FC?AE?1553協議分析與研究

摘 要： 為解決FC?AE?1553協議相關產品開發過程中的疑點和難點，從網絡架構、拓撲以及協議傳輸模式等方面對FC?AE?1553進行了全面細致的分析，并對FC?AE?1553協議與MIL?STD?1553B協議進行比較，提出了協議的簡化及優化方案，同時分析了FC?AE?1553協議研究的現狀及難點，對該協議的研究工作以及后續相關產品的開發有較高的參考價值。

關鍵詞： FC?AE?1553； MIL?STD?1553B； 網絡架構； 網絡拓撲

中圖分類號： TN915.04?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）11?0021?03

Abstract： In order to solve the doubts and difficulties in development process of FC?AE?1553 Protocol related products， the FC?AE?1553 Protocol is comprehensively and detailedly studied in the aspects of network architecture， topology and protocol transmission mode. The FC?AE?1553 Protocol and MIL?STD?1553B Protocol are compared. The simplification and optimization schemes of the protocol are proposed. The research situation and difficulty of FC?AE?1553 Protocol are analyzed. The research work of the protocol and development of the subsequent related products have the high reference value.

Keywords： FC?AE?1553； MIL?STD?1553B； network architecture； network topology

1 網絡架構分析

在基于FC?AE?1553協議實現網絡通信系統時，可選擇FC網絡的三種基本拓撲實現，結合FC?AE?1553的命令/應答工作模式，將拓撲構型可以分為兩類：

交換結構：基于交換機的星型網絡架構，各個節點具備獨立的帶寬。

共享帶寬結構：點到點和仲裁環網絡架構，其中點到點可以看作是仲裁環網絡的一個特殊形式。和傳統的MIL?STD?1553B協議對比，共享帶寬結構更加類似于在傳統的網絡架構基礎上進行了帶寬、地址空間以及數據傳輸長度的擴展，工作模式較傳統的MIL?STD?1533B總線沒有本質的變化，但更易于理解，它要求節點必須支持仲裁功能，節點機本身的構造更復雜，具有單點故障模式，可靠性低，優點是成本低，網絡互連方便簡單。該型網絡拓撲示意見圖1。從圖1中可以看出，如果一個鏈路或一個節點失效，整個網絡失效。

交換結構：交換結構是一種大規模擴展FC網絡的有效方式，其在帶寬擴展上相比仲裁環結構有著先天性的架構優勢，但是由于額外的高速交換設備的引入和星型結構方式的限制，其成本更高，且同樣存在單點故障的問題。該拓撲結構示意見圖2。從圖2中可以看出，SW出現問題時整個網絡失效，但是某個節點或鏈路失效時，對整個網絡其他節點沒有影響。

2 網絡拓撲改進

基于以上分析，可以看出無論何種網絡拓撲架構在實現FC?AE?1553協議時，如果要達到MIL?STD?1553B網絡拓撲架構所實現的故障容錯以及高可靠性時，傳統的FC網絡拓撲架構都存在一定的弊端，必須采用如下的方式加以改進：

雙余度結構：將網絡中用于數據交換的鏈路或設備進行余度備份，增加傳輸路徑提高網絡傳輸的基本可靠性。

節點旁路電路：對于仲裁環結構，由于其直接使用光纖串聯多個節點，且信息傳播根據FC?AL標準必須經過節點內部轉發，如果單個節點故障，則整個鏈路必將出現癱瘓，因此必須對節點收發機電路進行改進，增加旁路電路。而對于交換結構的節點機而言，由于獨享鏈路，則不存在該問題。同樣，余度鏈路結構也是必須的。

從圖3可以看出，余度拓撲網絡中鏈路的單點故障均不會造成網絡失效，但是在仲裁環結構中，如果節點故障仍舊會造成網絡失效。對此，需要在節點機上增加節點旁路電路和備用電源電路，確保節點故障時網絡能夠正常通信（FC網絡在通信中，必須保證整個鏈路閉環，確保各個節點收發機能夠正常的發送和接收才能進行通信，這是在物理層面和MIL?STD?1553B網絡的最大差別）。

結合對余度拓撲的分析以及FC?AE?ASM協議的實現經驗，在交換結構中增加余度成本雖然較高，但是其技術相對更為簡單，只需要增加交換設備并增加節點機的鏈路即可，技術更為成熟可靠。而仲裁環結構由于其節點結構本身復雜度非常高，且在余度中需要對鏈路旁路、故障隔離檢測進行新的探索和研究，當前階段，在工程中實現不太可行。

