RapidIO在分布式機載傳感器系統(tǒng)中的應(yīng)用*

張洪亮，張 曉

(1.中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036；2.空軍裝備部駐成都地區(qū)第三軍事代表室，成都 610036)

0 引 言

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，各行業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)的規(guī)模迅速擴大，所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)呈井噴式增長，遠遠超出傳統(tǒng)單臺計算機的信息處理能力。因此，分布式大數(shù)據(jù)處理平臺得到快速發(fā)展和迭代[1]，如Spark、Hadoop等。

目前，分布式系統(tǒng)成為機載傳感器領(lǐng)域發(fā)展的一個重要方向，采用分布式大數(shù)據(jù)平臺思想設(shè)計分布式機載傳感器系統(tǒng)也成為研究的一個熱點。但機載傳感器與互聯(lián)網(wǎng)的傳輸、計算有很大的不同，比如系統(tǒng)的確定性、計算實時性、網(wǎng)絡(luò)可靠性等。

在機載傳感器系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計過程中，傳輸網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計一直都是重要內(nèi)容，在系統(tǒng)設(shè)計之初就需要確定網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，分析傳輸數(shù)據(jù)類型和傳輸帶寬需求等方面內(nèi)容，并結(jié)合上述需求分析來決定網(wǎng)絡(luò)類型、設(shè)計網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)并給出網(wǎng)絡(luò)傳輸能力、可靠性分析。

鑒于RapidIO具備可靠傳輸、低延時、大帶寬等眾多優(yōu)點，結(jié)合分布式大數(shù)據(jù)平臺設(shè)計思想，本文從網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、節(jié)點資源、網(wǎng)絡(luò)資源管理等方面進行設(shè)計，將RapidIO網(wǎng)絡(luò)技術(shù)從集中式的設(shè)備內(nèi)擴展至多個設(shè)備的分布式互聯(lián)，并進行了相應(yīng)的性能評估以及應(yīng)用說明，為后續(xù)RapidIO網(wǎng)絡(luò)在分布式機載傳感器系統(tǒng)工程化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)組成

本文涉及的分布式機載傳感器系統(tǒng)采用開放式的系統(tǒng)架構(gòu)，分別在結(jié)構(gòu)、硬件、網(wǎng)絡(luò)、操作系統(tǒng)等方面遵循開放式的思想進行系統(tǒng)設(shè)計，并對系統(tǒng)軟硬件進行通用化的設(shè)計。分布式機載傳感器系統(tǒng)由天線前端和分布式機架兩部分組成。分布式機架通過交換網(wǎng)絡(luò)為系統(tǒng)提供通用化的信號、數(shù)據(jù)處理資源池，為系統(tǒng)提供實時的圖像處理、信號處理、協(xié)議處理、資源分配管理等。天線前端依據(jù)不同的需求分為兩種類型：一種類型為由收發(fā)天線、信道處理等部分組成，其出口仍為射頻信號，這部分功能的AD采樣、DA變換、信號處理等依賴機架內(nèi)部的多通道處理資源進行統(tǒng)一處理與接入網(wǎng)絡(luò)；另一種類型的天線前端采用了智能蒙皮的思想，除了收發(fā)天線外，集成了AD采樣、DA變換以及部分信號預(yù)處理功能，信號以高速光纖網(wǎng)絡(luò)形式直接接入交換網(wǎng)絡(luò)，其功能通過系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接入信號、信息處理資源池。圖1為分布式機載傳感器系統(tǒng)簡要框圖。

