УСТРОЙСТВО ОБНАРУЖЕНИЯ И УСТРАНЕНИЯ ОТКАЗОВ ПРИ ПЕРЕДАЧЕ ДВОИЧНЫХ СИГНАЛОВ ПО ДВУМ ЛИНИЯМ ОПТИЧЕСКОГО КАНАЛА
APPARATUS FOR DETECTING AND ELIMINATING FAULTS WHEN TRANSMITTING BINARY SIGNALS OVER TWO OPTICAL CHANNEL LINES

Изобретение относится к области вычислительной техники, в частности к устройствам обмена сообщениями, передаваемыми двоичными сигналами по состоящему из двух линий оптическому каналу, последовательно соединяющему группу устройств обмена сообщениями, и может быть использовано для быстрого обнаружения и устранения отказов в передаче сообщений.
Известны устройства обнаружения и устранения отказов при передаче сообщений двоичными сигналами. В частности, таким устройством, принятым за прототип, является устройство из патента РФ 2177674, которое предназначено для обнаружения отказов в линиях, соединяющих станции систем передачи сообщений и быстрого выбора путей передачи сообщений, обходящих отказы. Быстродействие устройства достигается тем, что для обнаружения отказавших линий и выбора новых путей передачи сообщений используются только аппаратные средства.
Недостатки прототипа следующие
- устройство предназначено только для борьбы с отказами в линиях передачи сообщений, отказы в аппаратуре станций, ведущие к отказам в обмене сообщениями при исправных линиях обмена сообщениями, устройство не обеспечивает;
- устройство не содержит средств быстрого определения мест отказов.
Задачей настоящего изобретения является
создание устройства для быстрого обнаружения, устранения и определения местоположения отказов в аппаратуре передачи сообщений, ведущих к отказам в обмене сообщениями, и линиях обмена сообщениями при передаче сигналов по оптическому каналу, в том числе по кольцевому, состоящему из двух линий со встречным направлением передачи сигналов. Чтобы ускорить определение состояния технических средств передачи сообщений, устройство должно выполнять быстрые распределенные вычисления над содержимым передаваемых по каналу сообщений без задержки сообщения на проведение вычисления. Так как для многих систем обмена сообщениями важно обеспечить малое потребление энергии в аппаратуре обмена сообщениями, то предлагаемое устройство для экономии энергии не должно создавать новые сигналы в линиях канала за счет энергии устройства, а только изменять путь дальнейшего перемещения по линиям канала поступающих из канала сигналов.
Техническим результатом изобретения является ускорение обнаружения, устранения и определения местоположения отказов при передаче оптических сигналов при работе в двух взаимно исключающих режимах, динамически переключаемых в зависимости от вида приходящих из канала в устройство сигналов.
1. Устройство запрещает внешним сигналам (сигналам внешнего устройства, передающего сообщение в канал) воздействовать на оптические сигналы, ретранслируемые устройством в канале.
2. При наличии специальных сигналов в поступающем из канала сообщении устройство разрешает внешним сигналам воздействовать на оптические сигналы, ретранслируемые устройством в канале, в том числе выполнять вычисления над ретранслируемыми устройством сигналами без задержки сигналов на проведение вычисления.
Воздействие внешних сигналов на передаваемое по каналу сообщение приводит только к изменению выбора линии канала, по которой будет передаваться выходящий из устройства в канал сигнал, и устройству не требуется генерировать новые сигналы взамен поступивших из канала. Это позволяет уменьшить затраты энергии внутри устройства. Первичным источником оптических сигналов в канале является внешний источник, посылающий всем устройствам оптические сигналы в две линии оптического канала.
