基于FC-AE-1553總線的空天電子網絡帶寬動態分配機制研究

姜國義，孫 蕾，張海全，馬 超，張治國

（1.國網內蒙古東部電力有限公司，呼和浩特010020；2.北京郵電大學信息光子學與光通信國家重點實驗室，北京100876）

0 引言

航空航天是一個重要且富有挑戰性的科學與應用領域，已成為人類社會發展不可或缺的重要構成部分，各國都將新型空天技術的研究與應用作為空天事業發展的重中之重。航空航天領域各類應用系統穩定、良好的運轉離不開各載荷之間高效、準確的配合。傳統連接載荷的總線協議MIL-STD-1553是一種雙余度的雙向總線，采用雙向的Manchester編碼方式，最多支持31個遠程終端連接，最高支持1Mbps的傳輸速率［1］。但是隨著空天電子系統綜合化程度的提高，對總線的傳輸速率提出了更高要求，MIL-STD-1553總線在傳輸速率、帶寬、允許終端數、實時性等方面難以滿足實際需求［2］。FC-AE-1553總線標準是一種支持平滑升級、可有效滿足新一代航電網絡需求的新型空天電子網絡總線協議，是一種有效的解決方案。

光纖通道（Fiber Channel，FC）是美國國家標準委員會（ANSI）制定的一種高速串行通信協議，它基于光纖連接并借助通道技術傳輸，不僅具備較高的傳輸速率，且兼具低誤碼率的特點，尤其適用于可靠性和傳輸速率要求嚴格的網絡環境［3］。FC具有高速率、低延時、低誤碼率等特性，并且能夠適應航空航天等較為惡劣的電磁環境。此外，FC也支持多種上層協議、多種服務類型、多種傳輸介質和更加靈活的拓撲結構［4］，因此更加受到航電系統用戶的青睞。FC-AE-1553協議是在光纖通道的FC-4層實現對傳統MIL-STD-1553B總線協議的映射，并支持交換、仲裁等結構，以實現在實時的航空應用中，以命令／響應的模式進行保證確定性的通信［5-6］。MIL-STD-1553B總線協議與FC-AE-1553總線協議性能對比如表1所示，FCAE-1553相比MIL-STD-1553，提供了更高的帶寬，更多的終端數，更大的信息量，還可以兼容原有協議。

近年來，美國已經對大部分航空航天電子設備進行了升級換代，如在AH-64D長弓阿帕奇直升機中啟用FC-AE-1553總線協議，應用于數字視頻接口與飛行試驗任務處理器之間的互聯；在B1-B中，應用FC-AE-1553總線，作為航天電子計算機和數據存儲／傳輸設備間的連接通道等。美英聯合攻擊機JSF電子系統間的告訴互聯，也采用了FCAE標準作為統一的航空通信網絡［7］。根據目前國外的發展趨勢，我國也必然逐漸使用FC-AE-1553總線替代MIL-STD-1553B總線。

基于無源光網絡（PON）結構下的FC-AE-1553總線是一種新型的總線網絡，發展尚不成熟，特別是多終端、多業務、大容量條件下如何保證其資源利用率及傳輸時延等是一個待解決的難題。本文在FC-AE-1553總線協議的基礎上，設計并實現了一種網絡動態帶寬分配機制，該機制在滿足網絡中多業務QoS要求的同時，很好地解決了多終端網絡調度中存在的信道共享沖突，實現了較高的帶寬利用率和低傳輸時延。

1 PON結構下FC-AE-1553總線網絡

1.1 FC-AE-1553層次模型

光纖通道協議具有很好的通用性，是一種通用傳輸機制。FC協議的層次模型具有5層模型結構，如圖1所示。其中，FC-0、FC-1、FC-2層屬于物理層和信號層，FC-3、FC-4層屬于上層協議。FC-AE-1553協議是在光纖通道的FC-4層實現對傳統MIL-STD-1553B總線協議的映射，以實現在實時的航空應用中，以命令／響應的模式進行保證確定性的通信［6］。該協議在保留原總線協議通信方式的基礎上進行了一定的功能擴展，同時該網絡兼容原總線協議的同時又具有FC的高數據傳輸帶寬、低傳輸延時和高可靠性。

1.2 PON結構下FC-AE-1553網絡拓撲結構

PON是一種點對多點結構的高速光接入網技術，以EPON與GPON為主的PON技術目前已在電信、電力等公網與專網中獲得廣泛應用，PON網絡具有傳輸速率高、支持動態帶寬分配、可靠性高等特點。基于PON結構的FC-AE-1553網絡拓撲結構如圖2所示。

