FC-AE-1553協(xié)議復(fù)雜交換式結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

郭紹禾， 張向利， 張紅梅

(桂林電子科技大學(xué) 認(rèn)知無線電與信息處理省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004)

MIL-STD-1553B總線標(biāo)準(zhǔn)于20世紀(jì)70年代提出，隨即普遍應(yīng)用于各種航電系統(tǒng)，例如飛機(jī)綜合航電系統(tǒng)，艦船、航天等航電系統(tǒng)，是當(dāng)今作戰(zhàn)飛機(jī)電子系統(tǒng)中的脊梁骨，有“一網(wǎng)蓋三軍”之稱[1]。然而MIL-STD-1553B標(biāo)準(zhǔn)只支持1 Mbit/s的帶寬，越來越不能滿足航天、機(jī)載和艦載等電子系統(tǒng)互連的需求[2]。FC-AE-1553協(xié)議以光纖通道為基礎(chǔ)，是航電系統(tǒng)不同設(shè)備之間數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)目偩€協(xié)議，能兼容傳統(tǒng)的MIL-STD-1553B總線設(shè)備，可將原來MIL-STD-1553B網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率提高至1 Gbit/s，大大擴(kuò)展了數(shù)據(jù)傳輸帶寬。FC-AE-1553網(wǎng)絡(luò)不僅具有光纖通道高實(shí)時(shí)性的良好性能，而且兼具M(jìn)IL-STD-1553B總線的傳統(tǒng)優(yōu)勢，有“吉比特的1553”之稱[3]，很有可能成為下一代航空電子網(wǎng)絡(luò)傳輸標(biāo)準(zhǔn)。文獻(xiàn)[3-5]介紹了FC-AE-1553協(xié)議的高級特性，但僅針對簡單拓?fù)淠Ｐ瓦M(jìn)行了仿真與性能分析。文獻(xiàn)[6-9]提出一種FC-AE-1553網(wǎng)絡(luò)與MIL-STD-1553B總線設(shè)備橋接的設(shè)計(jì)方案，未對復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究。隨著航電系統(tǒng)日益復(fù)雜和網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備的不斷增多，簡單的交換型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際航電系統(tǒng)的要求。為此，針對FC-AE-1553復(fù)雜交換式網(wǎng)絡(luò)，提出一種利用Dijkstra算法對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化的方案，使得FC-AE-1553網(wǎng)絡(luò)在分布式控制網(wǎng)絡(luò)具有更好的性能。

1 FC-AE-1553協(xié)議簡介

1.1 FC-AE-1553網(wǎng)絡(luò)模型

FC-AE-1553網(wǎng)絡(luò)主要由網(wǎng)絡(luò)控制器NC、多個網(wǎng)絡(luò)終端NT以及若干條光纖鏈路組成。其中，網(wǎng)絡(luò)控制器NC的主要功能是提供網(wǎng)絡(luò)上的傳輸調(diào)度，而網(wǎng)絡(luò)終端NT是光纖通道子系統(tǒng)或傳感器的接口，主要功能是與子系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)，并行使網(wǎng)絡(luò)控制器發(fā)出的命令。FC-AE-1553網(wǎng)絡(luò)支持點(diǎn)到點(diǎn)型、仲裁環(huán)型、交換型[10]3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。FC-AE-1553網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

點(diǎn)到點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠連接節(jié)點(diǎn)的最大數(shù)量為NC節(jié)點(diǎn)的最大端口數(shù)量。由于節(jié)點(diǎn)之間無共享鏈路，任何單根光纖故障，不會影響網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)和命令的傳輸，僅僅造成單個節(jié)點(diǎn)發(fā)生重試或切換總線的現(xiàn)象[11]。但點(diǎn)到點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)擴(kuò)展能力有限，因?yàn)橄蚓W(wǎng)絡(luò)增加節(jié)點(diǎn)時(shí)，必須在NC上添加一對收發(fā)端口。