Технический результат достигается тем, что
устройство обнаружения и устранения отказов в обмене двоичными сигналами по двум линиям оптического канала, в разрыв которых помещено данное устройство, содержащее первый блок ретрансляции сигналов в канале и второй блок обнаружения, разрешения или запрета прохода внешних сигналов в первый блок, при этом первый блок содержит ответвитель оптических сигналов, два входа которого подключены к линиям канала, а два выхода подключены к первому узлу второго блока, и коммутатор выбора линий канала для прохождения сигналов и выполнения вычислений над ними без задержки сигналов, состоящий из четырех взаимосвязанных оптических переключателей, два оптических входа которого подключены к выходам ответвителя, четыре электрических входа управления подключены к выходам третьего узла второго блока, два оптических выхода подключены к выходящим из коммутатора линиям канала, а второй блок содержит первый узел обнаружения в канале одновременного наличия сигналов в двух линиях, наличия сигнала только в одной линии, отсутствия сигналов в обеих линиях в течение заданного интервала времени, подключенный выходами к управляющим входам ключей третьего узла второго блока и к внешнему устройству, содержит второй узел, состоящий из четырех элементов задержки внешних сигналов, подключенных входами к внешнему устройству и выходами к входам ключей третьего узла второго блока, содержит третий узел, состоящий из четырех ключей.
Техническая сущность и принцип действия предложенного устройства поясняется чертежами.
Фиг.1 - Оптический переключатель на основе интерферометра Маха-Цандера.
Фиг.2 - Функциональная схема оптического переключателя.
Фиг.3 - Коммутатор.
Фиг.4 - Первый блок устройства.
Фиг.5 - Второй блок устройства.
Фиг.6 - Узел анализа сигналов в оптических линиях канала.
Фиг.7 - Кольцевой оптический канал.
Предложенное устройство обнаружения и устранения отказов при передаче двоичных сигналов по двум линиям оптического канала содержит два блока: первый блок - блок приема приходящих из канала оптических сигналов, их ретрансляции далее в канал, проведения вычисления над поступившими из канала сигналами, и второй блок -блок обнаружения разрешения или запрета сигналов внешнего устройства (ВУ), управляющих первым блоком.
Перечисленные выше конструктивные элементы предлагаемого устройства выполнены следующим образом.
На фиг.1 показан оптический переключатель на основе интерферометра Маха-Цандера, созданный в IBM, где 1, 2 - входные линии, 9, 10 - выходные линии, 3, 8 - входной и выходной 50% разветвители сигналов, 4, 5 - плечи интерферометра, 6 - линия передачи управляющих электрических сигналов, 7 - электроды плеча интерферометра. Сигнал поступает в узел 3 только из линии 1 или только из линии 2. Далее он разделяется поровну и поступает в оба плеча интерферометра. На электроды первого плеча подается напряжение, изменяющее состояние физической среды плеча, что приводит к сдвигу фазы проходящих через него оптических сигналов. Эти сигналы и сигналы из второго плеча далее поступают в узел 8, который в зависимости от сдвига фаз сигналов направляет их в канал 9 или 10.
Ниже будет использоваться функциональное описание переключателя из фиг.1, представленное на фиг.2. Здесь обозначениям 1, 2, 6, 9, 10 фиг.1 соответствуют обозначения 11, 13, 15, 13, 14. Элементы 3, 4, 5, 7, 8 фиг.1, демонстрирующие физику работы переключателя, представлены переключателем 16. Далее переключатель фиг.2 будет обозначаться как Mi.
На фиг.3 показан первый блок предлагаемого устройства, центром которого является коммутатор, собранный из четырех переключателей (фиг.1 и 2), обозначенных как Mi (M1-М4). Здесь также приняты обозначения: а - вход в коммутатор первой линии оптического канала, такой же буквой обозначен выход этой линии из коммутатора, b - соответствуют входу и выходу второй линии канала, а' и b' - дополнительные выходы коммутатора.
Входные линии а и b канала поступают на пассивные оптические ответвители 17, отводящие часть энергии сигналов в линии с и d. На Mi подаются внешние электрические сигналы, управляющие сдвигом фазы оптического сигнала. При подаче на коммутатор такого управляющего сигнала со значением 1 или при его отсутствии (сигнал со значением 0), оптический сигнал с любого входа коммутатора будет поступать на его выходы, в соответствии с таблицей. Управляющие сигналы, подаваемые на Mi, в таблице обозначены так же, как и переключатели, на которые подается сигнал.
