江云秋 張 瑋 蔣彭龍

1.宇航智能控制技術國家級重點實驗室，北京100854

2.探月與航天工程中心，北京100037

在20世紀70年代初，美國軍方和政府公布了MIL－STD－1553數據總線標準［1］，MIL－STD－1553是美國國防部制定的軍用數據總線標準，全稱是“時分制命令/響應型多路傳輸機載數據總線”，目的是解決不同航空電子設備之間通信接口復雜的問題，70年代末和80年代初又提出了MIL－STD－1553B總線標準并做了多次改進［2］。MIL－STD－1553B具有線性的網絡拓撲結構、雙總線或多總線冗余結構、出色的環(huán)境適應能力、實時性等優(yōu)勢。然而對于量越來越大的數據傳輸應用，MIL－STD－1553B存在一系列的局限性，包括數據傳輸速率、有限的容錯能力以及維護工作復雜等，因此發(fā)展新一代高速數據總線對于航天運輸系統(tǒng)是勢在必行。

光纖通道(FC)是為滿足不斷增長的高性能數據傳輸需求而出現(xiàn)的高速串行數據通信互連網絡技術［3］，具有高可靠、實時性強、低延遲、高吞吐率、低成本等優(yōu)點，并且FC－AE(Fiber Channel Avionics Environment)標準專為航空系統(tǒng)設計，接近航天系統(tǒng)的使用環(huán)境，同時FC－AE－1553上層映射可平滑代替1553B總線，最大限度繼承現(xiàn)有成果。因此，以光纖通道替代傳統(tǒng)總線將成為航天系統(tǒng)總線技術的必然選擇。

1 光纖通道協(xié)議介紹

光纖通道將通道傳輸的高速性和網絡傳輸的靈活性結合在一起，可以在統(tǒng)一網絡上運行當前流行的通道標準和網絡協(xié)議;支持多種上層協(xié)議，采用層次化的結構，定義了3種拓撲結構:點對點、仲裁環(huán)、交換式網絡，既能方便的實現(xiàn)高速高效傳輸，同時又提供了極大的靈活性。

1.1 分層結構

FC標準體系采用層次化結構，由FC－0，F(xiàn)C－1，F(xiàn)C－2，F(xiàn)C－3，F(xiàn)C－4共5層組成，如圖1所示。

其中FC－0層描述物理接口，它包括傳送介質、發(fā)射機和接收機及其接口，規(guī)定了收發(fā)器和各種物理媒介的光電參數;FC－1是編碼和同步層，它采用直流平衡8b/10b碼;FC－2是信號傳輸協(xié)議層，它規(guī)定了數據傳輸的規(guī)則，提供了數據塊從一個端口傳輸到下一個端口的傳輸機制;FC－3層為一些高級特性提供所需要的通用服務，是光纖通道節(jié)點的多個N端口所公用的;FC－4層是FC協(xié)議的最高層，它規(guī)定了光纖通道結構到上層ULP協(xié)議的映射方法，以使現(xiàn)有的協(xié)議不經過修改就可以使用光纖通道協(xié)議。

1.2 FC系統(tǒng)的拓撲結構

光纖通道有3種拓撲結構如圖2所示，即點對點、仲裁環(huán)和交換式結構。其中點對點是最簡單的拓撲結構，允許2個節(jié)點之間直接通訊，如圖2(a)所示。仲裁環(huán)是一種環(huán)路拓撲結構，如圖2(b)所示?？梢蕴峁?27個設備之間的高速連接，數據在環(huán)路的一個方向上傳送，仲裁環(huán)在同一時刻只有一對環(huán)端口進行通信，環(huán)中的設備只有檢測到環(huán)處于空閑狀態(tài)，才能通過仲裁環(huán)獲得仲裁環(huán)的使用權。仲裁環(huán)結構提供了一種不需要附加設備就可以進行多節(jié)點互聯(lián)的解決方案。交換結構是由包含一個或多個“交換單元”或“交換機”的網絡組成，圖2(c)是一個多N_Port通過一個Fabric連接的結構，2個以上的N端口可以通過“交換結構”相互連接起來，交換結構使多節(jié)點之間互聯(lián)具有更大的靈活性。

1.3 鏈路服務

光纖通道協(xié)議標準規(guī)定了一系列的鏈路服務供不同層次的協(xié)議使用［4］，鏈路服務用于管理節(jié)點之間的通信和節(jié)點與交換機之間的交互。標準主要定義了3種鏈路服務:基本鏈路服務、擴展鏈路服務和FC－4鏈路服務。不同的鏈路服務實現(xiàn)不同的功能，從低級別的信息查詢到高級別的信息交換。