圖1 分布式機載傳感器系統(tǒng)簡要框圖

2 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

2.1 網(wǎng)絡(luò)選擇說明

目前大數(shù)據(jù)平臺已經(jīng)發(fā)展到3.0時代[1]，其計算引擎和框架技術(shù)也將分布式實時計算作為發(fā)展的一個重要方向，其特點是高并發(fā)、低延時、高準確度、業(yè)務(wù)連續(xù)性，并且平臺自身也具備服務(wù)發(fā)現(xiàn)、負載均衡等一些分布式的網(wǎng)絡(luò)管理功能，但這些功能與機載傳感器系統(tǒng)對傳輸網(wǎng)絡(luò)要求有一定差異。以網(wǎng)絡(luò)低延時要求為例，由于大數(shù)據(jù)計算平臺本身使用商業(yè)網(wǎng)絡(luò)并且重點解決容器化調(diào)度、資源管理等問題，對網(wǎng)絡(luò)延時的要求達到毫秒級的響應(yīng)速度已經(jīng)是很高的要求，但在機載傳感器系統(tǒng)中，某些傳感器功能(例如航空管制)從發(fā)射到接收的整體傳輸延時為微秒級別，對傳輸網(wǎng)絡(luò)的延遲要求為微秒甚至納秒級別。針對這種差別，究其原因，主要有兩方面：一方面目前商用領(lǐng)域?qū)崟r計算的時間延遲需求可能尚未有更高更迫切的需求；第二，目前商業(yè)領(lǐng)域使用的網(wǎng)絡(luò)主要為公共信息網(wǎng)絡(luò)加持OSI模型的七層互聯(lián)通信，在操作系統(tǒng)參與的情況下，其本身響應(yīng)的速度就已經(jīng)為毫秒級。以目前的最為主流分布式計算平臺Kubernetes[2]為例，其原生系統(tǒng)涉及網(wǎng)絡(luò)部分功能為服務(wù)發(fā)現(xiàn)以及負載均衡，服務(wù)發(fā)現(xiàn)是基于OSI模型的第七層(應(yīng)用層)，依靠URL等應(yīng)用層信息進行解析從而被發(fā)現(xiàn)，負載均衡設(shè)計為第四層(傳輸層)負載均衡——基于IP解析+端口訪問的負載均衡。兩者的訪問的層級較多，延遲比較大，在現(xiàn)行的協(xié)議下繼續(xù)壓縮的可能性較小。通過其原生的框架測試表明，其測試延時不小于5 ms。

機載傳感器系統(tǒng)對傳輸?shù)目煽啃?、準確性、安全性、低延遲、高效傳輸帶寬等方面有著更為嚴格的要求。

RapidIO網(wǎng)絡(luò)本身是針對嵌入式互聯(lián)設(shè)計，具備可靠性高、傳輸帶寬大、延遲低、安全性高、支持部件多等優(yōu)點，非常適合在機載傳感器系統(tǒng),如CNI(Communication,Navigation and Identification)[3]、光電成像[4]、雷達等系統(tǒng)中應(yīng)用。在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方面，RapidIO網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點可以通過交換芯片進行集中交換，多個交換芯片互聯(lián)可以構(gòu)建大規(guī)模集中交換，多個集中交換互聯(lián)又可以構(gòu)建分布式集群網(wǎng)絡(luò)。因此，RapidIO非常適合在分布式機載傳感器系統(tǒng)中應(yīng)用。

2.2 傳輸速率與傳輸模式

從RapidIO標準規(guī)范的發(fā)布來看，RapidIO2.x標準支持的信號速率為1.25 Gb/s、2.5 Gb/s、3.125 Gb/s、5 Gb/s和6.25 Gb/s。

分布式機載傳感器系統(tǒng)中主要考慮部署CNI功能、雷達成像處理、光電成像處理等功能。CNI功能眾多，但是單個功能的數(shù)據(jù)量有限，大部分的數(shù)據(jù)傳輸以突發(fā)方式傳輸，因此瞬時帶寬要求高而平均帶寬要求低。雷達成像、光電成像等功能以傳輸回波數(shù)據(jù)、圖像等塊數(shù)據(jù)為主，數(shù)據(jù)量大，對帶寬要求較高。在對數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，綜合考慮實現(xiàn)難度(例如高速連接器選擇、高速背板設(shè)計復(fù)雜度)以及低功耗設(shè)計，本網(wǎng)絡(luò)設(shè)計為5Gb/s 4×模式(雷達成像、光電成像)和2.5 Gb/s 1×模式(CNI)。兩種模式和速率可通過系統(tǒng)上電、系統(tǒng)重構(gòu)時，依據(jù)不同的部署位置進行動態(tài)配置和切換。

RapidIO 規(guī)范支持消息通信(Message)、直接內(nèi)存存取(Direct Memory Access,DMA)等多種通信機制。考慮圖像、回波、數(shù)字中頻等信息使用DMA傳輸方式效率更高以及芯片廠商對DMA的支持程度(因為系統(tǒng)會涉及到 DSP、PPC、CPU等多類型的芯片，需要都支持相同的通信機制)，分布式機載傳感器系統(tǒng)中的 RapidIO 采用DMA作為本系統(tǒng) RapidIO 的通信機制。

