一種適合于使命計算的航空電子總線(xiàn)應用研究

使命計算是面向任務(wù)的，用以完成高性能計算技術(shù)和超越高性能計算技術(shù)范圍的各項使命應用。在航電系統發(fā)展早期和中期，導航、雷達等子系統相對獨立，任務(wù)的處理多依賴(lài)于飛行員的判斷和各航電子系統的獨立計算，使命計算的作用并不突出。

隨著(zhù)航電系統的不斷發(fā)展，綜合化程度的不斷增強，使命計算的地位越來(lái)越重要，與此同時(shí)使命計算面臨越來(lái)越大的挑戰，包括調度策略問(wèn)題，滿(mǎn)足QoS需求和支持新一代飛機實(shí)時(shí)應用需求的面向對象中間件設計問(wèn)題，以及處理各種確定性、非確定性、運行時(shí)問(wèn)題等。

2 使命計算對航電總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的挑戰 　　

隨著(zhù)航電系統綜合化不斷提高，不確定性的增加，環(huán)境越來(lái)越復雜，航空電子使命計算越加重要，而與此同時(shí)也就出現了越來(lái)越多的挑戰，包括調度策略、擴展I／O、緊耦合多處理能力、尺寸和重量的限制、不確定性和緊迫性下的處理能力、支持可替換性和高度可重用性等。擴展I／O需求、緊耦合多處理能力、尺寸和重量的限制、高可用性要求、支持可替換性和高度可重用性與航電總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )密切相關(guān)。

2.1 擴展I／O需求 　　

使命計算機需要互連大量的系統，包括數據傳感器、導航子系統、雷達、導彈報警傳感器、網(wǎng)絡(luò )數據鏈路、視頻顯示、大量存儲接口等。事實(shí)上，對于一個(gè)復雜的平臺而言，使命計算機需要互連20～30個(gè)不同的子系統。這些數據接口通常要求使用不同的航電總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。航電總線(xiàn)系統不斷發(fā)展要求I／O信號的數量急劇增加，這些I／O信號要求具有1 Gb／s或者更大的傳輸速率。

2.2 緊耦合多處理能力 　　

現代航空電子使命計算要求最密集軟件、嵌入式、關(guān)鍵性、不確定性、緊迫性下實(shí)時(shí)應用特性共同存在?？刹僮黠w機程序的復雜性，就相當于工業(yè)領(lǐng)域那樣，被具有多數據源多處理任務(wù)的多功能系統操作。增加使命計算復雜性涉及到很多待處理類(lèi)型：周期性任務(wù)；異步任務(wù)和要求苛刻的任務(wù)；集中式的可計算任務(wù)；可結合任務(wù)和優(yōu)先狀態(tài)機邏輯任務(wù)。處理上述各種任務(wù)需要多處理器操作。此外，為了便于維護和升級，可操作飛機程序也必須模塊化處理。圖1闡明在進(jìn)行使命計算機軟件設計時(shí)一個(gè)典型的軟件層次劃分。

2.3 尺寸和重量的限制 　　

無(wú)論是超音速戰斗機還是攻擊型殲擊機或是其他戰機，使命計算機都有自己的位置和范圍。隨著(zhù)航空電子高度綜合化，對各種負載所占空間和質(zhì)量都有了更嚴格的限制，這就要求系統集成者研究一種體性結構使得終端系統具有最小的尺寸和質(zhì)量。

2.4 支持可替換性和高度可重用性 　　

在現今的航電系統部署結構中，一個(gè)復雜的武器系統超過(guò)生命周期而繼續維護的代價(jià)是可以接受的。維護代價(jià)大部分在于修理代價(jià)，并非真正的修理武器系統本身，而是應用于后勤的修理代價(jià)。通過(guò)移除和替代系統組件，例如一些可插拔的處理部件和I／O板級，這減少了傳統的移除系統級“黑匣子”的操作。通過(guò)設計線(xiàn)形可替代環(huán)系統和處理故障在部件級而非盒子級可以顯著(zhù)減少成本、體積、質(zhì)量、費用?，F在的航空電子應用通?；谔囟ǖ漠a(chǎn)品族，如果大的、公共的部分可以被共用、開(kāi)發(fā)和測試成本就會(huì )顯著(zhù)縮減。此外，組件的測試和驗證也可以被共享，這也會(huì )減少開(kāi)發(fā)的時(shí)間和提高效率。

