中圖分類號：TB9 文獻標(biāo)志碼：A文章編號：1674-5124（2025）07-0120-09

Abstract： To address the technical challenges in airborne networked test systems—such as interoperability barriers between IEEE1588-2002 （v1） and IEEE1588-2008 （v2） devices， implementation diffculties of v1 protocol in gigabit environments， poor vl synchronization accuracy in cascaded networks，and inefficient data filtering-a specialized gigabit switch design based onan FPGA + CPU heterogeneous architecture is proposed. Key innovations include： 1） A protocol conversion middleware to bridge v1-v2 heterogeneous networking; 2） A colaborative framework integrating low-jiter gigabit physical-layer （PHY） chips and FPGA logic to achieve precise vl timing synchronization； 3）A cascaded synchronization method leveraging transparent clock correction mechanism to mitigate multi-level synchronization errors; 4）A high-speed data filtering engine based on atermary content addressable memory （TCAM） architecture， enabling parallel matching of 512 filtering rules.Laboratory tests demonstrate that under harsh conditions （-40-70^°C） ，the switch achieves cascaded v1/v2 synchronization errors below 2O0 ns and stable data filtering latency within 8O ns.Flight tests validateitscapabilityto fulfill critical airborne requirements，including sub-microsecond clock synchronization，compatibility with hybrid protocol devices，and high-performance data filtering，thereby 收稿日期：2025-02-19；收到修改稿日期：2025-03-21 作者簡介：李峰（1981-），男，陜西咸陽市人，高級工程師，碩士，研究方向為飛機機載測試技術(shù)。

addressing the gap in domestic engineering applications of airborne network switches. Keywords： airborne test; switch; IEEE1588; data filtering

0 引言

飛行試驗作為航空器研制的重要環(huán)節(jié)，具有高風(fēng)險、環(huán)境復(fù)雜和數(shù)據(jù)強實時等特征。隨著航空器智能化發(fā)展，測試參數(shù)從千量級增至萬級，網(wǎng)絡(luò)化測試技術(shù)通過分布式采集 + 集中式交換的架構(gòu)，可支持千兆級帶寬和動態(tài)拓撲重構(gòu)，成為新一代機載測試系統(tǒng)的核心方向[1]。在此背景下，具備亞微秒級時鐘同步、v1-v2混合協(xié)議設(shè)備兼容和高性能數(shù)據(jù)過濾的專用IEEE1588千兆交換機（以下簡稱機載網(wǎng)絡(luò)交換機），成為構(gòu)建機載測試網(wǎng)絡(luò)的核心基礎(chǔ)設(shè)施。

長期以來，機載網(wǎng)絡(luò)交換機主要依賴進口，國內(nèi)未有成熟產(chǎn)品。研究表明，制約國產(chǎn)化進程的核心技術(shù)瓶頸在于協(xié)議兼容性不足與機載環(huán)境適應(yīng)性薄弱。在IEEE1588協(xié)議應(yīng)用方面，國內(nèi)外研究呈現(xiàn)顯著代際差異。例如朱廣偉[2]提出了基于IEEE1588的交換機設(shè)計，孫建鵬等[3]對時間同步方法進行了優(yōu)化研究，均采用支持IEEE1588的物理層芯片進行報文硬件時間標(biāo)記以提高同步授時精度。唐坤[4]采用FPGA監(jiān)聽物理層芯片簡化媒體獨立接口（reducedmedia independent interface，RMII）接口報文，從而為報文添加時間戳。盡管上述研究對協(xié)議應(yīng)用具有指導(dǎo)意義，但其設(shè)計目標(biāo)仍局限于百兆網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，難以滿足機載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量激增的需求。值得注意的是，由于v2版本在同步精度與級聯(lián)誤差測量等方面較v1版本具有顯著改進，近年研究多聚焦于v2協(xié)議實現(xiàn)（如王瀟禾[5]、高中淦[等），通過頻率調(diào)節(jié)、優(yōu)化時鐘調(diào)節(jié)算法等方法將v2同步精度優(yōu)化到100ns以內(nèi)，但v1-v2混合組網(wǎng)兼容性的研究仍處于空白狀態(tài)。在級聯(lián)誤差修正方面，侯戰(zhàn)勝等[7]和王悅穎[8分別采用卡爾曼濾波和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法降低同步誤差，然而此類算法因計算資源消耗較高，難以適配機載環(huán)境對資源約束與可靠性的嚴(yán)苛要求。值得借鑒的是，v2版本標(biāo)準(zhǔn)提出的透明傳輸模式通過將誤差注入報文修正域的思想，可為v1版本的改進提供理論支撐。