2.3 網(wǎng)絡(luò)拓撲設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)拓撲設(shè)計是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，系統(tǒng)后續(xù)的軟件設(shè)計和硬件設(shè)計都將圍繞著網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)展開。

RapidIO 網(wǎng)絡(luò)拓撲設(shè)計最典型的有兩種：點點互聯(lián)和集中交換。點點互聯(lián)適用于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量比較少、連接關(guān)系相對簡單的系統(tǒng)。集中交換是以單個交換芯片或者多個交換芯片組成交換機為核心的方式構(gòu)建交換網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點分別接入各個交換芯片，構(gòu)成RapidIO集中交換網(wǎng)絡(luò)。

采用分域式可擴展思想可以對RapidIO 集中交換網(wǎng)絡(luò)進一步擴展，將多個集中交換網(wǎng)絡(luò)劃分為子網(wǎng)，子網(wǎng)與子網(wǎng)互聯(lián)可以形成統(tǒng)一的分布式RapidIO網(wǎng)絡(luò)。這種網(wǎng)絡(luò)適用于節(jié)點規(guī)模較多的分布式系統(tǒng)，而且這種架構(gòu)也便于網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一管理和系統(tǒng)后續(xù)的擴展，使得系統(tǒng)的開放性更好。本文設(shè)計的分布式機載傳感器網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于分布式的RapidIO網(wǎng)絡(luò)拓撲

從圖1可以看出，分布式機載傳感器系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型是以分布式機架為單位形成RapidIO子網(wǎng)，RapidIO子網(wǎng)內(nèi)以兩個交換機為中心形成雙星1+1備份集中交換網(wǎng)絡(luò)，分布式機架之間通過RapidIO交換機互聯(lián)，使多個子網(wǎng)形成多星子網(wǎng)互聯(lián)。子網(wǎng)間通過分布式的網(wǎng)絡(luò)管理統(tǒng)一控制，形成統(tǒng)一的星群網(wǎng)絡(luò)。

2.4 節(jié)點設(shè)計

以往的RapidIO節(jié)點是以芯片為單位接入網(wǎng)絡(luò)，而本文介紹的分布式機載傳感器節(jié)點是將芯片抽象為多個標準計算單元的方式接入網(wǎng)絡(luò)，也就是說接入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點是比芯片更加細分的計算單元。這樣做的好處是系統(tǒng)將構(gòu)建統(tǒng)一以計算單元為標準的資源池，計算單元、節(jié)點與網(wǎng)絡(luò)便于統(tǒng)一規(guī)劃、管理、調(diào)度，功能軟件的部署僅需向系統(tǒng)申請所需的計算資源、算力、存儲與傳輸資源等需求，資源所在的具體位置(包括機架、模塊、甚至芯片所在位置)由平臺統(tǒng)一管理。分布式傳感器系統(tǒng)主要分為數(shù)據(jù)處理資源節(jié)點、信號處理資源節(jié)點以及數(shù)據(jù)源節(jié)點。

2.4.1 數(shù)據(jù)處理資源節(jié)點

數(shù)據(jù)處理計算單元主要用于完成協(xié)議處理、消息處理以及系統(tǒng)管理調(diào)度等相關(guān)功能，主要包括綜合控制處理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊中的飛騰/PPC等多核處理器，如圖3所示。在數(shù)據(jù)處理計算單元的設(shè)計上，采用統(tǒng)一的分區(qū)操作系統(tǒng)[5]與虛擬化技術(shù)，將多核數(shù)據(jù)處理芯片抽象為標準的多個分區(qū)計算單元，各個計算單元在時間與空間上相對獨立，如圖3所示。圖中核心操作系統(tǒng)和能力支持負責將內(nèi)核統(tǒng)一管理以及RapidIO物理端口統(tǒng)一處理成軟件可直接調(diào)用的I/O端口，各分區(qū)操作系統(tǒng)配置統(tǒng)一的通信中間件，分區(qū)均配置邏輯端口，邏輯端口與I/O端口的內(nèi)存分區(qū)一一映射，片上資源管理器統(tǒng)一對片上分區(qū)資源、邏輯端口進行配置、管理、調(diào)度。對于分區(qū)應(yīng)用APP來說，分區(qū)應(yīng)用通過中間件處理邏輯端口相關(guān)數(shù)據(jù)，RapidIO物理端口透明。這樣實現(xiàn)了多個分區(qū)應(yīng)用與芯片資源、RapidIO網(wǎng)絡(luò)資源解耦。

