摘 要： 為解決FC?AE?1553協(xié)議相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)過程中的疑點(diǎn)和難點(diǎn)，從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、拓?fù)湟约皡f(xié)議傳輸模式等方面對FC?AE?1553進(jìn)行了全面細(xì)致的分析，并對FC?AE?1553協(xié)議與MIL?STD?1553B協(xié)議進(jìn)行比較，提出了協(xié)議的簡化及優(yōu)化方案，同時(shí)分析了FC?AE?1553協(xié)議研究的現(xiàn)狀及難點(diǎn)，對該協(xié)議的研究工作以及后續(xù)相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)有較高的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞： FC?AE?1553； MIL?STD?1553B； 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)； 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

中圖分類號： TN915.04?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）11?0021?03

Abstract： In order to solve the doubts and difficulties in development process of FC?AE?1553 Protocol related products， the FC?AE?1553 Protocol is comprehensively and detailedly studied in the aspects of network architecture， topology and protocol transmission mode. The FC?AE?1553 Protocol and MIL?STD?1553B Protocol are compared. The simplification and optimization schemes of the protocol are proposed. The research situation and difficulty of FC?AE?1553 Protocol are analyzed. The research work of the protocol and development of the subsequent related products have the high reference value.

Keywords： FC?AE?1553； MIL?STD?1553B； network architecture； network topology

1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分析

在基于FC?AE?1553協(xié)議實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)時(shí)，可選擇FC網(wǎng)絡(luò)的三種基本拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)，結(jié)合FC?AE?1553的命令/應(yīng)答工作模式，將拓?fù)錁?gòu)型可以分為兩類：

交換結(jié)構(gòu)：基于交換機(jī)的星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)具備獨(dú)立的帶寬。

共享帶寬結(jié)構(gòu)：點(diǎn)到點(diǎn)和仲裁環(huán)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，其中點(diǎn)到點(diǎn)可以看作是仲裁環(huán)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)特殊形式。和傳統(tǒng)的MIL?STD?1553B協(xié)議對比，共享帶寬結(jié)構(gòu)更加類似于在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行了帶寬、地址空間以及數(shù)據(jù)傳輸長度的擴(kuò)展，工作模式較傳統(tǒng)的MIL?STD?1533B總線沒有本質(zhì)的變化，但更易于理解，它要求節(jié)點(diǎn)必須支持仲裁功能，節(jié)點(diǎn)機(jī)本身的構(gòu)造更復(fù)雜，具有單點(diǎn)故障模式，可靠性低，優(yōu)點(diǎn)是成本低，網(wǎng)絡(luò)互連方便簡單。該型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽庖妶D1。從圖1中可以看出，如果一個(gè)鏈路或一個(gè)節(jié)點(diǎn)失效，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)失效。

交換結(jié)構(gòu)：交換結(jié)構(gòu)是一種大規(guī)模擴(kuò)展FC網(wǎng)絡(luò)的有效方式，其在帶寬擴(kuò)展上相比仲裁環(huán)結(jié)構(gòu)有著先天性的架構(gòu)優(yōu)勢，但是由于額外的高速交換設(shè)備的引入和星型結(jié)構(gòu)方式的限制，其成本更高，且同樣存在單點(diǎn)故障的問題。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意見圖2。從圖2中可以看出，SW出現(xiàn)問題時(shí)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)失效，但是某個(gè)節(jié)點(diǎn)或鏈路失效時(shí)，對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)其他節(jié)點(diǎn)沒有影響。

2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓倪M(jìn)

基于以上分析，可以看出無論何種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)在實(shí)現(xiàn)FC?AE?1553協(xié)議時(shí)，如果要達(dá)到MIL?STD?1553B網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)所實(shí)現(xiàn)的故障容錯(cuò)以及高可靠性時(shí)，傳統(tǒng)的FC網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)都存在一定的弊端，必須采用如下的方式加以改進(jìn)：

雙余度結(jié)構(gòu)：將網(wǎng)絡(luò)中用于數(shù)據(jù)交換的鏈路或設(shè)備進(jìn)行余度備份，增加傳輸路徑提高網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)幕究煽啃浴?/p>

