光纖通道在航天運輸系統的應用分析

江云秋 張 瑋 蔣彭龍

1.宇航智能控制技術國家級重點實驗室，北京100854

2.探月與航天工程中心，北京100037

在20世紀70年代初，美國軍方和政府公布了MIL－STD－1553數據總線標準［1］，MIL－STD－1553是美國國防部制定的軍用數據總線標準，全稱是“時分制命令/響應型多路傳輸機載數據總線”，目的是解決不同航空電子設備之間通信接口復雜的問題，70年代末和80年代初又提出了MIL－STD－1553B總線標準并做了多次改進［2］。MIL－STD－1553B具有線性的網絡拓撲結構、雙總線或多總線冗余結構、出色的環境適應能力、實時性等優勢。然而對于量越來越大的數據傳輸應用，MIL－STD－1553B存在一系列的局限性，包括數據傳輸速率、有限的容錯能力以及維護工作復雜等，因此發展新一代高速數據總線對于航天運輸系統是勢在必行。

光纖通道(FC)是為滿足不斷增長的高性能數據傳輸需求而出現的高速串行數據通信互連網絡技術［3］，具有高可靠、實時性強、低延遲、高吞吐率、低成本等優點，并且FC－AE(Fiber Channel Avionics Environment)標準專為航空系統設計，接近航天系統的使用環境，同時FC－AE－1553上層映射可平滑代替1553B總線，最大限度繼承現有成果。因此，以光纖通道替代傳統總線將成為航天系統總線技術的必然選擇。

1 光纖通道協議介紹

光纖通道將通道傳輸的高速性和網絡傳輸的靈活性結合在一起，可以在統一網絡上運行當前流行的通道標準和網絡協議;支持多種上層協議，采用層次化的結構，定義了3種拓撲結構:點對點、仲裁環、交換式網絡，既能方便的實現高速高效傳輸，同時又提供了極大的靈活性。

1.1 分層結構

FC標準體系采用層次化結構，由FC－0，FC－1，FC－2，FC－3，FC－4共5層組成，如圖1所示。

其中FC－0層描述物理接口，它包括傳送介質、發射機和接收機及其接口，規定了收發器和各種物理媒介的光電參數;FC－1是編碼和同步層，它采用直流平衡8b/10b碼;FC－2是信號傳輸協議層，它規定了數據傳輸的規則，提供了數據塊從一個端口傳輸到下一個端口的傳輸機制;FC－3層為一些高級特性提供所需要的通用服務，是光纖通道節點的多個N端口所公用的;FC－4層是FC協議的最高層，它規定了光纖通道結構到上層ULP協議的映射方法，以使現有的協議不經過修改就可以使用光纖通道協議。

1.2 FC系統的拓撲結構

光纖通道有3種拓撲結構如圖2所示，即點對點、仲裁環和交換式結構。其中點對點是最簡單的拓撲結構，允許2個節點之間直接通訊，如圖2(a)所示。仲裁環是一種環路拓撲結構，如圖2(b)所示。可以提供127個設備之間的高速連接，數據在環路的一個方向上傳送，仲裁環在同一時刻只有一對環端口進行通信，環中的設備只有檢測到環處于空閑狀態，才能通過仲裁環獲得仲裁環的使用權。仲裁環結構提供了一種不需要附加設備就可以進行多節點互聯的解決方案。交換結構是由包含一個或多個“交換單元”或“交換機”的網絡組成，圖2(c)是一個多N_Port通過一個Fabric連接的結構，2個以上的N端口可以通過“交換結構”相互連接起來，交換結構使多節點之間互聯具有更大的靈活性。

1.3 鏈路服務

光纖通道協議標準規定了一系列的鏈路服務供不同層次的協議使用［4］，鏈路服務用于管理節點之間的通信和節點與交換機之間的交互。標準主要定義了3種鏈路服務:基本鏈路服務、擴展鏈路服務和FC－4鏈路服務。不同的鏈路服務實現不同的功能，從低級別的信息查詢到高級別的信息交換。