圖3 數(shù)據(jù)處理資源節(jié)點框圖

分系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)管理、系統(tǒng)控制、資源控制、計算節(jié)點均可統(tǒng)一動態(tài)部署在不同的分區(qū)計算單元。

2.4.2 信號處理資源節(jié)點

信號處理主要完成數(shù)字變頻、調(diào)制解調(diào)、編解碼、參數(shù)管理、頻率同步、測角、抗干擾等處理，主要包括數(shù)字預(yù)處理模塊、信號處理模塊中的FPGA和DSP多核處理器，如圖4所示。

(a)FPGA節(jié)點框圖

(b)DSP節(jié)點框圖圖4 信號處理資源節(jié)點框圖

對于FPGA抽象，依據(jù)FPGA邏輯資源大小進行分區(qū)使用，由于FPGA本身具備多組可配置RapidIO端口，因此在設(shè)計上每個分區(qū)均分配獨立的RapidIO物理端口，并適配通信中間件抽象為邏輯端口，分區(qū)采用動態(tài)分區(qū)加載技術(shù)，從而對FPGA虛擬分割出多組獨立具備RapidIO端口的標準處理單元。

對于DSP標準計算單元的處理，與數(shù)據(jù)處理資源的處理方式類似，利用其多核特性，將每個處理器核加上部分內(nèi)存、對外接口，并配置獨立的操作系統(tǒng)將其虛擬成標準的嵌入式計算處理單元。每個標準計算單元運行效果等同于在一片獨立的處理器上運行。由于元器件本身RapidIO物理端口數(shù)量限制，一個RapidIO物理端口將被多個內(nèi)核共同使用，板級操作系統(tǒng)引導(dǎo)將RapidIO物理端口抽象為統(tǒng)一的IO，通過DMA的將數(shù)據(jù)分配至不同的內(nèi)存空間，各內(nèi)核通過統(tǒng)一的通信中間件對各自空間數(shù)據(jù)寫入或者讀取，實現(xiàn)對統(tǒng)一端口數(shù)據(jù)訪問。

2.4.3 傳感器資源節(jié)點

傳感器資源主要抽象為數(shù)據(jù)源節(jié)點接入網(wǎng)絡(luò)，接入方式分為間接入網(wǎng)和直接入網(wǎng)兩種。

(1)間接入網(wǎng)

電磁波信號通過天線接收、放大、濾波整形等處理后的射頻信號與分布式機架內(nèi)多通道數(shù)字收發(fā)模塊互聯(lián)，通過該類模塊進行數(shù)字變頻、量化形成數(shù)字中頻，數(shù)字中頻通過其模塊內(nèi)部的FPGA的RapidIO端口接入分布式RapidIO網(wǎng)絡(luò)，通過RapidIO網(wǎng)絡(luò)路由至CNI等處理所需的標準計算單元。

(2)直接入網(wǎng)

雷達天線等傳感器內(nèi)部具備射頻接收、變頻、數(shù)字量化等環(huán)節(jié)，其數(shù)字回波信號可以通過天線內(nèi)FPGA的RapidIO端口接入分布式RapidIO網(wǎng)絡(luò)，通過RapidIO網(wǎng)絡(luò)路由至雷達圖像、動目標等處理所需的標準計算單元；光電傳感器內(nèi)部具備光電探測器可直接形成圖像，通過內(nèi)部的FPGA的RapidIO端口接入分布式RapidIO網(wǎng)絡(luò)，通過RapidIO網(wǎng)絡(luò)由至其圖像拼接、目標篩選等圖像處理所需的標準計算單元。

