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引言 近年隨著(zhù)光纖技術(shù)的飛速發(fā)展．光纖的應用由最初的傳像、醫療診斷發(fā)展到通信網(wǎng)絡(luò )上。作為新一代的傳輸介質(zhì)．光纖光纜與銅質(zhì)介質(zhì)相比．無(wú)論是在安全性、可靠性．還足抗十擾性方面都有了很大的提高．具有抗電磁干擾性好、保密性強、速度快、傳輸容量大等優(yōu)點(diǎn)。 作為網(wǎng)絡(luò )通訊的首要問(wèn)題——安全．在光纖網(wǎng)絡(luò )通訊中也同樣重要。本文根據實(shí)際情況，設計一種光纖旁路保護器．當異常情況發(fā)牛時(shí)．旁路保護器在硬件上斷開(kāi)光通路．使光通路繞過(guò)防火墻直接接入互聯(lián)網(wǎng)：待異常解除后，保護器自動(dòng)將防火墻串聯(lián)入光路．從而保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò )安全通暢。 1 總體設計 本設計的主要目的是利用MSP430單片機豐富的內部資源，配合以太網(wǎng)控制芯片CS8900和精密的光學(xué)元件．設計出一種性?xún)r(jià)較高的光纖旁路保護器。該旁路保護器與防火墻設備配合使用能實(shí)現光纖網(wǎng)絡(luò )安全的完美保護。 旁路保護器硬件上采用MSP430F149為主處理器．通過(guò)以太網(wǎng)接口與防火墻進(jìn)行通訊．通過(guò)RS-232接El管理參數。當旁路器在設置的故障時(shí)間內未收到防火墻發(fā)來(lái)的心跳信號時(shí)．旁路器便控制微機械光開(kāi)關(guān)切換光路．使光通路繞過(guò)防火墻直接接入網(wǎng)絡(luò )：在收到心跳信號時(shí)．旁路器將防火墻接人光路。為了確保旁路保護器安全．設計上采用硬件與軟件結合進(jìn)行參數設置．即需要設置參數時(shí)，須按下設置開(kāi)關(guān)并同時(shí)重新啟動(dòng)旁路器。整個(gè)系統硬件框圖如圖1所示。 
圖1 硬件連接圖 2 硬件電路設計 2．1 單片機電路設計 考慮到旁路器僅接收防火墻發(fā)來(lái)的心跳信號和一些讀取參數命令．對傳輸數據吞吐量要求不高，而對響應實(shí)時(shí)性要求較高．本設計選用TI公司的16位超低功耗單片機MSP430F149作為主處理器。該單片機支持2.7～3.6V電壓工作，時(shí)鐘頻率可達8MHz，內部集成60K flash、2K RAM、3組16位定時(shí)器、8通道12位AD、豐富的時(shí)鐘源、JTAG調試模塊、6組8位的通用IO端口、2路UART等資源。此單片機硬件設計簡(jiǎn)單．開(kāi)發(fā)成本低．開(kāi)發(fā)周期短。限于篇幅．此處不再列出具體的硬件電路圖。在具體連接上，使用P1.0-P1.5控制兩路2x2光開(kāi)關(guān)，P1.6和P1.7控制指爾當前光纖通路狀態(tài)的指示燈．P4.0～P4.7與CS8900的8位數據總線(xiàn)連接．P5.0～P5.3與CS8900的地址總線(xiàn)低4位相連。P5.4 P5.5 P5.6分別與CS8900的IOW IORRST連接。 2．2 以太網(wǎng)控制芯片電路設計 系統中以太網(wǎng)控制芯片采用Crystal公司的CS8900A。CS8900A是一款功耗低、集成度較高、完全支持IEEE802.3標準的10M以太網(wǎng)控制器．支持I/O操作、存儲器操作和DMA操作三種操作模式。本文采用CS8900A的I/O操作模式，8個(gè)16位I/O口分別與片內8個(gè)16位寄存器對應．8個(gè)16位寄存器被映射為16個(gè)連續的8位I/O空間，具體與MCU連接圖如圖2所示。CS8900的I/O基地址為Ox300H，復位后默認選擇Ox300H，并且一直按此地址工作，因此在硬件設計上，CS8900的地址總線(xiàn)SA10-SA19和SA4～SA7直接接地．SA8和SA9接VCC．SA3-SA0作為實(shí)際使用的地址總線(xiàn)與MCU的P5.3～P5.0連接。
圖2 CS8900A與MCU連接圖 2．3 光路切換電路設計 設計中使用微機械光開(kāi)關(guān)從物理I：切換光路．光開(kāi)關(guān)選用桂林光隆公司的SUN-FSW型2x2B多模微機械光開(kāi)關(guān)。此光開(kāi)關(guān)支持兩路光路同時(shí)切換．3.3V電平驅動(dòng)．可以很方便的與MSP430連接，實(shí)現光路切換功能。同時(shí)，此光開(kāi)關(guān)具有損耗小，切換壽命長(cháng)達1000萬(wàn)次，切換時(shí)間小于8ms等特點(diǎn)。 參考光開(kāi)關(guān)說(shuō)明書(shū)知．光開(kāi)關(guān)有Bar和Cross兩種狀態(tài)。在Bar狀態(tài)下，其電驅動(dòng)輸入引腳1、5、6和10必須懸空(即高阻狀態(tài))；在Cross狀態(tài)下，電驅動(dòng)輸入引腳1接高電平，引腳1O接地，引腳5和6懸空。