仲裁環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是將相鄰節(jié)點(diǎn)之間的收發(fā)端口首尾相連而形成的單向環(huán)路。由于所有節(jié)點(diǎn)之間的通信鏈路共享，當(dāng)環(huán)路上任何一個節(jié)點(diǎn)或單根光纖出現(xiàn)故障時(shí)，都會影響到整個網(wǎng)絡(luò)，造成所有設(shè)備節(jié)點(diǎn)發(fā)生斷線或重連，可靠性較差。又因同一時(shí)刻只有正在通信中的2個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的線路被占用，其他線路都是空閑的，其網(wǎng)絡(luò)的利用率較低。

交換型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過幀頭中指定的目的地址，將數(shù)據(jù)路由到目的端口，使得多個設(shè)備能夠在同一時(shí)刻進(jìn)行通信，因此，這種結(jié)構(gòu)的鏈路利用率相比仲裁環(huán)結(jié)構(gòu)更高。交換式結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)變化，某個終端節(jié)點(diǎn)故障、加入和刪除都不會影響網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)的正常工作。每個網(wǎng)絡(luò)終端的端口通過點(diǎn)對點(diǎn)的雙向連接與交換機(jī)端口互連，使得每個端口都能以最大速度與交換機(jī)的端口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。由于交換網(wǎng)絡(luò)存在部分共享鏈路，當(dāng)故障發(fā)生在連接任何NT的支路時(shí)，不會影響網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)，僅僅造成單個節(jié)點(diǎn)重試或切換總線的現(xiàn)象[12]。

1.2 復(fù)雜交換式結(jié)構(gòu)

若有多臺終端設(shè)備連接至同一交換機(jī)，則可連接的節(jié)點(diǎn)數(shù)量就取決于交換機(jī)的端口數(shù)量，這很大程度上限制了交換機(jī)的工作效率和網(wǎng)絡(luò)的互連能力。對于實(shí)際的航電環(huán)境，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟獜?fù)雜得多，這就需要多級交換結(jié)構(gòu)，也即要求交換機(jī)之間的互連互通，如圖2所示。這樣的連接可以連入更多的終端節(jié)點(diǎn)，并且提高了網(wǎng)絡(luò)互連能力，有更高的可靠性和安全性，系統(tǒng)設(shè)備的升級和更新?lián)Q代更加容易。但是，當(dāng)圖2中的單根光纖發(fā)生故障時(shí)，交換機(jī)_3就不能正常使用，與之相連的NT端也就無法正常收發(fā)數(shù)據(jù)。

圖2 多級交換式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

若將多個交換機(jī)節(jié)點(diǎn)互連成一個環(huán)狀，如圖3所示，雖然這樣加大了廣播風(fēng)暴的風(fēng)險(xiǎn)，但由于FC-AE-1553網(wǎng)絡(luò)相較于一般網(wǎng)絡(luò)具有非常高的傳輸速率和傳輸效率，一般網(wǎng)絡(luò)并不能發(fā)揮FC-AE-1553網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢。由于交換機(jī)之間互連成環(huán)狀，并且還增加了一些冗余的連接線路，當(dāng)圖3所示的單根光纖發(fā)生故障時(shí)，冗余的線路就會從離線狀態(tài)變?yōu)榧せ顮顟B(tài)，從而替代原有故障的鏈路，維持整個網(wǎng)絡(luò)的正常通信[13]。

圖3 環(huán)狀交換式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

交換機(jī)中的路由表的實(shí)現(xiàn)與維護(hù)是交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制的核心部分。同時(shí)由于環(huán)狀拓?fù)渚€路的出現(xiàn)，不僅增加了網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，而且數(shù)據(jù)在傳輸時(shí)容易造成廣播風(fēng)暴。針對互連成網(wǎng)狀的交換式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，交換機(jī)利用Dijkstra最短路徑算法進(jìn)行優(yōu)化。

2 FC-AE-1553模型仿真

使用OPNET Modeler仿真建模工具，對FC-AE-1553網(wǎng)絡(luò)中的NC、NT節(jié)點(diǎn)與交換機(jī)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行仿真，并利用Dijkstra算法對交換機(jī)模型進(jìn)行自動尋路優(yōu)化。