PON結構下的FC-AE-1553協議網絡是下行“一點到多點”、上行 “多點到一點”的雙向拓撲結構，網絡中有3類節點：PON網絡控制器（PON Network Controller， PNC）、 PON 網 絡 終 端 （PON Network Terminal， PNT）和PON 網絡光分路器（PON Optical Distribution Network， PODN）［8-11］。 本方案下的網絡拓撲包括：1個PNC、31個PNT、1個PODN和光纖鏈路。PNC是網絡中發出命令的節點，主要功能是調度整個網絡的帶寬資源，控制整個網絡中的數據傳輸。網絡中的每一次數據交換都是由PNC發起數據傳輸命令開始，數據傳輸完成后，PNT返回帶有帶寬請求的狀態幀結束。PNT是網絡中執行PNC命令的節點，主要功能是根據PNC發起的命令進行與PNC或其他PNT的數據交換，PNT與PNT之間的數據交換不能直接進行，需要經過PNC的中轉。整個網絡運行的是FC-AE-1553協議，物理鏈路為FC鏈路，傳輸速率為4.25Gbps。

1.3 PON結構下FC-AE-1553網絡的信令機制

整個協議網絡的運行過程大致可分為3個階段：登錄階段、數據傳輸階段和注銷階段［12］。由于FC-AE-1553是命令／響應式協議，因此節點之間的數據傳輸不需要嚴格的時間同步和精確的測距，所以FC-AE-1553網絡調度方案必須能容忍不測距帶來的傳輸誤差。

PON結構下的FC-AE-1553網絡中，系統上電后，登錄過程為隱式登錄，PNC、PNT之間和PNT、PNT之間均通過隱式登錄完成相互之間的數據傳輸環境的建立。在整個登錄過程完成后，即所有的操作環境建立成功后，各節點間可以進行數據的傳輸，每一次數據傳輸都是由PNC發起命令幀開始，PNT返回攜帶帶寬請求的狀態幀結束。

FC-AE-1553協議采用的是PNC集中控制的命令／響應模式下的確定性的通信，整個網絡的正常運行需要PNC發送命令幀來控制。FC-AE-1553協議定義了命令序列、數據序列、狀態序列來保證數據的正確傳輸。其中，命令序列和狀態序列是單幀序列，幀是網絡調度的基本單位，多個幀可組成一個序列，多個序列可組成一個交換，這3種序列在網絡的正常傳遞保證了網絡的正確運行。PON結構中存在 3種交換，分別是 PNC-PNT、PNT-PNC、PNT-PNT。其中，PON結構下的PNT與PNT之間不能進行直接的數據傳輸，PNT與PNT之間的數據傳輸必須通過PNC的中轉。

FC-AE-1553協議規定，PNT與PNT交換的狀態幀的返回過程是：接收PNT接收數據完成后發送狀態幀給發送PNT，發送PNT接收到接收PNT的狀態幀后，返回狀態幀給PNC。在PON結構中將變為：發送PNT發送完最后一個數據幀后，發送攜帶自身請求的狀態幀給PNC，接收PNT接收完最后一個數據幀后，也發送攜帶自身請求的狀態幀給PNC。由于標準的規定是為了將發送PNT和接收PNT的自身狀態返回給PNC，所以本方案的做法達到了同樣的效果，也是合理的。本方案PON結構中的PNT-PNT的交換如圖3所示。

1.4 PON結構下FC-AE-1553網絡的業務類型

綜合歸納航空、航天領域的應用業務數據類型，主要可提煉為以下3類：強時效性突發業務（Time Constraint Burst Message， TCBM）、 一般突發業務（Common Burst Message， CBM）、 周期性業務（Periodic Message，PM）。其中，強時效性突發業務是指具有強時效性需求的程控指令，要求PNT節點在設定的時間門限值內完成指令的接收并執行相應的操作，具有較強的時效性需求，一般是由PNC發往PNT；一般突發性業務是指業務具備時間維度的偶發性，會對網絡帶寬進行臨時占用，但是對延時沒有苛刻需求，但需要保證業務傳輸的確定性，一般是在PNC與PNT之間、PNT與PNT之間進行；周期性業務是指網絡上周期性產生的循環業務，要求PNT節點在固定的時間門限內完成相應的操作，該類業務會固定占用系統的帶寬，通過帶寬預留可以保證業務的零時延抖動，一般是在PNC與PNT之間進行。