光開(kāi)關(guān)驅動(dòng)引腳接入同定電平時(shí)驅動(dòng)能力必須大于25mA．考慮到MCU的I/0口驅動(dòng)能力不夠．在設計時(shí)使用2片74HC573來(lái)驅動(dòng)2片2x2B光開(kāi)關(guān)。為了提高驅動(dòng)能力，分別將每片74HC573的4個(gè)輸入引腳和輸出引腳并聯(lián)．實(shí)現一片573控制一片光開(kāi)關(guān)．通過(guò)控制573的輸出使能信號來(lái)實(shí)現光開(kāi)關(guān)的電驅動(dòng)引腳的懸空和接入固定電平功能．實(shí)際調試表明，這種控制方法簡(jiǎn)單。效果相當好。限于篇幅．此處不再列出具體硬件電路圖。 2．4 Rs-232接口設計 出于安全性考慮，旁路器只能使用串口在XP系統的超級終端下設置參數。用MCU內集成的串口1配合美信公司的電平轉換芯片MAX3232完成RS-232接口設計。 3 軟件實(shí)現 軟件設計采用模塊化設計思想．整個(gè)系統的軟件主要由TCP/IP模塊、協(xié)議加密處理模塊、光開(kāi)關(guān)控制模塊和參數設置菜單模塊構成。整個(gè)系統軟件流程圖如圖3所示。
圖3 系統軟件流程圖 3．1 TCP/IP協(xié)議棧實(shí)現 考慮到旁路器對信息響應的實(shí)時(shí)性要求較高，而數據的合法件交由具體數據協(xié)議保證，本文對TCP/IP協(xié)議進(jìn)行裁減．僅利用其中的UDP(用戶(hù)數據報協(xié)議)、IP(網(wǎng)絡(luò )報文協(xié)議)、ARP(地址解析協(xié)議)及簡(jiǎn)單的應用層協(xié)議．實(shí)現了單片機的網(wǎng)絡(luò )互連，提高了數據傳輸的速度和效率。協(xié)議中需要的IP地址、默認網(wǎng)關(guān)、子網(wǎng)掩碼、目的IP、端口號等信息保存在單片機的IN F0 A段Flash存儲器中。協(xié)議中．在接收到數據包時(shí)，按協(xié)議層次關(guān)系由上至下解析協(xié)議報頭：發(fā)送數據包時(shí)．則按照協(xié)議自下而上添加報頭。圖4的流程網(wǎng)顯示了利用協(xié)議棧處理接收數據幀的整個(gè)過(guò)程．發(fā)送則是相反過(guò)程。
圖4 TCP/IP協(xié)議棧處理接收數據流程 本設計僅僅使用了UDP服務(wù)．通過(guò)協(xié)議棧的UDP數據交由數據解密模塊解析命令．對IP數據不作任何處理。如果接收的數據是ARP數據包．則程序轉入ARP處理程序處理ARP數據包。 3．2 協(xié)議加密及命令處理 考慮到通訊的安全性．本文采用密鑰長(cháng)度可變的RC4流密碼加密算法。RC4算法的原理和計算簡(jiǎn)單．僅包括初始化算法和偽隨機子密碼生成算法兩大部分．很適合在MCU中實(shí)現。此外，RE4算法的解密也相當簡(jiǎn)單，只需對加密后的數據再進(jìn)行一次加密便得到加密前的原始數據。 除去TCP/IP的包頭和包尾信息，實(shí)際通訊中的命令長(cháng)度為8字節．每個(gè)字節均通過(guò)RC4加密算法加密發(fā)送至對方。具體含義如表1所示。 表1 通訊數據格式
幀頭：表明此幀數據的有效性 命令：表明此幀命令的類(lèi)型 數據：有效數據的內容，此5字節的數據僅對旁路器向防火墻發(fā)送的數據有效
圖5 命令處理軟件流程圖 圖5顯示了其命令處理的軟件流程圖，其中讀取信息命令包含讀取設置的時(shí)間間隔信息和讀取設置的8個(gè)目的IP信息，讀取目的IP時(shí)，每次只讀取一個(gè)目的IP。 4 數據測試 經(jīng)過(guò)測試，系統的響應時(shí)問(wèn)數據如表2所示。 表2 響應時(shí)間數據
測試過(guò)程中MCU的時(shí)鐘頻率為8MHz．光路動(dòng)作時(shí)間是指在光路繞過(guò)防火墻情況下．從防火墻發(fā)送心跳信號到光路切換完成所需要的時(shí)間。參考光開(kāi)關(guān)手冊，光開(kāi)關(guān)切換需要8ms，而系統測試得到的時(shí)間為15ms，分析其原因，主要是因為T(mén)CP/IP協(xié)議棧處理需要7ms。 5 結論 經(jīng)以上分析測試，本旁路器具有響應快、成本低、運行穩定、功耗低等特點(diǎn)，具有很好的適用價(jià)值和推廣價(jià)值。目前該旁路器已產(chǎn)品化，逐步推向市場(chǎng)。 本文創(chuàng )新點(diǎn)：硬件上充分利用MSP430單片機高集成、低功耗的優(yōu)勢，電路板設計僅為兩層板，大大節省了系統硬件成本；軟件上根據實(shí)際需要裁減TCP/IP協(xié)議。僅使用其UDP服務(wù)，并將其嵌入至單片機中，減小了軟件開(kāi)銷(xiāo)，提高了響應實(shí)時(shí)性。 作者：梁海軍，趙建，陳陸艷 來(lái)源：《微計算機信息》(嵌入式與SOC)2009年第4-2期 |
