楊建茜, 王世奎, 于 峰

(航空工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所,西安 710065)

0 引言

MIL-STD-1553B數(shù)據(jù)總線因可靠性高、傳輸延遲低以及確定的數(shù)據(jù)傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，被機(jī)載懸掛物管理系統(tǒng)(SMS)普遍采用構(gòu)建武器系統(tǒng)通信總線，以滿足各掛點(diǎn)之間信息共享和數(shù)據(jù)交互。隨著飛機(jī)掛點(diǎn)數(shù)量的增多以及各掛點(diǎn)之間通信量的劇增，1 Mbit/s的傳輸帶寬和最多31個(gè)終端數(shù)量的限制已遠(yuǎn)不能滿足海量數(shù)據(jù)傳輸?shù)男挛淦骱痛筝d彈量的多掛點(diǎn)需求[1-2]。交換式FC-AE-1553網(wǎng)絡(luò)相比傳統(tǒng)的MIL-STD-1553優(yōu)勢(shì)在于能夠利用交換機(jī)進(jìn)行多節(jié)點(diǎn)并發(fā)操作[3]，為以信息網(wǎng)絡(luò)為中心的海、陸、空、天、電一體化聯(lián)合的立體戰(zhàn)爭(zhēng)[4]提供高速率、低延遲、高帶寬的傳輸方案。

美國(guó)SAE組織于2008年針對(duì)MIL-STD-1760E標(biāo)準(zhǔn)頒布了適用于飛機(jī)懸掛物接口要求的高速網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)AS5653，并分別于2012年和2014年提出修改版本AS5653A和AS5653B；美國(guó)的AH-64D長(zhǎng)弓阿帕奇直升機(jī)，B1-B等飛機(jī)均啟用了FC-AE-1553協(xié)議[5]；據(jù)報(bào)道,RF-22、偵察機(jī)等型號(hào)武器系統(tǒng)上開(kāi)始采用AS5653協(xié)議組建高帶寬的FC網(wǎng)絡(luò)，以提高飛機(jī)的作戰(zhàn)能力和偵察能力。國(guó)內(nèi)從2001年開(kāi)始研究FC基礎(chǔ)協(xié)議，2006年開(kāi)始分析研究FC-AE標(biāo)準(zhǔn)中的FC-AE-ASM協(xié)議和FC-AE-1553協(xié)議，而針對(duì)武器系統(tǒng)的高速網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的研究幾乎空白。

依據(jù)AS5653B標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合機(jī)載SMS應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)總線數(shù)據(jù)傳輸確定性、實(shí)時(shí)性和有序性的需求，以及對(duì)命令、控制執(zhí)行的可追蹤性要求，圍繞FC-AE-1553協(xié)議分析研究機(jī)載SMS高速FC網(wǎng)絡(luò)在動(dòng)態(tài)組網(wǎng)和通信調(diào)度管理等方面的相關(guān)技術(shù)，并規(guī)劃具體的實(shí)施方案。

1 機(jī)載SMS的FC網(wǎng)絡(luò)通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)配置

FC-AE-1553基于MIL-STD-1553 Notice 2，在帶寬、地址空間、數(shù)據(jù)傳輸長(zhǎng)度上進(jìn)行了擴(kuò)展，支持航空電子系統(tǒng)設(shè)備之間關(guān)鍵任務(wù)的低延遲、低開(kāi)銷通信[6]。依據(jù)FC-AE-1553標(biāo)準(zhǔn)可組建兩類網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ?一種為集中控制模型，在該模型中整個(gè)網(wǎng)絡(luò)只有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制器(NC)，管理并調(diào)度網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點(diǎn)的通信任務(wù)；另一種為分布控制模型，網(wǎng)絡(luò)中可以存在多個(gè)NC，實(shí)現(xiàn)物理上的域管理或基于任務(wù)的管理[7]。

AS5653B要求FC通信網(wǎng)絡(luò)中只能配置一個(gè)NC，而且該NC必須與網(wǎng)絡(luò)主交換機(jī)的第一個(gè)物理端口連接[8]。該要求確保了在FC交換網(wǎng)絡(luò)控制模式下，只能配置一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為NC，實(shí)現(xiàn)FC網(wǎng)絡(luò)通信的統(tǒng)一調(diào)度和管理功能；任務(wù)懸掛物必須有能力承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)終端(NT)的功能，完成通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送處理[8]。