基本鏈路服務是指在一個新發起或已經存在的序列中發送的單幀命令，通過單幀命令和響應實現，當前標準中規定了6個基本鏈路服務，包括中止序列、接受命令、拒絕命令、無操作、移除連接和專用連接被搶占。一個N端口可以通過使用擴展鏈路服務來請求另一個N端口執行某一個操作，接收到拓展鏈路服務請求的端口必須回送一個響應，光纖通道標準定義了數十個擴展鏈路服務，例如交換注冊、端口注冊、注銷、時鐘同步服務請求、時鐘同步更新等。FC－4層提供了在光纖通道上使用現有的協議而不需要修改協議的方法，FC節點只需提供高層協議要求的極低層的傳輸服務，這種集中功能要求FC－4提供附加的服務，如數據的緩沖器、同步和優化次序等。

2 光纖通道在航天運輸系統的應用分析

MIL－STD－1553總線曾在相當長一段時間內作為航空電子系統的數據總線標準，但是隨著對數據密集型任務的要求越來越多，MIL－STD－1553總線1Mbps的數據傳輸速度遠不能滿足當前和未來武器系統對通信帶寬的要求。由于光纖通道具有特殊的性能，使其能夠取代MIL－STD－1553總線成為新一代高性能航天系統數據總線的最佳選擇。

2.1 FC－AE標準

光纖通道運用于控制網絡，完善的高層協議還需要功能實現人員做定義，針對航空電子領域，產生了FC－AE標準，該標準通過一組實時的結構以擴展光纖通道，從而提供確定性延遲、帶寬、以及滿足系統的需求，其重點是要定義實時的仲裁環路擴展，實時請求的優先權搶占機制和一個實時同步環路，目的是通過使用定長包和環路存取來提供有界延遲和確定響應。

FC－AE標準包括FC－AE－ASM，FC－AE－1553和FC－AE－RDMA三個規范。FC－AEASM定義了ASM協議，FC到ASM協議的映射，以及協議需要的FC系統屬性。該協議可以在“mission critical”的航空航天中應用，為處理器、傳感器、儀器和現實提供確定、安全和低延時通信。FC－AE－1553定義了MIL－STD－1553總線協議和FC高層協議之間的映射關系，通過FC－AE－1553，FC上就可以執行類似于1553總線上的實時可確定性行為。結合FC－AE協議，光纖通道可以提供一個高帶寬、低延遲及確定性行為的數據通道。該協議的制定主要就是為了航空航天設備從MIL－STD－1553到FC－AE－1553的平滑過渡。FC－AERDMA是光纖通訊協議中的上層協議(ULP)，它基于光纖協議小型計算機系統接口。FC－AE－RDMA的主要特點是它允許發起者通過對等模式從遠端目標存儲器中讀數據或者向它寫數據。

2.2 MIL－STD－1553B到FC－AE－1553的映射

FC－AE－1553是FC－4映射層［5］，其目的是提供一個確定的命令/響應協議，用于實時的緊急戰爭和緊急任務，這個映射層協議使得MIL－STD－1553B的設計、硬件及軟件性能得到提升，通過映射使用熟悉的MIL－STD－1553B，做到網絡的平滑升級。MIL－STD－1553B中的總線控制器和遠程終端在FC－AE－1553中分別用網絡控制器和網絡終端相對應，此外 MIL－STD－1553B的消息塊與FC－AE－1553信息單元相對應［6］。

根據FC－AE－1553B協議規定，對于FC－AE－1553網內數據傳輸的情況，以及MIL－STD－1553B總線上數據傳輸的情況，不會涉及協議橋過渡傳遞，因此就不存在格式映射的情況。而對于跨越橋的 FC－AE－1553網絡中的節點和 MILSTD－1553B總線上的節點之間進行通信的情況，就需要信息單元和消息塊之間的映射。表1和表2為可能進行映射的消息塊和信息單元的情況。

表1 從MIL－STD－1553B消息塊到FC－AE－1553信息單元映射類型

表2 從FC－AE－1553信息單元到MIL－STD－1553B消息塊映射類型

FC－AE－1553協議基于MIL－STD－1553B Notise2，并在帶寬、地址空間和數據傳輸長度上進行擴展，以便于支持在航天系統的元件間低延遲、低開銷通訊。這些擴展包括:一個充分大的終端設備數(224)，增加的字計數(232 bytes)，一個更大的子地址空間(232)。FC－AE－1553的一些關鍵特性是它的命令/響應協議，可選擇為確認或未確認的消息接發、RDMA傳輸、文件傳輸和可橋接到傳統MILSTD－1553B終端設備的能力。表3為MIL－STD－1553B與FC－AE－1553性能比較。

表3 MIL－STD－1553B與FC－AE－1553的性能比較

2.3 應用分析

隨著未來航天技術的發展，對總線提出了更高的要求:

