實時以太網技術在航空電子系統中的應用

李陽

【摘要】隨著航空研究領域的不斷深入和科學技術的不斷發展，原有的航空電子系統中的以太網技術已經不能滿足航空系統的要求，其中表現最顯著的方面是實時性的特點沒有得到良好的應用，實時以太網技術在航空電子系統中運用將會是今后的一大趨勢。本文首先對以太網技術進行了概述，接著研究了傳統的以太網通信網絡的發展現狀及其在航空電子系統中的不適應性，然后在此基礎上，進一步分析比較了以太網的實施技術，最后提出了一些改進實時以太網技術的方案和措施，以此來提高以太網的確定性，為日后的應用模式提供借鑒。

【關鍵詞】實時性;以太網技術;通信調度;改進技術

引言

進入到二十一世紀以來，我國經濟的迅速發展大力推動了科技的研究進程，電子技術日益出新。隨著科學技術的發展，通信技術設備也不斷更新，通信技術也在不斷地完備，同時，它以飛快的步伐進駐到人們的生產生活中。眾周所知，航空技術的發展離不開通信系統的支持，因此，通信系統的完善為航空電子的發展奠定了良好的基礎。以太網作為通信網絡之一，由于網絡本身速度快、覆蓋范圍大、開辦成本低等優勢，其應用的領域也在不斷拓展。現代航空電子領域正在使用的航空數據總線例如1553B存在很多的問題，然而，以太網信息塊長度較長，終端數量較多，這正好彌補了數據線1553B的缺點和不足之處。綜上所述，由于以太網技術擁有很多潛在的優勢，能夠為航空電子系統提供更好的數據服務和技術幫助，能夠更切帖地符合航空系統的發展要求，因此，本文對以太網技術進行研究分析，以此增強其實時性，在航空領域發揮出更大的價值和功能，掃除某些通信障礙，更好地滿足航空電子系統的時代要求。

一、以太網技術的概述

以太網是指由Xerox（施樂）公司創建并由Xerox、Inter和DEC公司聯合開發的基帶局域網規范，是當今現有的局域網采用的最通用的通信協議標準，由此我們知道，以太網是局域網中的一種，并且它還是一種通信網絡[1]。到目前為止，以太網的應用范圍已經在現實生活中得到了廣泛的普及和人們的認可。

以太網技術起先是施樂帕洛阿爾托研究中心的一個先進的項目，直到1977年末，梅特卡夫和其他人經過日夜不斷的研究，最終成功地申請到“具有沖突檢驗的多點數據通信系統”的專利，這標志著以太網的誕生，此后，隨著時代的發展，經過多位科學家的研究，以太網主要經歷了以下四種類型，分別是標準以太網、快速以太網、千兆以太網，最后發展成為萬兆以太網。從發展歷程來看，這四個階段的研發，使得以太網理論不斷充實，不斷發展，改善了以太網的內在系統，大大提高了以太網的傳播速度。另外，以太網的拓撲結構主要可以分為總線型結構和星型結構。

二、傳統的以太網技術在航空電子系統中的不適應性

根據以太網技術的發展歷程，我們可以知道以太網的主要通信調度方式為利用CSMA/CD來進行調度。這種調度方式有一個鮮明的特點，這個特點也可以說是一種限制，那就是其不確定性，這種不確定性的后果就會造成很大強度的非實時性。但現實是，隨著社會的發展和科研領域的進步，航空電子系統的實時性要求也越來越高，這就說明傳統的以太網通信調度方式必須經由科學的改良才能適應當今的航空電子領域，才能保證航空電子系統正常地工作和運行。在傳統的調度方式里，網絡的每一個節點要想有效地傳輸數據信息，必須采用競爭的方式，并且還存在一個限制，只有信道顯示為空閑的狀態時，網絡節點才能傳發要點和數據信息。除此之外，值得我們注意的還有產生碰撞沖突的問題。假設，在輸送的過程中一旦產生碰撞，我們就得停下來等待，等待過后，可以避免信息傳輸的碰撞，但是這種碰撞的避免僅能并且只能發生一次，下次遇到了相同的問題，還會再度產生碰撞。

