一种国产化设计的冗余光口单向传输数据实现系统和方法
阅读说明：本技术 一种国产化设计的冗余光口单向传输数据实现系统和方法 (System and method for realizing one-way transmission data of domestic-design redundant optical port ) 是由 王伟 高渊 凌彬堃 白冬庆 于 2021-10-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种国产化设计的冗余光口单向传输数据实现系统,包括发送端模块电路和接收端模块电路。发送端模块电路使用国产高速差分信号扇出扩展模块,进行差分信号的冗余并通过单条光纤从发送端光模块的发送口,向接收端模块电路的接收端光模块的接收口发送信号,切断发送端模块电路的接收端和接收端模块电路的发送端的物理链路上的通路,这样既实现了线路上的完全物理隔离,又能保证数据在线路之间实时、可靠、安全的单向传输,且本发明采用国产器件设计技术,相较于采用国外芯片设计技术,符合自主可控、安全可靠的要求。(The invention discloses a system for realizing one-way transmission data of a domestic-design redundant optical port, which comprises a sending end module circuit and a receiving end module circuit. The sending end module circuit uses a domestic high-speed differential signal fan-out extension module to carry out redundancy of differential signals, sends signals to a receiving port of a receiving end optical module of the receiving end module circuit from a sending port of the sending end optical module through a single optical fiber, and cuts off a path on a physical link of a receiving end of the sending end module circuit and a sending end of the receiving end module circuit, so that complete physical isolation on a line is realized, and real-time, reliable and safe one-way transmission of data between the lines can be guaranteed.)
技术领域
本发明涉及一种国产化设计的冗余光口单向传输数据实现系统和方法。
背景技术
在以太网网络光通信安全领域中，经常需要用到以下场景：发送端设备只发送以太网数据帧而不接受以太网数据帧，接收端设备只接受以太网数据帧而不发送以太网数据帧，即以太网仅使用光纤作为传输介质，并且仅从发送端设备向接收端设备发送数据，从而实现两侧网络的单向传输及物理安全隔离。同时为了保证传输数据的可靠性，往往需要对发送端设备接口进行冗余处理。
中国专利公开了一种通过光口单向传输数据系统及方法，申请号为CN202011604359.1，技术方案为：一种通过光口单向传输数据系统，包括发送端电路模块、发送端光电模块、接收端光电模块和接收端电路模块。发送端电路模块通过光口向接收端电路模块发送link码流信号，实现了自身和接收端电路模块的网络链路处于link up状态，且在发送端电路模块、发送端光电模块、接收端光电模块和接收端电路模块中均切断接收端至发送端的电信号通路和光信号通路，从而确保完全物理隔离，发送端电路模块只能向接收端电路模块传输数据，安全性更高。