近年來，隨著數(shù)據(jù)傳輸速率的逐步提高，高速數(shù)據(jù)過濾技術(shù)逐漸成熟，例如楊昕等[9構(gòu)建層次化數(shù)據(jù)過濾模型和態(tài)勢感知系統(tǒng)對海量威脅日志和事件信息進行過濾。但此類方案主要面向數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)，難以直接移植至機載小型化設(shè)備。當(dāng)前，交換機領(lǐng)域的研究熱點集中于基于TCAM的包分類算法[10-11]，其通過TCAM器件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速精確匹配與模糊查找，在過濾效率上表現(xiàn)優(yōu)異。然而，TCAM器件的高功耗與發(fā)熱特性限制了其在機載環(huán)境中的應(yīng)用。

融合上述時間戳獲取方法、v2透明傳輸和TCAM分類思想，針對機載網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進行適應(yīng)性改進，研制構(gòu)建協(xié)議轉(zhuǎn)換中間件，并提出一種適用于機載網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)的專用IEEE千兆交換機設(shè)計方案，填補國內(nèi)機載網(wǎng)絡(luò)交換機工程應(yīng)用的空白。

1功能需求與技術(shù)難點

結(jié)合機載網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)的特點，機載網(wǎng)絡(luò)交換機具有如下功能需求：

1）工作于數(shù)據(jù)鏈路層，提供以太網(wǎng)設(shè)備間的透明橋接和可靠交換，在端口上接收其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，根據(jù)幀頭的目的MAC地址查找MAC地址表，然后將該數(shù)據(jù)幀從對應(yīng)端口轉(zhuǎn)發(fā)出去，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換

2）從機載全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（globalnavigationsatellitesystem，GNSS）天線或靶場間儀器組B型時間碼（interrange instrumentation group B time code，IRIG-B碼）時間源設(shè)備獲取時鐘信號，通過調(diào)整自身時鐘相位和時鐘頻率保持與上級時間源時鐘同步。當(dāng)上級時鐘源丟失后，機載網(wǎng)絡(luò)交換機必須通過內(nèi)部晶振保持守時。

3）向測試系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備分發(fā)同步授時信號，實現(xiàn)系統(tǒng)時鐘戳的精確對齊，并實現(xiàn)IEEE1588vl和v2版本之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，以兼容不同機載設(shè)備的使用要求。

4）將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)按照配置進行端口間的定向轉(zhuǎn)發(fā)、高性能過濾，使數(shù)據(jù)接收端盡可能地把有限的資源集中在有效數(shù)據(jù)的處理和記錄上。

5支持多種形式的配置管理，能夠通過瀏覽器和簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議（simplenetworkmanagementprotocol，SNMP）協(xié)議客戶端軟件對設(shè)備進行配置

和維護。

經(jīng)調(diào)研，機載網(wǎng)絡(luò)交換機工程應(yīng)用面臨多重挑戰(zhàn)，具有如下技術(shù)難點：

1） 60% 以上的機載測試設(shè)備仍在使用IEEE1588協(xié)議的v1版本進行授時，經(jīng)調(diào)研目前市場上沒有支持1588v1的千兆網(wǎng)絡(luò)芯片，而百兆接口已無法滿足機載網(wǎng)絡(luò)使用的要求，同時需要解決v1多級級聯(lián)同步精度差的問題。

2）機載網(wǎng)絡(luò)中除了支持v1協(xié)議的設(shè)備外還有支持v2協(xié)議的設(shè)備，機載網(wǎng)絡(luò)交換機需要同時支持v1和v2版協(xié)議，并且為滿足級聯(lián)的使用要求，交換機需要實現(xiàn)v1-v2和v2-v1的協(xié)議轉(zhuǎn)換。

3）機載環(huán)境資源有限，進行高性能數(shù)據(jù)過濾需要的計算資源難以滿足，高功耗、高發(fā)熱器件難以應(yīng)用。

2 總體方案

2.1 組成結(jié)構(gòu)