另外一個問題就是，傳統的以太網是共享式的，這種模式已經不適應現代生活的需要了。當前，我國網絡通信人口呈逐年增長的趨勢，數據流量在日后將會大幅度地上升，因此，人們在之前的前提下又開始使用交換式以太網。交換式以太網通過自身獨有的系統設計，能夠有效防止數據信息輸入或輸出的碰撞，對于僅僅需要毫秒級響應時間的場合可以很好地滿足確定性時間的要求和條件。雖然這種交換式以太網技術給人們帶來了一定的好處，但是我們也不能忽視這種模式自身的缺點和不足。可以試想一下，當數據量急劇增大，由于交互式端口處理的數目有限，在這種情況下，數據得不到有效的及時處理，因此必須逐次排隊進行。所以，在無形中，這又增加了等待的時間。總而言之，傳統的以太網技術具有很大的拖延性，這種拖延性又增加了以太網的不確定性，即使是交換式以太網也不能避免這些問題。所以，這與實時性鮮明的航空系統的要求發送相悖，致使現代以太網通信技術難以發揮出最大的功能價值。

三、實現實時以太網的改造方法

要想改變現有的以太網的缺點，主要是改變以太網的不確定的因素，把不確定變確定，以適應航空電子系統的要求和發展。實時以太網具有較強的通信能力，而且成本不高，方便快捷，受到社會的歡迎。一般來說，經常用到的改造方法有如下三種，第一種是改變和CSMA/CD相關的MAC層的協議，第二種是把以太網和TCP/IP相結合起來，第三種是添加軟件層，保證調度的確定性。

1.修改以太網媒體訪問控制層協議。我們可以知道以太網的主要通信調度方式為利用CSMA/CD來進行調度，數據信號的傳輸都要通過競爭的方式來實現，還會發生沖突的情況，所以就會導致以太網的不確定性。因此，為了改變這種不確定性，就要從CSMA/CD來入手。CSMA/CD主要位于以太網的MAC層，也就是媒體訪問控制層，所以，我們必須通過改變媒體訪問控制層協議來進行處理。其中，治理的過程分為兩個階段。當傳輸信息還沒有產生碰撞的時候，我們可以繼續采用原有的協議;產生碰撞的時候，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遍歷算法[2]。

2.實現以太網和TCP/IP的融合。我們知道網絡節點主要在以太網交換機的端口處，其中交換機可以把整片網絡合理劃成多條網段，這些網段可以端口處的網絡節點配以一定的寬帶，通過寬帶服務可以有效地避免強烈的競爭，防止競爭的同時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一樣，雖然能有效地減少碰撞的發生，但是在遇到數據量很大的情況時，數據得不到有效的及時處理，因此必須逐次排隊進行，所以，這兩種方法都會延長時間，有幫助的同時也有自身的不足。

3.添加軟件層，提高調度的確定性。由于以太網通信調度存在問題，所以要改變調度的方式。除了第一種通過改變和CSMA/CD相關的MAC層的協議的方法外，我們還可以添加可用的軟件層，通過軟件層來提高調度的確定性，軟件層主要添加在MAC層的上面。網段內的實時報文和非實時報文不會同時進行，在特定的時間里將會有不同類型的報文輸送，堆棧中的實時報文通過數據鏈路層傳遞后，不經過網絡層和傳輸層而直接傳遞給應用層，同時，非實時報文仍然通過TCP/IP協議來進行傳遞[3]。

參考文獻

[1]謝希仁.計算機網絡（第4版）[M].北京：電子工業出版社，2003.

[2]劉明哲，徐鎧冬，畢宇航.確定性實時以太網通信協議研究[J].儀器儀表學報，2005（8）.

[3]劉中，李成賢.交換式以太網在航空電子系統中的應用[J].武器裝備自動化，2006（1）.