實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)在航空電子系統(tǒng)中的應(yīng)用

李陽(yáng)

【摘要】隨著航空研究領(lǐng)域的不斷深入和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，原有的航空電子系統(tǒng)中的以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)不能滿足航空系統(tǒng)的要求，其中表現(xiàn)最顯著的方面是實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)沒(méi)有得到良好的應(yīng)用，實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)在航空電子系統(tǒng)中運(yùn)用將會(huì)是今后的一大趨勢(shì)。本文首先對(duì)以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行了概述，接著研究了傳統(tǒng)的以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展現(xiàn)狀及其在航空電子系統(tǒng)中的不適應(yīng)性，然后在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析比較了以太網(wǎng)的實(shí)施技術(shù)，最后提出了一些改進(jìn)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)的方案和措施，以此來(lái)提高以太網(wǎng)的確定性，為日后的應(yīng)用模式提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】實(shí)時(shí)性;以太網(wǎng)技術(shù);通信調(diào)度;改進(jìn)技術(shù)

引言

進(jìn)入到二十一世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展大力推動(dòng)了科技的研究進(jìn)程，電子技術(shù)日益出新。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，通信技術(shù)設(shè)備也不斷更新，通信技術(shù)也在不斷地完備，同時(shí)，它以飛快的步伐進(jìn)駐到人們的生產(chǎn)生活中。眾周所知，航空技術(shù)的發(fā)展離不開(kāi)通信系統(tǒng)的支持，因此，通信系統(tǒng)的完善為航空電子的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。以太網(wǎng)作為通信網(wǎng)絡(luò)之一，由于網(wǎng)絡(luò)本身速度快、覆蓋范圍大、開(kāi)辦成本低等優(yōu)勢(shì)，其應(yīng)用的領(lǐng)域也在不斷拓展。現(xiàn)代航空電子領(lǐng)域正在使用的航空數(shù)據(jù)總線例如1553B存在很多的問(wèn)題，然而，以太網(wǎng)信息塊長(zhǎng)度較長(zhǎng)，終端數(shù)量較多，這正好彌補(bǔ)了數(shù)據(jù)線1553B的缺點(diǎn)和不足之處。綜上所述，由于以太網(wǎng)技術(shù)擁有很多潛在的優(yōu)勢(shì)，能夠?yàn)楹娇针娮酉到y(tǒng)提供更好的數(shù)據(jù)服務(wù)和技術(shù)幫助，能夠更切帖地符合航空系統(tǒng)的發(fā)展要求，因此，本文對(duì)以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行研究分析，以此增強(qiáng)其實(shí)時(shí)性，在航空領(lǐng)域發(fā)揮出更大的價(jià)值和功能，掃除某些通信障礙，更好地滿足航空電子系統(tǒng)的時(shí)代要求。

一、以太網(wǎng)技術(shù)的概述

以太網(wǎng)是指由Xerox（施樂(lè)）公司創(chuàng)建并由Xerox、Inter和DEC公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的基帶局域網(wǎng)規(guī)范，是當(dāng)今現(xiàn)有的局域網(wǎng)采用的最通用的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，由此我們知道，以太網(wǎng)是局域網(wǎng)中的一種，并且它還是一種通信網(wǎng)絡(luò)[1]。到目前為止，以太網(wǎng)的應(yīng)用范圍已經(jīng)在現(xiàn)實(shí)生活中得到了廣泛的普及和人們的認(rèn)可。

以太網(wǎng)技術(shù)起先是施樂(lè)帕洛阿爾托研究中心的一個(gè)先進(jìn)的項(xiàng)目，直到1977年末，梅特卡夫和其他人經(jīng)過(guò)日夜不斷的研究，最終成功地申請(qǐng)到“具有沖突檢驗(yàn)的多點(diǎn)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)”的專利，這標(biāo)志著以太網(wǎng)的誕生，此后，隨著時(shí)代的發(fā)展，經(jīng)過(guò)多位科學(xué)家的研究，以太網(wǎng)主要經(jīng)歷了以下四種類型，分別是標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)、快速以太網(wǎng)、千兆以太網(wǎng)，最后發(fā)展成為萬(wàn)兆以太網(wǎng)。從發(fā)展歷程來(lái)看，這四個(gè)階段的研發(fā)，使得以太網(wǎng)理論不斷充實(shí)，不斷發(fā)展，改善了以太網(wǎng)的內(nèi)在系統(tǒng)，大大提高了以太網(wǎng)的傳播速度。另外，以太網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要可以分為總線型結(jié)構(gòu)和星型結(jié)構(gòu)。