節(jié)點(diǎn)旁路電路：對于仲裁環(huán)結(jié)構(gòu)，由于其直接使用光纖串聯(lián)多個(gè)節(jié)點(diǎn)，且信息傳播根據(jù)FC?AL標(biāo)準(zhǔn)必須經(jīng)過節(jié)點(diǎn)內(nèi)部轉(zhuǎn)發(fā)，如果單個(gè)節(jié)點(diǎn)故障，則整個(gè)鏈路必將出現(xiàn)癱瘓，因此必須對節(jié)點(diǎn)收發(fā)機(jī)電路進(jìn)行改進(jìn)，增加旁路電路。而對于交換結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)機(jī)而言，由于獨(dú)享鏈路，則不存在該問題。同樣，余度鏈路結(jié)構(gòu)也是必須的。

從圖3可以看出，余度拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中鏈路的單點(diǎn)故障均不會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)失效，但是在仲裁環(huán)結(jié)構(gòu)中，如果節(jié)點(diǎn)故障仍舊會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)失效。對此，需要在節(jié)點(diǎn)機(jī)上增加節(jié)點(diǎn)旁路電路和備用電源電路，確保節(jié)點(diǎn)故障時(shí)網(wǎng)絡(luò)能夠正常通信（FC網(wǎng)絡(luò)在通信中，必須保證整個(gè)鏈路閉環(huán)，確保各個(gè)節(jié)點(diǎn)收發(fā)機(jī)能夠正常的發(fā)送和接收才能進(jìn)行通信，這是在物理層面和MIL?STD?1553B網(wǎng)絡(luò)的最大差別）。

結(jié)合對余度拓?fù)涞姆治鲆约癋C?AE?ASM協(xié)議的實(shí)現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)，在交換結(jié)構(gòu)中增加余度成本雖然較高，但是其技術(shù)相對更為簡單，只需要增加交換設(shè)備并增加節(jié)點(diǎn)機(jī)的鏈路即可，技術(shù)更為成熟可靠。而仲裁環(huán)結(jié)構(gòu)由于其節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)本身復(fù)雜度非常高，且在余度中需要對鏈路旁路、故障隔離檢測進(jìn)行新的探索和研究，當(dāng)前階段，在工程中實(shí)現(xiàn)不太可行。

3 協(xié)議傳輸模式

FC?AE?1553協(xié)議是基于FC協(xié)議基礎(chǔ)上通過映射方式實(shí)現(xiàn)的MIL?STD?1553B通信模式，但是基于環(huán)境的較大差異和FC固有特性，在FC?AE?1553協(xié)議中引入了一些新的模式，并有別于傳統(tǒng)的MIL?STD?1553B定義的傳輸模式。在本協(xié)議中定義的傳輸模式包括：

（1） NC→NT：單播通信方式，由NC發(fā)出接收命令序列，NC可以在命令序列中攜帶數(shù)據(jù)或在后續(xù)幀中發(fā)送數(shù)據(jù)。

（2） NC→NTs：多播或廣播通信方式，由NC發(fā)出接收命令序列到2個(gè)或2個(gè)以上的NT，NC可以在命令序列中攜帶數(shù)據(jù)或在后續(xù)幀中發(fā)送數(shù)據(jù)；

（3） NT→NT：單播通信方式，由NC發(fā)出發(fā)送命令序列到發(fā)送NT，發(fā)送端NT接收到命令后，再發(fā)送接收命令到接收NT；

（4） NT→NTs：多播或廣播通信方式，由NC發(fā)出發(fā)送命令序列到發(fā)送NT，發(fā)送端NT接收到命令后，再發(fā)送接收命令到接收NT；

（5） NT→NC：單播通信方式，由NC發(fā)出發(fā)送命令序列到NT，NT接收到命令后發(fā)送數(shù)據(jù)到NC；

（6） NT→NT（s）/BC：多播或廣播通信方式，由NC發(fā)出發(fā)送命令序列到發(fā)送NT，發(fā)送端NT接收到命令后，再發(fā)送接收命令到接收NT，在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)同時(shí)發(fā)送到NC，讓NC實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)控。