从现有技术公开的技术方案可知，现有技术虽然解决了数据传输安全性的问题，但是在数据传输可靠性方面未见好的解决方案，存在数据传输不可靠性的问题。
发明内容
本发明提供了一种国产化设计的冗余光口单向传输数据实现系统及方法，可提高传输数据的可靠性，技术方案如下：
一种国产化设计的冗余光口单向传输数据实现系统，包括发送端模块电路和接收端模块电路。
所述发送端模块电路包括第一以太网物理层芯片、高速差分信号扇出扩展模块和冗余发送端光电信号转换模块；所述接收端模块电路包括第二以太网物理层芯片和冗余接收端光电信号转换模块。
所述第一以太网物理层芯片将接收的以太网RJ45信号转换成SerDes信号，并经高速差分信号扇出扩展模块对其进行逻辑处理并中继扇出成两路相同的信号传输给所述冗余发送端光电信号转换模块，所述冗余发送端光电信号转换模块将接收到信号转换成光信号并通过光介质传输给所述冗余接收端光电信号转换模块，所述冗余接收端光电信号转换模块接收到所述光信号后转换成所述SerDes信号并传输给所述第二以太网物理层芯片，所述第二以太网物理层芯片将所述SerDes信号转换成RJ45口信号传输给网卡单元。
所述发送端模块电路的发送引脚与所述接收端模块电路的接收引脚相连，所述发送端模块电路的接收引脚与所述接收端模块电路的发送引脚不相连，从而实现冗余单向传输。
进一步地，所述冗余发送端光电信号转换模块包括第一发送端标准光信号SFP接口、第二发送端标准光信号SFP接口；所述第一发送端标准光信号SFP接口内置有第一发送端光模块，所述第二发送端标准光信号SFP接口内置有第二发送端光模块；
所述冗余接收端光电信号转换模块包括第一接收端标准光信号SFP接口、第二接收端标准光信号SFP接口；所述第一接收端标准光信号SFP接口内置有第一接收端光模块，所述第二接收端标准光信号SFP接口内置有第二接收端光模块。
进一步地，所述发送端模块电路的发送引脚与所述接收端模块电路的接收引脚相连，所述发送端模块电路的接收引脚与所述接收端模块电路的发送引脚不相连，从而实现冗余单向传输，具体是:
所述第一以太网物理层芯片将接收的以太网RJ45信号转换成SerDes信号，并经高速差分信号扇出扩展模块对其进行逻辑处理，并中继扇出成两路相同的信号分别传输给所述第一接收端标准光信号SFP接口和所述二接收端标准光信号SFP接口的发送管脚，并分别经其内置的第一发送端光模块和第二发送端光模块对所述信号进行光电转换成光信号，所述第一发送端光模块、第二发送端光模块分别通过其发送管脚将所述光信号通过光介质发送给所述第一接收端光模块、第二接收端光模块的接收管脚；
所述第一接收端光模块、第二接收端光模块对所述光信号进行解析并光电转换成SerDes信号，且分别通过所述第一接收端标准光信号SFP接口和第二接收端标准光信号SFP接口的接收管脚将所述SerDes信号传输给所述第二以太网物理层芯片的接收管脚，所述第二以太网物理层芯片将所述SerDes信号转换成RJ45口信号后传输给所述网卡单元；
进一步地，所述第一以太网物理层芯片和第二以太网物理层芯片相同，均采用国产芯片，型号为YT8614H。
进一步地，所述高速差分信号扇出扩展模块采用国产芯片，型号为Au5411A-QMT。
进一步地，所述冗余发送端光电信号转换模块和冗余接收端光电信号转换模块相同。
进一步地，所述第一发送端光模块、第二发送端光模块、第一接收端光模块、第二接收端光模块均为千兆SFP光模块。
进一步地，所述光介质为单光纤。
本发明还提供了一种国产化设计的冗余光口单向传输数据实现方法，包括以下步骤；
步骤1：强制实现发送端模块电路的网络链路处于link up状态
通过修改第一以太网物理层芯片的特定状态控制寄存器的配置，使所述特定状态控制寄存器中的千兆单向配置端口为单向传输，并强制实现所述第一以太网物理层芯片的发送端网络链路处于link up状态。
所述第一以太网物理层芯片将以太网RJ45信号转换成SerDes信号并发送给高速差分信号扇出扩展模块，所述高速差分信号扇出扩展模块将所述SerDes信号分成两路相同的数据信号分别传输给第一发送端标准光信号SFP接口、第二发送端标准光信号SFP接口内置的第一发送端光模块和第二发送端光模块的发送管脚上，而第一发送端光模块和第二发送端光模块的接收管脚处于断开状态，从而实现发送端模块电路的冗余单向传输，在保证数据传输单向性的同时冗余功能也保证了数据传输的可靠性。