AS5653B針對(duì)機(jī)載SMS應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)FC通信網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)端口類型、通信數(shù)據(jù)流方向以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)給出如圖1所示的配置結(jié)構(gòu)。

圖1 機(jī)載SMS的FC通信網(wǎng)絡(luò)配置結(jié)構(gòu)Fig.1 FC communication network configuration for SMS

2 機(jī)載SMS高速FC網(wǎng)絡(luò)通信管理技術(shù)分析

針對(duì)武器系統(tǒng)掛點(diǎn)數(shù)量多、掛點(diǎn)在不同作戰(zhàn)環(huán)境下懸掛物配置不同等特點(diǎn)，要求新一代的SMS能夠在動(dòng)態(tài)組網(wǎng)和高速傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)上深入研究和仿真試驗(yàn)[9]，該舉措是促使標(biāo)準(zhǔn)研究走向?qū)嶋H應(yīng)用的有效途徑。鑒此，本文將針對(duì)SMS采用FC組建高網(wǎng)絡(luò)通信的管理技術(shù)展開(kāi)研究。

機(jī)載SMS高速FC網(wǎng)絡(luò)通信管理涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：1) 節(jié)點(diǎn)初始化控制與管理策略；2) 網(wǎng)絡(luò)通信調(diào)度與管理策略；3) 節(jié)點(diǎn)有效狀態(tài)監(jiān)控與管理策略。

2.1 節(jié)點(diǎn)初始化控制與管理策略

節(jié)點(diǎn)初始化控制與管理技術(shù)是NC/NT節(jié)點(diǎn)在加電或復(fù)位狀態(tài)下，通過(guò)一系列顯式操作，完成節(jié)點(diǎn)初始化和FC通信參數(shù)傳遞功能，是進(jìn)入FC有效通信狀態(tài)的前提條件。

節(jié)點(diǎn)初始化控制與管理過(guò)程由端口注冊(cè)和進(jìn)程注冊(cè)兩部分操作組成，在執(zhí)行順序上要求進(jìn)程注冊(cè)必須在端口注冊(cè)成功的條件下才可執(zhí)行。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的監(jiān)控和管理需求，端口注冊(cè)和進(jìn)程注冊(cè)均采用顯式注冊(cè)方式。

端口顯式注冊(cè)功能根據(jù)節(jié)點(diǎn)端口類型的不同分為F端口顯式注冊(cè)(FLOGI)和N端口顯式注冊(cè)(PLOGI)，該注冊(cè)功能分別通過(guò)FC擴(kuò)展鏈路服務(wù)(ELS)中的FLOGI和PLOGI命令實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖2、圖3所示。

圖2 FLOGI實(shí)現(xiàn)過(guò)程示意圖Fig.2 Schematic of realization process for FLOGI

圖3 PLOGI/PRLI/PRLO/LOGO實(shí)現(xiàn)過(guò)程示意圖Fig.3 Schematic of realization process for PLOGI/PRLI/ PRLO/LOGO

SMS應(yīng)用軟件在加載過(guò)程中，只需將系統(tǒng)預(yù)定義的網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)地址信息以配置文件的形式加載到FC網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)(Swicth)上。節(jié)點(diǎn)通過(guò)執(zhí)行FLOGI，不僅可識(shí)別交換機(jī)存在與否，還可獲取系統(tǒng)配置的端口地址和FC流控信息；在獲得端口地址的前提下，通過(guò)執(zhí)行PLOGI，實(shí)現(xiàn)FC-AE-1553通信節(jié)點(diǎn)之間通信參數(shù)(如端口名、節(jié)點(diǎn)或交換機(jī)名),通信信息(如命令服務(wù)參數(shù)、類服務(wù)參數(shù))和超時(shí)信息(如錯(cuò)誤識(shí)別超時(shí)值E_D_TOV、資源分配超時(shí)值R_A_TOV和接收器發(fā)送器超時(shí)值R_T_TOV)的交換，為FC-AE-1553通信的有效性和異常情況的識(shí)別提供評(píng)判依據(jù)。

在完成端口顯式注冊(cè)的前提下才可執(zhí)行進(jìn)程顯式注冊(cè)(PRLI)。PRLI為通信節(jié)點(diǎn)在執(zhí)行FC-4層的應(yīng)用協(xié)議建立一種操作環(huán)境，該操作環(huán)境包括建立通信節(jié)點(diǎn)間的映像對(duì)、通信節(jié)點(diǎn)之間交換服務(wù)參數(shù)等。PRLI的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖3所示。