二、傳統(tǒng)的以太網(wǎng)技術(shù)在航空電子系統(tǒng)中的不適應(yīng)性

根據(jù)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展歷程，我們可以知道以太網(wǎng)的主要通信調(diào)度方式為利用CSMA/CD來(lái)進(jìn)行調(diào)度。這種調(diào)度方式有一個(gè)鮮明的特點(diǎn)，這個(gè)特點(diǎn)也可以說(shuō)是一種限制，那就是其不確定性，這種不確定性的后果就會(huì)造成很大強(qiáng)度的非實(shí)時(shí)性。但現(xiàn)實(shí)是，隨著社會(huì)的發(fā)展和科研領(lǐng)域的進(jìn)步，航空電子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求也越來(lái)越高，這就說(shuō)明傳統(tǒng)的以太網(wǎng)通信調(diào)度方式必須經(jīng)由科學(xué)的改良才能適應(yīng)當(dāng)今的航空電子領(lǐng)域，才能保證航空電子系統(tǒng)正常地工作和運(yùn)行。在傳統(tǒng)的調(diào)度方式里，網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)要想有效地傳輸數(shù)據(jù)信息，必須采用競(jìng)爭(zhēng)的方式，并且還存在一個(gè)限制，只有信道顯示為空閑的狀態(tài)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)才能傳發(fā)要點(diǎn)和數(shù)據(jù)信息。除此之外，值得我們注意的還有產(chǎn)生碰撞沖突的問(wèn)題。假設(shè)，在輸送的過(guò)程中一旦產(chǎn)生碰撞，我們就得停下來(lái)等待，等待過(guò)后，可以避免信息傳輸?shù)呐鲎?，但是這種碰撞的避免僅能并且只能發(fā)生一次，下次遇到了相同的問(wèn)題，還會(huì)再度產(chǎn)生碰撞。

另外一個(gè)問(wèn)題就是，傳統(tǒng)的以太網(wǎng)是共享式的，這種模式已經(jīng)不適應(yīng)現(xiàn)代生活的需要了。當(dāng)前，我國(guó)網(wǎng)絡(luò)通信人口呈逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)，數(shù)據(jù)流量在日后將會(huì)大幅度地上升，因此，人們?cè)谥暗那疤嵯掠珠_(kāi)始使用交換式以太網(wǎng)。交換式以太網(wǎng)通過(guò)自身獨(dú)有的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能夠有效防止數(shù)據(jù)信息輸入或輸出的碰撞，對(duì)于僅僅需要毫秒級(jí)響應(yīng)時(shí)間的場(chǎng)合可以很好地滿足確定性時(shí)間的要求和條件。雖然這種交換式以太網(wǎng)技術(shù)給人們帶來(lái)了一定的好處，但是我們也不能忽視這種模式自身的缺點(diǎn)和不足。可以試想一下，當(dāng)數(shù)據(jù)量急劇增大，由于交互式端口處理的數(shù)目有限，在這種情況下，數(shù)據(jù)得不到有效的及時(shí)處理，因此必須逐次排隊(duì)進(jìn)行。所以，在無(wú)形中，這又增加了等待的時(shí)間?？偠灾?，傳統(tǒng)的以太網(wǎng)技術(shù)具有很大的拖延性，這種拖延性又增加了以太網(wǎng)的不確定性，即使是交換式以太網(wǎng)也不能避免這些問(wèn)題。所以，這與實(shí)時(shí)性鮮明的航空系統(tǒng)的要求發(fā)送相悖，致使現(xiàn)代以太網(wǎng)通信技術(shù)難以發(fā)揮出最大的功能價(jià)值。