3 常用航電總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )系統 　　

3.1 MIL-STD-1553B數據總線(xiàn) 　　

MIL-STD-1553B數據總線(xiàn)標準于1978年形成并一直沿用到今天。它是一種按時(shí)分式指令／響應模式工作的串行多路數據傳輸總線(xiàn)?？偩€(xiàn)結構如圖2所示。1553B總線(xiàn)可以?huà)旖?2個(gè)終端，除了總線(xiàn)控制器外任何一個(gè)終端出故障都不會(huì )造成整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的故障，總線(xiàn)控制器可以通過(guò)備份提高可靠性。1 553 B總線(xiàn)在減少航空電子設備的空間、質(zhì)量、復雜性、軍用航空電子綜合費用并且可以解決電子系統設計師在綜合來(lái)自不同廠(chǎng)家各種現場(chǎng)可更換單元時(shí)所面臨的難題的優(yōu)勢，成為現代機載計算機局域網(wǎng)的支柱。但其工作模式限定了它只能是集中式控制分布式處理，消息只能以1 Mb／s的速率傳輸，消息傳輸的平均吞吐量為200～300 kb／s，且能掛接的終端數目?jì)H32個(gè)。

1553B數據總線(xiàn)在減少航空電子設備的空間、質(zhì)量、復雜性、費用方面具有較好的能力，在可替換性和可重用性方面具有較好的能力。1553B總線(xiàn)不能保證關(guān)鍵數據的固定傳輸帶寬和實(shí)時(shí)性以及非關(guān)鍵數據對帶寬的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)搶占，不能很好地處理關(guān)鍵性任務(wù)；消息只能以1 Mb／s的速率傳輸，對于關(guān)鍵性、不確定性和緊迫性下的處理能力大打折扣；僅能掛接32個(gè)終端數目，不能滿(mǎn)足擴展I／O需求。

3.2 MIL-SFD-1773數據總線(xiàn) 　　

20世紀80年代中期，美國在1553B總線(xiàn)技術(shù)的基礎上發(fā)展MIL-STD-1773光纖總線(xiàn)，它與1553B總線(xiàn)主要區別在于采用光纖作為傳輸介質(zhì)。MIL-STD-1773總線(xiàn)物理層之上的協(xié)議機制與民用傳輸協(xié)議類(lèi)似。為滿(mǎn)足特殊的使用環(huán)境采用流量分類(lèi)技術(shù)，同時(shí)復合時(shí)分和空分機制，從而保證關(guān)鍵數據的固定傳輸帶寬和實(shí)時(shí)性，同時(shí)實(shí)現非關(guān)鍵數據對帶寬的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)搶占。其關(guān)鍵性缺陷在于，協(xié)議中沒(méi)有對冗余保護機制做明確說(shuō)明，冗余保護依賴(lài)于上層應用，物理層和MAC層只提供簡(jiǎn)單的錯誤檢測、糾錯和告警處理。

1773數據總線(xiàn)在減少航空電子設備的空間、質(zhì)量、復雜性、費用方面具有好的能力，在可替換性和可重用性方面具有較好的能力。由于采用了光纖作為傳輸介質(zhì)并且數據傳輸速率達到20 Mb／s，1773數據總線(xiàn)在關(guān)鍵性、不確定性和緊迫性下的處理能力都有所增強。但是1773數據總線(xiàn)不能進(jìn)行分布式處理，不能滿(mǎn)足擴展I／O需求。

3.3 高速數據總線(xiàn)HSDB 　　

20世紀80年代來(lái)航空電子設備也發(fā)生了深刻變化，為了適應航空電子航空電子系統的高度復雜性和對控制上健壯性的需求，美國提出“寶石柱”計劃，該計劃的一個(gè)重要特點(diǎn)是采用高速數據總線(xiàn)HSDB，以光纖技術(shù)構成雙冗余度的通信信道，提高數據通信容量，滿(mǎn)足處理部件之間以及系統間的數據交換需要。這一時(shí)期的總線(xiàn)技術(shù)由1 Mb／s的1553B上升到50 Mb／s的線(xiàn)性令牌傳遞總線(xiàn)(LTPB)，使航電系統在信息一級實(shí)現了更高層次的綜合。但是綜合仍限于數據處理，對于信號，尤其是射頻信號仍沒(méi)有達到全面綜合的目的。