FC-AE-1553作為FC-4層的應(yīng)用協(xié)議，通過(guò)執(zhí)行顯式的PRLI，在相互通信的節(jié)點(diǎn)機(jī)之間傳遞執(zhí)行FC-AE-1553協(xié)議的服務(wù)參數(shù)，該服務(wù)參數(shù)包括：節(jié)點(diǎn)機(jī)的工作模式(NC或NT),需要的FC-AE-1553交換配置(包括NC命令序列、NT命令序列、NT-NT命令序列以及方式命令序列)要求,NT的狀態(tài)序列設(shè)置要求以及與通信相關(guān)的超時(shí)信息配置要求等。為了便于FC-AE-1553通信協(xié)議的實(shí)施，PRLI操作一般要求由NC發(fā)起，根據(jù)系統(tǒng)通信任務(wù)的需求進(jìn)行配置。

NC節(jié)點(diǎn)通過(guò)執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)初始化控制與管理策略可繪制出整個(gè)FC-AE-1553網(wǎng)絡(luò)通信有效節(jié)點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，為后續(xù)的通信調(diào)度提供高效的調(diào)度依據(jù)；NT節(jié)點(diǎn)通過(guò)執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)初始化控制與管理策略可實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)有效狀態(tài)的初始化并進(jìn)入FC-AE-1553有效通信狀態(tài)。

節(jié)點(diǎn)在完成初始化控制與管理功能后就具備FC-AE-1553通信的能力，可開(kāi)始正常的FC-AE-1553通信。

2.2 網(wǎng)絡(luò)通信調(diào)度與管理策略

FC-AE-1553作為FC-4層的應(yīng)用協(xié)議，完成SMS應(yīng)用層任務(wù)中命令、控制和文件的傳輸。消息傳輸以交換(Exchange)為單元，根據(jù)傳輸類型的不同，交換由FC-AE-1553命令序列、狀態(tài)序列或數(shù)據(jù)序列組成。交換的類型主要包括：NC-NT的交換、NT-NC的交換、NT-NT的交換、方式命令交換以及廣播交換。

命令、控制類消息攜帶的數(shù)據(jù)較少，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、可靠性和確定性要求較高。針對(duì)以上特征以單幀的形式封裝FC-AE-1553命令序列、狀態(tài)序列和數(shù)據(jù)序列。

文件傳輸主要針對(duì)塊數(shù)據(jù)(Mass Data)傳輸，這類消息攜帶的數(shù)據(jù)量相對(duì)較大，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?、一致性和有序性要求較高；在消息組織上命令序列、狀態(tài)序列和數(shù)據(jù)序列分別獨(dú)立封裝，數(shù)據(jù)幀采用多序列組合交換的方式進(jìn)行封裝，為了減少傳輸處理延遲，使能實(shí)現(xiàn)FC-AE-1553“抑制狀態(tài)(Suppress Status)”和“NT Burst Size Request”功能。

文件的拆分和組裝管理策略是文件傳輸?shù)囊粋€(gè)關(guān)鍵技術(shù)，文件的發(fā)送方和接收方均需按照該策略對(duì)文件進(jìn)行拆分或組裝FC-AE-1553數(shù)據(jù)序列。文件的拆分和組裝管理策略要求：首先，設(shè)定幀的最大有效負(fù)載長(zhǎng)度，根據(jù)設(shè)定的幀長(zhǎng)度和文件長(zhǎng)度將文件拆分成幀；其次，設(shè)定一個(gè)序列中幀的最大個(gè)數(shù)，據(jù)此將幀封裝成序列；最后，設(shè)定一個(gè)交換中序列的最大個(gè)數(shù)，據(jù)此將序列封裝成交換。對(duì)于封裝的序列要求包括序列標(biāo)號(hào)、序列開(kāi)始標(biāo)識(shí)和序列結(jié)束標(biāo)識(shí)等信息；對(duì)于封裝的幀必須包括幀序號(hào)、幀在文件中的標(biāo)號(hào)、幀開(kāi)始標(biāo)識(shí)、幀結(jié)束標(biāo)識(shí)以及幀的有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度等信息。按照以上策略設(shè)計(jì)的文件拆分和組裝管理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型如圖4所示。文件的拆分和組裝管理策略可以有效確保文件在傳輸過(guò)程的完整性、一致性和有序性。

