基于高速光纖實時網的彈上信息傳輸技術研究

胥輝旗，朱平云，潘莉莉，何獻武

(1.海軍航空工程學院 科研部，山東 煙臺 264001；2.海軍航空工程學院 研究生管理大隊，山東 煙臺 264001)

1 引言

早期的導彈武器系統大部分設備間普遍采用點對點直接連接的電纜網進行儀器間的信號傳輸。這種繁雜的連接線路降低了系統的可靠性，同時，電纜中傳輸的大量模擬信號易受干擾，甚至本身就是強干擾源，降低了系統的電磁兼容與抗毀能力。而總線方案能夠有效地提高導彈綜合信息處理能力，簡化系統結構，減輕消極質量，提高可靠性，提升系統的整體性能。俄羅斯的“寶石”導彈、印度的“烈火Ⅱ”中程導彈及美國的MX洲際導彈的彈上設備間信息傳輸采用了標準1553B總線[1]。

隨著導彈性能、功能的增加、執行作戰任務復雜程度的提高，越來越多不同功能任務子系統在導彈武器系統上應用，對導彈武器信息的獲取、交互、綜合處理等提出了更高的要求。新一代導彈武器綜合信息系統更是要求在信號一級實現綜合，大量中間信息的實時傳輸對彈上信息傳輸技術提出了更高的要求，高速光傳實時網已成為彈上信息傳輸的發展趨勢。

2 新一代彈上信息傳輸需求分析

2.1 彈上信息傳輸特點分析

導彈作為一次性使用的、無人控制的一種特殊機動平臺，它在使用中不可維修，而且導彈在工作中存在較強的機械振動和電磁干擾，溫濕度、氣壓、潔凈度也難以保證，因此要求彈上總線具有極高的可靠性。再則，導彈運動速度快，執行任務時間短，對數據的實時性，傳輸確定性、容錯性等提出了極高的要求。同時，彈上信號傳輸有著如下鮮明的特點。

1) 規律性。彈上信息傳輸具有規律性，隨機信號較少。導彈系統執行的任務比較單純，信號的產生和傳輸是嚴格按照控制程序進行的。信號采樣與控制是周期性的，而且周期是固定的，或是程控的，離散的控制信息也有著嚴格的時序關系。

2) 不均勻性。彈上信息傳輸在空間和時間上是不均勻的。從空間上講，導彈系統中的各設備所處理的信息量差別很大，傳輸負荷也不相同。從時間上講，導彈系統信息傳輸是一個有中心的、傳輸負荷不均勻的、有明顯數據流方向性的網絡。

3) 不規則性。導彈傳輸的信息既有小數據包的指令信息又有雷達數據、圖像數據等大數據包的信息，因此要求彈上信息傳輸系統對大小不同數據包同時具有較高的傳輸效率。

4) 可靠性。導彈的特殊性要求彈上總線在硬件與通信協議上具有極高的可靠性。具備隔離、冗余和多種錯誤檢測與故障恢復機制，降低誤碼率，防止網絡癱瘓，確保彈上信息傳輸系統在惡劣的環境中能夠可靠工作。

5) 高速性。隨著信息技術的發展，新一代的導彈武器系統綜合信息系統中，要求在信號一級實現綜合，彈上傳輸的不再僅僅是命令和狀態數據，而主要是各傳感器等的大量中間數據。各功能子系統海量數據共享、實時交互、綜合處理等要求彈上信息網絡應當具有極高的帶寬和微秒級別的數據延遲。

2.2 新一代彈上總線需求分析

光纖總線網絡以其帶寬高、質量輕、電磁兼容性好等特點，已被證明是滿足飛行器平臺綜合信息系統需求的有效方案。本文所研究的基于反射內存（reflective memory）的光纖總線網絡[2]與MIL-STD-1773[3]、FDDI[4]、吉比特光纖以太網等光通信方案相比不但具有極高傳輸數據率，還具有很強的實時性、可靠的傳輸糾錯能力、嚴格的傳輸確定性和可預測性等特征。

1) 高傳輸數據率。與 MIL-STD-1773最高3Mbit/s和FDDI最高100Mbit/s數據率相比，反射內存光纖網絡數據率最高可達2.125Gbit/s[5]。

2) 很強的實時性。反射內存光纖網絡具有納秒級的傳輸延遲。

3) 嚴格傳輸確定性。以太網的CSMA/CD(載波監聽多路訪問/沖突檢測)的傳輸機制決定了其很難保證傳輸延遲的確定性。反射內存光纖網采用硬件方法實現數據通信，和以太網及 FDDI采用軟件方法實現OSI模型中各相鄰層間的數據通信相比，系統通信基本不占用CPU時間，不需要OSI多層協議支持，具有嚴格的傳輸確定性和可預測性[6]。