由于機載數(shù)據(jù)通過交換機轉(zhuǎn)發(fā)時，要根據(jù)數(shù)據(jù)報文任意指定位置進行數(shù)據(jù)過濾，因而需要在數(shù)據(jù)接收后進行緩存和處理。為提高轉(zhuǎn)發(fā)可靠性和數(shù)據(jù)處理效率，充分利用FPGA可重復(fù)編程、硬件級并行計算、確定性低延遲的優(yōu)勢，將接收數(shù)據(jù)進行臨時存儲及處理過濾后轉(zhuǎn)發(fā)出去。

IEEE1588協(xié)議報文解析處理、WEB/SNMP配置管理、配置文件管理等非計算密集型需求需要處理高并發(fā)請求、完成復(fù)雜任務(wù)邏輯，可利用CPU的通用性、開發(fā)便利性及動態(tài)任務(wù)適應(yīng)性，降低開發(fā)成本的同時為FPGA的其他需要低延時并行計算任務(wù)降低負擔(dān)。

另一方面，IEEE1588實現(xiàn)的常規(guī)方案是使用支持1588協(xié)議的物理層芯片完成時鐘同步處理，因支持v1的千兆物理層芯片沒有成品可選，因而采用了支持 1588v2Ω 的千兆物理層芯片結(jié)合FPGA邏輯協(xié)同實現(xiàn)v1、v2協(xié)議的處理，充分利用 1588v2 芯片的低延遲傳輸和抗干擾能力的優(yōu)勢，提高時鐘同步精度。

對于GNSS信號處理，采用導(dǎo)航定位芯片解析天線接收到的時鐘信號，IRIG-B時鐘源信號由放大器及AD轉(zhuǎn)換后由FPGA編程進行解析處理。與時鐘源的同步及守時功能需要溫補晶振為時鐘周期及計時計算提供寬環(huán)境適應(yīng)性的穩(wěn)定可靠時鐘信號。

綜上所述，采用FPGA+CPU異構(gòu)平臺，與支持

1588v2 的物理層芯片、導(dǎo)航定位芯片、AD芯片、溫補晶振、放大器等器件協(xié)同工作共同完成系統(tǒng)功能，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2.2 時鐘源同步方案設(shè)計

機載網(wǎng)絡(luò)交換機通過解析GNSS/IRIG-B碼時間信息，獲取秒脈沖、協(xié)調(diào)世界時（universaltimecoordinated，UTC）秒數(shù)等信息，調(diào)整內(nèi)部時鐘頻率和相位與時間源保持一致，實現(xiàn)時鐘源同步。同步過程有初始、觀測、調(diào)整、鎖定、失鎖5個狀態(tài)，如圖2所示。

其中調(diào)整狀態(tài)和鎖定狀態(tài)使用PI控制算法調(diào)整內(nèi)部時鐘的頻率和相位。調(diào)整狀態(tài)采用偏差粗調(diào)與頻率微調(diào)兩種方式校準(zhǔn)本地時鐘，調(diào)整量的計算如下：

Offset_adjust=ΔT_n-ΔT_n-1

式中： ΔT_n 和 ΔT_n-1 （2 -本地時鐘與參考時鐘前后兩幀之間的差值;Tinterval 兩次PPS的時間間隔，一般是1 s；

Offsetadjust 偏差粗調(diào)階段的調(diào)整量，通過相位補償直接修正時鐘偏移；

Driftadjust 頻率微調(diào)階段，基于窗口間偏差變化率調(diào)整時鐘頻率，補償晶振頻率漂移。

經(jīng)過多次調(diào)整，達到穩(wěn)定同步條件（100ns）后，進人鎖定狀態(tài)。調(diào)整過程中，若窗口內(nèi)時間偏差過大則視為無效窗口，返回觀測狀態(tài)。

鎖定狀態(tài)下，因時鐘漂移抖動的存在，采用PI控制算法驅(qū)動本地時鐘進行動態(tài)頻率微調(diào)，以實現(xiàn)與參考時鐘的穩(wěn)定同步。PI控制器輸出的頻率調(diào)整量Driftp由比例項與積分項兩部分組成，如下式所示：