基本鏈路服務是指在一個新發(fā)起或已經存在的序列中發(fā)送的單幀命令，通過單幀命令和響應實現(xiàn)，當前標準中規(guī)定了6個基本鏈路服務，包括中止序列、接受命令、拒絕命令、無操作、移除連接和專用連接被搶占。一個N端口可以通過使用擴展鏈路服務來請求另一個N端口執(zhí)行某一個操作，接收到拓展鏈路服務請求的端口必須回送一個響應，光纖通道標準定義了數十個擴展鏈路服務，例如交換注冊、端口注冊、注銷、時鐘同步服務請求、時鐘同步更新等。FC－4層提供了在光纖通道上使用現(xiàn)有的協(xié)議而不需要修改協(xié)議的方法，F(xiàn)C節(jié)點只需提供高層協(xié)議要求的極低層的傳輸服務，這種集中功能要求FC－4提供附加的服務，如數據的緩沖器、同步和優(yōu)化次序等。

2 光纖通道在航天運輸系統(tǒng)的應用分析

MIL－STD－1553總線曾在相當長一段時間內作為航空電子系統(tǒng)的數據總線標準，但是隨著對數據密集型任務的要求越來越多，MIL－STD－1553總線1Mbps的數據傳輸速度遠不能滿足當前和未來武器系統(tǒng)對通信帶寬的要求。由于光纖通道具有特殊的性能，使其能夠取代MIL－STD－1553總線成為新一代高性能航天系統(tǒng)數據總線的最佳選擇。

2.1 FC－AE標準

光纖通道運用于控制網絡，完善的高層協(xié)議還需要功能實現(xiàn)人員做定義，針對航空電子領域，產生了FC－AE標準，該標準通過一組實時的結構以擴展光纖通道，從而提供確定性延遲、帶寬、以及滿足系統(tǒng)的需求，其重點是要定義實時的仲裁環(huán)路擴展，實時請求的優(yōu)先權搶占機制和一個實時同步環(huán)路，目的是通過使用定長包和環(huán)路存取來提供有界延遲和確定響應。

FC－AE標準包括FC－AE－ASM，F(xiàn)C－AE－1553和FC－AE－RDMA三個規(guī)范。FC－AEASM定義了ASM協(xié)議，F(xiàn)C到ASM協(xié)議的映射，以及協(xié)議需要的FC系統(tǒng)屬性。該協(xié)議可以在“mission critical”的航空航天中應用，為處理器、傳感器、儀器和現(xiàn)實提供確定、安全和低延時通信。FC－AE－1553定義了MIL－STD－1553總線協(xié)議和FC高層協(xié)議之間的映射關系，通過FC－AE－1553，F(xiàn)C上就可以執(zhí)行類似于1553總線上的實時可確定性行為。結合FC－AE協(xié)議，光纖通道可以提供一個高帶寬、低延遲及確定性行為的數據通道。該協(xié)議的制定主要就是為了航空航天設備從MIL－STD－1553到FC－AE－1553的平滑過渡。FC－AERDMA是光纖通訊協(xié)議中的上層協(xié)議(ULP)，它基于光纖協(xié)議小型計算機系統(tǒng)接口。FC－AE－RDMA的主要特點是它允許發(fā)起者通過對等模式從遠端目標存儲器中讀數據或者向它寫數據。

2.2 MIL－STD－1553B到FC－AE－1553的映射

FC－AE－1553是FC－4映射層［5］，其目的是提供一個確定的命令/響應協(xié)議，用于實時的緊急戰(zhàn)爭和緊急任務，這個映射層協(xié)議使得MIL－STD－1553B的設計、硬件及軟件性能得到提升，通過映射使用熟悉的MIL－STD－1553B，做到網絡的平滑升級。MIL－STD－1553B中的總線控制器和遠程終端在FC－AE－1553中分別用網絡控制器和網絡終端相對應，此外 MIL－STD－1553B的消息塊與FC－AE－1553信息單元相對應［6］。

根據FC－AE－1553B協(xié)議規(guī)定，對于FC－AE－1553網內數據傳輸的情況，以及MIL－STD－1553B總線上數據傳輸的情況，不會涉及協(xié)議橋過渡傳遞，因此就不存在格式映射的情況。而對于跨越橋的 FC－AE－1553網絡中的節(jié)點和 MILSTD－1553B總線上的節(jié)點之間進行通信的情況，就需要信息單元和消息塊之間的映射。表1和表2為可能進行映射的消息塊和信息單元的情況。

表1 從MIL－STD－1553B消息塊到FC－AE－1553信息單元映射類型

表2 從FC－AE－1553信息單元到MIL－STD－1553B消息塊映射類型

FC－AE－1553協(xié)議基于MIL－STD－1553B Notise2，并在帶寬、地址空間和數據傳輸長度上進行擴展，以便于支持在航天系統(tǒng)的元件間低延遲、低開銷通訊。這些擴展包括:一個充分大的終端設備數(224)，增加的字計數(232 bytes)，一個更大的子地址空間(232)。FC－AE－1553的一些關鍵特性是它的命令/響應協(xié)議，可選擇為確認或未確認的消息接發(fā)、RDMA傳輸、文件傳輸和可橋接到傳統(tǒng)MILSTD－1553B終端設備的能力。表3為MIL－STD－1553B與FC－AE－1553性能比較。