以上幾種模式為FC?AE?1553協(xié)議定義的基本模式，沒有仔細(xì)區(qū)別小的模式，比如命令+數(shù)據(jù)序列或命令序列+數(shù)據(jù)序列等模式。主要原因是在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流向上沒有本質(zhì)差別，沒有進(jìn)一步劃分。

4 MIL?STD?1553B和FC?AE?1553差異

FC?AE?1553協(xié)議是針對MIL?STD?1553B協(xié)議進(jìn)行的擴(kuò)展，并非簡單的性能升級，兩者之間的區(qū)別如下：

（1） 在MIL?STD?1553B協(xié)議中，只有BC可以發(fā)出命令字，用于控制NT進(jìn)行收發(fā)操作，而在FC?AE?1553協(xié)議中，除了NC可以發(fā)出命令字外（命令序列），主動(dòng)發(fā)起數(shù)據(jù)的NT也可以發(fā)出命令字（命令序列），當(dāng)然，其不是命令序列的起始。

（2） 應(yīng)答功能：在FC?AE?1553協(xié)議中，應(yīng)答功能并非必須，而是由命令字（命令序列）中的相應(yīng)字段指定的，而MIL?STD?15553B協(xié)議中應(yīng)答是必須的。

（3） 數(shù)據(jù)字（序列）傳輸間隔：在FC?AE?1553協(xié)議中定義了兩種傳輸間隔，立即傳輸（根據(jù)PRLI注冊長度）或等待應(yīng)答傳輸，在每一個(gè)命令序列發(fā)起時(shí)均可選擇，而在MIL?STD?15553B協(xié)議中不同的傳輸模式數(shù)據(jù)字和命令字的傳輸間隔是固定的，沒有可選性。

（4） 多播：FC?AE?1553協(xié)議定義了有關(guān)多播的功能，其用于支持實(shí)現(xiàn)NC對于傳輸數(shù)據(jù)的監(jiān)控以及點(diǎn)到多點(diǎn)的通信功能，在MIL?STD?1553B協(xié)議中只有廣播而沒有多播。

（5） 數(shù)據(jù)監(jiān)控：在FC?AE?1553協(xié)議中沒有給出MT節(jié)點(diǎn)的定義，但是對NT→NT（s）通信的數(shù)據(jù)監(jiān)控定義了一種模式，即使用NC進(jìn)行數(shù)據(jù)捕獲，將NT→NT（s）的數(shù)據(jù)同時(shí)發(fā)送到NC進(jìn)行監(jiān)控。在MIL?STD?1553B網(wǎng)絡(luò)中，MT一般作為一個(gè)獨(dú)立的功能節(jié)點(diǎn)，或者RT/MT作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，沒有BC同時(shí)兼顧MT功能的用法和定義。

（6） 協(xié)議組織層次：MIL?STD?1553協(xié)議中，無論何種傳輸模式，其不需要進(jìn)行分層次的定義，全部傳輸以地址標(biāo)識目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，而在FC?AE?1553協(xié)議中，除了以地址標(biāo)識傳輸目標(biāo)外，還應(yīng)考慮序列、交換的層級結(jié)構(gòu)，序列發(fā)起方的轉(zhuǎn)移，交換標(biāo)識的管理等，從而確保一次傳輸只能對應(yīng)到一個(gè)交換，確保傳輸?shù)目刹l(fā)性，管理模式更為復(fù)雜。

5 協(xié)議簡化及優(yōu)化

在FC?AE?1553協(xié)議定義時(shí)，其對傳輸方式進(jìn)行了擴(kuò)展，而傳統(tǒng)的MIL?STD?1553B協(xié)議只定義了BC→RT，BC→RTs（廣播），RT→BC，RT→RT，RT→RTs（廣播）等傳輸方式，且所有情況下除廣播接收外其余傳輸必須進(jìn)行應(yīng)答（狀態(tài)字），如果考慮到傳統(tǒng)基于MIL?STD?1553B協(xié)議應(yīng)用的無縫升級，則可以對當(dāng)前FC?AE?1553定義的傳輸模式進(jìn)行簡化，在符合協(xié)議子集和應(yīng)用模式的前提下，有效降低網(wǎng)絡(luò)設(shè)備設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度，提高工程下的可實(shí)現(xiàn)性。對FC?AE?1553協(xié)議進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，擬從如下幾個(gè)方面進(jìn)行：