1)實時性:對于系統關鍵數據的傳輸，要求有更為嚴格的實時性;

2)容錯性:包括軟、硬件可靠性、可維護性、可測試性、容錯能力、錯誤可恢復能力;

3)高帶寬:由于大量的數據、視頻、音頻在不同的模塊之間交換，因此，需要高信息吞吐量以完成大量數據的交互，應滿足1Gbps以上的數據吞吐量;

4)并行處理:支持大規模并行處理器體系結構的實施，來滿足高性能航電應用的需要，如傳感器跟蹤融合、自動目標識別、傳感器信號處理、武器的制導等;

5)可擴展性:具有很強的靈活性，可方便地增加和減少接點，以滿足不同航電系統不斷升級的需求。

隨著航天電子系統綜合化以及對光纖總線技術研究的不斷深入，新一代總線系統向著分布式、高速化、光纖化方向發展，采用光纖通道總線系統取代現有的總線，具有以下優點:

1)傳輸速率提高2～3個數量級;

2)誤碼率降低、延時降低;

3)采用光纖代替原有的電纜傳輸，有效防御電磁干擾和閃電、雷電引起的電磁沖擊，對核電磁脈沖不敏感;

4)由于光纖是介質材料，不向外輻射能量，不存在金屬導線所固有的地環形;

5)由于光纖的絕緣性能，改善了控制系統的抗電氣危害能力，且沒有公共接地問題;

6)光纖在彈載環境下(高溫、高壓、振動)抗腐蝕性和熱防護品質優良;

7)光纖體積小、質量輕且無須屏蔽，從而減小了系統的體積和重量;

8)光纖故障隔離性好，一個通道發生故障不會影響其他通道。

FC總線為串行總線，能夠避免并行連接在高速通信中遇到的時鐘偏移問題，因此接口更簡單、傳輸速率更高(基本速率1Gb/s，2Gb/s和4Gb/s的產品已經問世，更高速率的標準正在制定)、傳輸距離更遠(使用單模光纖和長波長激光器可以支持幾十千米的傳輸)，且FC總線除了支持光纖連接還可以在短距離使用電纜連接。FC－AE委員會專門負責光纖通道在航空電子環境中的應用研究，實現現有1553總線向光纖通道的平滑過渡。標準得到了眾多民用、軍用公司的參與，目前已經在美軍的AWACS，B－1B，F/A－18，V－22，AH－64，RAH－66等航空電子設備更新及改型設計中大量采用。在商業運作上非常成功，參與FC－AE標準開發的公司包括波音公司，洛克希德－馬丁公司，TRW，Raytheon，GDIS，Northrop，Rockwell－Collins，United Defense，DDC，DY4，Systran等公司。由于FC－AE與1553B的兼容性較好，而目前國內航天系統大量使用1553B標準，因此可以預見FC－AE技術在國內尤其是航天運輸系統必將有很好的發展趨勢。

3 結束語

光纖通道為串行連接，能夠避免并行連接在高速通信中遇到的時鐘偏移問題，具有接口簡單、傳輸速率高、傳輸距離遠等優勢，且FC總線除了支持光纖連接還可以在短距離使用電纜連接。光纖通道已受到眾多民用和軍用機構以及企業的關注，并且得到軍用規范、標準研制單位和ANSI FC－AE委員會的支持，光纖通道應用于航天運輸系統雖然仍是較新的課題，但從目前的研究成果來看，其具備了在航天運輸領域使用的潛力，能夠滿足航天運輸系統的要求。

［1］ MIL-STD-1553B:Military Standard Digital Time Division Command/Response Multiplex Data Bus Notice 2［S］.Department of Defence，1978.

［2］ Virtual MIL-STD-1553.25thDigital Avionics Systems Conference［S］.Nicholas Downing，2006，10.

［3］ Fibre Channel-Framing and Signaling(FC-FS)［S］.Rev 1.90.ANSI INCITS，April，2003.

［4］ Fibre Channel Link Service(FC-LS)［S］.REV 1.6.ANSI INCITS，October，2006.

［5］ Fibre Channel Avionics Environment-Upper Layer Protocol MIL-STD-1553B Notice2［S］.Rev 0.95.ANSI INCITS，Dec5，2006.

［6］ Fibre Channel-FC-AE-1553(FC-AE-1553)［S］.Rev 0.3.ANSI INCITS，July 1，2004.