3 協議傳輸模式

FC?AE?1553協議是基于FC協議基礎上通過映射方式實現的MIL?STD?1553B通信模式，但是基于環境的較大差異和FC固有特性，在FC?AE?1553協議中引入了一些新的模式，并有別于傳統的MIL?STD?1553B定義的傳輸模式。在本協議中定義的傳輸模式包括：

（1） NC→NT：單播通信方式，由NC發出接收命令序列，NC可以在命令序列中攜帶數據或在后續幀中發送數據。

（2） NC→NTs：多播或廣播通信方式，由NC發出接收命令序列到2個或2個以上的NT，NC可以在命令序列中攜帶數據或在后續幀中發送數據；

（3） NT→NT：單播通信方式，由NC發出發送命令序列到發送NT，發送端NT接收到命令后，再發送接收命令到接收NT；

（4） NT→NTs：多播或廣播通信方式，由NC發出發送命令序列到發送NT，發送端NT接收到命令后，再發送接收命令到接收NT；

（5） NT→NC：單播通信方式，由NC發出發送命令序列到NT，NT接收到命令后發送數據到NC；

（6） NT→NT（s）/BC：多播或廣播通信方式，由NC發出發送命令序列到發送NT，發送端NT接收到命令后，再發送接收命令到接收NT，在發送數據時同時發送到NC，讓NC實現數據的監控。

以上幾種模式為FC?AE?1553協議定義的基本模式，沒有仔細區別小的模式，比如命令+數據序列或命令序列+數據序列等模式。主要原因是在傳輸的數據流向上沒有本質差別，沒有進一步劃分。

4 MIL?STD?1553B和FC?AE?1553差異

FC?AE?1553協議是針對MIL?STD?1553B協議進行的擴展，并非簡單的性能升級，兩者之間的區別如下：

（1） 在MIL?STD?1553B協議中，只有BC可以發出命令字，用于控制NT進行收發操作，而在FC?AE?1553協議中，除了NC可以發出命令字外（命令序列），主動發起數據的NT也可以發出命令字（命令序列），當然，其不是命令序列的起始。

（2） 應答功能：在FC?AE?1553協議中，應答功能并非必須，而是由命令字（命令序列）中的相應字段指定的，而MIL?STD?15553B協議中應答是必須的。

（3） 數據字（序列）傳輸間隔：在FC?AE?1553協議中定義了兩種傳輸間隔，立即傳輸（根據PRLI注冊長度）或等待應答傳輸，在每一個命令序列發起時均可選擇，而在MIL?STD?15553B協議中不同的傳輸模式數據字和命令字的傳輸間隔是固定的，沒有可選性。

（4） 多播：FC?AE?1553協議定義了有關多播的功能，其用于支持實現NC對于傳輸數據的監控以及點到多點的通信功能，在MIL?STD?1553B協議中只有廣播而沒有多播。

（5） 數據監控：在FC?AE?1553協議中沒有給出MT節點的定義，但是對NT→NT（s）通信的數據監控定義了一種模式，即使用NC進行數據捕獲，將NT→NT（s）的數據同時發送到NC進行監控。在MIL?STD?1553B網絡中，MT一般作為一個獨立的功能節點，或者RT/MT作為一個節點，沒有BC同時兼顧MT功能的用法和定義。

（6） 協議組織層次：MIL?STD?1553協議中，無論何種傳輸模式，其不需要進行分層次的定義，全部傳輸以地址標識目標節點，而在FC?AE?1553協議中，除了以地址標識傳輸目標外，還應考慮序列、交換的層級結構，序列發起方的轉移，交換標識的管理等，從而確保一次傳輸只能對應到一個交換，確保傳輸的可并發性，管理模式更為復雜。

5 協議簡化及優化

在FC?AE?1553協議定義時，其對傳輸方式進行了擴展，而傳統的MIL?STD?1553B協議只定義了BC→RT，BC→RTs（廣播），RT→BC，RT→RT，RT→RTs（廣播）等傳輸方式，且所有情況下除廣播接收外其余傳輸必須進行應答（狀態字），如果考慮到傳統基于MIL?STD?1553B協議應用的無縫升級，則可以對當前FC?AE?1553定義的傳輸模式進行簡化，在符合協議子集和應用模式的前提下，有效降低網絡設備設計和實現的復雜度，提高工程下的可實現性。對FC?AE?1553協議進行優化時，擬從如下幾個方面進行：