步骤2：将发送端模块电路中的数据信号经过光电转换后通过光介质发送给接收端模块电路的接收光模块
所述第一发送端光模块和第二发送端光模块将所述数据信号进行光电转换成光信号，并分别通过其发送管脚经光介质将所述光信号传输给第一接收端光模块和第二接收端光模块的接收引脚，所述第一发送端光模块的接收引脚与第一接收端光模块的发送引脚不连接光介质，所述第二发送端光模块的接收引脚与第二接收端光模块的发送引脚不连接光介质，从而实现了发送端模块电路至接收端模块电路的单向传输。
步骤3：强制实现接收端模块电路的网络链路处于link up状态
通过修改第二以太网物理层芯片的特定状态控制寄存器的配置，使所述特定状态控制寄存器中的千兆单向配置端口为单向传输，并强制实现所述第二以太网物理层芯片的网络链路处于link up状态。
所述第一接收端光模块、第二接收端光模块接收到所述光信号后进行解析并进行光电转换成SerDes信号，再分别通过第一接收端标准光信号SFP接口、第二接收端标准光信号SFP接口的接收管脚将所述SerDes信号传输给所述第二以太网物理层芯片的多个接收端，从而保证接收端模块电路接收信号的可靠性，所述第一接收端标准光信号SFP接口和第二接收端标准光信号SFP接口的发送管脚始终没有任何连接，从而实现了接收端模块电路与发送端模块电路的物理隔离；所述第二以太网物理层芯片将所述SerDes信号转换成RJ45信号并传输给网卡单元。
进一步地，所述步骤1中修改第一以太网物理层芯片的特定状态控制寄存器的配置的具体方法为：
首先，关闭发送端模块电路autosensing；然后，关闭发送端模块电路的自动协商功能并强制成千兆；最后，使能发送端模块电路为单向；
所述步骤3中修改第二以太网物理层芯片的特定状态控制寄存器的配置的具体方法为：
首先，关闭接收端模块电路autosensing；然后，关闭接收端模块电路的自动协商功能并强制成千兆；最后，使能接收端模块电路为单向。
本发明发送端模块电路使用国产高速差分信号扇出扩展模块，进行差分信号的冗余并通过单条光纤从发送端光模块的发送口，向接收端模块电路的接收端光模块的接收口发送信号，切断发送端模块电路的接收端和接收端模块电路的发送端的物理链路上的通路，这样既实现了线路上的完全物理隔离，又能保证数据在线路之间实时、可靠、安全的单向传输。
附图说明
图1：本发明一种国产化设计的冗余光口单向传输数据实现系统架构示意图。
图2：本发明发送端模块电路的原理图。
图3：国产网卡芯片U1的部分原理图。
图4：本发明接收端模块电路的原理图。
图5：国产网卡芯片U6的部分原理图。
图6：本发明一种国产化设计的冗余光口单向传输数据实现方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
实施例一：
如图1至图5所示，一种国产化设计的冗余光口单向传输数据实现系统，包括发送端模块电路和接收端模块电路。
所述发送端模块电路包括国产以太网物理层芯片U2及其附属电路、AC耦合电容C5和C6、国产高速差分信号扇出扩展模块U3、标准光信号SFP接口J2A和标准光信号SFP接口J2B。其中，所述国产高速差分信号扇出扩展模块U3采用国产SerDes Buffer芯片。
所述接收端模块电路包括国产以太网物理层芯片U4及其附属电路、AC耦合电容C15和C16、AC耦合电容C19和C20、标准光信号SFP接口J3A和标准光信号SFP接口J3B。
国产网卡芯片U1把PCIE信号转换成以太网RJ45信号传输给所述国产以太网物理层芯片U2，所述国产以太网物理层芯片U2将接收到的所述RJ45信号转换成SerDes信号，并通过其管脚93和94将所述SerDes信号经过AC耦合电容C5和C6传输至国产SerDes Buffer芯片U3的管脚20和21。
所述产SerDes Buffer芯片U3将接收到的所述SerDes信号经过逻辑处理并中继还原成两路同样的所述SerDes信号进行输出。
其中一路所述SerDes信号通过所述SerDes Buffer芯片U3的管脚1和2传输给所述标准光信号SFP接口J2B的管脚B18和B19。另一路所述SerDes信号通过所述SerDes Buffer芯片U3的管脚3和4传输给所述标准光信号SFP接口J2A的管脚A18和A19。