NC作為機(jī)載SMS高速FC網(wǎng)絡(luò)配置的唯一網(wǎng)絡(luò)控制器，承擔(dān)著整個(gè)FC-AE-1553網(wǎng)絡(luò)通信的統(tǒng)一調(diào)度和管理任務(wù)，該任務(wù)依據(jù)FC-AE-1553網(wǎng)絡(luò)通信調(diào)度與管理策略實(shí)施。

圖4 文件管理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Fig.4 Data structure for file management

網(wǎng)絡(luò)通信調(diào)度與管理策略由網(wǎng)絡(luò)管理和通信調(diào)度管理兩部分構(gòu)成。在網(wǎng)絡(luò)管理功能中，NC通過(guò)監(jiān)控每一組交換傳輸獲取相應(yīng)的通信參數(shù)，與預(yù)定義參數(shù)比較做出傳輸有效性的評(píng)價(jià)，并將該評(píng)價(jià)的結(jié)果實(shí)時(shí)記錄在網(wǎng)絡(luò)管理表中。在網(wǎng)絡(luò)通信調(diào)度管理中，NC根據(jù)系統(tǒng)配置的通信調(diào)度表獲取當(dāng)前需要調(diào)度發(fā)送的命令序列，通過(guò)解析獲取該命令序列的源節(jié)點(diǎn)地址，判斷該地址是否為本節(jié)點(diǎn)地址，如果是則使能該命令序列的發(fā)送，否則放棄發(fā)送依次查詢下一條命令序列。以此方式輪詢通信調(diào)度表實(shí)現(xiàn)FC網(wǎng)絡(luò)通信調(diào)度任務(wù)。

網(wǎng)絡(luò)通信調(diào)度與管理策略規(guī)劃了網(wǎng)絡(luò)管理表和通信調(diào)度表2種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)管理表實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地記錄了網(wǎng)絡(luò)連接節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)，NC可以根據(jù)該表動(dòng)態(tài)地繪制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，為網(wǎng)絡(luò)有效調(diào)度提供參考依據(jù);通信調(diào)度表由系統(tǒng)根據(jù)通信任務(wù)的需求配置，該表為系統(tǒng)通信任務(wù)調(diào)度排列表，每一個(gè)傳輸任務(wù)對(duì)應(yīng)的內(nèi)容包括通信數(shù)據(jù)的源節(jié)點(diǎn),目的節(jié)點(diǎn),數(shù)據(jù)類型(命令、控制、文件),有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度,觸發(fā)傳輸?shù)臈l件(事件、周期),最大延遲時(shí)間,其他特殊要求(緊急消息、系統(tǒng)時(shí)鐘同步)等。

在組織和規(guī)劃通信調(diào)度表時(shí)應(yīng)綜合考慮數(shù)據(jù)產(chǎn)生的條件和傳輸?shù)臅r(shí)間特性等因素，對(duì)于條件觸發(fā)的事件性消息本著觸發(fā)即傳輸?shù)脑瓌t，通過(guò)設(shè)置較高優(yōu)先級(jí)，實(shí)現(xiàn)盡快盡早的調(diào)度；對(duì)于時(shí)間觸發(fā)的消息本著滿足周期即被調(diào)度的原則，同一個(gè)周期如果有多個(gè)消息的調(diào)度需要緊急處理可通過(guò)設(shè)置優(yōu)先級(jí)實(shí)現(xiàn)優(yōu)先調(diào)度，如果無(wú)特殊要求按照輪詢的方式依次調(diào)度。當(dāng)事件消息和周期消息調(diào)度發(fā)生沖突時(shí)，按照消息的優(yōu)先級(jí)執(zhí)行調(diào)度。無(wú)論哪種情況在確定調(diào)度方案時(shí)都必須充分考慮消息傳輸?shù)难訒r(shí)和抖動(dòng)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信調(diào)度的影響。

2.3 節(jié)點(diǎn)有效活動(dòng)監(jiān)控和管理策略

FC網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)有效活動(dòng)監(jiān)控和管理是對(duì)網(wǎng)絡(luò)中連接節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和動(dòng)態(tài)管理的一種策略，該策略由節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)有效活動(dòng)的啟動(dòng)、追蹤管理以及終止3部分組成。在FC網(wǎng)絡(luò)通信過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)及轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖5所示。圖5中,矩形框表示節(jié)點(diǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的條件，橢圓表示節(jié)點(diǎn)狀態(tài)。