高速數據總線(xiàn)HSDB在減少航空電子設備的空間、質(zhì)量、復雜性、費用以及可替換性和可重用性方面具有很好地能力。HSDB以光纖技術(shù)構成雙冗余度的通信信道，滿(mǎn)足處理部件之間以及系統間的數據交換需要。HSDB的傳輸速率能達到50 Mb／s，能夠很好地支持實(shí)時(shí)應用，這使得HSDB在關(guān)鍵性、不確定性和緊迫性下的處理能力相比較1773數據總線(xiàn)都有所增強。HSDB可以?huà)旖?28個(gè)終端設備，在擴展I／O方面比1553B和1773數據總線(xiàn)有所改善。

4 彈性分組環(huán)網(wǎng)和簡(jiǎn)化的彈性分組環(huán)網(wǎng) 　　

前面已經(jīng)分析過(guò)使命計算在現有.網(wǎng)絡(luò )應用中的優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)。下面對彈性分組環(huán)(RPR)做研究分析并提出一和簡(jiǎn)化的彈性分組環(huán)網(wǎng)來(lái)改善上述各種總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的不足。

4.1 彈性分組環(huán)網(wǎng) 　　

彈性分組環(huán)網(wǎng)是IEEE 802協(xié)議中最新的一種電信運營(yíng)級以太網(wǎng)傳輸協(xié)議。彈性分組環(huán)網(wǎng)的節點(diǎn)結構如圖3所示。RPR技術(shù)是一種在環(huán)形結構上優(yōu)化數據業(yè)務(wù)傳送的新型MAC層協(xié)議，能夠適應多種物理層(如SDH、以太網(wǎng)、DWDM等)，可有效地傳送數據、話(huà)音、圖像等多種業(yè)務(wù)類(lèi)型。

RPR融合以太網(wǎng)技術(shù)的經(jīng)濟性、靈活性、可擴展性等特點(diǎn)，同時(shí)吸收了SDH環(huán)網(wǎng)的50 ms快速保護的優(yōu)點(diǎn)。它采用雙環(huán)(內環(huán)和外環(huán))結構，保證了高可用性；對環(huán)路帶寬采用空間重用機制，單播數據傳送可在環(huán)的不同部分同時(shí)進(jìn)行，提高了環(huán)路帶寬的利用率；并具有網(wǎng)絡(luò )拓撲自動(dòng)發(fā)現、環(huán)路帶寬共享、公平分配、嚴格的業(yè)務(wù)分類(lèi)(COS)等技術(shù)優(yōu)勢。其技術(shù)特點(diǎn)包括：支持的傳輸帶寬可達10 Gb／s、空間重用帶寬、本地重用帶寬、支持優(yōu)先級業(yè)務(wù)、可由大量的節點(diǎn)或站點(diǎn)組成環(huán)網(wǎng)、即插即用、全網(wǎng)節點(diǎn)間的公平性、QoS支持、支持基于環(huán)網(wǎng)的冗余保護、獨立于物理層媒質(zhì)和所有節點(diǎn)處于同步工作狀態(tài)(時(shí)鐘誤差在ns級，可實(shí)現系統的時(shí)統)。

4.2 簡(jiǎn)化的彈性分組環(huán)網(wǎng) 　　

根據RPR的優(yōu)勢及技術(shù)特點(diǎn)可知RPR可以較好地解決現有.網(wǎng)絡(luò )在關(guān)鍵性、不確定性和緊迫性下以及掛接終端數目的問(wèn)題。但是RPR在航電設備應用環(huán)境下存在以下問(wèn)題：協(xié)議過(guò)于復雜、實(shí)現成本較高；只能支持環(huán)形組網(wǎng)、靈活性受限；對高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的操作描述不夠詳細。

通過(guò)分析現有傳輸總線(xiàn)協(xié)議和RPR，提出了簡(jiǎn)化的彈性分組環(huán)網(wǎng)，使之適合于新一代航空電子總線(xiàn)系統的特點(diǎn)，同時(shí)滿(mǎn)足使命計算所面臨的各種挑戰要求。簡(jiǎn)化的彈性分組環(huán)網(wǎng)主要的改造部分包括主要的改造部分包括：削減支持的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)數；削減對擴展協(xié)議的處理；在流量分類(lèi)上降低原有的靈活性，固定為幾種常用系統中可能存在的類(lèi)型，只保留很少的用戶(hù)可配置類(lèi)型；對最高優(yōu)先級的業(yè)務(wù)處理方式做更詳細的規定；對業(yè)務(wù)的劃分借鑒MIL-STD-1773和ARINC629的方式進(jìn)行；對最高優(yōu)先級業(yè)務(wù)，采用USB模式處理(響應方式)。簡(jiǎn)化的彈性分組環(huán)網(wǎng)協(xié)議可由1塊芯片實(shí)現協(xié)議。簡(jiǎn)化的彈性分組環(huán)網(wǎng)體系結構圖如圖4所示：

