雙環(huán)的運(yùn)行機(jī)制有兩種：一種是單環(huán)運(yùn)行，另一環(huán)處于備份狀態(tài)，僅在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)構(gòu)成自愈環(huán)；另一種是雙環(huán)同時(shí)運(yùn)行[1]，如圖1所示，信號(hào)在A、B 兩環(huán)上單獨(dú)傳輸，正常運(yùn)行時(shí)，由雙環(huán)切換控制器選擇其中一個(gè)環(huán)傳輸信息，如果環(huán)路出現(xiàn)故障（如在圖中K點(diǎn)光纖網(wǎng)被切斷），則子站自動(dòng)把接收到的信號(hào)切換到另一個(gè)環(huán)的發(fā)送端，A、B 兩環(huán)重新構(gòu)成環(huán)網(wǎng)，完成數(shù)據(jù)傳輸。

 

       

 

 

 

 

圖2所示為一典型的配電網(wǎng)絡(luò)通信線路。由主站及子站光端機(jī)及其之間的光纖構(gòu)成主光纖通信環(huán)網(wǎng)，各現(xiàn)場監(jiān)測單元（FTU）通過雙絞線接入光端機(jī)的電氣接口。這種結(jié)構(gòu)的通信方式雖然能夠解決各站之間可靠通信的問題，但對于接入終端眾多、設(shè)備接入點(diǎn)變動(dòng)頻繁的配電網(wǎng)絡(luò)，存在著通信系統(tǒng)過于固定、適應(yīng)性差等問題。

　　 （1）正常情況下，若采用單環(huán)運(yùn)行機(jī)制則另一環(huán)處于閑置狀態(tài)，沒有得到充分利用；若采用雙環(huán)運(yùn)行機(jī)制則無論主站還是子站發(fā)出的報(bào)文都將在兩個(gè)環(huán)內(nèi)同時(shí)傳遞，會(huì)大大增加網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)。

　　 （2）當(dāng)環(huán)網(wǎng)中增加新的節(jié)點(diǎn)時(shí)，如圖2左邊所示，需在子站1和2之間增加一個(gè)通信節(jié)點(diǎn)，則需將原有的環(huán)網(wǎng)打開，熔焊光纖，重新組網(wǎng)。這不但帶來施工上的麻煩，而且整個(gè)網(wǎng)絡(luò)也會(huì)因此暫時(shí)中斷運(yùn)行。

　　 （3）當(dāng)新增加一批配電網(wǎng)現(xiàn)場監(jiān)測單元時(shí)，通常會(huì)將這些設(shè)備接入一個(gè)由光端機(jī)新組成的環(huán)網(wǎng)，并在某個(gè)子站（如圖2的子站5）接入原來的網(wǎng)絡(luò)。這就要求該子站具有多對光纖接口，且具有多環(huán)匯接的功能。同時(shí)，新增網(wǎng)絡(luò)中所有數(shù)據(jù)都要通過子站5轉(zhuǎn)發(fā)到原環(huán)網(wǎng)上，這就增加了子站5的通信任務(wù)。而且，新增加的網(wǎng)絡(luò)過多地依賴于子站5，如果子站5發(fā)生故障，它將*癱瘓。

　　 （4）通信網(wǎng)絡(luò)基于環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，組網(wǎng)方式單一，對于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)很難適應(yīng)，如在同一個(gè)子站上切入多個(gè)環(huán)網(wǎng)時(shí)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)就會(huì)非常復(fù)雜。

　　因此，配電網(wǎng)絡(luò)所需要的光通信終端不僅能夠適應(yīng)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而且當(dāng)增加新設(shè)備時(shí)應(yīng)當(dāng)具有接入靈活的特點(diǎn)。這樣才能夠適應(yīng)配電網(wǎng)的特點(diǎn)，構(gòu)造出體系復(fù)雜、維護(hù)方便的配電網(wǎng)絡(luò)光纖通信系統(tǒng)。

 

　　3 靈活接入光通信終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)

 

　　3.1 光通信終端功能設(shè)計(jì)