圖5 FC網(wǎng)絡(luò)通信中節(jié)點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換示意圖Fig.5 Node state transition during FC network communication

節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)有效活動(dòng)的啟動(dòng)也稱為節(jié)點(diǎn)上網(wǎng)管理。在上電或復(fù)位狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)通過(guò)執(zhí)行初始化控制與管理功能實(shí)現(xiàn)上網(wǎng)管理。首先，節(jié)點(diǎn)通過(guò)端口顯式注冊(cè)獲取系統(tǒng)配置的端口物理地址和相關(guān)的通信服務(wù)參數(shù)；通過(guò)進(jìn)程顯式注冊(cè)使節(jié)點(diǎn)機(jī)獲得執(zhí)行FC-AE-1553通信的相關(guān)參數(shù)，具備FC-AE-1553通信的能力，此時(shí)的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)稱為上網(wǎng)狀態(tài)，這個(gè)操作過(guò)程稱為節(jié)點(diǎn)上網(wǎng)管理過(guò)程。

節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)有效活動(dòng)的終止也稱為節(jié)點(diǎn)下網(wǎng)管理，該功能通過(guò)執(zhí)行進(jìn)程顯式注銷實(shí)現(xiàn)。進(jìn)程顯式注銷(PRLO)與PRLI功能相反。節(jié)點(diǎn)在PRLO時(shí)將釋放PRLI申請(qǐng)的所有資源，并終止與本節(jié)點(diǎn)相關(guān)的所有FC-AE-1553通信調(diào)度。PRLO實(shí)現(xiàn)過(guò)程與PRLI類同，通過(guò)定義的ELS操作實(shí)現(xiàn)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)執(zhí)行PRLO處于下網(wǎng)狀態(tài)時(shí)，如果需要恢復(fù)FC-AE-1553通信能力，必須再次執(zhí)行PRLI完成上網(wǎng)管理進(jìn)入FC-AE-1553有效通信狀態(tài)。

節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)有效活動(dòng)的追蹤和管理是以通信中的交換為對(duì)象，對(duì)交換的命令序列、狀態(tài)序列和數(shù)據(jù)序列的發(fā)送、接收等時(shí)間信息進(jìn)行采集和計(jì)算，參考FC-AE-1553協(xié)議定義的6類時(shí)鐘信息，對(duì)傳輸?shù)挠行院驼_性做出評(píng)判。6類時(shí)鐘包括NT_C/S_TOV，NT_C-D/S_BURST_TOV，NC_C/S_TOV，NC_C-D/S_BURST_TOV，C-S/D_TX_TOV以及C-S/D_RX_TOV[10]，網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)均配置以上6類時(shí)鐘信息。上電或復(fù)位時(shí)系統(tǒng)將各節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘信息加載在NC節(jié)點(diǎn)上；在初始化控制與管理過(guò)程中,NC通過(guò)組織并發(fā)送PRLI請(qǐng)求,將攜帶的時(shí)鐘信息傳遞給各NT。在FC-AE-1553通信中，NT節(jié)點(diǎn)采集、記錄命令序列、數(shù)據(jù)序列接收或發(fā)送的時(shí)間點(diǎn)，參照6類時(shí)鐘信息計(jì)算需要的時(shí)間段，與系統(tǒng)給定的參考時(shí)間比較，將結(jié)果反映在狀態(tài)序列中并發(fā)送；作為NC，與NT一樣，需要采集、記錄并計(jì)算每一次交換的相應(yīng)時(shí)間，參照系統(tǒng)給定的6類時(shí)鐘信息評(píng)判此次交換的有效性和正確性。

除了對(duì)交換過(guò)程中以上6類時(shí)鐘信息進(jìn)行監(jiān)控和管理外，還需要對(duì)交換的命令序列、狀態(tài)序列以及數(shù)據(jù)序列的有效性和正確性進(jìn)行評(píng)判，作為節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)有效活動(dòng)的追蹤和管理的一項(xiàng)指標(biāo)。