При подаче наборов сигналов Mi, указанных в первых четырех строках таблицы, перечисленные комбинации управляющих сигналов позволяют выполнить все возможные переключения входов/выходов а и b. Следующие четыре строки таблицы обеспечивают такие же действия для выходов а' и b'. Таким образом, конструкция фиг.3 за счет переключения линий выполняет преобразование сообщений, представленных оптическими сигналами. Действительно, будем считать наличие сигнала на линии а двоичной единицей, а наличие сигнала на линии b двоичным нулем. Наличие сигнала одновременно на двух линиях обозначим как сигнал С, отсутствие сигналов одновременно на двух линиях обозначим как сигнал Z. Пусть на входы а и b поступает либо 1, либо 0. Тогда набор управляющих сигналов в первой строке таблицы не изменяет на выходе коммутатора значение сигналов. Вторая строка заменяет на выходе 1 на 0,0 на 1 (инвертирование). Третья строка превращает 1 и 0 в 1. Четвертая строка превращает 1 и 0 в 0. Выполнение этих преобразований, как будет показано в разделе, показывающем использование предлагаемого устройства, позволяет выполнить вычислительные операции, необходимые для обнаружения отказов, без задержки сигналов на проведение операции.
Линии а' и b' могут быть использованы для изменения пути перемещения сигналов в системе и для вывода сигналов из системы в любом ее месте.
Из таблицы видно, что новые сигналы создаются только перемещением приходящих из канала сигналов из одной линии канала во вторую и не требуют от ВУ энергии на создание нового сигнала.
Таблица
M1
M2
M3
M4
Вход
Выход
0
0
0
0
a; b
a; b
1
1
0
0
a; b
b; a
0
1
0
1/0
a; b
a; a
1
0
1/0
0
a; b
b; b
0
0
1
1
a; b
а'; b'
1
1
1
1
a; b
b': а'
0
1
1
1/0
a; b
а'; а'
1
0
1/0
1
a; b
b'; b'
0
0
0
1
a; b
a; b'
0
0
1
0
a; b
а'; b
Важное для обеспечения отказоустойчивости свойство как переключателя (фиг.2), так и коммутатора (фиг.3), как видно из таблицы, состоит в том, что при отсутствии на этих устройствах управляющих сигналов автоматически соединяются между собой входы и выходы соответствующих линий канала.
Второй блок изображен на фиг.4. Он содержит узел 18 обнаружения на входе из канала одновременного прихода сигналов по двум линиям, прихода сигнала только из одной линии, отсутствия сигналов в обеих линиях в течение заданного интервала времени, содержит узел 19, состоящий из четырех элементов задержки электрических сигналов, содержит узел 20 из четырех электронных ключей, состоянием которых управляет узел 18, причем на входы элементов задержки узла 19 поступают электрические сигналы от внешнего источника, выходы элементов задержки соединены с входами электронных ключей узла 20, а выходы этих ключей соединены с входами управления коммутаторами первого блока (фиг.4), коммутатор которого здесь показан как 21, а ответвители сигналов обозначены как 22. Узел 18 информирует ВУ о наличии сигналов на линиях оптического канала.
Узлы 19 и 20 не требуют дальнейшей детализации. Узел 18 представлен на фиг.5.
Здесь линии с и d подключены к фотоприемникам 23 и 24, преобразующим оптические сигналы в электрические сигналы, которые поступают к ВУ (линии 30 и 31) для информации о состоянии канала, на элемент 25 - логическое И и в таймер 26. В таймер также поступает сигнал с выхода 25. Сигналы с выходов (25) и (26) через элемент логическое ИЛИ (27) поступают по линии 28 на ключи 20 фиг.4, пропуская сигналы с входа ключей на выходы. Сигнал с выхода 25 информирует ВУ о наличии сигнала С в канале (линия 31).
Вариант построения узла 26 показан на фиг.6. Узел 26 состоит из следующих элементов: 36 - логическое ИЛИ-НЕ, 37 - таймер, состоящий из управляемого генератора импульсов и счетчика количества этих импульсов, 38 - триггер, 40 - логическое ИЛИ. Только наличие на линиях a и b сигнала Z (одновременное отсутствие сигналов на выходах узлов 23 и 24) через линии 34 и 35 воздействует на элемент 36, который запустит генератор в таймере 37. При приходе заданного количества импульсов на счетчик таймера на его выходе появится сигнал, который включит триггер 38. Сигнал с выхода 39 триггера, пройдя через элемент 27 и линию 28, поступит на ключи 20 и разрешит прохождение сигналов ВУ через ключи.