2 PON結構下FC-AE-1553總線網絡動態帶寬分配方案設計

資源調度機制采用周期性動態帶寬分配（Dynamic Bandwidth Allocation， DBA）調度， 針對強時效性業務和周期性業務采用靜態的固定帶寬資源調度方式，即在一個DBA周期內給強時效性業務和周期性業務周期性的分配固定帶寬，來保證業務的QoS要求；針對一般突發性業務采用 “大流量優先”的調度方式來解決網絡中共享信道的沖突。網絡中調度的最小單位為一個最大FC幀的大小（一個 FC幀最大為 2148Byte，且為固定最大幀長）。

在基于PON結構的FC-AE-1553網絡動態帶寬分配機制中，整個網絡的帶寬資源抽象為單時間軸，該軸是指PNC節點的時間軸，包含PNC的上行和下行兩個方向，且PNC的上行和下行在一定程度上是相關聯的。在PON結構下，由于沒有測距機制的原因，PNC能控制的是一個數據交換的發起時刻和結束時刻（以最大RTT預估），但并不能控制交換中每個數據幀的準確時刻，因此為保證狀態幀不與其他的數據交換發生沖突，PNC的上下行在一定程度上是相互關聯的；但并不是所有時間的上下行都相互關聯，在一個下行的數據交換中仍然存在一段完全安全的時間可以進行上行交換，可利用這部分時間實現上下行的并發，提高網絡帶寬利用率。

調度方案的詳細設計如圖4所示，調度機制采用時長來等效帶寬資源，一個DBA周期內的時隙主要包括4部分：強時效性業務時間段（TCBM）、周期性業務時間段（PM）、一般突發性業務時間段（CBM）和DBA計算時間段（DBA Calculate Time）。在節點包含的3種業務中，強時效性突發業務的時延要求最高且固定帶寬分配，在DBA周期中每隔40μs固定分配一個時間段調度該業務；周期性業務的周期與DBA周期大小一致；對于突發性業務，采用大流量優先的帶寬分配算法，可在一定程度上提高網絡帶寬利用率。

周期性業務的調度：周期性業務時間段在整個DBA周期內固定預留。在周期性業務時間段內，由于周期性業務的周期是與DBA周期相同且業務已知，不需要PNC輪詢PNT來獲取該業務的帶寬請求，每個DBA周期給周期性業務分配固定帶寬。通常將周期性業務的時間段放在DBA周期的開始部分，來保證該業務嚴格的周期性。在一個周期性業務的時間段內，網絡先執行PNC下行的周期性業務，后執行PNC上行的周期性業務。

強時效性突發業務的調度：強時效性突發業務一般由PNC產生去往PNT。在網絡調度的時間軸上，每隔40μs為強時效性業務預留一個時隙，該時隙的長度由40μs內最多產生的該類業務的請求數決定。本方案規定每個DBA周期每個40μs的間隔內，最多產生一個該類業務。

一般突發性業務的調度：一般突發性業務的調度采用大流量優先的方式進行數據交換的傳輸。PNC通過每次數據交換完成后返回的攜帶帶寬請求的狀態幀獲取PNT的帶寬請求，由于業務的時效性較高，所有突發性業務的數據交換需要控制在40μs以內。在網絡負載較大的情況下，一個大的突發業務的數據交換可能需要拆分成多個40μs的交換。帶寬分配算法如下：

（1）將收集到的所有節點的請求從大到小進行排序

③采用大流量優先的原則可盡量減少一個40μs內數據交換的帶寬碎片及RTT的個數。

（2）交換數據的執行

完成突發性業務的帶寬分配后，通過判斷下行的突發數據交換是否可以并發來提高網絡帶寬利用率。下行突發性交換存在并發的條件是：PNC下行突發數據交換中PNC發送數據的時長大于最大RTT，即此時該PNC下行突發數據交換時間段內部可以并發執行一個上行的突發性數據交換。這樣一定程度上實現了PNC上下行的并發，提高了網絡吞吐量。另外，對于PNT到PNT的傳輸，機制采用PNC接收到發送PNT的第一幀后就轉發給接收PNT，直到數據交換傳輸結束，這相當于PNC在接收的同時也在發送，一定程度上提高了帶寬利用率。