2.1 交換機(jī)節(jié)點(diǎn)模型

交換機(jī)在開始工作前，必須進(jìn)行登錄。首先是架構(gòu)登錄，其次為端口登錄和進(jìn)程登錄[14]。任何終端在與其他終端進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)通信前，必須向交換機(jī)進(jìn)行架構(gòu)登錄，交換機(jī)將為發(fā)起架構(gòu)登錄的終端分配一個唯一的N端口地址。在交換機(jī)登錄后、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)前，采用Dijkstra算法對整個網(wǎng)絡(luò)的路徑進(jìn)行優(yōu)化。Dijkstra算法是目前解決單源最短路徑的典型算法，算法以源點(diǎn)為中心向外層層迭代擴(kuò)展，直至擴(kuò)展到終點(diǎn)為止，每次循環(huán)選中一個頂點(diǎn)，該點(diǎn)是除了標(biāo)記點(diǎn)之外距離源點(diǎn)最近的頂點(diǎn)。

交換機(jī)節(jié)點(diǎn)模型由一個中心處理模塊以及若干對發(fā)送機(jī)和接收機(jī)組成。圖4為交換機(jī)中心處理模塊的進(jìn)程模型。進(jìn)程模型分為3個部分：交換機(jī)登錄與終端節(jié)點(diǎn)信息采集部分，Dijkstra尋路部分，幀轉(zhuǎn)發(fā)部分。

圖4 交換機(jī)中心處理模塊的進(jìn)程模型

1)交換機(jī)登錄與終端節(jié)點(diǎn)信息采集部分主要作用是完成NT、NC的端口登錄工作。該部分的主要過程為：首先，每臺交換機(jī)都會形成一個自己的路由表，該路由表存有與之相連的NT終端的地址和端口、是否與其他交換機(jī)相連通以及交換機(jī)之間的延時(shí)等重要信息。其次，每臺交換機(jī)會將自己管理維護(hù)的路由表發(fā)送給根節(jié)點(diǎn)交換機(jī)(與NC端直接相連的交換機(jī)，選為根節(jié)點(diǎn)交換機(jī))，這樣根節(jié)點(diǎn)交換機(jī)就有了整個網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞男畔?，然后根?jié)點(diǎn)交換機(jī)進(jìn)入Dijkstra尋路部分生成路徑，而非根節(jié)點(diǎn)交換機(jī)進(jìn)入轉(zhuǎn)發(fā)部分開始等待。

2)Dijkstra尋路部分是根節(jié)點(diǎn)交換機(jī)生成整個網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥疃搪窂奖淼倪^程。根節(jié)點(diǎn)交換機(jī)掌握了整個網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞男畔?，并生成圖，圖中邊的權(quán)值依靠交換機(jī)之間端到端的延時(shí)形成。最后利用Dijkstra算法，形成每個節(jié)點(diǎn)的最短路徑表，并轉(zhuǎn)發(fā)給每個交換機(jī)。

3)幀轉(zhuǎn)發(fā)部分是交換機(jī)根據(jù)最短路徑表轉(zhuǎn)發(fā)幀的過程。每個交換機(jī)收到根節(jié)點(diǎn)交換機(jī)發(fā)來的最短路徑表，在接收到幀后，首先遍歷自己的路由表，判斷幀的目的地址是否存在，若存在，則直接轉(zhuǎn)發(fā)給目的NT，否則根據(jù)最短路徑表，轉(zhuǎn)發(fā)給下一個交換機(jī)。

2.2 網(wǎng)絡(luò)模型

在OPNET Modeler中，對FC-AE-1553網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模仿真，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為復(fù)雜網(wǎng)狀的交換式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并采用分布式控制網(wǎng)絡(luò)。復(fù)雜分布式交換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有5個NC控制器、10個交換機(jī)，其中交換機(jī)之間邊的權(quán)值表示傳輸延時(shí)。

圖5 復(fù)雜分布式交換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

其中，NC_0、NC_3與NC_4是NT-to-NT傳輸方式，并且分別采用普通模式、突發(fā)模式1與突發(fā)模式2進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，而NC_1與NC_2則是NC-to-NT傳輸方式，分別采用突發(fā)模式1、突發(fā)模式2進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。當(dāng)整個網(wǎng)絡(luò)開始工作時(shí)，5個控制器同時(shí)開始向不同的NT發(fā)出命令，進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)交換，以此模擬在機(jī)載、艦載等航電系統(tǒng)中同時(shí)對多個命令進(jìn)行響應(yīng)，例如在操控方向的同時(shí)，按下不同的功能按鈕。在網(wǎng)絡(luò)傳輸壓力相同且交換機(jī)之間端到端延時(shí)相同的條件下，分別采用普通交換機(jī)與改進(jìn)交換機(jī)進(jìn)行仿真對比，其中仿真運(yùn)行時(shí)間設(shè)置為30 min，并且在仿真運(yùn)行停止前，所有控制器會不間斷地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