比例項根據(jù)濾波后的時鐘偏移計算調(diào)整量，能夠快速縮小同步誤差；積分項則通過積分系數(shù) K_i 對歷史偏差求和，逐步修正頻率偏差，用于消除累積誤差（如晶振頻率長期漂移），確保長期同步精度。

2.3 數(shù)字邏輯設(shè)計

FPGA數(shù)字邏輯主要包括7個模塊：交換引擎模塊負責(zé)報文接收、存儲、轉(zhuǎn)發(fā)、過濾、發(fā)送、取時；時戳引擎模塊負責(zé)1588硬件時鐘同步、維護、分發(fā)；B碼接收與解析模塊完成對AC碼解碼，AC/DC碼檢測以及B碼時間信息解碼功能；GNSS解析模塊解析GNSS芯片通過天線從衛(wèi)星獲取的時間信息；狀態(tài)監(jiān)控模塊收集設(shè)備各種工作狀態(tài)并定周期發(fā)送；B碼時間輸出模塊輸出IRIG-B碼信號，將時間轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的IRIG-B碼格式的數(shù)據(jù)；CPU接口模塊完成與CPU的數(shù)據(jù)交互，包括協(xié)議報文收發(fā)及寄存器訪問。FPGA邏輯設(shè)計框圖如圖3所示。

2.4 軟件設(shè)計

CPU中操作系統(tǒng)選擇開放源代碼的操作系統(tǒng)Linux，軟件組成框圖如圖4所示

機載網(wǎng)絡(luò)交換機軟件運行在CPU中，由5部分組成：驅(qū)動軟件為FPGA的SPI寄存器訪問、網(wǎng)絡(luò)報文收發(fā)、中斷線接入Linux操作系統(tǒng)提供驅(qū)動，在內(nèi)核空間工作；適配軟件調(diào)用SPI寄存器訪問驅(qū)動，對FPGA進行寄存器訪問和配置，在此基礎(chǔ)上封裝高層命令，方便WEB配置管理軟件和協(xié)議處理軟件對FPGA的訪問；WEB配置管理軟件響應(yīng)用戶的遠程HTTP請求，實現(xiàn)對交換機運行狀態(tài)監(jiān)控、參數(shù)配置和系統(tǒng)管理等功能；SNMPAgent處理管理站發(fā)送的SNMP協(xié)議報文，實現(xiàn)對交換機運行狀態(tài)監(jiān)控、參數(shù)配置和系統(tǒng)管理等功能；1588協(xié)議處理軟件實現(xiàn)1588協(xié)議交互，完成1588從時鐘到主時鐘的時間同步以及v1/v2的協(xié)議轉(zhuǎn)換。

這些軟件，由啟動和監(jiān)控腳本按照指定流程和配置進行啟動與加載，并對運行時狀態(tài)進行統(tǒng)一監(jiān)控管理。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 高精度IEEE1588v1授時技術(shù)

使用IEEE1588協(xié)議進行時鐘同步的前提是假設(shè)傳輸介質(zhì)是對稱均勻的，各個時鐘設(shè)備通過周期性交換帶有時間信息的報文來進行主從時間偏差（offset）和網(wǎng)絡(luò)時延（delay）的計算，進而糾正偏差，補償時延，實現(xiàn)時間同步。主、從時鐘之間用多種帶有發(fā)送/接收時間戳的報文交互，其同步模型如圖5所示[12]

從時鐘在接收到delayresponse報文后，計算本地時鐘與主時鐘的時鐘偏差offset= [（t₂-t₁）-（t₄-t₃）]/2 進而通過調(diào)整offset與主時鐘實現(xiàn)同步。

IEEE1588v1協(xié)議處理在CPU中進行，sync 報文和 followup 報文定周期發(fā)送。sync 和 follow up報文發(fā)送時由CPU填寫時間戳，通過中斷通知FPGA將要發(fā)送的報文發(fā)送前，在FPGA中打入更準(zhǔn)確的時間戳。sync報文經(jīng)PHY發(fā)送時FPGA將發(fā)送時刻記錄在緩存中，followup報文發(fā)送時將該發(fā)送時刻更新到其PreciseOriginTimestamp字段中。delayrequest報文接收時，借鑒相關(guān)研究[3-4]提到的時間戳獲取方法，F(xiàn)PGA用較高頻率監(jiān)聽RGMII接口數(shù)據(jù)變化，監(jiān)聽到有數(shù)據(jù)接收時為報文打入接收時刻的時間戳，并通過中斷接口通知CPU讀取接收報文及接收時間戳進行協(xié)議處理后，將接收時間戳填入delayresponse報文中供從時鐘計算時鐘偏移。