3 PON結構下FC-AE-1553總線網絡帶寬動態分配方案仿真驗證

3.1 仿真平臺設計

采用仿真工具OPNET搭建PON結構的FC-AE-1553總線網絡仿真平臺，仿真平臺由1個PNC節點、31個PNT節點及節點間的3.4Gbps（4.25Gbps經8B／10B編碼轉換后的速率）雙向鏈路組成。

仿真設置參數如下：

1）節點數和仿真時間：32節點，仿真時間為20s。

2）節點緩存：PNC、PNT節點的緩存設置為50Mbit。

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3）強時效性業務：數據產生的時間間隔服從指數分布，平均時間間隔1ms，數據量大小為100Byte。

4）周期性業務：周期大小始終和DBA周期相同，數據量大小為512Byte，占帶寬資源4%。

5）一般突發業務：網絡中突發業務為均勻連接均勻流量，數據源的峰值速率設置為500Mbps。

6）DBA周期： 4ms。

在節點緩存大小和DBA周期大小保持不變的條件下，影響網絡吞吐量的因素包括：RTT開銷占比和時間碎片，而強時效性業務的時延需求直接影響著RTT的開銷和時間碎片的大小。網絡極限吞吐量w約為：

A表示強時效性業務的檢測間隔（A＝46μs），Ta表示給強時效業務預留的發送時隙（Ta＝6μs），N表示2次強時效業務預留發送時隙之間傳輸交換的個數（N＝1），Tb表示一次交換中無法并發的時間（Tb＝5.1μs）， 根據公式可知此時網絡極限吞吐量是4.96Gbps。

3.2 典型業務特征下網絡調度機制的性能仿真

在典型業務特征32節點和10節點場景中，仿真驗證調度機制性能隨網絡負載變化。

（1）32節點網絡調度機制性能仿真

節點數和仿真時間分別為32節點和20s，其余參數與上述仿真參數相同，仿真結果如表2和圖5所示。由表2可知，強時效性業務時延保持在50μs以內，滿足該業務QoS要求；周期性業務滿足嚴格的周期性，無時延抖動。由圖5（a）可知，網絡吞吐量隨網絡負載的增加而增加，且增加趨勢基本為線性關系。網絡最大吞吐量為3.76Gbps，超過線路速率3.4Gbps，這是由于采用并發的調度機制。由圖5（b）可知，突發業務的最大時延隨網絡負載的增加而增加，平均時延基本保持不變。當網絡負載較小時，突發業務的最大時延增長緩慢，隨著負載的增大，突發業務的最大時延增長較快。

表2 32節點網絡不同負載下的網絡性能Table 2 Network performance under different load of 32 nodes network

（2）10節點網絡調度機制性能仿真

節點數和仿真時間分別為10節點和20s，其余參數與上述仿真參數相同，仿真結果如表3和圖6所示。由表3可知，強時效性業務時延保持不變，在50μs以內，滿足要求。由圖6（a）可知，網絡吞吐量隨網絡負載的增加而增加，且增加的趨勢基本為線性關系，網絡最大吞吐量為3.64Gbps。由圖6（b）可知，突發業務的最大時延隨網絡負載的增加而增加，平均時延基本保持不變。當網絡負載較小時，突發業務的最大時延增長緩慢，隨著負載的增大，突發業務的最大時延增長較快。在航空系統應用中，若每秒傳輸的高清圖片大小為1M，則FC-AE-1553總線傳輸可比MIL-STD-1553每秒多傳輸454張高清圖片。

表3 10節點網絡不同負載下的網絡性能Table 3 Network performance under different load of 10 nodes network

4 結論

針對PON結構下FC-AE-1553總線網絡中存在的下行 “一點對多點”的調度和上行 “多點對一點”的信道共享沖突，設計了一種支持多業務QoS要求的網絡動態帶寬分配機制。該機制針對不同的業務類型采用不同的調度策略來滿足多業務的QoS要求，并采用并發的方式提高了網絡帶寬利用率。仿真結果表明，該方案可有效支持高達3.76Gbps的網絡吞吐量，TCBM最大時延是46μs，完全符合小于50μs的時延要求。此外，該機制PM的最大時延和平均時延相同，即PM時延抖動為0，滿足了數據傳輸的穩定性。基于該帶寬動態分配機制的PON結構下FC-AE-1553總線網絡，因具有低功耗、大吞吐量、低傳輸時延、組網簡單、高可靠性等優勢，可有效滿足新一代航空航天電子系統對信息交互網絡的各項性能要求，是未來航電網絡的有效解決方案。

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