一種適合于使命計算的航空電子總線應(yīng)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(yīng)用。在航電系統(tǒng)發(fā)展早期和中期，導(dǎo)航、雷達等子系統(tǒng)相對獨立，任務(wù)的處理多依賴于飛行員的判斷和各航電子系統(tǒng)的獨立計算，使命計算的作用并不突出。

隨著航電系統(tǒng)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越重要，與此同時使命計算面臨越來越大的挑戰(zhàn)，包括調(diào)度策略問題，滿足QoS需求和支持新一代飛機實時應(yīng)用需求的面向?qū)ο笾虚g件設(shè)計問題，以及處理各種確定性、非確定性、運行時問題等。

2 使命計算對航電總線網(wǎng)絡(luò)的挑戰(zhàn) 　　

隨著航電系統(tǒng)綜合化不斷提高，不確定性的增加，環(huán)境越來越復(fù)雜，航空電子使命計算越加重要，而與此同時也就出現(xiàn)了越來越多的挑戰(zhàn)，包括調(diào)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(tǒng)，包括數(shù)據(jù)傳感器、導(dǎo)航子系統(tǒng)、雷達、導(dǎo)彈報警傳感器、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路、視頻顯示、大量存儲接口等。事實上，對于一個復(fù)雜的平臺而言，使命計算機需要互連20～30個不同的子系統(tǒng)。這些數(shù)據(jù)接口通常要求使用不同的航電總線網(wǎng)絡(luò)。航電總線系統(tǒng)不斷發(fā)展要求I／O信號的數(shù)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(xiàn)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、緊迫性下實時應(yīng)用特性共同存在。可操作飛機程序的復(fù)雜性，就相當于工業(yè)領(lǐng)域那樣，被具有多數(shù)據(jù)源多處理任務(wù)的多功能系統(tǒng)操作。增加使命計算復(fù)雜性涉及到很多待處理類型：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(jié)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闡明在進行使命計算機軟件設(shè)計時一個典型的軟件層次劃分。

2.3 尺寸和重量的限制 　　

無論是超音速戰(zhàn)斗機還是攻擊型殲擊機或是其他戰(zhàn)機，使命計算機都有自己的位置和范圍。隨著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(tǒng)集成者研究一種體性結(jié)構(gòu)使得終端系統(tǒng)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(xiàn)今的航電系統(tǒng)部署結(jié)構(gòu)中，一個復(fù)雜的武器系統(tǒng)超過生命周期而繼續(xù)維護的代價是可以接受的。維護代價大部分在于修理代價，并非真正的修理武器系統(tǒng)本身，而是應(yīng)用于后勤的修理代價。通過移除和替代系統(tǒng)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(tǒng)的移除系統(tǒng)級“黑匣子”的操作。通過設(shè)計線形可替代環(huán)系統(tǒng)和處理故障在部件級而非盒子級可以顯著減少成本、體積、質(zhì)量、費用?，F(xiàn)在的航空電子應(yīng)用通?；谔囟ǖ漠a(chǎn)品族，如果大的、公共的部分可以被共用、開發(fā)和測試成本就會顯著縮減。此外，組件的測試和驗證也可以被共享，這也會減少開發(fā)的時間和提高效率。

3 常用航電總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 　　

3.1 MIL-STD-1553B數(shù)據(jù)總線 　　

MIL-STD-1553B數(shù)據(jù)總線標準于1978年形成并一直沿用到今天。它是一種按時分式指令／響應(yīng)模式工作的串行多路數(shù)據(jù)傳輸總線?？偩€結(jié)構(gòu)如圖2所示。1553B總線可以掛接32個終端，除了總線控制器外任何一個終端出故障都不會造成整個網(wǎng)絡(luò)的故障，總線控制器可以通過備份提高可靠性。1 553 B總線在減少航空電子設(shè)備的空間、質(zhì)量、復(fù)雜性、軍用航空電子綜合費用并且可以解決電子系統(tǒng)設(shè)計師在綜合來自不同廠家各種現(xiàn)場可更換單元時所面臨的難題的優(yōu)勢，成為現(xiàn)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?shù)钠骄掏铝繛?00～300 kb／s，且能掛接的終端數(shù)目僅32個。