4) 不同數據包的高通信效率。吉比特光纖以太網對小數據包的傳輸效率遠低于對大數據包的傳輸速率。反射內存光纖網采用透明傳輸體制[7]，并能根據傳輸數據大小動態選擇傳輸方式，因此對大小數據包都同時具有極高的傳輸效率。

5) 可靠性高。反射內存光纖網可采用雙環路冗余設計，增加網絡實時監測和自愈合功能，內建數據校驗、恢復機制，具有很好的容錯性和極高的傳輸可靠性。

6) 跨平臺支持。反射內存光纖網絡允許集成不同廠商的系統硬件，并且組網只涉及對反射內存操作，不需要平臺操作系統網絡協議支持，網絡各節點支持不同的軟硬件平臺，具有極大的方便性。同時反射光纖網絡最多能支持256個節點，具有較強的可擴展性[5]。

3 系統結構與組成

3.1 網絡拓撲結構及協議設計

該彈上信息傳輸網絡采用反射內存機制，拓撲結構為環形。因為相對于其他結構，環形拓撲不僅易于提高通信的實時性，且具有更好的容錯能力，更便于在硬件級別實現錯誤診斷及修復[8]。典型的反射內存光纖環網如圖1所示。每個彈上設備接一個RM（reflective memory）接口適配器，構成一個網絡節點，各網絡節點利用光纖將收發端口相連，構成環網。每個RM接口適配器均集成一塊專用的存儲空間，并將其映射到該網絡節點處理系統的地址空間，這樣節點處理系統對 RM接口適配器的操作就和對本機內存操作方式一樣。當任務設備往映射到反射存儲器的虛擬地址空間的某個位置寫數據的時候，反射內存環網絡協議在納秒級的時間內將數據傳播到網絡上的每個其他節點，并且更新的傳播操作是異步的，沒有應用系統處理器的介入。

圖1 典型反射內存環網拓撲結構

上述結構雖然可滿足高速通信需求，但單環結構不能滿足彈上設備的高可靠性要求。一旦環路上的某個環節出現故障，都將導致整個光傳通信系統癱瘓，這顯然是不允許的。為了改善這種狀況，機載飛行平臺普遍采用物理星型結構（邏輯上還是環形結構）的雙冗余高速交換機，通過交換機的冗余設計和旁路功能來解決可靠性問題。相對于飛機而言，導彈平臺任務設備較少，且彈上空間狹小，雙冗余高速交換機的物理星型結構不適合彈上使用。本文結合彈上使用特點，采用雙環冗余環網，有效地解決了彈上信息高可靠性傳輸的問題。

改進后的高可靠反射內存環網如圖2所示，RM接口適配器采用雙端口設計，系統中各網絡節點通過1、2、3、4和a、b、c、d光纖分別組成外環和內環2個環網。雙環冗余設計確保一條路徑上數據出錯或丟失后，另一條路徑的數據仍能正確傳輸到達目標節點，同時系統具備良好的容錯和重構能力。任意一光纜或者是節點故障均不影響其他網絡節點間正常通信。

圖2 改進后高可靠反射內存環網拓撲

系統容錯及重構功能如圖3所示，假設外環4號光纜因為故障而斷開，網絡節點4的RM接口適配器能馬上檢測到并隔離4號光纖、重構網絡。通過1、2、3、c、b、a光纜重新構成環網，確保全部4個節點均能正常通信。假設4號網絡節點故障，網絡節點3的RM接口適配器能馬上檢測到并隔離網絡節點4，并通過1、2、b、a光纜重新組成3節點環網，確保剩余3個節點正常通信。

圖3 反射內存環網容錯重構

3.2 RM接口適配器

RM接口適配器為各任務設備和反射內存光纖網絡相連的接口，具有數據傳輸及網絡管理雙重功能，是整個反射內存環網的核心設備。RM接口適配器主要由光電轉換、數據編/解碼/并行處理、網絡管理狀態機、存儲器、協議管理模塊及任務設備接口等組成，系統功能框圖如圖4所示。系統采用雙光纖接口冗余設計、具有網絡容錯和重構功能，同時考慮到彈上應用需要，RM接口適配器采用嵌入式設計，并且任務設備接口可以根據彈上設備接口需要設計。

圖4 RM接口適配器功能

數據傳輸時，當某個節點將數據寫入本地RM 接口適配器內部的某存儲器區域后，其內部控制電路立即按照協議將該存儲區的數據與節點號、存儲器地址、數據長度等信息組合成長度不等的數據分組，通過光纖接口傳遞到下一節點。下一節點收到該數據分組后對其進行“解分組”，然后將數據按照上一節點的寫入地址將信息相應存入本地存儲器區域，同時將信息送發送模塊向下一節點傳輸。如此循環，直至該分組傳回到其源始節點被消除為止。此時，網絡上所有節點接口適配器相應存儲器區域的數據均已被更新為源節點所寫入的數據[9]。