簡(jiǎn)化的彈性分組環(huán)網(wǎng)提供即插即用，不需要用人工指配來(lái)設置環(huán)網(wǎng)上的新節點(diǎn)，支持多種拓撲結構，傳輸速率能夠達到155 Mb／s，時(shí)分和搶占相結合機制，流量控制機制，自動(dòng)防止光纖或節點(diǎn)故障，保護倒換機制，在使命計算調度策略、關(guān)鍵性、不確定性和緊迫性下都具有很強的處理能力。每個(gè)環(huán)網(wǎng)可以多達64個(gè)節點(diǎn)，利用拓撲發(fā)現、帶寬管理、保護算法等功能能夠在已有的網(wǎng)絡(luò )中增加新節點(diǎn)，或從網(wǎng)絡(luò )中移除節點(diǎn)，簡(jiǎn)化的彈性分組環(huán)網(wǎng)具有強的I／O擴展能力。

簡(jiǎn)化的彈性分組環(huán)網(wǎng)具有以下優(yōu)點(diǎn)及特性： 　　

(1)支持多種拓撲結構：包括環(huán)型拓撲、線(xiàn)型拓撲、雙環(huán)型拓撲、網(wǎng)狀拓撲、集線(xiàn)器拓撲、關(guān)鍵路徑冗余拓撲等。

(2)動(dòng)態(tài)拓撲發(fā)現：當前.的拓撲信息是通過(guò)網(wǎng)管軟件配置實(shí)現。動(dòng)態(tài)拓撲發(fā)現功能雖然會(huì )增加協(xié)議芯片本身的復雜度，但大幅降低了網(wǎng)管軟件和人為控制的復雜度，總體而言大大降低了系統的復雜度，同時(shí)使系統的自動(dòng)化水平更高。動(dòng)態(tài)拓撲發(fā)現還能帶來(lái)以下優(yōu)勢：可最大限度的提高網(wǎng)絡(luò )的可用帶寬；可防止網(wǎng)絡(luò )斷路或節點(diǎn)失效的情況下引起的重發(fā)風(fēng)暴；可方便地實(shí)現網(wǎng)絡(luò )的冗余保護機制。

(3)能適應多系統整合：可以滿(mǎn)足不同系統的測試接人；可支持多個(gè)節點(diǎn)接入；網(wǎng)絡(luò )帶寬高、易于系統擴容；網(wǎng)絡(luò )管理方便、易于用戶(hù)二次開(kāi)發(fā)。

(4)高可靠性：可方便實(shí)現關(guān)鍵部件的冗余保護；傳輸線(xiàn)路可實(shí)現實(shí)時(shí)冗余倒換；網(wǎng)絡(luò )物理層和協(xié)議層采用增強的前向糾錯碼保護；關(guān)鍵數據采用接收端終結方式，并采用接收響應機制。

(5)時(shí)分和搶占相結合機制：整個(gè)網(wǎng)絡(luò )帶寬按2 M單元進(jìn)行時(shí)隙劃分。單元內容可以自行定義(可定義為PCM，1553，429幀格式)，未定義的帶寬部分默認為可搶占的一般性帶寬。這樣即保證了高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)性，又可使各節點(diǎn)的非高優(yōu)先級業(yè)務(wù)對帶寬的實(shí)時(shí)公平搶占，有效增加帶寬的使用率。

(6)流量控制機制：系統中存在各種不同的非高優(yōu)先級業(yè)務(wù)，它們的重要性和實(shí)時(shí)性均不相同，因此需要對不同類(lèi)型的業(yè)務(wù)分優(yōu)先級處理，避免造成低優(yōu)先級數據搶占高優(yōu)先級數據帶寬的情況出現。同時(shí)流控機制的加入，可將網(wǎng)絡(luò )使用情況間接的通知應用層，使應用層暫?；蚍怕颦h(huán)路發(fā)送數據。