1553B數(shù)據(jù)總線在減少航空電子設(shè)備的空間、質(zhì)量、復(fù)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總線不能保證關(guān)鍵數(shù)據(jù)的固定傳輸帶寬和實時性以及非關(guān)鍵數(shù)據(jù)對帶寬的實時動態(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個終端數(shù)目，不能滿足擴展I／O需求。

3.2 MIL-SFD-1773數(shù)據(jù)總線 　　

20世紀80年代中期，美國在1553B總線技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展MIL-STD-1773光纖總線，它與1553B總線主要區(qū)別在于采用光纖作為傳輸介質(zhì)。MIL-STD-1773總線物理層之上的協(xié)議機制與民用傳輸協(xié)議類似。為滿足特殊的使用環(huán)境采用流量分類技術(shù)，同時復(fù)合時分和空分機制，從而保證關(guān)鍵數(shù)據(jù)的固定傳輸帶寬和實時性，同時實現(xiàn)非關(guān)鍵數(shù)據(jù)對帶寬的實時動態(tài)搶占。其關(guān)鍵性缺陷在于，協(xié)議中沒有對冗余保護機制做明確說明，冗余保護依賴于上層應(yīng)用，物理層和MAC層只提供簡單的錯誤檢測、糾錯和告警處理。

1773數(shù)據(jù)總線在減少航空電子設(shè)備的空間、質(zhì)量、復(fù)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(shù)據(jù)傳輸速率達到20 Mb／s，1773數(shù)據(jù)總線在關(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(shù)據(jù)總線不能進行分布式處理，不能滿足擴展I／O需求。

3.3 高速數(shù)據(jù)總線HSDB 　　

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

高速數(shù)據(jù)總線HSDB在減少航空電子設(shè)備的空間、質(zhì)量、復(fù)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(gòu)成雙冗余度的通信信道，滿足處理部件之間以及系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換需要。HSDB的傳輸速率能達到50 Mb／s，能夠很好地支持實時應(yīng)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(shù)據(jù)總線都有所增強。HSDB可以掛接128個終端設(shè)備，在擴展I／O方面比1553B和1773數(shù)據(jù)總線有所改善。

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

前面已經(jīng)分析過使命計算在現(xiàn)有.網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的優(yōu)點及缺點。下面對彈性分組環(huán)(RPR)做研究分析并提出一和簡化的彈性分組環(huán)網(wǎng)來改善上述各種總線網(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級以太網(wǎng)傳輸協(xié)議。彈性分組環(huán)網(wǎng)的節(jié)點結(jié)構(gòu)如圖3所示。RPR技術(shù)是一種在環(huán)形結(jié)構(gòu)上優(yōu)化數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳送的新型MAC層協(xié)議，能夠適應(yīng)多種物理層(如SDH、以太網(wǎng)、DWDM等)，可有效地傳送數(shù)據(jù)、話音、圖像等多種業(yè)務(wù)類型。

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，同時吸收了SDH環(huán)網(wǎng)的50 ms快速保護的優(yōu)點。它采用雙環(huán)(內(nèi)環(huán)和外環(huán))結(jié)構(gòu)，保證了高可用性；對環(huán)路帶寬采用空間重用機制，單播數(shù)據(jù)傳送可在環(huán)的不同部分同時進行，提高了環(huán)路帶寬的利用率；并具有網(wǎng)絡(luò)拓撲自動發(fā)現(xiàn)、環(huán)路帶寬共享、公平分配、嚴格的業(yè)務(wù)分類(COS)等技術(shù)優(yōu)勢。其技術(shù)特點包括：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(jié)點或站點組成環(huán)網(wǎng)、即插即用、全網(wǎng)節(jié)點間的公平性、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(jié)點處于同步工作狀態(tài)(時鐘誤差在ns級，可實現(xiàn)系統(tǒng)的時統(tǒng))。

