构，能提高USB 3.0接口带宽，保证传输速度的最大化。

驱动程序设计采用Windows驱动程序，配合设备创建、设备关闭、设备卸载、I/O处理请求，专门处理即插即用PnP派遣函数和电源处理派遣函数，包括合理控制固件自动下载程序等，最终可获得设备驱动程序入口结构框图。

在驱动程序设计中，包含EZUSB固件自动下载驱动和通用功能驱动程序源代码。前者固件自动下载驱动源代码可存放于驱动程序中。当主机上的驱动程序发现默认固件时，要同时插入EZUSB设备，保证驱动程序中捆绑的单片机代码能够通过USB接口下载到EZUSB中。此外，该设备操作系统还加载了通用功能驱动，实现设备的有效升级维护，保证新驱动程序在不打开数据单向传输设备情况下，也能完成设备升级[1]。

1.3.2 设备软件的设计和应用

单向传输业务系统的软件设计应用基于计算机用户软件基础实现，所有的软件功能都要遵循等级、管理、数据交换控制这一流程。其中，部分程序由发送端软件和接收端软件在二次开发包指挥下完成。软件设计中，用户也可根据提供的二次开发库定制系统和专用业务软件系统完成整个设计操作。以下简单介绍设备中的发送端软件、接收端软件和二次开发包设计。

首先，发送端软件设计，用于管理发送设备的所有文件操作内容。其中，主要设计操作包括参数初始化、文件自动搜索、协议打包、文件发送、发送状态检测以及函数处理。

其次，接收端软件设计，专门用于管理并接收来自设备中的各种操作文件，满足参数的初始化过程，同时接收数据和协议并进行解析、保存，也能接收处于检测处理状态的函数内容。

最后，二次开发包设计专门采用开发专用管理软件，利用其中的库文件和头文件进行用户硬件细节解析，同时开发应用程序，加速对用户软件的开发速度，具有极高的实际应用价值。

以上是基于光纤通信技术数据单向传输设备的基本结构框架组成和软硬件设计内容。该设备具有一定的结构复杂性，采用的技术内容也非常繁多。实际操作中，需要结合具体的实验，对设备的传输速率、传输准确性以及数据传输可靠性等基本性能进行科学测试分析[2]。

2 数据单向传输设备的性能实验分析

在正式使用数据单向传输设备前，需要对其传输速率、传输准确性以及应用可靠性等重要参数进行科学细致分析。

2.1 设备传输速率和传输准确性分析

在针对数据单向传输设备的传输速率和传输准确性分析方面，采用长度为1 km的多模光纤。利用它结合6个不同大小文件的传输展开精确化测试，保证每项测试实验次数都达到500次，测试结果如表1所示。

结合表1中测试结果数据，在没有明确通信协议背景下，可基本保证12 Mb/s的设备数据传输速率，达到了相对稳定的传输状态。而设备的传输速率则远远要大于串行传输的250 kb/s，并行传输速度在2 Mb/s左右，因此理论上可实现100 Mb/s的上网速度[3]。

表1 不同大小文件传输的传输速率和传输准确性测试

2.2 设备可靠性分析

2.2.1 可靠性分析技术类型

数据单向传输设备还要展开可靠性实验。因此，利用单向传输可靠性算法，结合多种技术数据纠正与检测，确保数据传输的安全可靠性和完整性。

首先，可以基于RS算法分析设备的前向纠错机制。要做到第一时间发现发送端的错误数据，并在接收端实施RS解码，解码过程中就能发现错误码元。此时，要第一时间纠错。可利用卷积编码配合RS编码的综合方式，有效减少误码率。

其次，可以采用扰码机制，对每个传输到数据包中的扰码进行处理分析，并对数据流实施随机化操作，避免数据流中出现长连0或长连1，同时减少传输出错率。具体来讲，利用设备进行数字通信中，会出现长连0和长连1的情况，导致接收端信息恢复质量低下，产生设备分析误码率，严重时会使设备获得全错信息。为此，应该在设备系统的光发射机端安装一个扰码器（系统调制前），利用扰码器的扰码机制变换二进制码序列，保证其序列顺序和随机序列接近，再配置一个解扰码器确保原始序列恢复。从技术角度来讲，扰码器和解扰码器二者之间是通过反馈移位寄存器来实现前馈移位信息反馈，形成的随机序列信号发生器会产生分布相对均匀的长连1和长连0信号序列，从而有效恢复原信息序列，同时清除大量通道发送冗余光信号，确保数据单向传输设备数据传输的完整性和稳定性。通过设备接收端实现对数据的校验和恢复计算，确保对所接收信号进行有效裁决，减少信号丢失和干扰问题。

2.2.2 可靠性分析应用案例

以下结合数据单向传输设备的可靠性实验展开案例简析。利用设备的发送端1向发送端2发送文件数据，原则是要保证数据传输的真实性、完整性、安全可靠性以及不可否认性。因此，需要对数据文件进行数字签名加密。

设备可靠性分析应用实验过程：1端口运算准备传输的数据文件，得到信息摘要→1端口随机生成加密密钥，用密钥发送文件数据并加密，形成密文→1端口用2端口的公钥对随机产生的加密密钥进行加密，加密后生成DES密钥→与密文同时传送到2端口。

该试验过程可通过网络流量控制优化设备性能，特别是能够改善设备应用延迟问题。如果在设备系统中某一环节节点无限趋于饱和点，则意味着网络延迟已经在大幅度上升，此时要进行进一步的延迟检查实验[4]。

3 结 论

综上所述，探析基于光纤通信技术的数据单向传输设备，分析指出其多个技术应用创新点，如利用自动以通信协议和无握手机制，有效解决了设备的数据传输单向性问题。所采用的USB 3.0接口和光纤信道技术也满足系统数据传输高速率的要求。所以，该设备基本结合了当前最先进的计算机发展技术，是值得深入研究和广泛应用的优质设备。