　　 針對上述現(xiàn)有配電網(wǎng)光通信終端的問題，靈活接入的光通信終端不區(qū)分主從關(guān)系，任何通信終端都能進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中雙向傳輸，兩根光纖都能得到充分利用。同時(shí)，數(shù)據(jù)選擇zui近的路徑進(jìn)行傳輸，網(wǎng)絡(luò)中不存在數(shù)據(jù)的副本，減輕了每個(gè)通信終端的負(fù)擔(dān)。組網(wǎng)的方式也不再局限于環(huán)狀結(jié)構(gòu)，可以以環(huán)狀為主，結(jié)合各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活組網(wǎng)。

　　 此外，隨著嵌入式操作系統(tǒng)在現(xiàn)場監(jiān)測單元中的應(yīng)用，使用以太網(wǎng)同現(xiàn)場監(jiān)測單元互聯(lián)已經(jīng)逐步取代原有的采用485或現(xiàn)場總線的通信方式。所以，光通信終端還提供多個(gè)以太網(wǎng)接口與現(xiàn)場監(jiān)測單元進(jìn)行互聯(lián)。當(dāng)然，也可以為現(xiàn)場監(jiān)測單元提供兼容傳統(tǒng)接口485、232或現(xiàn)場總線接口。

　　3.2 生成樹協(xié)議

　　3.2.1 廣播風(fēng)暴

　　光通信終端對網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)沒有限制，所以網(wǎng)絡(luò)中可能會(huì)存在冗余路徑；有時(shí)為了保證某些節(jié)點(diǎn)的通信可靠性，會(huì)增加備用線路或配置成環(huán)網(wǎng)?？紤]到光通信終端設(shè)計(jì)成任何端口都能轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，所以如果沒有特別的措施，以太網(wǎng)中的廣播報(bào)文將會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)大量的環(huán)路消息，產(chǎn)生廣播風(fēng)暴（broadcast storms）。廣播風(fēng)暴將占用大量的網(wǎng)絡(luò)資源，嚴(yán)重影響了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能。

　　3.2.2 生成樹協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

　　通信終端可通過實(shí)現(xiàn)IEEE 802.1D協(xié)議中的生成樹（spanning tree）算法來解決廣播風(fēng)暴問題[2]。該算法通過在網(wǎng)橋（光通信終端在通信網(wǎng)絡(luò)中起的作用相當(dāng)于網(wǎng)橋）間傳遞網(wǎng)橋協(xié)議數(shù)據(jù)單元幀（BPDU），將一個(gè)由網(wǎng)橋、局域網(wǎng)組成的連通的具有任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)配置成一樹狀結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，使得在任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間只有一個(gè)路由。

　　生成樹算法要求每個(gè)通信終端具有*的標(biāo)識(shí)號(hào)；每個(gè)通信終端的端口具有在本通信終端內(nèi)*的標(biāo)識(shí)號(hào)；有一個(gè)特定的MAC多播地址，能被局域網(wǎng)上所有的通信終端識(shí)別。由于每個(gè)通信終端都具有一48b的MAC地址，終端標(biāo)識(shí)號(hào)可以由部分MAC地址和一可調(diào)整的優(yōu)先級(jí)組成。端口的標(biāo)識(shí)號(hào)可用小整數(shù)來分配。標(biāo)識(shí)號(hào)越小對應(yīng)的優(yōu)先級(jí)越高。此外，還需要為每個(gè)端口一路徑花費(fèi)（即幀通過該端口時(shí)在局域網(wǎng)中傳輸?shù)幕ㄙM(fèi)），通常與對應(yīng)的局域網(wǎng)的傳輸速率成反比。