在通信過(guò)程中，如果需要終止FC-AE-1553通信可通過(guò)執(zhí)行進(jìn)程注銷(PRLO)功能，啟動(dòng)下網(wǎng)管理并釋放相關(guān)資源結(jié)束FC-AE-1553通信；如果需要結(jié)束FC通信，必須再執(zhí)行端口顯式注銷(LOGO)功能，釋放PLOGI和FLOGI申請(qǐng)的所有有效資源并終止FC通信。LOGO的實(shí)現(xiàn)過(guò)程與PLOGI類同，通過(guò)指定的ELS操作實(shí)現(xiàn)。

規(guī)劃節(jié)點(diǎn)有效狀態(tài)的追蹤和管理以及上下網(wǎng)過(guò)程控制管理是為了能夠?qū)C-AE-1553網(wǎng)絡(luò)通信過(guò)程實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的監(jiān)控和管理，提高FC網(wǎng)絡(luò)通信的綜合管理水平。

3 機(jī)載SMS高速FC網(wǎng)絡(luò)通信管理技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

3.1 節(jié)點(diǎn)初始化控制與管理的實(shí)現(xiàn)

上電或復(fù)位狀態(tài)，NC/NT節(jié)點(diǎn)通過(guò)執(zhí)行初始化控制與管理功能完成節(jié)點(diǎn)上電初始化操作。初始化控制與管理功能由F端口顯式注冊(cè)(FLOGI)、N端口顯式注冊(cè)(PLOGI)以及進(jìn)程顯式注冊(cè)(PRLI)3部分組成，3部分實(shí)現(xiàn)流程如圖6所示。

圖6 FLOGI/PLOGI/PRLI顯式注冊(cè)操作流程Fig.6 FLOGI/PLOGI/PRLI explicit login operation process

NC/NT節(jié)點(diǎn)上電主動(dòng)向交換機(jī)發(fā)送FLOGI請(qǐng)求，當(dāng)交換機(jī)檢測(cè)到FLOGI請(qǐng)求時(shí),根據(jù)接收該請(qǐng)求的端口地址在系統(tǒng)配置文件中查找匹配的NC/NT節(jié)點(diǎn)端口的物理地址，用該地址組織FLOGI應(yīng)答序列并發(fā)送，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)分配的NC/NT節(jié)點(diǎn)端口物理地址的動(dòng)態(tài)分配。

NC/NT節(jié)點(diǎn)獲得端口物理地址后，根據(jù)系統(tǒng)配置要求，組織PLOGI請(qǐng)求并向即將通信的節(jié)點(diǎn)發(fā)送，以此實(shí)現(xiàn)通信節(jié)點(diǎn)機(jī)之間命令參數(shù)、類服務(wù)參數(shù)、傳輸超時(shí)參數(shù)以及節(jié)點(diǎn)信息的相互傳遞。

端口注冊(cè)結(jié)束后，作為網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一調(diào)度者,NC根據(jù)系統(tǒng)配置的FC網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),依次向連接的各NT組織發(fā)送PRLI請(qǐng)求；當(dāng)接收到NT回復(fù)的PRLI應(yīng)答序列時(shí)，評(píng)判PRLI執(zhí)行的正確性，根據(jù)此評(píng)判結(jié)果完成NT的上網(wǎng)(online)管理并記錄相關(guān)信息。完成上網(wǎng)管理的NT節(jié)點(diǎn)進(jìn)入FC-AE-1553有效通信狀態(tài)，可以開(kāi)始正常的FC-AE-1553通信。NC/NT節(jié)點(diǎn)機(jī)初始化控制與管理實(shí)現(xiàn)流程如圖7a所示，交換機(jī)初始化控制與管理實(shí)現(xiàn)流程如圖7b所示。

圖7 NC/NT節(jié)點(diǎn)機(jī)和交換機(jī)初始化控制與管理流程 Fig.7 Initial control and management process of NC/NT node machine and interchanger

3.2 網(wǎng)絡(luò)通信調(diào)度與管理的實(shí)現(xiàn)