常见SerDes信号有CML、LVDS、PECL、LVPECL，本实施例采用的SerDes Buffer芯片U3是一种可以把LVPECL、LVDS、CML、SSTL这些电平扩展成多路LVPECL、LVDS、HCSL电平的Buffer芯片。所述国产以太网物理层芯片U2输出的SerDes信号为CML电平满足SerDesBuffer芯片要求，输出的电平是LVPECL，满足SerDes接口的要求。如此所述SerDes Buffer芯片U3与所述国产以太网物理层芯片U2电平相匹配，这种设计的技术方案好处在于不需要在外部放置电平转换阻容电路，从而确保传输更稳定可靠。
所述标准光信号SFP接口J2A和J2B接收到所述SerDes信号后，经过对其进行光电转换成光信号后，并分别通过各内置的发送端光电模块的发送口将所述光信号经单光纤分别传输给所述标准光信号SFP接口J3A和J3B各内置的接端光电模块的接收口。所述发送端光电模块的接收口断开，即发送端光模块只能通过其发送口发送信号，其接收口不能接收任何数据。
所述标准光信号SFP接口J3A内置的接收端光模接将收到的所述光信号后进行解析并光电转换还原成所述SerDes信号，并将所述SerDes信号通过所述标准光信号SFP接口J3A的管脚A12和A13，并经AC耦合电容C16、C15，传输给国产以太网物理层芯片U4的管脚96、97。
所述标准光信号SFP接口J3B内置的接收端光模接将收到的所述光信号后进行解析并光电转换还原成所述SerDes信号，并将所述SerDes信号通过所述标准光信号SFP接口J3B的管脚B12和B13，并经AC耦合电容C20、C19，传输给国产以太网物理层芯片U4的管脚90、91。
所述国产以太网物理层芯片U4用以将所述SerDes信号转化为RJ45信号并发送给国产网卡芯片U6。
所述接收端模块电路中的接收端光模块的发送口没有连接，即接收端光模块只能通过其接收口单向地接收所述发收端模块电路发过来的数据，其发送口不发送任何数据。
通过这样设计：
1、本实施例实现了发送端模块电路与接收端模块电路的物理隔离，也就是实现了发送端模块电路通过光口将数据单向地传输给接收端模块电路，而接收端模块电路则不能向发送端模块电路传输数据。
2、本实施例接发送端模块电路采用冗余光电模块设计，接收端模块电路也采用冗余光电模块设计，从而发送端模块电路将数据冗余发送给接收端模块电路，接收端模块电路冗余接收数据后再冗余传输其国产以太网物理层芯片U4，最后国产以太网物理层芯片U4将接收到的数据输出给国产网卡芯片U6，采用冗余设计技术，实现了传输数据的可靠性。
本实施例中，所述国产SerDes Buffer芯片U3的型号为Au5411A-QMT，所述国产以太网物理层芯片U2和U4相同，型号为YT8614H。所述接收端光模块和发送端光模块均为千兆SFP光模块。
综上，本实施例可实现传输数据的安全性和可靠性，且采用国产器件设计技术，相较于采用国外芯片设计技术，符合自主可控、安全可靠的要求。
实施例二：
如图6所示，一种国产化设计的冗余光口单向传输数据实现方法，包括以下步骤；
步骤1：强制实现发送端模块电路的网络链路处于link up状态
通过修改国产以太网物理层芯片U2的特定状态控制寄存器的配置，使所述特定状态控制寄存器中的千兆单向配置端口(即Port0端口)为单向传输，并强制实现所述国产以太网物理层芯片U2的发送端网络链路处于link up状态。
所述特定状态控制寄存器是指SGMII空间寄存器，分sgmii_ext_reg,sgmii_mii_reg,ext_reg，主要用来配置SGMII/Fiber相关的功能。
sgmii_ext_reg，ext_reg，sgmii_mii_reg这些寄存器的操作如下所示：
SGMII空间寄存器的读写，需要先选择SGMII地址空间，再对相应的fiber port的寄存器进行读/写操作，比如：
write_ext_reg(PhyBaseAddr,0xa000,0x3)：选择SGMII地址空间；
read_sgmii_mii_reg(PhyBaseAddr+0,0x1)：读取fiber port0的mii_reg0x1的值；