3 結(jié)果分析

在根節(jié)點(diǎn)交換機(jī)中，整個網(wǎng)絡(luò)中的交換機(jī)抽象為有權(quán)圖，經(jīng)過數(shù)學(xué)建模形成鄰接矩陣A，其中邊的權(quán)值為交換機(jī)之間的傳輸延時(shí)，鄰接矩陣中999表示2個交換機(jī)之間無光纖直連。經(jīng)過Dijkstra算法優(yōu)化后，形成最短路徑矩陣P，該矩陣的第1行表示以交換機(jī)S_0為源點(diǎn)，第2列表示源點(diǎn)S_0到S_1的最短路徑的前驅(qū)節(jié)點(diǎn)，以此類推。鄰接矩陣A與最短路徑矩陣P為：

在該復(fù)雜網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，利用普通交換機(jī)與改進(jìn)交換機(jī)分別進(jìn)行仿真對比分析，其傳輸延時(shí)如圖6、7所示。

圖6 普通模型的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)

圖7 改進(jìn)模型的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)

在分布式控制網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)多個控制器同時(shí)發(fā)起數(shù)據(jù)交換時(shí)，整個網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流不僅是一條單一的路徑。對于普通交換機(jī)，自身路由表中沒有的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行廣播操作，無形中加大了其他交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)壓力，隨著時(shí)間的不斷推移，交換機(jī)中積攢的需轉(zhuǎn)發(fā)的幀就越多，端到端的延時(shí)也就越大，在仿真的開始階段延時(shí)約為7 μs(見圖6)，但隨著交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)壓力不斷加大，其延時(shí)也就越來越大，并且造成廣播風(fēng)暴的概率也在不斷加大。而對于改進(jìn)交換機(jī)來說，每個交換機(jī)都有整個網(wǎng)絡(luò)的信息，并且具有到其他任何交換機(jī)節(jié)點(diǎn)的最短路徑，因此，每個數(shù)據(jù)交換都會沿著固定的路徑(延時(shí)最短路徑)進(jìn)行傳輸，其端到端延時(shí)如圖7所示，自整個網(wǎng)絡(luò)開始數(shù)據(jù)交換，網(wǎng)絡(luò)的傳輸井然有序，并且延時(shí)可穩(wěn)定維持在約5 μs，也就是所有最短路徑的NT端的平均延時(shí)。因此，改進(jìn)交換機(jī)的性能要優(yōu)于普通交換機(jī)。

網(wǎng)絡(luò)吞吐量也是衡量航電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的重要性能指標(biāo)。分布式控制網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)吞吐量如圖8所示。從圖8可看出，F(xiàn)C-AE-1553網(wǎng)絡(luò)的吞吐量可達(dá)77 MB/s，達(dá)到理論值的80%～90%，如此之大的吞吐量，其端到端延時(shí)又可保持在微秒。相比傳統(tǒng)的MIL-STD-1553B總線網(wǎng)絡(luò)，性能提高了成千上萬倍。

圖8 網(wǎng)絡(luò)吞吐量

4 結(jié)束語

針對FC-AE-1553網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜交換式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提出在交換機(jī)中利用Dijkstra算法對傳輸路徑進(jìn)行規(guī)劃的設(shè)計(jì)方案，該方案使得每條傳輸線路具有最小的延時(shí)，并通過OPNET建立了分布控制式網(wǎng)絡(luò)的仿真模型。仿真結(jié)果表明，改進(jìn)型交換機(jī)相較于傳統(tǒng)交換機(jī)在網(wǎng)絡(luò)傳輸中具有更低的延時(shí)。因此，該方案可為FC-AE-1553復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際航電系統(tǒng)中的應(yīng)用提供一種有效的途徑。