三、實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的改造方法

要想改變現(xiàn)有的以太網(wǎng)的缺點(diǎn)，主要是改變以太網(wǎng)的不確定的因素，把不確定變確定，以適應(yīng)航空電子系統(tǒng)的要求和發(fā)展。實(shí)時(shí)以太網(wǎng)具有較強(qiáng)的通信能力，而且成本不高，方便快捷，受到社會(huì)的歡迎。一般來(lái)說(shuō)，經(jīng)常用到的改造方法有如下三種，第一種是改變和CSMA/CD相關(guān)的MAC層的協(xié)議，第二種是把以太網(wǎng)和TCP/IP相結(jié)合起來(lái)，第三種是添加軟件層，保證調(diào)度的確定性。

1.修改以太網(wǎng)媒體訪問(wèn)控制層協(xié)議。我們可以知道以太網(wǎng)的主要通信調(diào)度方式為利用CSMA/CD來(lái)進(jìn)行調(diào)度，數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸都要通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，還會(huì)發(fā)生沖突的情況，所以就會(huì)導(dǎo)致以太網(wǎng)的不確定性。因此，為了改變這種不確定性，就要從CSMA/CD來(lái)入手。CSMA/CD主要位于以太網(wǎng)的MAC層，也就是媒體訪問(wèn)控制層，所以，我們必須通過(guò)改變媒體訪問(wèn)控制層協(xié)議來(lái)進(jìn)行處理。其中，治理的過(guò)程分為兩個(gè)階段。當(dāng)傳輸信息還沒(méi)有產(chǎn)生碰撞的時(shí)候，我們可以繼續(xù)采用原有的協(xié)議;產(chǎn)生碰撞的時(shí)候，我們可以采取一種確定性的沖突解決算法，這種算法又可以稱為二叉樹(shù)遍歷算法[2]。

2.實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)和TCP/IP的融合。我們知道網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要在以太網(wǎng)交換機(jī)的端口處，其中交換機(jī)可以把整片網(wǎng)絡(luò)合理劃成多條網(wǎng)段，這些網(wǎng)段可以端口處的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)配以一定的寬帶，通過(guò)寬帶服務(wù)可以有效地避免強(qiáng)烈的競(jìng)爭(zhēng)，防止競(jìng)爭(zhēng)的同時(shí)也就減少了傳輸信息之間的碰撞。需要注意的是，這種融合方式和交換式以太網(wǎng)一樣，雖然能有效地減少碰撞的發(fā)生，但是在遇到數(shù)據(jù)量很大的情況時(shí)，數(shù)據(jù)得不到有效的及時(shí)處理，因此必須逐次排隊(duì)進(jìn)行，所以，這兩種方法都會(huì)延長(zhǎng)時(shí)間，有幫助的同時(shí)也有自身的不足。

3.添加軟件層，提高調(diào)度的確定性。由于以太網(wǎng)通信調(diào)度存在問(wèn)題，所以要改變調(diào)度的方式。除了第一種通過(guò)改變和CSMA/CD相關(guān)的MAC層的協(xié)議的方法外，我們還可以添加可用的軟件層，通過(guò)軟件層來(lái)提高調(diào)度的確定性，軟件層主要添加在MAC層的上面。網(wǎng)段內(nèi)的實(shí)時(shí)報(bào)文和非實(shí)時(shí)報(bào)文不會(huì)同時(shí)進(jìn)行，在特定的時(shí)間里將會(huì)有不同類型的報(bào)文輸送，堆棧中的實(shí)時(shí)報(bào)文通過(guò)數(shù)據(jù)鏈路層傳遞后，不經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層而直接傳遞給應(yīng)用層，同時(shí)，非實(shí)時(shí)報(bào)文仍然通過(guò)TCP/IP協(xié)議來(lái)進(jìn)行傳遞[3]。

參考文獻(xiàn)

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[2]劉明哲，徐鎧冬，畢宇航.確定性實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通信協(xié)議研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2005（8）.

[3]劉中，李成賢.交換式以太網(wǎng)在航空電子系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].武器裝備自動(dòng)化，2006（1）.