IEEE1588v1同步授時過程，同步誤差控制是關(guān)鍵要素。機載環(huán)境下時鐘同步誤差主要來源于： 。其中各誤差源詳解及控制措施如表1所示。

3.2 基于透明傳輸模型的v1級聯(lián)誤差修正技術(shù)

交換機多級級聯(lián)時，中間節(jié)點的交換機會給傳輸帶來更大延遲，多級交換會嚴(yán)重影響同步精度。為解決這一難題， 1588v2 提出了透明傳輸模式，中間節(jié)點的交換機使用透明傳輸模式修正傳輸延遲，具體措施是v2協(xié)議報文中加入了修正域字段，報文經(jīng)過中間節(jié)點設(shè)備時填入修正域數(shù)值供下級設(shè)備進行同步運算。但v1版本不具有透明傳輸模式，網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點均采用邊界時鐘模型，逐級實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的時鐘同步，距離主時鐘越遠的節(jié)點，同步精度越低。

借鑒v2協(xié)議透明時鐘的原理，實現(xiàn)交換機作為中間節(jié)點時的透明傳輸模式，在不影響網(wǎng)絡(luò)中原上級和下級時鐘設(shè)備的情況下，通過修改交互精確時間協(xié)議（precision time protocol，PTP，等同于1588協(xié)議）數(shù)據(jù)包中PreciseOriginTimestamp字段的方法，修正掉數(shù)據(jù)包在中間節(jié)點交換機時產(chǎn)生的時間延遲，從而提高了多級傳輸?shù)臅r鐘同步精度。v1透明傳輸模型如圖6所示。

下級從設(shè)備發(fā)送的delayrequest報文以及上級時鐘發(fā)送的delayresponse報文處理邏輯與上述sync和followup報文處理邏輯一致。

3.3基于1588協(xié)議轉(zhuǎn)換中間件的協(xié)議橋轉(zhuǎn)換技術(shù)

1588協(xié)議橋轉(zhuǎn)換功能將輸入的 _1588v1/v2 協(xié)議報文轉(zhuǎn)換為v2/v1協(xié)議報文輸出，實現(xiàn)上一級設(shè)備和下一級設(shè)備之間的協(xié)議隔離（相同協(xié)議版本的

端口工作在透明傳輸模式，報文直接按照圖6修正后轉(zhuǎn)發(fā)）。在混合協(xié)議網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，協(xié)議轉(zhuǎn)換中間件需實現(xiàn) v1/v2 報文語義轉(zhuǎn)換、時鐘域映射和同步機制適配3大核心功能，其數(shù)學(xué)模型可描述為：PTP_converted=?（PTP_source，C_map，A_comp）_c 。其中，（204號 PTP_converted 為轉(zhuǎn)換后的協(xié)議， PTP_source 為輸入的協(xié)議， ? 為轉(zhuǎn)換函數(shù)， C_map 為協(xié)議特征映射（如表2所示）， 為時延補償量。

時延補償算法參照圖6進行，報文進入交換機端口時，F(xiàn)PGA記錄其到達時刻，發(fā)送報文前按照發(fā)送時刻與到達時刻計算時延。

轉(zhuǎn)換函數(shù)依據(jù)輸入的報文類型，按照表2進行映射后，再依據(jù)時延補償量修改報文時間戳。

3.4基于TCAM的數(shù)據(jù)高速過濾技術(shù)

對于輸人的每一個網(wǎng)絡(luò)報文，要實現(xiàn)同時scriptstylen=512 條規(guī)則、每條規(guī)則同時最多 k=8 個帶掩碼數(shù)據(jù)字的數(shù)據(jù)過濾功能是一項非常耗時的工作，傳統(tǒng)線性搜索復(fù)雜度為： O（n，k）=4096 次匹配操作，通過并行架構(gòu)將復(fù)雜度降為 O（log₂n）+O（k）≈9+8=17 級邏輯。借鑒支持并行訪問的TCAM技術(shù)，通過FPGA的靜態(tài)隨機存取存儲器（staticrandom-accessmemory，SRAM實現(xiàn)TCAM表和相關(guān)過濾邏輯。