　　通信終端通過在相互間傳遞一種稱為配置BPDU的幀來計(jì)算生成樹。配置BPDU中包含了諸如根標(biāo)識(shí)號(hào)、通信終端標(biāo)識(shí)號(hào)、根路徑花費(fèi)、端口表示和zui大時(shí)限等信息。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，具有zui小標(biāo)識(shí)號(hào)的通信終端將被為生成樹的根。zui初的網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)通信終端都宣稱自己是根，同時(shí)收發(fā)網(wǎng)絡(luò)上的配置BPDU報(bào)文，如果發(fā)現(xiàn)有別的通信終端的標(biāo)識(shí)比自己小時(shí)，則就不再宣稱自己是根了。這樣，隨著配置BPDU報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)中的傳播，所有通信終端zui終將達(dá)成共識(shí)，生成樹的根也就產(chǎn)生了。從每個(gè)通信終端的端口都會(huì)有一個(gè)被稱為根路徑花費(fèi)的參數(shù)，它是從該端口到根的所有路徑花費(fèi)之和。同一個(gè)通信終端里，具有zui小根路徑花費(fèi)的端口（若有相同的，則取端口標(biāo)識(shí)號(hào)較小的），被選為該通信終端的根端口。每一個(gè)由被監(jiān)測設(shè)備組成的局域網(wǎng)都會(huì)被連接到某個(gè)通信終端的端口（如同時(shí)連接到多個(gè)端口，則選擇到根的路徑花費(fèi)之和zui小的），這個(gè)端口就被選為該局域網(wǎng)的選取端口。zui后，網(wǎng)絡(luò)中所有根端口和選取端口將允許轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文，而其它的端口將被阻塞。

　　當(dāng)所有通信終端配置穩(wěn)定后，每隔一定時(shí)間，被選為根的通信終端將發(fā)送一次配置BPDU報(bào)文，更新每個(gè)通信終端維護(hù)的計(jì)數(shù)器。如果某個(gè)通信終端的計(jì)數(shù)器過期（可能因?yàn)閿?shù)據(jù)通路上的某條光纖和某個(gè)通信終端出現(xiàn)故障），該通信終端就會(huì)向根發(fā)送一種稱為拓?fù)渥兓ㄖ狟PDU的報(bào)文宣稱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。根收到后向所有通信終端發(fā)送拓?fù)渥兓ㄖ狟PDU。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)將重新配置生成樹，某些通信終端端口的工作狀態(tài)將改變，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自愈功能。考慮到網(wǎng)絡(luò)的傳播遲延，端口從阻塞狀態(tài)改變到轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)需要經(jīng)歷監(jiān)聽和學(xué)習(xí)兩個(gè)狀態(tài)，每次狀態(tài)的改變都要等到端口計(jì)時(shí)器超時(shí)才發(fā)生。如果直接把端口從阻塞狀態(tài)轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，可能會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)短暫的環(huán)路和幀的重復(fù)。

　　3.2.3 靈活接入的實(shí)現(xiàn)

　　實(shí)現(xiàn)生成樹算法后，通信模塊從接收到的BPDU幀中提取網(wǎng)絡(luò)信息，由微處理器計(jì)算每個(gè)通信終端每個(gè)端口的工作狀態(tài)，然后加以調(diào)整，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的靈活接入和故障恢復(fù)。如果調(diào)整原主站的通信終端標(biāo)識(shí)號(hào)，使之具有zui高優(yōu)先級(jí)，則它將被選為生成樹的根。由生成樹算法可以看出，每個(gè)通信終端都將盡可能地選擇一條到根zui近的路徑傳送數(shù)據(jù)。設(shè)備的接入可以采用就近原則，組網(wǎng)方式靈活。

　　3.3 光通信終端的硬件設(shè)計(jì)

光通信終端的整體結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由以太網(wǎng)通信模塊和嵌入式系統(tǒng)模塊構(gòu)成。

 

      

 

       3.3.1 以太網(wǎng)通信模塊

　　以太網(wǎng)通信模塊提供若干光纖和雙絞線通信接口。為了適應(yīng)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，要求各個(gè)通信端口之間可以互相轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，所以模塊采用交換式結(jié)構(gòu)，由SWITCH芯片來實(shí)現(xiàn)幀轉(zhuǎn)發(fā)功能。

　　 根據(jù)生成樹算法，SWITCH的端口工作在阻塞、監(jiān)聽、學(xué)習(xí)和轉(zhuǎn)發(fā)4種狀態(tài)。通信終端在初始化時(shí)所有端口被配置為阻塞狀態(tài)，并管理端口。管理端口直接同微處理器的MAC口相連，SWITCH收到的BPDU報(bào)文將通過管理端口發(fā)往微處理器。芯片SWITCH應(yīng)至少支持兩個(gè)光纖端口，這樣才能實(shí)現(xiàn)光纖環(huán)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)。同時(shí)，根據(jù)芯片SWITCH支持的光纖和雙絞線端口的個(gè)數(shù)，結(jié)合實(shí)際需要，配上相應(yīng)的芯片PHY和光纖收發(fā)器、隔離變壓器和RJ45插座就可組成通信終端端口。由于光纖以太網(wǎng)沒有自動(dòng)協(xié)商機(jī)制（auto–negotiation），可以將它配置成100Base-FX，全雙工模式；而相應(yīng)的雙絞線端口則可配置成自動(dòng)協(xié)商模式，使之10M/100M、半雙工/全雙工自適應(yīng)，增強(qiáng)設(shè)備的兼容性[3]。

