雙環(huán)的運行機制有兩種：一種是單環(huán)運行，另一環(huán)處于備份狀態(tài)，僅在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時構(gòu)成自愈環(huán)；另一種是雙環(huán)同時運行[1]，如圖1所示，信號在A、B 兩環(huán)上單獨傳輸，正常運行時，由雙環(huán)切換控制器選擇其中一個環(huán)傳輸信息，如果環(huán)路出現(xiàn)故障（如在圖中K點光纖網(wǎng)被切斷），則子站自動把接收到的信號切換到另一個環(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)備接入點變動頻繁的配電網(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)運行機制則另一環(huán)處于閑置狀態(tài)，沒有得到充分利用；若采用雙環(huán)運行機制則無論主站還是子站發(fā)出的報文都將在兩個環(huán)內(nèi)同時傳遞，會大大增加網(wǎng)絡(luò)負擔。

　　 （2）當環(huán)網(wǎng)中增加新的節(jié)點時，如圖2左邊所示，需在子站1和2之間增加一個通信節(jié)點，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，而且整個網(wǎng)絡(luò)也會因此暫時中斷運行。

　　 （3）當新增加一批配電網(wǎng)現(xiàn)場監(jiān)測單元時，通常會將這些設(shè)備接入一個由光端機新組成的環(huán)網(wǎng)，并在某個子站（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，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)拓撲結(jié)構(gòu)很難適應(yīng)，如在同一個子站上切入多個環(huán)網(wǎng)時，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)就會非常復(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)拓撲結(jié)構(gòu)，而且當增加新設(shè)備時應(yīng)當具有接入靈活的特點。這樣才能夠適應(yīng)配電網(wǎng)的特點，構(gòu)造出體系復(fù)雜、維護方便的配電網(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

 

　　3.1 光通信終端功能設(shè)計

　　 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，數(shù)據(jù)選擇zui近的路徑進行傳輸，網(wǎng)絡(luò)中不存在數(shù)據(jù)的副本，減輕了每個通信終端的負擔。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)合各種拓撲結(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以太網(wǎng)接口與現(xiàn)場監(jiān)測單元進行互聯(lián)。當然，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)中可能會存在冗余路徑；有時為了保證某些節(jié)點的通信可靠性，會增加備用線路或配置成環(huán)網(wǎng)?？紤]到光通信終端設(shè)計成任何端口都能轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，所以如果沒有特別的措施，以太網(wǎng)中的廣播報文將會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)大量的環(huán)路消息，產(chǎn)生廣播風暴（broadcast storms）。廣播風暴將占用大量的網(wǎng)絡(luò)資源，嚴重影響了整個網(wǎng)絡(luò)的性能。

　　3.2.2 生成樹協(xié)議的實現(xiàn)

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

　　生成樹算法要求每個通信終端具有*的標識號；每個通信終端的端口具有在本通信終端內(nèi)*的標識號；有一個特定的MAC多播地址，能被局域網(wǎng)上所有的通信終端識別。由于每個通信終端都具有一48b的MAC地址，終端標識號可以由部分MAC地址和一可調(diào)整的優(yōu)先級組成。端口的標識號可用小整數(shù)來分配。標識號越小對應(yīng)的優(yōu)先級越高。此外，還需要為每個端口一路徑花費（即幀通過該端口時在局域網(wǎng)中傳輸?shù)幕ㄙM），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的幀來計算生成樹。配置BPDU中包含了諸如根標識號、通信終端標識號、根路徑花費、端口表示和zui大時限等信息。整個網(wǎng)絡(luò)中，具有zui小標識號的通信終端將被為生成樹的根。zui初的網(wǎng)絡(luò)中，每個通信終端都宣稱自己是根，同時收發(fā)網(wǎng)絡(luò)上的配置BPDU報文，如果發(fā)現(xiàn)有別的通信終端的標識比自己小時，則就不再宣稱自己是根了。這樣，隨著配置BPDU報文在網(wǎng)絡(luò)中的傳播，所有通信終端zui終將達成共識，生成樹的根也就產(chǎn)生了。從每個通信終端的端口都會有一個被稱為根路徑花費的參數(shù)，它是從該端口到根的所有路徑花費之和。同一個通信終端里，具有zui小根路徑花費的端口（若有相同的，則取端口標識號較小的），被選為該通信終端的根端口。每一個由被監(jiān)測設(shè)備組成的局域網(wǎng)都會被連接到某個通信終端的端口（如同時連接到多個端口，則選擇到根的路徑花費之和zui小的），這個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)報文，而其它的端口將被阻塞。

　　當所有通信終端配置穩(wěn)定后，每隔一定時間，被選為根的通信終端將發(fā)送一次配置BPDU報文，更新每個通信終端維護的計數(shù)器。如果某個通信終端的計數(shù)器過期（可能因為數(shù)據(jù)通路上的某條光纖和某個通信終端出現(xiàn)故障），該通信終端就會向根發(fā)送一種稱為拓撲變化通知BPDU的報文宣稱網(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)送拓撲變化通知BPDU。整個網(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，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自愈功能?？紤]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)習兩個狀態(tài)，每次狀態(tài)的改變都要等到端口計時器超時才發(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 靈活接入的實現(xiàn)

　　實現(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，由微處理器計算每個通信終端每個端口的工作狀態(tài)，然后加以調(diào)整，實現(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識號，使之具有zui高優(yōu)先級，則它將被選為生成樹的根。由生成樹算法可以看出，每個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

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)習和轉(zhuǎn)發(fā)4種狀態(tài)。通信終端在初始化時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)至少支持兩個光纖端口，這樣才能實現(xiàn)光纖環(huán)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)。同時，根據(jù)芯片SWITCH支持的光纖和雙絞線端口的個數(shù)，結(jié)合實際需要，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)沒有自動協(xié)商機制（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協(xié)商模式，使之10M/100M、半雙工/全雙工自適應(yīng)，增強設(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)整個通信終端的運行。微處理器通過MAC口收發(fā)報文，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。

　　 一個好的通信終端，不僅要能夠可靠地通信，還要提供功能強大、方便易用的網(wǎng)絡(luò)管理。傳統(tǒng)的單片機嵌入簡單的應(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不僅價格便宜，而且有大量現(xiàn)成的設(shè)備驅(qū)動程序，因此選用了Linux。由于代碼開放，開發(fā)時可以對它們進行修改以適應(yīng)自己的系統(tǒng)。

　　3.4 光通信終端的軟件設(shè)計

　　通信終端的軟件主要是建立一嵌入式Linux平臺，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)生成樹協(xié)議和高層網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議。建立平臺和實現(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)動程序進行修改，在鏈路層截獲BPDU幀，而不把幀送到上一層——網(wǎng)絡(luò)層。同時需要編寫SWITCH的驅(qū)動程序[4]，接收MAC驅(qū)動截獲的BPDU報文，并且發(fā)送BPDU報文。由于無法知道何時會收到BPDU報文，發(fā)送緩沖區(qū)是否已滿，因此驅(qū)動程序的read和write函數(shù)應(yīng)該被設(shè)計成阻塞型。同時，SWITCH驅(qū)動程序提供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)狀拓撲結(jié)構(gòu)，比起簡單的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，其節(jié)點間可以有更多的通路，從而增強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，以保證數(shù)據(jù)的準確性。同時，以太網(wǎng)的流量控制機制可避免網(wǎng)絡(luò)在高負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)實現(xiàn)了標準的TCP/IP協(xié)議，從而保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃浴?/div>