4.2 簡化的彈性分組環(huán)網(wǎng) 　　

根據(jù)RPR的優(yōu)勢及技術(shù)特點可知RPR可以較好地解決現(xiàn)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(shù)目的問題。但是RPR在航電設(shè)備應(yīng)用環(huán)境下存在以下問題：協(xié)議過于復(fù)雜、實現(xiàn)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。

通過分析現(xiàn)有傳輸總線協(xié)議和RPR，提出了簡化的彈性分組環(huán)網(wǎng)，使之適合于新一代航空電子總線系統(tǒng)的特點，同時滿足使命計算所面臨的各種挑戰(zhàn)要求。簡化的彈性分組環(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(jié)點數(shù)；削減對擴展協(xié)議的處理；在流量分類上降低原有的靈活性，固定為幾種常用系統(tǒng)中可能存在的類型，只保留很少的用戶可配置類型；對最高優(yōu)先級的業(yè)務(wù)處理方式做更詳細的規(guī)定；對業(yè)務(wù)的劃分借鑒MIL-STD-1773和ARINC629的方式進行；對最高優(yōu)先級業(yè)務(wù)，采用USB模式處理(響應(yīng)方式)。簡化的彈性分組環(huán)網(wǎng)協(xié)議可由1塊芯片實現(xiàn)協(xié)議。簡化的彈性分組環(huán)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)圖如圖4所示：

簡化的彈性分組環(huán)網(wǎng)提供即插即用，不需要用人工指配來設(shè)置環(huán)網(wǎng)上的新節(jié)點，支持多種拓撲結(jié)構(gòu)，傳輸速率能夠達到155 Mb／s，時分和搶占相結(jié)合機制，流量控制機制，自動防止光纖或節(jié)點故障，保護倒換機制，在使命計算調(diào)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。每個環(huán)網(wǎng)可以多達64個節(jié)點，利用拓撲發(fā)現(xiàn)、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(jié)點，或從網(wǎng)絡(luò)中移除節(jié)點，簡化的彈性分組環(huán)網(wǎng)具有強的I／O擴展能力。

簡化的彈性分組環(huán)網(wǎng)具有以下優(yōu)點及特性： 　　

(1)支持多種拓撲結(jié)構(gòu)：包括環(huán)型拓撲、線型拓撲、雙環(huán)型拓撲、網(wǎng)狀拓撲、集線器拓撲、關(guān)鍵路徑冗余拓撲等。

(2)動態(tài)拓撲發(fā)現(xiàn)：當前.的拓撲信息是通過網(wǎng)管軟件配置實現(xiàn)。動態(tài)拓撲發(fā)現(xiàn)功能雖然會增加協(xié)議芯片本身的復(fù)雜度，但大幅降低了網(wǎng)管軟件和人為控制的復(fù)雜度，總體而言大大降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度，同時使系統(tǒng)的自動化水平更高。動態(tài)拓撲發(fā)現(xiàn)還能帶來以下優(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(jié)點失效的情況下引起的重發(fā)風暴；可方便地實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的冗余保護機制。

(3)能適應(yīng)多系統(tǒng)整合：可以滿足不同系統(tǒng)的測試接人；可支持多個節(jié)點接入；網(wǎng)絡(luò)帶寬高、易于系統(tǒng)擴容；網(wǎng)絡(luò)管理方便、易于用戶二次開發(fā)。

(4)高可靠性：可方便實現(xiàn)關(guān)鍵部件的冗余保護；傳輸線路可實現(xiàn)實時冗余倒換；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(shù)據(jù)采用接收端終結(jié)方式，并采用接收響應(yīng)機制。