Элементы узла 37 и 38 переходят в исходное состояние в следующих случаях:
- при появлении на линиях а и b сигнала С элементы 37 и 38 переходят в исходное состояние;
- при появлении на линиях а и b любых сигналов, отличных от Z, в исходное состояние переходит элемент 37.
Таким образом, узел 18 открывает ключи 20 только при появлении на линиях канала сигнала С в любом случае и появлении сигнала Z в течение заданного интервала времени.
В последнем случае ключи 20 остаются открытыми при наличии в канале сигналов 1, 0, Z. После появления в канале сигнала С узел 18 перестает влиять на состояние ключей 20.
Предлагаемое устройство используется следующим образом.
Прежде всего, рассмотрим структуру соединения устройств, участвующих в обмене сообщениями. Структура, ориентированная на использование возможностей предлагаемого в заявке устройства, показана на фиг.7. Здесь используется два кольцевых оптических канала связи с передачей сигналов во встречных направлениях. Каждый канал, как указано выше, состоит из двух линий a и b. Управляющее устройство-лидер (41) посылает сообщения-команды, инициирующие работу группы ВУ. На фиг.7 это устройства 42-46. Лидер и ВУ не генерируют сигналы, все они получают два оптических сигнала, посылаемых в линии а и b внешним источником 47. Лидер и ВУ путем перемещения сигнала из одной линии канала во вторую превращают сигналы источника в сигналы сообщения или передают их далее в виде сигнала С.
Команда ретранслируется всеми ВУ. Команда и сообщение ВУ возвращаются к лидеру. Кольцевой канал лидер разрывает для предотвращения многократной циркуляции сигнала.
Каждое ВУ содержит в каждом канале два рассмотренных выше блока, обеспечивающих отказоустойчивую передачу сигналов.
Покажем выполнение и использование приведенных выше двух режимов.
Рассмотрим первый режим: устройство запрещает внешнему источнику искажать сигналы, ретранслируемые устройством в канале.
В этом режиме ВУ-источник передаваемого в канал сообщения по команде лидера должен действовать в соответствии с двумя последними строками таблицы: он должен формировать двоичные сигналы 1 и 0 из одновременно приходящих по линиям а и b двух сигналов (сигнал С). Не используемый далее один из двух сигналов С выводится в выход а' или b'.
Устройство обнаружения и устранения отказов должно запретить ВУ передавать сообщение в канал, если из канала в устройство не поступают сигналы С. Только при наличии сигналов С на линиях а и b появится сигнал на выходе элемента 25, который, пройдя через элемент 27 на линию 28, разрешит прохождение управляющих сигналов ВУ через ключи 20. При этом сигналы ВУ в соответствии с двумя последними строками таблицы сформируют в канале из сигнала С двоичные сигналы сообщения. При отсутствии сигнала С ключи 20 будут закрыты. В результате этих действий ВУ передаст свое сообщение только в случае, если в канале отсутствуют двоичные сигналы сообщения другого ВУ.
Элементы задержки 19 учитывают инерционность узла 18. Узел 18 по линиям 29-31 информирует ВУ о состоянии линий а и b.
В результате запрещается передача сообщений в канал от ВУ, расположенного после ВУ, который выбран лидером для передачи сигналов. ВУ, расположенные ближе к лидеру, чем ВУ, выбранное лидером, могут нарушить передачу последнего, но они не могут помешать передаче команд лидера.
С учетом наличия двух кольцевых каналов получаем следующий результат. Любое количество ВУ, пытающихся выполнить несанкционированную передачу сигналов, не может исказить требуемое лидером сообщение, если указанные ВУ в каждом канале находятся между источником разрешенного сообщения и лидером. Любые источники несанкционированной передачи сигналов не могут исказить команду лидера.
Рассмотрим второй режим: устройство разрешает внешнему источнику изменять ретранслируемые в канале сигналы, в частности, выполнять вычисления над сообщениями, передаваемыми ретранслируемыми сигналами.