　　3.3.2 嵌入式系統(tǒng)模塊

　　 嵌入式系統(tǒng)模塊主要由微處理器、SDRAM和FLASH芯片組成，協(xié)調(diào)整個(gè)通信終端的運(yùn)行。微處理器通過MAC口收發(fā)報(bào)文，通過SMI口訪問和控制SWITCH及PHY，所以芯片SWITCH是帶有管理功能的。微處理器還可以擴(kuò)展一些其它的通信接口（如CAN、SPI和UART等），以適應(yīng)不同的場合，提供多種通信功能。

　　 一個(gè)好的通信終端，不僅要能夠可靠地通信，還要提供功能強(qiáng)大、方便易用的網(wǎng)絡(luò)管理。傳統(tǒng)的單片機(jī)嵌入簡單的應(yīng)用程序已經(jīng)無法勝任，這就需要嵌入式操作系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)種類繁多，常見的有QNX、VxWorks、WinCE以及近來比較流行的Linux等。作為開放源代碼的自由軟件，Linux不僅價(jià)格便宜，而且有大量現(xiàn)成的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，因此選用了Linux。由于代碼開放，開發(fā)時(shí)可以對它們進(jìn)行修改以適應(yīng)自己的系統(tǒng)。

　　3.4 光通信終端的軟件設(shè)計(jì)

　　通信終端的軟件主要是建立一嵌入式Linux平臺(tái)，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)生成樹協(xié)議和高層網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議。建立平臺(tái)和實(shí)現(xiàn)協(xié)議有很多相關(guān)資料。需要提及的是，針對生成樹協(xié)議，通信終端對于不同類型的以太網(wǎng)幀應(yīng)該采取不同的處理辦法。

數(shù)據(jù)幀的流程圖如圖4所示。

     

 

光通信終端將收發(fā)兩種類型的以太網(wǎng)幀：普通以太網(wǎng)幀和BPDU幀。對于普通以太網(wǎng)幀，由處于轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)的端口接收，通信終端將根據(jù)其類型（單播、組播、廣播）向處于轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)的端口轉(zhuǎn)發(fā)。對于具有特殊組播地址的BPDU幀，由于生成樹算法工作在數(shù)據(jù)鏈路層，為此須對Linux的MAC驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行修改，在鏈路層截獲BPDU幀，而不把幀送到上一層——網(wǎng)絡(luò)層。同時(shí)需要編寫SWITCH的驅(qū)動(dòng)程序[4]，接收MAC驅(qū)動(dòng)截獲的BPDU報(bào)文，并且發(fā)送BPDU報(bào)文。由于無法知道何時(shí)會(huì)收到BPDU報(bào)文，發(fā)送緩沖區(qū)是否已滿，因此驅(qū)動(dòng)程序的read和write函數(shù)應(yīng)該被設(shè)計(jì)成阻塞型。同時(shí)，SWITCH驅(qū)動(dòng)程序提供ioctl函數(shù)，允許微處理器訪問其內(nèi)部寄存器，改變工作狀態(tài)。

　　3.5 通信的可靠性

　　 通信終端實(shí)現(xiàn)的生成樹協(xié)議使得網(wǎng)絡(luò)適用于復(fù)雜的網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，比起簡單的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，其節(jié)點(diǎn)間可以有更多的通路，從而增強(qiáng)了通信的可靠性和抵御故障的能力。通信網(wǎng)絡(luò)采用以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，在數(shù)據(jù)鏈路層提供幀的CRC校驗(yàn)，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。同時(shí)，以太網(wǎng)的流量控制機(jī)制可避免網(wǎng)絡(luò)在高負(fù)荷情況下因緩沖擁塞造成的丟幀現(xiàn)象。zui后，通信終端嵌入Linux操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議，從而保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃浴?/div>