（1） 傳輸模式：以兼容傳統MIL?STD?1553B協議為基礎，去掉多余的傳輸模式，如不應答模式。

（2） 固定數據傳輸間隔，仿照MIL?STD?1553B協議的數據傳輸間隔，去掉FC?AE?1553協議中的數據間隔的可選性，將不同模式下的數據間隔固定，但不違反協議本身定義。

（3） 去掉可選項的支持，比如RDMA，而采用主動發送方式進行傳輸，簡化掉諸如PRLI等服務的支持功能。

（4） 明確增加余度結構，并對余度結構進行詳細定義，提高網絡通信可靠性。

（5） 去掉NC的監控功能，獨立增加監控節點定義，以降低組播表配置復雜度，簡化NC設計。

基于以上幾點優化后的FC?AE?1553協議具備如下特點：高可靠性，具備余度傳輸鏈路；節點復雜度低，有利于降低功耗和體積；時間特性得到增強，去掉了一些處理分支，增加硬件處理的確定性，能夠簡化故障模式，增強實時性；良好的升級性，可以對應用和驅動進行小幅修改進而保證系統升級后的功能正確。

而優化后也帶來了一定的缺點，包括：網絡功能減少，由于對傳輸模式和節點功能的簡化，網絡在后期升級能力方面有所降低；網絡整體復雜度提升，成本有所升高，但是由于對節點機協議處理進行簡化，其整體成本應該比實現FC?AE?1553協議全集的成本低。

6 FC?AE?1553協議研究現狀

目前針對FC?AE?1553協議的研究在國內仍舊處于探索階段，其定義的復雜傳輸和功能模式尚未完全理解，分析研究僅限于協議本身的分析，尚未開展工程化的仿真和技術攻關工作。

在國際上FC?AE?1553協議作為目前FC?AE組織推出的一個重要協議，正在逐步完善。目前支持該協議產品已經存在，比如DDC公司的FC板卡，但是沒有測試設備廠商研發出測試支持設備，是否完全滿足協議沒有經過權威的測試機構進行認證，DDC公司也沒有作為主導產品進行推廣，應該說在研制環節上存在不足，無法提供可用的支持和驗證。型號應用中，FC?AE?1553被多次提及，涉及航天、航空等多個領域，主要考慮的是型號升級改造，尚未進入正式論證階段。

7 協議研究的難點

FC?AE?1553作為一種面向航空電子系統的基于FC網絡的高層協議，其研制開發過程結合當前的技術水平和發展，從理論和工程兩方面對困難進行說明。

7.1 理論層面

標準實現支撐：雖然已經出現相關產品，但是沒有標準測試設備的支持，很難全面進行協議實現符合性和技術指標的考察。

關鍵參數定義：比如應答超時值，傳輸時間間隔以及多播組定義等協議并未給出明確的定義，必須依據現實的應用模型進行仿真和定義。

網絡架構改造和標準編制：針對可靠性、容錯能力等指標進行網絡架構改造，并盡快編制相關的標準，從理論層面進行支撐，對支持該協議標準的產品研制進行規范。

應用模式不夠清晰，超出協議自身的應用模式定義和需求比比皆是，無法對整個模式進行標準化清理和規范。

7.2 工程實現層面

在機載領域主要使用點到點和交換拓撲結構，仲裁環雖然比較接近傳統的MIL?STD?1553B網絡結構，但是NL端口的研制由于其本身具備仲裁特性更為復雜，且沒有可借鑒的產品，需要進行重新定義和研發。

目前實現協議處理，初期均考慮FPGA進行設計實現，但是針對FC?AE?1553的復雜傳輸模式，對FPGA的小型化、低功耗設計而言，是一個較大的難點。

網絡設計驗證：沒有專用的測試設備和規范，需要在研制中額外增加多種輔助手段，增加了設計的難度和工作量，甚至有可能導致理論設計和工程應用設計的架構出現較大變化，增加了工程應用的風險。

FC網絡利用率：在一個超出MIL?STD?1553B網絡帶寬1 000倍以上的網絡中，基于命令/應答方式的FC?AE?1553協議如何有效地利用網絡帶寬傳輸數據，且不會對系統的應用模式規劃、配置以及產品設計增加較大的難度。

8 結 語

通過分析，目前國內所掌握的FC?AE?1553技術距離工程實際應用仍舊存在差距，短時間內無法轉入工程設計實現階段，還需要對協議、節點架構、傳輸模式以及網絡管理等技術點進行更為深入的研究、仿真，獲取更為詳盡的材料，有效突破相應的關鍵技術才能滿足型號工程化研究的需要。

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