Для выполнения этого режима от узла 18 требуется реакция, отличающаяся от действий его в первом режиме. При этом в целях обеспечения отказоустойчивости нельзя переключать состояние узла 18 по команде от ВУ-устройства сложного и поэтому менее надежного, чем предлагаемое устройство. Требуется так сформировать передаваемую по каналу команду лидера, чтобы она действовала только непосредственно на узел 18, переключая его на действия в первом или во втором режиме.
Для этого команда лидера, требующая проведения распределенных вычислений, должна иметь поле, в которое будет помещен результат распределенного вычисления, и в начале этого поля должен помещаться сигнал Z. Этот сигнал переведет блок 18 в режим, разрешающий ВУ управлять коммутатором 21 для преобразования двоичных сигналов с целью проведения вычисления. Указанное поле должно завершаться символом С, который возвратит блок 18 в режим блокировки несанкционированной передачи сигналов от ВУ. Таким образом пара сигналов Z и С в начале и конце поля действует подобно открывающей и закрывающей скобкам, изменяющим режим работы узла 18 внутри поля, расположенного между "скобками".
Необходимо оговорить длительность сигнала Z. Между сигналами 1 и 0 допускается пробел - одновременное отсутствие сигналов в линиях a и b. Это может потребоваться, например, для отделения соседних разрядов в асинхронно передаваемом сообщении. Поэтому длительность сигнала Z в роли скобок должна превышать длительность указанного пробела между сигналами сообщения, и только на такой сигнал узел 18 должен реагировать как на скобку. Как показано выше, эту функцию выполняет узел 26.
Второй режим позволяет без задержки на вычисление проводить операции, определяющие состояние системы, примеры которых приводятся ниже.
1. Нахождение max. Требуется сравнить число, находящееся в поле команды лидера, с числом, хранящемся в конкретном ВУ, и оставить в поле команды наибольшее из чисел.
Числа обрабатываются поразрядно, начиная со старшего разряда. Если текущий разряд числа ВУ равен 1, то 1 должна быть занесена в тот же разряд числа в поле команды независимо от значения приходящего из канала разряда (выполняется строка 3 таблицы).
Если при этом поступивший из поля команды разряд равен 0, то все остальные разряды числа ВУ должны заменить разряды числа в поле команды. Это означает, что надо действовать в соответствии со строкой 3 таблицы для записи 1, и со строкой 4 для записи 0. Иначе ВУ переходит к таким же действиям со следующим разрядом.
Если разряд числа в ВУ равен 0, то значение разряда в поле команды не меняется. При этом, если разряд в поле команды равен 1, то данное ВУ содержит число, меньшее числа в поле команды, и ВУ прекращает свое участие в операции. В противном случае ВУ описанным способом обрабатывает следующий разряд числа в поле команды. После обхода командой всех ВУ в ее поле будет находиться максимальное из чисел, хранящихся во всех ВУ. На проведение операции не потребовалось задерживать передаваемую команду. Аналогично выполняется операция min с заменой значений проверяемых чисел с 1 на 0.
2. Проведение операции Счет. Каждое ВУ должно к числу в поле команды прибавить 1.
Числа обрабатываются, начиная с младшего разряда. Над каждым разрядом проводится операция "исключающее ИЛИ": если разряд в ВУ равен 0, то разряд в поле команды пропускается далее в канал без изменений (выполняется строка 1 таблицы). Если разряд в ВУ равен 1, то значение разряда в поле команды инвертируется (строка 2 таблицы), и ВУ для обработки следующего разряда в поле команды должно скорректировать свой разряд с учетом образовавшегося переноса 1. Счет выполняется без задержки сообщения.
Проводя переключения в соответствии с таблицей, можно выполнить все логические операции, арифметические сложение, вычитание, умножение, определить max и min над содержанием передаваемого по каналу сообщения без дополнительной задержки сообщения для проведения вычисления.