1）規(guī)則表結(jié)構(gòu)

每條規(guī)則包含8個{數(shù)據(jù)字（ 掩碼（16bit）}元組。存儲優(yōu)化：相同掩碼的規(guī)則合并存儲，減少TCAM行數(shù)。

2）匹配算法定義匹配函數(shù)：

Match（Rule_i，Packet）=?_j=1⁸（（D_i，jamp;M_i，j）==（P_jamp;M_i，j）） （3）

式中： D_i，j 第 i 條規(guī)則第 j 個數(shù)據(jù)字;M_i，j —對應(yīng)掩碼;P_j —報文第 j 個16 bit字段。

通過將報文數(shù)據(jù)與TCAM條目進行掩碼對比，按照3個階段進行匹配：

預(yù)處理階段：采用雙緩沖機制實現(xiàn)零中斷報文接收，當(dāng)端口DMA將報文寫入BufferA時，前一個報文正在BufferB進行字段提取。每個報文被拆分為8個16bit字段向量 P=[P₁，P₂，…，P₈] ，通過交叉開關(guān)分發(fā)至各TCAM處理單元。

并行匹配階段：構(gòu)建分層式TCAM架構(gòu)，每個TCAMBank包含64條規(guī)則，通過8個Bank并行處理實現(xiàn)512規(guī)則容量。采用動態(tài)掩碼壓縮，通過位圖編碼將相同掩碼模式的規(guī)則聚合成超規(guī)則集，使單次匹配可覆蓋 ?64/n? 條規(guī)則（ n 為掩碼差異位）。

結(jié)果聚合階段：采用多級編碼器對命中結(jié)果進行處理，有一個字段沒有命中即認為不匹配。

3）存儲結(jié)構(gòu)設(shè)計

采用FPGA的SRAM構(gòu)建分層式TCAM存儲體系，物理層將每個BRAM 36kb 單元劃分為512×256 bit存儲空間，在邏輯層使用掩碼聚類索引建立MASK_HASH表記錄各掩碼模式的SRAM分布。

4試驗驗證

試驗驗證分兩個階段，分別為實驗室模擬試驗和裝機飛行試驗。

4.1 實驗室模擬試驗

實驗室模擬試驗由1588從設(shè)備、示波器、GNSS天線、IRIG-B碼時鐘源、網(wǎng)絡(luò)測試儀等搭建測試環(huán)境，IRIG-B碼時鐘源為交換機提供授時信號，網(wǎng)絡(luò)測試儀用以測試交換機吞吐量，1588從設(shè)備作為從設(shè)備與交換機同步。測試連線圖如圖7所示。

實驗室試驗測試環(huán)境及設(shè)備布局如圖8所示，所使用的關(guān)鍵設(shè)備性能參數(shù)如表3所示。

試驗條件：先后在常溫和高溫 70% 及低溫-40°C 條件下進行，IRIG-B碼信號穩(wěn)定，1588從設(shè)備工作狀態(tài)穩(wěn)定，同步性能良好。

試驗方法：通過對比交換機輸出的 1pps 和1588從設(shè)備輸出的1pps確定交換機對外授時的穩(wěn)定性，對比B碼源輸出的1pps和交換機輸出的1pps確定交換機與B碼源的同步精度，通過網(wǎng)絡(luò)測試儀對交換機數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)進行打壓并檢測其丟包情況確定交換機數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)性能。

實驗室驗證結(jié)果：

1）v1授時精度方面，1588v1從設(shè)備與交換機同步精度100ns以內(nèi)，如圖9所示。v2授時達到同類地面設(shè)備最優(yōu)水平。

2）交換機工作在v1透明傳輸模式時，從設(shè)備與上級交換機同步精度保持在115ns以內(nèi)，相較于直連上級交換機，同步誤差增加15ns以內(nèi)。3級級聯(lián)時，同步誤差增加 30ns 左右。