（1） 傳輸模式：以兼容傳統(tǒng)MIL?STD?1553B協(xié)議為基礎(chǔ)，去掉多余的傳輸模式，如不應(yīng)答模式。

（2） 固定數(shù)據(jù)傳輸間隔，仿照MIL?STD?1553B協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸間隔，去掉FC?AE?1553協(xié)議中的數(shù)據(jù)間隔的可選性，將不同模式下的數(shù)據(jù)間隔固定，但不違反協(xié)議本身定義。

（3） 去掉可選項(xiàng)的支持，比如RDMA，而采用主動(dòng)發(fā)送方式進(jìn)行傳輸，簡化掉諸如PRLI等服務(wù)的支持功能。

（4） 明確增加余度結(jié)構(gòu)，并對余度結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)定義，提高網(wǎng)絡(luò)通信可靠性。

（5） 去掉NC的監(jiān)控功能，獨(dú)立增加監(jiān)控節(jié)點(diǎn)定義，以降低組播表配置復(fù)雜度，簡化NC設(shè)計(jì)。

基于以上幾點(diǎn)優(yōu)化后的FC?AE?1553協(xié)議具備如下特點(diǎn)：高可靠性，具備余度傳輸鏈路；節(jié)點(diǎn)復(fù)雜度低，有利于降低功耗和體積；時(shí)間特性得到增強(qiáng)，去掉了一些處理分支，增加硬件處理的確定性，能夠簡化故障模式，增強(qiáng)實(shí)時(shí)性；良好的升級性，可以對應(yīng)用和驅(qū)動(dòng)進(jìn)行小幅修改進(jìn)而保證系統(tǒng)升級后的功能正確。

而優(yōu)化后也帶來了一定的缺點(diǎn)，包括：網(wǎng)絡(luò)功能減少，由于對傳輸模式和節(jié)點(diǎn)功能的簡化，網(wǎng)絡(luò)在后期升級能力方面有所降低；網(wǎng)絡(luò)整體復(fù)雜度提升，成本有所升高，但是由于對節(jié)點(diǎn)機(jī)協(xié)議處理進(jìn)行簡化，其整體成本應(yīng)該比實(shí)現(xiàn)FC?AE?1553協(xié)議全集的成本低。

6 FC?AE?1553協(xié)議研究現(xiàn)狀

目前針對FC?AE?1553協(xié)議的研究在國內(nèi)仍舊處于探索階段，其定義的復(fù)雜傳輸和功能模式尚未完全理解，分析研究僅限于協(xié)議本身的分析，尚未開展工程化的仿真和技術(shù)攻關(guān)工作。

在國際上FC?AE?1553協(xié)議作為目前FC?AE組織推出的一個(gè)重要協(xié)議，正在逐步完善。目前支持該協(xié)議產(chǎn)品已經(jīng)存在，比如DDC公司的FC板卡，但是沒有測試設(shè)備廠商研發(fā)出測試支持設(shè)備，是否完全滿足協(xié)議沒有經(jīng)過權(quán)威的測試機(jī)構(gòu)進(jìn)行認(rèn)證，DDC公司也沒有作為主導(dǎo)產(chǎn)品進(jìn)行推廣，應(yīng)該說在研制環(huán)節(jié)上存在不足，無法提供可用的支持和驗(yàn)證。型號應(yīng)用中，F(xiàn)C?AE?1553被多次提及，涉及航天、航空等多個(gè)領(lǐng)域，主要考慮的是型號升級改造，尚未進(jìn)入正式論證階段。

7 協(xié)議研究的難點(diǎn)

FC?AE?1553作為一種面向航空電子系統(tǒng)的基于FC網(wǎng)絡(luò)的高層協(xié)議，其研制開發(fā)過程結(jié)合當(dāng)前的技術(shù)水平和發(fā)展，從理論和工程兩方面對困難進(jìn)行說明。