Распределенные вычисления не только ускоряют обнаружение отказов средств обмена сообщениями, как будет показано ниже, но в ряде случаев значительно быстрее, чем позволяют общепринятые решения, определяется состояние всего распределенного объекта, обслуживаемого системой измерения или управления. Так, используя операции max/min, за время перемещения команды по кольцевому каналу лидер обнаружит объекты системы, для которых значения измеряемых параметров достигают max/min или выходят за заданные пределы. Операция Счет позволяет определить количество объектов с указанными отклонениями, найти ближайший к лидеру или наиболее удаленный от него такой объект. В пределах только одной команды, содержащей несколько приведенных полей, можно выполнять сложную последовательность вычислений без задержки сообщения.
3. Обнаружение и локализация ВУ, не посылающих сигналы в канал.
Пусть требуется обнаружить ВУ, которые не посылают сигналы в канал в ответ на команды лидера. Для этого применим следующий алгоритм.
Лидер имеет порядковый номер 0, номера ВУ увеличиваются на 1 по мере удаления от лидера. Нумерация задана заранее или проводится по команде лидера, выполняющей Счет.
В команде, посылаемой лидером в канал, имеется последовательность полей abcd. В поля acd лидер заносит единицу. В поле b лидер заносит 0.
Каждое ВУ действует с полями abcd следующим образом. К числу в поле а ВУ прибавляет 1 и результат ретранслирует.
Если полученное из канала поле а содержит число, совпадающее с порядковым номером ВУ, то в поля cd вносится то же число, которое поместило ВУ в поле а.
Если указанного совпадения чисел нет (между лидером и данным ВУ есть отказы), то в поле b вносится 1 и одновременно проверяется, не содержало ли это поле 1 до записи. Если 1 была, то содержимое полей cd не изменяется, иначе число из поля а вносится только в поле с.
При возвращении команды по кольцу к лидеру он по числу, содержащемуся в поле а, определяет количество работоспособных ВУ. При наличии 1 в поле b поле d содержит номер ближайшего к лидеру неработоспособного ВУ, а поле с содержит номер первого работоспособного ВУ, который расположен за неработоспособным ВУ или за непрерывной последовательностью неработоспособных ВУ.
Если поступившее к лидеру число в поле а не совпадает с количеством ВУ, подключенных к каналам, и поле b содержит 0, то неисправно последнее по порядку ВУ.
Изложенное решение не позволяет определить места расположения множественных отказов, возникших в различных местах канала. Для такого определения лидер посылает широковещательную команду проверки ВУ, в которой размещается последовательность разрядов 0 с количеством разрядов в ней, соответствующей количеству ВУ. Каждое исправное ВУ в соответствующем ему разряде без задержки сообщения заменяет 0 на 1, что позволяет посылкой единственной команды определить все неисправные ВУ.
4. Обнаружение и нахождение мест разрыва линий кольцевого канала.
Лидер и каждое ВУ обнаруживает разрыв линий канала по отсутствию в линиях канала сигналов в течение интервала времени, превышающего допустимый. Лидер, пользуясь исправным кольцевым каналом, посылает команду с требованием указать начало разрыва. Команда содержит поле, содержащее нулевые разряды, и каждое ВУ, обнаружившее отсутствие сигналов в линиях, заносит 1 в отведенный ему разряд в поле, что позволяет лидеру определить место повреждения линий.
Устройство обладает следующими преимуществами.
1. Устройство обнаруживает запрещенную попытку изменить ретранслируемый в канале сигнал и запрещает ее.
2. При использовании двух кольцевых каналов со встречным направлением передачи сигналов любому количеству ВУ, пытающихся выполнить запрещенную передачу сигналов, устройство не позволяет исказить затребованное лидером сообщение, если указанные ВУ в каждом канале находятся между источником разрешенного сообщения и лидером. Любые источники запрещенной передачи сигналов не могут исказить команду лидера.
3. Устройство позволяет преобразовать передаваемые по каналу сигналы, в том числе провести над ними вычисления без задержки сигналов на проведение преобразования, что обеспечивает высокую скорость получения сведений как о состоянии средств передачи сообщений, так и о состоянии других средств системы и обслуживаемых системой внешних объектов.
4. Передаваемые по каналу сигналы создаются только внешним источником оптических сигналов. Предлагаемое устройство все преобразования сигналов по п.3 выполняет путем переключения участков линий канала, по которым перемещается сигнал. Это уменьшает энергопотребление ВУ и рассеяние в них энергии.