2.5 網(wǎng)絡(luò)資源分配與管理

圖5所示為RapidIO網(wǎng)絡(luò)資源管理層次框圖，下面具體介紹。

圖5 RapidIO網(wǎng)絡(luò)資源管理層次框圖

2.5.1 RapidIO端口虛擬

對于RapidIO端口虛擬，主要通過通信中間件在把每個物理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點虛擬成一定數(shù)量的邏輯節(jié)點，不同分區(qū)計算資源之間通過邏輯端口互聯(lián)，整個物理網(wǎng)絡(luò)抽象成多個邏輯連接通道的集合，通過邏輯互聯(lián)接口和邏輯通道的配置和使用，實現(xiàn)不同標準嵌入式計算處理單元的應(yīng)用軟件之間互聯(lián)互通。每個邏輯端口的通信帶寬和內(nèi)存可通過網(wǎng)管軟件進行配置，配置的最小顆粒為RapidIO物理端口資源的1/N，N為芯片被抽象為標準單元的個數(shù)。

2.5.2 RapidIO網(wǎng)絡(luò)路由管理

RapidIO網(wǎng)絡(luò)路由管理的作用是根據(jù)系統(tǒng)功能部署/拆除的需要，實時建立或拆除網(wǎng)絡(luò)路由和邏輯連接，按需提供網(wǎng)絡(luò)帶寬和質(zhì)量保障。RapidIO網(wǎng)絡(luò)路由的管理是基于物理端口虛擬和邏輯通道，實現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)連接管理顆粒度更細、管理更精準。并且，建立或者拆除的目標為路由以和邏輯通道配置，在設(shè)計上均可實現(xiàn)為動態(tài)的過程，因此單一功能的路由與邏輯通道配置的建立或者拆除對其他節(jié)點的影響均可變?yōu)樽钚　?/p>

2.5.3 RapidIO網(wǎng)絡(luò)切片

RapidIO網(wǎng)絡(luò)切片，本質(zhì)上是將RapidIO物理網(wǎng)絡(luò)劃分為多個虛擬網(wǎng)絡(luò)。在機載分布式系統(tǒng)中，CNI功能信號處理、雷達信號處理、光電信號處理等功能對RapidIO網(wǎng)絡(luò)的時延、帶寬、安全性和可靠性等需求不同，并且三類功能運行相對獨立，因此可以將物理網(wǎng)絡(luò)依據(jù)功能劃分CNI、雷達處理、圖像處理等多個切片，切片內(nèi)部為緊耦合，切片間通過RapidIO網(wǎng)絡(luò)路由和邏輯管理進行隔離，保證各個切片之間的網(wǎng)絡(luò)安全、可靠。切片的建立、拆除、擴容、縮減均通過RapidIO網(wǎng)絡(luò)和路由統(tǒng)一進行動態(tài)分配管理。

2.5.4 RapidIO網(wǎng)絡(luò)編排管理

RapidIO網(wǎng)絡(luò)編排管理是分布式機載傳感器系統(tǒng)的集中控制網(wǎng)絡(luò)管理。這一層的作用在于網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)管理、健康管理、調(diào)度管理，使RapidIO網(wǎng)絡(luò)連接的準確性和可靠性得到提升，使傳輸?shù)男蔬_到最大。網(wǎng)絡(luò)編排管理通過RapidIO節(jié)點狀態(tài)、路由、邏輯通道等查詢可以實時獲取系統(tǒng)全域的網(wǎng)絡(luò)資源視圖，包括網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)狀態(tài)、節(jié)點狀態(tài)、傳輸狀態(tài)，依據(jù)功能的部署、傳輸需求為功能分配網(wǎng)絡(luò)策略，并結(jié)合當前的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、傳輸路徑、節(jié)點傳輸壓力、網(wǎng)絡(luò)負荷為功能分配最佳傳輸路徑和帶寬分配。

3 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)特點

3.1 網(wǎng)絡(luò)具備高可靠性

(1)子網(wǎng)余度設(shè)計

子網(wǎng)采用雙星網(wǎng)絡(luò)1+1備份設(shè)計，當一個網(wǎng)絡(luò)交換模塊故障時，另外一個網(wǎng)絡(luò)交換模塊仍可繼續(xù)承擔該子網(wǎng)的傳輸任務(wù)。