(7)帶寬管理公平性算法：對非高優(yōu)先級業(yè)務(wù)，為避免突發(fā)業(yè)務(wù)造成的網(wǎng)絡(luò )擁賽，需權衡各節點(diǎn)業(yè)務(wù)的帶寬使用情況，保證網(wǎng)絡(luò )各節點(diǎn)在帶寬使用上的加權公平性。公平算法的一些規則包括：對穿的高優(yōu)先級包先發(fā)送；如果對穿的低優(yōu)先級包緩存沒(méi)有超過(guò)一個(gè)低優(yōu)先級閾值，且本地的帶寬使用率低于允許的帶寬使用率，來(lái)自本地的低優(yōu)先級包可以發(fā)送；如果沒(méi)有別的符合上述要求的包要發(fā)，則可以發(fā)送對穿的低優(yōu)先級包。簡(jiǎn)化的彈性分組環(huán)網(wǎng)帶寬管理機制如圖5所示。

(8)同步機制：采用節點(diǎn)時(shí)鐘調整機制，可將各節點(diǎn)的時(shí)鐘調整到同一時(shí)鐘頻率和相位之上，誤差為ns級?？赏ㄟ^(guò)專(zhuān)用的授時(shí)節點(diǎn)的時(shí)鐘作為參考時(shí)鐘。

(9)保護倒換機制：在節點(diǎn)或者線(xiàn)路失效時(shí)，能在50 ms內恢復線(xiàn)路通訊。采用2級倒換方式，一級倒換對失效做出快速反應，二級倒換優(yōu)化倒換后的傳輸路徑。簡(jiǎn)化的彈性分組環(huán)網(wǎng)保護倒換機制如圖6所示。

(10)開(kāi)放性：在工程和系統設計中應用標準接口和符合這些標準的設備?？梢栽诰S護系統性能甚至提高系統性能的情況下降低開(kāi)發(fā)成本、縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。具有故障檢測、隔離和修復功能，因此減少和縮短了停機時(shí)間，保證了飛機具有較高的出勤率，從而提高系統的可用性。依據穩定的接口標準使開(kāi)放式系統更適合先進(jìn)技術(shù)和市場(chǎng)變化。

(11)實(shí)現協(xié)議的代價(jià)較?。撼杀镜?、體積(面積)小、重量輕。

簡(jiǎn)化的彈性分組環(huán)網(wǎng)總線(xiàn)協(xié)議基于對通訊用802.17協(xié)議的簡(jiǎn)化，結合傳統.的一些特點(diǎn)，實(shí)現一種滿(mǎn)足航空分布式設備的局部總線(xiàn)協(xié)議。它具有實(shí)現簡(jiǎn)單、支持的傳輸帶寬高、與物理層獨立、能適應多系統整合、高可靠性、高可用性、同步機制、實(shí)時(shí)性、開(kāi)放性等特點(diǎn)。

簡(jiǎn)化的彈性分組環(huán)網(wǎng)在減少航空電子設備的空間、質(zhì)量、復雜性、費用以及可替換性和可重用性方面具有很好的能力。簡(jiǎn)化的彈性分組環(huán)網(wǎng)提供即插即用，不需要用人工指配來(lái)設置環(huán)網(wǎng)上的新節點(diǎn)，支持多種拓撲結構，傳輸速率能夠達到155 Mb／s，時(shí)分和搶占相結合機制、流量控制機制、自動(dòng)防止光纖或節點(diǎn)故障，保護倒換機制，在使命計算調度策略、關(guān)鍵性、不確定性和緊迫性下都具有很強的處理能力。每個(gè)環(huán)網(wǎng)可以多達64個(gè)節點(diǎn)，利用拓撲發(fā)現、帶寬管理、保護算法等功能能夠在已有的網(wǎng)絡(luò )中增加新節點(diǎn)，或從網(wǎng)絡(luò )中移除節點(diǎn)，簡(jiǎn)化的彈性分組環(huán)網(wǎng)具有強的I／O擴展能力。

5 結 語(yǔ) 　　

航電系統經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展與演化，已經(jīng)經(jīng)歷了三代?，F今，美國航電系統已經(jīng)發(fā)展為第四代，而我國也正在進(jìn)行預研第四代航電系統。由于現代科學(xué)技術(shù)日新月異，再加上航空設備研制周期相對較長(cháng)，因此，現在還難以準確地描述新一代航電總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的需求、功能、要求等。本文旨在從使命計算對航電總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )提出的挑戰出發(fā)，提出一種新的航電總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。對新一代航電總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )還有很多問(wèn)題需要深入的研究和探討。