網(wǎng)絡(luò)管理表由FLOGI,PLOGI,LOGO，PRLI，PRLO等與節(jié)點(diǎn)管理類操作相關(guān)的命令構(gòu)成，為了實(shí)現(xiàn)NC對(duì)FC網(wǎng)絡(luò)通信的統(tǒng)一調(diào)度和管理功能，網(wǎng)絡(luò)管理表為NC，NT節(jié)點(diǎn)均配置了FLOGI請(qǐng)求命令，而其他命令均配置為NC請(qǐng)求類型；通信調(diào)度表由系統(tǒng)通信任務(wù)相關(guān)的命令構(gòu)成。上電或復(fù)位完成后，各節(jié)點(diǎn)根據(jù)系統(tǒng)配置信息設(shè)置本節(jié)點(diǎn)的工作模式(NC/NT)，并根據(jù)該工作模式完成網(wǎng)絡(luò)管理表和通信調(diào)度表的加載功能。

NC/NT節(jié)點(diǎn)完成網(wǎng)絡(luò)管理表和通信調(diào)度表的加載任務(wù)后進(jìn)入初始化控制與管理流程，在FLOGI，PLOGI和PRLI操作均正常的情況下完成上網(wǎng)管理功能并進(jìn)入FC-AE-1553有效通信狀態(tài)，開(kāi)始正常的FC-AE-1553通信，具體的實(shí)現(xiàn)流程如圖8所示。NC對(duì)網(wǎng)絡(luò)管理表和通信調(diào)度表采取獨(dú)立管理、統(tǒng)一調(diào)度的原則，根據(jù)各節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)(見(jiàn)圖5)實(shí)施統(tǒng)一調(diào)度。在上電或復(fù)位狀態(tài)下，NC將所有NT均標(biāo)注為下網(wǎng)狀態(tài)，僅啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)管理表的周期調(diào)度，當(dāng)查詢到某NT進(jìn)入到FC-AE-1553有效通信狀態(tài)時(shí)，啟動(dòng)通信調(diào)度表工作，查詢與該NT匹配的命令并啟動(dòng)傳輸，同時(shí)停止網(wǎng)絡(luò)管理中與該NT相關(guān)的命令的傳輸；在FC-AE-1553通信中當(dāng)某NT下網(wǎng)進(jìn)入FC有效通信狀態(tài)時(shí)，NC將停止通信調(diào)度表中該NT的相關(guān)命令的調(diào)度，并啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)管理中與該NT相關(guān)的命令的傳輸。

圖8 FC網(wǎng)絡(luò)通信管理和調(diào)度流程
Fig.8 FC network management and scheduling process

NC對(duì)通信調(diào)度表采取條件激勵(lì)或時(shí)間觸發(fā)的調(diào)度策略，并在交換結(jié)束時(shí)對(duì)此次交換傳輸?shù)挠行院驼_性進(jìn)行識(shí)別和管理；當(dāng)滿足調(diào)度條件的命令有多個(gè)時(shí)，NC將基于命令的優(yōu)先級(jí)實(shí)施調(diào)度和管理，因此每條調(diào)度命令均需配置優(yōu)先級(jí)。

3.3 節(jié)點(diǎn)有效活動(dòng)監(jiān)控和管理的實(shí)現(xiàn)

對(duì)于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)有效活動(dòng)的監(jiān)控和管理主要針對(duì)以下幾個(gè)方面展開(kāi)：1) 針對(duì)6類時(shí)鐘信息，對(duì)傳輸超時(shí)實(shí)施監(jiān)控和管理；2) 針對(duì)數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)傳輸數(shù)據(jù)的有效性和正確性實(shí)施監(jiān)控和管理；3) 節(jié)點(diǎn)失效處理。

針對(duì)FC通信過(guò)程中傳輸超時(shí)的監(jiān)控和管理:首先，確定監(jiān)控的時(shí)鐘信息和采集時(shí)鐘信息的時(shí)間段；其次，在選定的時(shí)間段采集并記錄相關(guān)時(shí)鐘信息；最后，對(duì)采集的時(shí)鐘信息進(jìn)行計(jì)算，與6類時(shí)鐘中對(duì)應(yīng)的時(shí)間參數(shù)比較，評(píng)判當(dāng)前傳輸?shù)某瑫r(shí)情況并作對(duì)應(yīng)的處理。以時(shí)間參數(shù)NT_C/S_TOV舉例說(shuō)明。NC需要在命令序列發(fā)送結(jié)束時(shí)采集時(shí)鐘并記錄為t1，在接收到NT回復(fù)的狀態(tài)序列時(shí)采集時(shí)鐘并記錄為t2，計(jì)算t2減t1的差值與參數(shù)NT_C/S_TOV比較，如果差值大于或等于NT_C/S_TOV，則表示傳輸超時(shí)，否則表示傳輸正常；其他超時(shí)信息參照以上方式進(jìn)行處理。