write_sgmii_mii_reg(PhyBaseAddr+1,0x0,0x9140)：写fiber port1的mii_reg0x0的值为0x9140。
具体修改发送端模块电路国产以太网物理层芯片U2的特定状态控制寄存器(即修改配置为1000BX(千兆)单向配置端口)的方法如下：
首先，关闭自动侦测，具体配置为：
write_sgmii_ext_reg(PhyBaseAddr+0,0xa5[15],1’b0：关闭autosensing；
其次，强制为1000BX(千兆)，具体配置为：
write_ext_reg(PhyBaseAddr+0,0xa009[0],1’b1)：强制发送端模块电路为1000BX(千兆)；
再其次，关闭发送端模块电路1000BX(千兆)自动协商，具体配置为：
write_sgmii_mii_reg(PhyBaseAddr+0,0x0[12],1’b0)：关闭1000BX(千兆)自动协商；
最后，使能发送端模块电路为单向，具体配置为：
write_sgmii_mii_reg(PhyBaseAddr+0,0x0[5],1’b1)：使能单向。
所述发送端模块电路国产以太网物理层芯片U2将国产网卡芯片U1传输来的以太网RJ45信号转换成SerDes信号并发送给国产SerDes Buffer芯片U3，所述国产SerDesBuffer芯片U3将所述SerDes信号分成两路相同的数据信号分别传输给标准光信号SFP接口J2A和J2B各内置的发送端光模块的发送管脚上，各发送端光模块的接收管脚处于断开状态，从而实现发送端模块电路的冗余单向传输，在保证数据传输单向性的同时冗余功能也保证了数据传输的可靠性；
步骤2：将发送端模块电路中的数据信号经过光电转换后通过光介质发送给接收端模块电路的接收光模块
所述标准光信号SFP接口J2A和J2B各内置的发送端光模块将接收到的所述SerDes信号进行光电转换成光信号，并分别通过其发送管脚经光介质将所述光信号传输给所述标准光信号SFP接口J3A和J3B各内置的接收端光模块的接收引脚，所述送端光模块的接收引脚与接收端光模块的发送引脚不连接光介质，从而实现了发送端模块电路至接收端模块电路的单向传输；
步骤3：强制实现接收端模块电路的网络链路处于link up状态
通过修改接收端模块电路国产以太网物理层芯片U4的特定状态控制寄存器的配置，使所述特定状态控制寄存器中的千兆单向配置端口为单向传输，并强制实现所述国产以太网物理层芯片U4的网络链路处于link up状态。
具体修改接收端模块电路国产以太网物理层芯片U4的特定状态控制寄存器(即修改的配置1000BX(千兆)单向配置端口)的方法如下：
首先，关闭自动侦测，具体配置为：
write_sgmii_ext_reg(PhyBaseAddr+0,0xa5[15],1’b0：关闭autosensing；
其次，强制为1000BX(千兆)，具体配置为：
write_ext_reg(PhyBaseAddr+0,0xa009[0],1’b1)：强制接收端模块电路为1000BX(千兆)；
再其次，关闭接收端模块电路1000BX(千兆)自动协商，具体配置为：
write_sgmii_mii_reg(PhyBaseAddr+0,0x0[12],1’b0)：关闭1000BX(千兆)自动协商；
最后，使能收端模块电路为单向，具体配置为：
write_sgmii_mii_reg(PhyBaseAddr+0,0x0[5],1’b1)：使能单向。
所述标准光信号SFP接口J3A和J3B各内置的接收端光模块接收到所述光信号后对其进行解析并光电转换成SerDes信号，再将所述SerDes信号分别通过标准光信号SFP接口J3A和J3B的接收管脚传输给国产以太网物理层芯片U4的对应接收端，从而保证接收端模块电路接收信号的可靠性。所述标准光信号SFP接口J3A和J3B的发送管脚始终没有任何连接，从而实现了接收端模块电路与发送端模块电路的物理隔离；所述国产以太网物理层芯片U4将所述SerDes信号转换成RJ45信号并传输给国产网卡芯片U6。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。
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