3）1588v1、v2從設(shè)備混合組網(wǎng)時，從設(shè)備均能與主時鐘交換機和級聯(lián)的交換機同步。

4）交換機配置512條過濾規(guī)則、數(shù)據(jù)吞吐量達到 990Mb/s 時，網(wǎng)絡(luò)包丟包率為0，不同幀長情況下網(wǎng)絡(luò)包過濾耗時均在 80ns 以內(nèi)，結(jié)果如表4所示。

4.2 裝機飛行試驗驗證

裝機飛行試驗將機載網(wǎng)絡(luò)交換機部署在某型試驗機上與機載網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)進行互聯(lián)，試驗驗證布局連線如圖10所示。由GNSS天線為交換機提供授時信號，由機載高速采集記錄器記錄交換機輸出的1588報文以及機載采集器輸出的業(yè)務(wù)報文，飛行試驗完成后對機載高速數(shù)據(jù)記錄器記錄數(shù)據(jù)進行卸載、處理與評估。

試驗條件：安裝在試驗機上，由機載電源系統(tǒng)為設(shè)備供電，采用的GNSS天線和機載采集器、機載高速數(shù)據(jù)記錄器均為經(jīng)過驗證的成熟產(chǎn)品，其中多臺機載采集器采用不同1588協(xié)議版本的設(shè)備。

試驗方法：飛行前打開所有設(shè)備，檢查設(shè)備狀態(tài)，正常工作后放飛。飛行后對卸載的數(shù)據(jù)進行分析，對比交換機 _1588v1/v2 的報文正確性，并分析報文時間間隔。對卸載數(shù)據(jù)中的采集器業(yè)務(wù)報文數(shù)據(jù)進行分析，分析報文中的包序號是否連續(xù)以判斷是否丟包，分析報文中的時間標(biāo)記判斷采集器是否發(fā)生失鎖。

多架次試驗數(shù)據(jù)顯示：交換機輸出的1588v1/v2報文時間準(zhǔn)確，間隔穩(wěn)定；不同1588協(xié)議版本的機載網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)采集器輸出的業(yè)務(wù)報文時標(biāo)連續(xù)，采集器未發(fā)生失鎖現(xiàn)象；業(yè)務(wù)報文的包序號連續(xù)，未發(fā)生丟包現(xiàn)象。該現(xiàn)象表明，機載網(wǎng)絡(luò)交換機能夠滿足機載網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)的使用要求，運行狀態(tài)穩(wěn)定可靠。

5結(jié)束語

面向新一代機載測試網(wǎng)絡(luò)對亞微秒級時鐘同步、v1-v2混合協(xié)議組網(wǎng)兼容和高性能數(shù)據(jù)過濾的核心需求，專用IEEE1588千兆網(wǎng)絡(luò)交換機建立的融合式異構(gòu)交換架構(gòu)有效解決了機載環(huán)境約束下的3項關(guān)鍵挑戰(zhàn)：其一，通過構(gòu)建跨版本雙向協(xié)議轉(zhuǎn)換機制，消除協(xié)議兼容性造成的組網(wǎng)壁壘，形成了異構(gòu)協(xié)議全局同步解決方案；其二，物理層芯片協(xié)同與透明時鐘修正方法將千兆v1級聯(lián)場景下的授時誤差控制在 200ns 以內(nèi)；其三，開發(fā)的微內(nèi)核數(shù)據(jù)過濾引擎實現(xiàn)單幀處理能耗降低的同時保持納秒級響應(yīng)特性，最大數(shù)據(jù)過濾時延穩(wěn)定在 80ns 級別。經(jīng)多維度驗證體系證實，該架構(gòu)在寬溫域工況下呈現(xiàn)亞微秒授時穩(wěn)定性與微秒級數(shù)據(jù)調(diào)度確定性雙重優(yōu)勢，成功支撐機載復(fù)雜電磁環(huán)境下的多種飛行試驗任務(wù)。研究成果的應(yīng)用有效推進了國產(chǎn)化機載測試網(wǎng)絡(luò)由傳統(tǒng)點對點架構(gòu)向智能協(xié)同模式的重要演進，對于依賴IEEE1588v1的傳統(tǒng)工業(yè)以及機載高速數(shù)據(jù)過濾領(lǐng)域研究和工程應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

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（編輯：商丹丹）