(2)分域設(shè)計

兩個分布式機架內(nèi)分別可部署網(wǎng)絡(luò)管理、系統(tǒng)控制、資源控制等重要節(jié)點以及RapidIO普通葉子節(jié)點，兩個機架在沒有物理互聯(lián)時可獨立工作，在物理互聯(lián)后也可形成統(tǒng)一的RapidIO網(wǎng)絡(luò)，由統(tǒng)一的網(wǎng)管進行管理，單一分布式機架故障對其他機架無直接影響，增加了系統(tǒng)可靠性。

(3)節(jié)點動態(tài)遷移

實現(xiàn)資源統(tǒng)一劃分、設(shè)計、部署，在分區(qū)硬件發(fā)生故障時，同類型分區(qū)可快速接入RapidIO網(wǎng)絡(luò)，使RapidIO普通葉子節(jié)點以及網(wǎng)絡(luò)管理、系統(tǒng)控制、資源控制等重要節(jié)點實現(xiàn)動態(tài)部署和遷移，在故障時系統(tǒng)任務(wù)仍能正常執(zhí)行。

(4)網(wǎng)絡(luò)切片設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)切片之間邏輯隔離，切片之間的節(jié)點無法直接數(shù)據(jù)通信，因此通信故障被局限在切片內(nèi)部，不會蔓延至整個網(wǎng)絡(luò)。

3.2 支持多種計算模型

考慮到分布式網(wǎng)絡(luò)將承載CNI、雷達、光電等多種不同需求的信號處理、圖像處理模型業(yè)務(wù)，因此在設(shè)計時，采用了分級、分類兼容設(shè)計。

在架構(gòu)上采用分級網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，支持傳感器等數(shù)據(jù)源節(jié)點直接或者間接接入網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點之間可以利用網(wǎng)絡(luò)編排管理，互聯(lián)形成不同的傳輸模型，可以靈活支持串行處理、并行處理、大數(shù)據(jù)混合處理等不同特點的計算模型，如圖6所示。

圖6 多種計算模型

3.3 網(wǎng)絡(luò)可伸縮

(1)動態(tài)伸縮

由于RapidIO網(wǎng)絡(luò)采用了動態(tài)配置和網(wǎng)絡(luò)編排管理功能，因此，可以根據(jù)飛機平臺不同的任務(wù)場景對RapidIO網(wǎng)絡(luò)進行動態(tài)伸縮管理，例如，在地面進行戰(zhàn)備模式或者起飛階段，某些傳感器不開機的情況下可以將RapidIO網(wǎng)絡(luò)中不使用的節(jié)點進行降速、端口關(guān)閉甚至遠程物理關(guān)斷，以降低功耗、熱耗；當飛機到達任務(wù)區(qū)間時，可通過RapidIO網(wǎng)絡(luò)配置將節(jié)點恢復(fù)，以滿足任務(wù)使用需求。

(2)規(guī)?？缮炜s

由于將資源虛擬為標準計算分區(qū)或者計算單元，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具備較好的可伸縮性，在需要系統(tǒng)擴展或者能力升級時僅需要增加傳感器節(jié)點以及對應(yīng)的計算單元/分區(qū)以及相應(yīng)的交換模塊即可，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)裁減時只需要裁減對應(yīng)的傳感器節(jié)點、計算單元/分區(qū)以及相應(yīng)的交換模塊即可，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)整體上均不發(fā)生變化。通過規(guī)模伸縮，使網(wǎng)絡(luò)可適配大型飛機多節(jié)點復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)、無人機少量節(jié)點輕型網(wǎng)絡(luò)等不同場景。

3.4 全光互聯(lián)

本設(shè)計中采用了5 Gb/s 4×模式，單端口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)率達到20 Gb/s。傳統(tǒng)的電連接方式由于信號幅度衰減和連接器轉(zhuǎn)換導(dǎo)致的阻抗匹配困難，實現(xiàn)穩(wěn)定高速傳輸互連代價很大，而且分布式架構(gòu)中高速互連的節(jié)點芯片數(shù)量眾多，分布于不同機架內(nèi)模塊。因此，在設(shè)計上采用全光互聯(lián)解決大規(guī)模機架內(nèi)外高速互連，通過高速光電轉(zhuǎn)換設(shè)計有效解決信號衰減、阻抗匹配、傳輸干擾等問題，傳輸距離由背板傳輸?shù)拿准壯娱L至數(shù)百米，使得分布式機架以及各個節(jié)點實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)位置與實際裝機位置無關(guān)的特性，為該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)部署在大型飛機、無人機等不同場景奠定了基礎(chǔ)。