為同時兼顧彈上指令數據等小數據包傳輸及圖像、雷達數據等大數據包傳輸的高傳輸效率，RM接口適配器內建動態傳輸方式選擇功能。針對反射內存環網小數據量傳輸時，PIO（programmable input/output）方式比 DMA（direct memory access）方式傳輸效率高，反之，大數據量傳輸時，DMA方式比PIO方式傳輸效率高。系統不但能根據傳輸數據量大小，動態調整數據分組長度，還能設定一個閾值，當數據分組長度小于閾值時，自動采用PIO傳輸方式，當數據分組長度大于閾值時，自動采用DMA傳輸方式，從而使系統無論傳輸控制指令還是大數據量的傳感信息均具有很高的效率。

RM接口適配器還具備網絡管理、容錯及重構能力如下。

1) 故障節點隔離。若某個光端口未探測到光信號或探測到錯誤的同步碼，則自動隔離該端口或網絡節點，并利用冗余環路迅速重構整個網絡。

2) 自動旁路故障光纜。自動檢測到光纜故障，能自動旁路故障光纜，通過內環、外環其余光纜重新構成環網，確保所有節點均正常通信。

3) 節點實時加入。有新節點加入或被隔離的節點恢復正常時，自動將該節點加入網絡，并通知其他節點重構網絡[8]。

4 反射內存環網性能測試

為測試反射內存環網在不同大小數據包下的傳輸速率，驗證實時性、傳輸確定性，并對發送出去和接收回來的數據進行比較，驗證可靠性，設計本測試。測試中反射內存環網工作在 Windows NT+RTX環境下，其中RTX是Windows NT的一種實時擴展模塊，通過對Windows NT操作系統的內核加載實時擴展模塊RTX來保證系統的實時性[10]。

為了測試方便，設置每個包大小為PACKAGE，每次測試發送500個包，核對測試數據并計算傳輸時間。設置PACKAGE分別為4~220 000B，分別取了50組數據，測試結果如圖5所示（橫坐標非均勻比例坐標）。

圖5 反射內存環網數據傳輸測試

圖5中有2個拐點，第一個就是包大小為64B的時候，另一個就是包大小為12k的時候。包大小為64B，也就是DMA方式下的默認閾值的大小，當傳輸的數據量小于 64B的時候，系統默認采用PIO傳輸方式，因此隨著包大小的增加，傳輸速率也隨之增加；但是當包大小達到DMA閾值時，為提高傳輸速率，系統默認采用DMA傳輸方式，在大于等于64B以后，隨著每次傳輸包大小的增加，讀寫速率也隨之增加，當傳輸的數據包在12k以后基本穩定在80MB/s的水平以上。從圖中可以看到，在64B附近，隨著數據包增大，傳輸速率反而降低，這是因為在 DMA方式中，每次傳輸數據都要向CPU請求，得到回應信號后才能接管總線控制權，傳輸結束后還需要向CPU發送結束DMA請求信號，釋放總線控制權。所以在雖然DMA方式有利于提高通信速率，但是小數據量的時候每傳輸一次都需要做這些工作，耗費時間，影響通信效率。反射內存環網通過PIO和DMA 2種傳輸方式的結合使用，確保了不同大小數據包的高傳輸速率。

為了測試反射內存環網的傳輸延遲，設置數據包大小為12k，利用中斷方式進行了500次傳輸測試，統計每次節點間傳輸延遲時間，如圖6所示。

圖6 反射內存環網傳輸延遲統計

從圖中可以看出，每次數據傳輸的延時大約為0.142ms，并且延遲時間都很穩定，抖動非常小。使得數據傳輸可以在可預知的時間內到達目標節點，即數據通信具有高可預見性，保證了系統數據通信的確定性性能。

在可靠性測試中，對上述測試的接收數據進行數據校驗，從而評估反射內存環網傳輸的可靠性。測試表明2節點的反射內存環網環境下，24h內，其傳輸可靠性達到 100%，證明了反射內存環網傳輸的高可靠性。

5 結束語

本文所研究的基于反射內存的光纖總線網絡與MIL-STD-1773、FDDI、吉比特光纖以太網等光通信方案相比不但具有極高傳輸數據率，還具有很強的實時性、可靠的傳輸糾錯能力、嚴格的傳輸確定性和可預測性等特點，能夠更好地滿足新一代彈上信息傳輸的需求。文中針對彈上設備使用環境和信息傳輸特點提出的雙環硬件余度設計及動態傳輸方式選擇策略增強了整個系統的容錯性能，提高了系統不同數據包的傳輸效率。測試結果表明，該光傳系統可在一定程度上滿足彈上信息傳輸系統在傳輸速率、實時性、可靠性、容錯能力等方面不斷增長的要求。

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