7.1 理論層面

標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)支撐：雖然已經(jīng)出現(xiàn)相關(guān)產(chǎn)品，但是沒有標(biāo)準(zhǔn)測試設(shè)備的支持，很難全面進(jìn)行協(xié)議實(shí)現(xiàn)符合性和技術(shù)指標(biāo)的考察。

關(guān)鍵參數(shù)定義：比如應(yīng)答超時(shí)值，傳輸時(shí)間間隔以及多播組定義等協(xié)議并未給出明確的定義，必須依據(jù)現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用模型進(jìn)行仿真和定義。

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)改造和標(biāo)準(zhǔn)編制：針對可靠性、容錯(cuò)能力等指標(biāo)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)改造，并盡快編制相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，從理論層面進(jìn)行支撐，對支持該協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品研制進(jìn)行規(guī)范。

應(yīng)用模式不夠清晰，超出協(xié)議自身的應(yīng)用模式定義和需求比比皆是，無法對整個(gè)模式進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化清理和規(guī)范。

7.2 工程實(shí)現(xiàn)層面

在機(jī)載領(lǐng)域主要使用點(diǎn)到點(diǎn)和交換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，仲裁環(huán)雖然比較接近傳統(tǒng)的MIL?STD?1553B網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，但是NL端口的研制由于其本身具備仲裁特性更為復(fù)雜，且沒有可借鑒的產(chǎn)品，需要進(jìn)行重新定義和研發(fā)。

目前實(shí)現(xiàn)協(xié)議處理，初期均考慮FPGA進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，但是針對FC?AE?1553的復(fù)雜傳輸模式，對FPGA的小型化、低功耗設(shè)計(jì)而言，是一個(gè)較大的難點(diǎn)。

網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)驗(yàn)證：沒有專用的測試設(shè)備和規(guī)范，需要在研制中額外增加多種輔助手段，增加了設(shè)計(jì)的難度和工作量，甚至有可能導(dǎo)致理論設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用設(shè)計(jì)的架構(gòu)出現(xiàn)較大變化，增加了工程應(yīng)用的風(fēng)險(xiǎn)。

FC網(wǎng)絡(luò)利用率：在一個(gè)超出MIL?STD?1553B網(wǎng)絡(luò)帶寬1 000倍以上的網(wǎng)絡(luò)中，基于命令/應(yīng)答方式的FC?AE?1553協(xié)議如何有效地利用網(wǎng)絡(luò)帶寬傳輸數(shù)據(jù)，且不會(huì)對系統(tǒng)的應(yīng)用模式規(guī)劃、配置以及產(chǎn)品設(shè)計(jì)增加較大的難度。

8 結(jié) 語

通過分析，目前國內(nèi)所掌握的FC?AE?1553技術(shù)距離工程實(shí)際應(yīng)用仍舊存在差距，短時(shí)間內(nèi)無法轉(zhuǎn)入工程設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)階段，還需要對協(xié)議、節(jié)點(diǎn)架構(gòu)、傳輸模式以及網(wǎng)絡(luò)管理等技術(shù)點(diǎn)進(jìn)行更為深入的研究、仿真，獲取更為詳盡的材料，有效突破相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)才能滿足型號工程化研究的需要。

參考文獻(xiàn)

[1] ANSI INCITS. Fibre channel?avionics environment （FC?AE）， Rev 3.5 [R]. US： ANSI INCITS， 2003.

[2] ANSI INCITS. Fibre channel?AE?1553. Rev 0.3 [R]. US： ANSI INCITS， 2004.

[3] US Department of Defense. Military standard digital time division command/response multiplex data bus notice： MIL?STD?1553B [S]. US： US Department of Defense， 1978.

[4] ANSI INCITS. Fibre channel arbitrated loop （FC?AL） Rev 4.5 [R]. US： ANSI INCITS， 1995.

[5] ANSI INCITS. Fibre channel arbitrated loop?2 （FC?AL?2） Rev 7.0 [R]. US： ANSI INCITS， 2001.

[6] 林強(qiáng)，熊華剛，張其善.光纖通道中的1553總線技術(shù)[J].航空電子技術(shù)，2004（1）：1?5.

[7] 徐亞軍，熊華鋼.未來航電系統(tǒng)FC互聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究[J].電光與控制，2004（4）：17?20.