如 图3 所示，设备的硬件部分主要由LubanCat-A1核心板，收发光模块和光纤耦合器构成。LubanCat-A1核心板是一款基于全志处理器设计的高性能卡片电脑核心组件，具备出色的计算能力和能效比。该核心板全面支持Linux系统，具有高度的可定制性和灵活性，且体积小巧便于集成到各种设备中，同时提供了丰富的接口资源，如USB、以太网、Wi-Fi等。核心板间由光模块和光纤耦合器组成的单向光学数据传输通道连接，并分别采用上位机供电(核心板a)和独立电源供电(核心板b)，保证两板间无电学物理连接，以阻断电信号的物理传输。核心板1通过Type-C接口接收上位机发送数据，通过Gadget协议将设备虚拟为U盘，因此可直接被上位机识别。核心板b连接移动存储介质端的接口为USB2.0接口，作为USB设备的主机向移动存储介质中写入数据。

使用光信号进行数据传输，是保证物理通路单向导通的关键。设备光路部分的设计如 图4 所示，采用光模块和光纤耦合器构成。光模块是一种能够完成光信号与电信号之间转换的设备，它主要由光电子器件(如光发射器、光接收器)、功能电路和光接口等部分组成。光模块包含发射光口(TX)和接收光口(RX)两个接口。在发送端，光模块能够接收来自电信号源的电信号，并通过驱动电路处理后，驱动激光器产生相应频率的光信号。在接收端，光模块通过光纤接口接收来自发射端的光信号，光信号被光电探测器接收并转换成电信号。转换后的电信号经过放大和整形处理，最后输出为标准的电信号。为保证传输速率，选择单模双纤1.25 G的光模块作为光信号的收发设备。光纤耦合器是利用光纤内电磁场耦合原理制作的被动器件，进入耦合器的光能量会按照耦合比从输出端输出。系统使用95/5的熔融拉锥式1 × 2光纤耦合器连接收发光模块。发射光模块TX端口输出的光信号从端口1进入耦合器，约95%的光能量从端口2输出进入到连接接收光模块的RX口，在光模块间建立几乎无损耗的传输光路，保证核心板a向核心板b稳定传输数据。约5%的光能量从端口输出，进入到发射光模块的RX端口，用来进行循环冗余校验(Cyclic redundancy check, CRC)校验，保证数据传输准确性。

为简化设备对上位机使用环境的要求，实现设备即插即用，基于RawGadget构建虚拟设备。RawGadget是一个用于USB Gadget功能的Linux内核模块，允许用户空间程序直接与USB Gadget子系统交互，模拟USB设备的行为。其核心功能包括USB端点的配置、数据传输和状态监控。通过在LubanCat-A1核心板上部署Linux操作系统，并启用Rawgadget模块，上位机通过Type-C接口与设备连接后，将设备识别为U盘，并分配盘符。基于RawGadget的虚拟USB设备传输流程包括初始化、配置、数据传输和清理四个阶段，具体执行过程如 图5 所示。

在基于Rawgedget技术的基础上，我们进一步拓展并创新，实现了双文件系统间的监听与同步功能。

当检测到文件系统事件时，触发相应的同步操作。例如，当主机端文件系统中创建了一个新文件，该事件会被inotify捕获，并通知给监听程序。监听程序会立即调用同步逻辑，将新文件从主机端复制到虚拟U盘的文件系统中。这一功能允许系统在两个不同文件系统之间实时跟踪和同步数据变化，确保了数据的完整性和一致性。通过使用inotify工具监控文件的创建、修改和删除等系统事件，并在检测到变化时触发相应的同步操作，从而实现高效的数据同步。同时我们采用了内存镜像文件技术，利用计算机内存的高速读写能力，模拟出移动存储介质的空间。通过创建内存镜像文件，将内存区域映射到文件系统，从而实现内存和文件系统的高效数据交换。该方案有效提升了数据传输速率。

核心板与光模块使用网线连接，核心板间使用网络协议进行数据传输。传统的网络协议栈，如TCP/IP协议栈，遵循严格的分层模型，网络数据包在通过内核时，会经历传输层、网络层、设备驱动等复杂的协议栈处理，并且涉及频繁的用户态与内核态的上下文切换和内存拷贝，极大限制了设备性能。为了减少这些开销，将网卡驱动的接口暴露给内核空间的应用程序，使得应用程序可以直接通过系统调用接口与网卡驱动进行交互。这样，数据包在到达网卡后，可以直接被内核空间的应用程序处理，无需经过网络协议栈的逐层封装和解封装，从而减少了数据拷贝和系统调用开销。通过修改协议处理的优先级，使自定义协议的数据包在到达网卡驱动后能够优先于其他协议的数据包进行处理。通过修改传统网络协议栈，在内核空间直接调用网卡驱动收发数据包，显著提高了数据传输速率。

为保证大量数据传输的空间和效率，引入了三层弹性缓存机制。该机制包括网卡驱动层缓存、内核协议层缓存和应用层缓存。网卡驱动层缓存用于暂存从网络接收到的数据包，内核协议层缓存用于在协议处理过程中暂存数据，应用层缓存用于存储即将发送或已经接收的数据。三层缓存之间通过动态调整缓存大小和数据调度策略，实现数据的高效存储和传输，有效缓解了数据传输过程中的拥塞和延迟问题。

在单向传输设备中，数据只能单向流动，缺乏从接收端到发送端的直接反馈机制，需要设计容错纠错控制机制来降低误码率与丢包率。通过光纤耦合器将发送光模块的RX口与TX口连接，在核心板a形成自反馈环路，进行CRC校验。CRC是一种根据网络数据包或计算机文件等数据产生简短固定位数校验码的信道编码技术，主要用来检测或校验数据传输或者保存后可能出现的错误。其核心思想是通过多项式除法对数据进行处理，将数据视为一个长的二进制数，通过特定的生成多项式对数据进行除法运算，所得的余数就是校验码。本方案采用CRC-32标准，数据包每个帧的末尾附加一个32位的CRC冗余校验码，用于检测帧在传输过程中是否出现错误。核心板a维护一个环形缓冲区，缓存最近发送的N个数据帧(默认N = 1000)，每个帧包含原始数据及校验码。核心板a接收反馈信号后，提取校验码并与原始数据帧进行比对。若反馈校验失败，核心板a从缓冲区中提取对应数据帧重新发送，最多重传5次，若仍失败，则标记为“不可恢复错误”，记录日志并由指示灯产生告警信号。设置单帧传输超时阈值(默认500 ms)，超时后强制丢弃该帧，避免信道拥塞。

图6 为单向数据传输设备实物图，外置接口主要包括与上位机连接的Type-C接口及与移动存储介质连接的USB接口。集成了监控指示灯，可实时查看上位机与移动存储介质的连接情况及工作状态。

对设备的传输速率进行测试并与基于传统TCP/IP协议栈方案进行比较，结果如 表1 所示。使用1 GB的单个文件(全零数据，避免压缩干扰)测试设备的峰值传输速率和延迟。本方案中上位机向移动存储介质的写入速率可达100 Mb/s，接近USB2.0的协议速率，相较于传统TCP/IP协议栈模式提升了122%。通过传输10,000个1KB小文件测试高频I/O操作的处理效率，本方案耗时约12 s，相较于传统TCP/IP模式提升79%。通过优化协议栈与自反馈CRC机制，本方案在传输速率、延迟等方面均显著优于传统TCP/IP协议栈方案。