針對(duì)FC通信過(guò)程中節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行院驼_性監(jiān)控和管理，要求在每次傳輸結(jié)束時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)的有效性和正確性進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)的內(nèi)容包括：SOF，EOF，幀頭，F(xiàn)C-AE-1553幀頭，校驗(yàn)，CRC，序列以及交換等。

在FC通信過(guò)程中，通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)傳輸超時(shí)和傳輸數(shù)據(jù)有效性、正確性進(jìn)行監(jiān)控，以此信息作為評(píng)估節(jié)點(diǎn)工作有效的條件。當(dāng)判定節(jié)點(diǎn)無(wú)效時(shí)，必須對(duì)該節(jié)點(diǎn)實(shí)施下網(wǎng)管理，以終止無(wú)效的通信，提高網(wǎng)絡(luò)通信的有效率。下網(wǎng)管理通過(guò)NC啟動(dòng)無(wú)效節(jié)點(diǎn)的PRLO命令和LOGO命令實(shí)施，同時(shí)遍歷通信調(diào)度表禁止無(wú)效節(jié)點(diǎn)的消息傳輸。

FC通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)有效活動(dòng)監(jiān)控和管理功能，為SMS應(yīng)用軟件提供透明、便捷的網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)。

4 仿真驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)機(jī)載SMS高速FC網(wǎng)絡(luò)通信管理方案的可行性和正確性，基于OPNET Modeler仿真工具，將節(jié)點(diǎn)初始化控制與管理策略、網(wǎng)絡(luò)通信調(diào)度與管理策略和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)有效活動(dòng)監(jiān)控和管理策略作為網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)并分析。

以機(jī)載SMS為應(yīng)用場(chǎng)景，建立的FC通信網(wǎng)絡(luò)模型如圖9所示，模擬SMS系統(tǒng)應(yīng)用任務(wù)，配置網(wǎng)絡(luò)管理表和通信調(diào)度表。網(wǎng)絡(luò)管理表用于管理各NT的上下網(wǎng)操作，其內(nèi)容包括節(jié)點(diǎn)注冊(cè)、注銷和進(jìn)程注冊(cè)、注銷操作命令；通信調(diào)度表為模擬的應(yīng)用任務(wù)調(diào)度序列，由NC-NT，NT-NC，NT-NT，方式命令以及廣播命令等命令序列組成。

在進(jìn)程建模中，完成節(jié)點(diǎn)初始化控制與管理、網(wǎng)絡(luò)通信調(diào)度與管理以及節(jié)點(diǎn)有效活動(dòng)監(jiān)控和管理的仿真設(shè)計(jì)。

圖9 協(xié)議仿真建立的通信網(wǎng)絡(luò)模型Fig.9 Communication network model for protocol simulation

建模設(shè)計(jì)完成后，針對(duì)2.3節(jié)的6類時(shí)鐘和網(wǎng)絡(luò)吞吐量配置統(tǒng)計(jì)探針，分別對(duì)6類時(shí)鐘和吞吐量進(jìn)行分析。從仿真的結(jié)果看，被檢測(cè)的6類時(shí)鐘均在AS5653標(biāo)準(zhǔn)給定的時(shí)間范圍內(nèi)；鏈路帶寬設(shè)定為1 Gbit/s，當(dāng)任務(wù)調(diào)度的時(shí)間間隔為100 μs時(shí)，吞吐量達(dá)到660 Mbit/s。

仿真結(jié)果表明,機(jī)載SMS高速FC網(wǎng)絡(luò)通信管理方案正確、可行，能夠滿足新一代機(jī)載SMS多掛點(diǎn)、高帶寬、低延遲的傳輸需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以機(jī)載SMS為應(yīng)用場(chǎng)景，結(jié)合機(jī)載武器系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展需求，提出采用FC光纖組建SMS高速通信網(wǎng)絡(luò)的管理策略和實(shí)施方案，并通過(guò)OPNET仿真，進(jìn)一步驗(yàn)證了該方案不僅能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)載SMS實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)組網(wǎng)的需求，而且能夠滿足數(shù)據(jù)低延遲、高帶寬、高可靠性的傳輸要求,該方案可以為新一代機(jī)載SMS采用FC組建高速網(wǎng)絡(luò)提供技術(shù)模型。

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