4 性能評估

針對本文設(shè)計的分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進行性能測試，主要選取分布式機架內(nèi)、兩個機架間的節(jié)點分別進行誤碼、帶寬、延時測試。

4.1 誤碼測試

眼圖是一系列數(shù)字信號在示波器上累積而顯示的圖形，包含了豐富的信息，從眼圖上可以看出碼間串擾、噪聲等影響，體現(xiàn)了數(shù)字信號的整體特性，是評估高速互聯(lián)系統(tǒng)的傳輸誤碼、傳輸優(yōu)劣程度等信號完整性分析的重要手段。圖7給出了機架內(nèi)/間節(jié)點眼圖測試情況。機架內(nèi)節(jié)點經(jīng)過電光-光電轉(zhuǎn)換后，在接收節(jié)點的電接口處測量，光纖長度小于1 m。機架內(nèi)節(jié)點經(jīng)過電光-光電轉(zhuǎn)換后，在接收節(jié)點的電接口處測量，光纖長度25 m。測試模式采用DMA(NWRITE)模式。

圖7 機架內(nèi)/間節(jié)點眼圖測試

通過眼圖可以發(fā)現(xiàn)，兩次測量的眼圖中“眼睛”均能睜開，中心寬度較好，差分電壓擺幅超過600 mV，沒有信號落在眼圖中心的情況。

采用偽隨機序列對傳輸網(wǎng)絡(luò)進行的誤碼率測試，每次發(fā)送5×1013b數(shù)據(jù)，連續(xù)10次重復(fù)測試，未出現(xiàn)誤碼，誤碼率滿足RapidIO 2.x標準要求的小于10-12的要求。

4.2 帶寬與延時測試

選擇5 Gb/s 4×，根據(jù)RapidIO協(xié)議計算其理論最大傳輸帶寬如下：

5 Gb/s×4=20 Gb/s，

20 Gb/s×80%=16 Gb/s(80%為串行8B/10B編碼效率)，

16 Gb/s÷8=2 GB/s，

2 GB×90%=1.8 GB/s(典型RapidIO包開銷為28 B，最大有效載荷為256 B，256÷(256+28)≈90%)。

實際測試帶寬在機架內(nèi)外差別不大，圖8為分布式機架間采用DSP節(jié)點互相傳輸，主頻為1 GHz，模式為5 Gb/s 4×，分別采取不同包大小(64 B～4 kB)進行傳輸測試的結(jié)果。從圖8可以看出，在包大小為4 kB時，傳輸帶寬達到最大為1 575.08 MB/s，為理論帶寬的85.45%。

圖8 節(jié)點傳輸帶寬測試

在機架內(nèi)核機架外分別采用DSP和FPGA節(jié)點進行延遲測試，結(jié)果如表1所示。

表1 延遲測試結(jié)果

從測試結(jié)果來看，RapidIO網(wǎng)絡(luò)在分布式傳感器系統(tǒng)中能夠繼續(xù)保證可靠性高、大帶寬、低延遲等優(yōu)點，滿足當前機載傳感器的傳輸要求。

5 結(jié)束語

分布式體系架構(gòu)是機載傳感器發(fā)展的一個熱點，未來的機載傳感器系統(tǒng)會越來越多采用分布式架構(gòu)，分布式傳輸網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)也將成為研究的一項重點。本文針對某型飛機分布式機載傳感器樣件對分布式、大規(guī)模RapidIO網(wǎng)絡(luò)傳輸需求，開發(fā)了基于雙機架、多個模擬單元的分布式RapidIO網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，在實驗室完成了基于CNI功能、SAR圖像處理功能、大規(guī)模圖像模擬傳輸功能的實驗室功能性能測試和環(huán)境試驗摸底。目前，實物樣機已經(jīng)完成驗收，并交付用戶單位。

RapidIO網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在分布式樣件上的研制，初步證明了 RapidIO 技術(shù)在分布式機載傳感器工程化應(yīng)用上的可行性，為更進一步地研究機載分布式架構(gòu)體系提供了思路，為后續(xù)大型飛機、無人機等各型工程使用分布式RapidIO 技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。