(5)時分和搶占相結(jié)合機制：整個網(wǎng)絡(luò)帶寬按2 M單元進行時隙劃分。單元內(nèi)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)的實時性，又可使各節(jié)點的非高優(yōu)先級業(yè)務(wù)對帶寬的實時公平搶占，有效增加帶寬的使用率。

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

(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(quán)衡各節(jié)點業(yè)務(wù)的帶寬使用情況，保證網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點在帶寬使用上的加權(quán)公平性。公平算法的一些規(guī)則包括：對穿的高優(yōu)先級包先發(fā)送；如果對穿的低優(yōu)先級包緩存沒有超過一個低優(yōu)先級閾值，且本地的帶寬使用率低于允許的帶寬使用率，來自本地的低優(yōu)先級包可以發(fā)送；如果沒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(jié)點時鐘調(diào)整機制，可將各節(jié)點的時鐘調(diào)整到同一時鐘頻率和相位之上，誤差為ns級。可通過專用的授時節(jié)點的時鐘作為參考時鐘。

(9)保護倒換機制：在節(jié)點或者線路失效時，能在50 ms內(nèi)恢復(fù)線路通訊。采用2級倒換方式，一級倒換對失效做出快速反應(yīng)，二級倒換優(yōu)化倒換后的傳輸路徑。簡化的彈性分組環(huán)網(wǎng)保護倒換機制如圖6所示。

(10)開放性：在工程和系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)用標準接口和符合這些標準的設(shè)備?？梢栽诰S護系統(tǒng)性能甚至提高系統(tǒng)性能的情況下降低開發(fā)成本、縮短開發(fā)時間。具有故障檢測、隔離和修復(fù)功能，因此減少和縮短了停機時間，保證了飛機具有較高的出勤率，從而提高系統(tǒng)的可用性。依據(jù)穩(wěn)定的接口標準使開放式系統(tǒng)更適合先進技術(shù)和市場變化。

(11)實現(xiàn)協(xié)議的代價較小：成本低、體積(面積)小、重量輕。

簡化的彈性分組環(huán)網(wǎng)總線協(xié)議基于對通訊用802.17協(xié)議的簡化，結(jié)合傳統(tǒng).的一些特點，實現(xiàn)一種滿足航空分布式設(shè)備的局部總線協(xié)議。它具有實現(xiàn)簡單、支持的傳輸帶寬高、與物理層獨立、能適應(yīng)多系統(tǒng)整合、高可靠性、高可用性、同步機制、實時性、開放性等特點。

簡化的彈性分組環(huán)網(wǎng)在減少航空電子設(shè)備的空間、質(zhì)量、復(fù)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設(shè)置環(huán)網(wǎng)上的新節(jié)點，支持多種拓撲結(jié)構(gòu)，傳輸速率能夠達到155 Mb／s，時分和搶占相結(jié)合機制、流量控制機制、自動防止光纖或節(jié)點故障，保護倒換機制，在使命計算調(diào)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。每個環(huán)網(wǎng)可以多達64個節(jié)點，利用拓撲發(fā)現(xiàn)、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(jié)點，或從網(wǎng)絡(luò)中移除節(jié)點，簡化的彈性分組環(huán)網(wǎng)具有強的I／O擴展能力。

5 結(jié) 語 　　

航電系統(tǒng)經(jīng)過幾十年的發(fā)展與演化，已經(jīng)經(jīng)歷了三代?，F(xiàn)今，美國航電系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展為第四代，而我國也正在進行預(yù)研第四代航電系統(tǒng)。由于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)日新月異，再加上航空設(shè)備研制周期相對較長，因此，現(xiàn)在還難以準確地描述新一代航電總線網(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網(wǎng)絡(luò)提出的挑戰(zhàn)出發(fā)，提出一種新的航電總線網(wǎng)絡(luò)。對新一代航電總線網(wǎng)絡(luò)還有很多問題需要深入的研究和探討。