表3 MIL－STD－1553B與FC－AE－1553的性能比較

2.3 應用分析

隨著未來航天技術的發(fā)展，對總線提出了更高的要求:

1)實時性:對于系統(tǒng)關鍵數據的傳輸，要求有更為嚴格的實時性;

2)容錯性:包括軟、硬件可靠性、可維護性、可測試性、容錯能力、錯誤可恢復能力;

3)高帶寬:由于大量的數據、視頻、音頻在不同的模塊之間交換，因此，需要高信息吞吐量以完成大量數據的交互，應滿足1Gbps以上的數據吞吐量;

4)并行處理:支持大規(guī)模并行處理器體系結構的實施，來滿足高性能航電應用的需要，如傳感器跟蹤融合、自動目標識別、傳感器信號處理、武器的制導等;

5)可擴展性:具有很強的靈活性，可方便地增加和減少接點，以滿足不同航電系統(tǒng)不斷升級的需求。

隨著航天電子系統(tǒng)綜合化以及對光纖總線技術研究的不斷深入，新一代總線系統(tǒng)向著分布式、高速化、光纖化方向發(fā)展，采用光纖通道總線系統(tǒng)取代現(xiàn)有的總線，具有以下優(yōu)點:

1)傳輸速率提高2～3個數量級;

2)誤碼率降低、延時降低;

3)采用光纖代替原有的電纜傳輸，有效防御電磁干擾和閃電、雷電引起的電磁沖擊，對核電磁脈沖不敏感;

4)由于光纖是介質材料，不向外輻射能量，不存在金屬導線所固有的地環(huán)形;

5)由于光纖的絕緣性能，改善了控制系統(tǒng)的抗電氣危害能力，且沒有公共接地問題;

6)光纖在彈載環(huán)境下(高溫、高壓、振動)抗腐蝕性和熱防護品質優(yōu)良;

7)光纖體積小、質量輕且無須屏蔽，從而減小了系統(tǒng)的體積和重量;

8)光纖故障隔離性好，一個通道發(fā)生故障不會影響其他通道。

FC總線為串行總線，能夠避免并行連接在高速通信中遇到的時鐘偏移問題，因此接口更簡單、傳輸速率更高(基本速率1Gb/s，2Gb/s和4Gb/s的產品已經問世，更高速率的標準正在制定)、傳輸距離更遠(使用單模光纖和長波長激光器可以支持幾十千米的傳輸)，且FC總線除了支持光纖連接還可以在短距離使用電纜連接。FC－AE委員會專門負責光纖通道在航空電子環(huán)境中的應用研究，實現(xiàn)現(xiàn)有1553總線向光纖通道的平滑過渡。標準得到了眾多民用、軍用公司的參與，目前已經在美軍的AWACS，B－1B，F(xiàn)/A－18，V－22，AH－64，RAH－66等航空電子設備更新及改型設計中大量采用。在商業(yè)運作上非常成功，參與FC－AE標準開發(fā)的公司包括波音公司，洛克希德－馬丁公司，TRW，Raytheon，GDIS，Northrop，Rockwell－Collins，United Defense，DDC，DY4，Systran等公司。由于FC－AE與1553B的兼容性較好，而目前國內航天系統(tǒng)大量使用1553B標準，因此可以預見FC－AE技術在國內尤其是航天運輸系統(tǒng)必將有很好的發(fā)展趨勢。

3 結束語

光纖通道為串行連接，能夠避免并行連接在高速通信中遇到的時鐘偏移問題，具有接口簡單、傳輸速率高、傳輸距離遠等優(yōu)勢，且FC總線除了支持光纖連接還可以在短距離使用電纜連接。光纖通道已受到眾多民用和軍用機構以及企業(yè)的關注，并且得到軍用規(guī)范、標準研制單位和ANSI FC－AE委員會的支持，光纖通道應用于航天運輸系統(tǒng)雖然仍是較新的課題，但從目前的研究成果來看，其具備了在航天運輸領域使用的潛力，能夠滿足航天運輸系統(tǒng)的要求。

［1］ MIL-STD-1553B:Military Standard Digital Time Division Command/Response Multiplex Data Bus Notice 2［S］.Department of Defence，1978.

［2］ Virtual MIL-STD-1553.25thDigital Avionics Systems Conference［S］.Nicholas Downing，2006，10.

［3］ Fibre Channel-Framing and Signaling(FC-FS)［S］.Rev 1.90.ANSI INCITS，April，2003.

［4］ Fibre Channel Link Service(FC-LS)［S］.REV 1.6.ANSI INCITS，October，2006.

［5］ Fibre Channel Avionics Environment-Upper Layer Protocol MIL-STD-1553B Notice2［S］.Rev 0.95.ANSI INCITS，Dec5，2006.

［6］ Fibre Channel-FC-AE-1553(FC-AE-1553)［S］.Rev 0.3.ANSI INCITS，July 1，2004.