一種適合于使命計算的航空電子總線應用研究

使命計算是面向任務的，用以完成高性能計算技術和超越高性能計算技術范圍的各項使命應用。在航電系統發展早期和中期，導航、雷達等子系統相對獨立，任務的處理多依賴于飛行員的判斷和各航電子系統的獨立計算，使命計算的作用并不突出。

隨著航電系統的不斷發展，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，包括調度策略問題，滿足QoS需求和支持新一代飛機實時應用需求的面向對象中間件設計問題，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絡的挑戰 　　

隨著航電系統綜合化不斷提高，不確定性的增加，環境越來越復雜，航空電子使命計算越加重要，而與此同時也就出現了越來越多的挑戰，包括調度策略、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絡密切相關。

2.1 擴展I／O需求 　　

使命計算機需要互連大量的系統，包括數據傳感器、導航子系統、雷達、導彈報警傳感器、網絡數據鏈路、視頻顯示、大量存儲接口等。事實上，對于一個復雜的平臺而言，使命計算機需要互連20～30個不同的子系統。這些數據接口通常要求使用不同的航電總線網絡。航電總線系統不斷發展要求I／O信號的數量急劇增加，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 　　

現代航空電子使命計算要求最密集軟件、嵌入式、關鍵性、不確定性、緊迫性下實時應用特性共同存在。可操作飛機程序的復雜性，就相當于工業領域那樣，被具有多數據源多處理任務的多功能系統操作。增加使命計算復雜性涉及到很多待處理類型：周期性任務；異步任務和要求苛刻的任務；集中式的可計算任務；可結合任務和優先狀態機邏輯任務。處理上述各種任務需要多處理器操作。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 　　

無論是超音速戰斗機還是攻擊型殲擊機或是其他戰機，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量都有了更嚴格的限制，這就要求系統集成者研究一種體性結構使得終端系統具有最小的尺寸和質量。

2.4 支持可替換性和高度可重用性 　　

在現今的航電系統部署結構中，一個復雜的武器系統超過生命周期而繼續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本身，而是應用于后勤的修理代價。通過移除和替代系統組件，例如一些可插拔的處理部件和I／O板級，這減少了傳統的移除系統級“黑匣子”的操作。通過設計線形可替代環系統和處理故障在部件級而非盒子級可以顯著減少成本、體積、質量、費用。現在的航空電子應用通常基于特定的產品族，如果大的、公共的部分可以被共用、開發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，這也會減少開發的時間和提高效率。

3 常用航電總線網絡系統 　　

3.1 MIL-STD-1553B數據總線 　　

MIL-STD-1553B數據總線標準于1978年形成并一直沿用到今天。它是一種按時分式指令／響應模式工作的串行多路數據傳輸總線。總線結構如圖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絡的故障，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備的空間、質量、復雜性、軍用航空電子綜合費用并且可以解決電子系統設計師在綜合來自不同廠家各種現場可更換單元時所面臨的難題的優勢，成為現代機載計算機局域網的支柱。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，消息傳輸的平均吞吐量為200～300 kb／s，且能掛接的終端數目僅32個。

1553B數據總線在減少航空電子設備的空間、質量、復雜性、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總線不能保證關鍵數據的固定傳輸帶寬和實時性以及非關鍵數據對帶寬的實時動態搶占，不能很好地處理關鍵性任務；消息只能以1 Mb／s的速率傳輸，對于關鍵性、不確定性和緊迫性下的處理能力大打折扣；僅能掛接32個終端數目，不能滿足擴展I／O需求。

3.2 MIL-SFD-1773數據總線 　　

20世紀80年代中期，美國在1553B總線技術的基礎上發展MIL-STD-1773光纖總線，它與1553B總線主要區別在于采用光纖作為傳輸介質。MIL-STD-1773總線物理層之上的協議機制與民用傳輸協議類似。為滿足特殊的使用環境采用流量分類技術，同時復合時分和空分機制，從而保證關鍵數據的固定傳輸帶寬和實時性，同時實現非關鍵數據對帶寬的實時動態搶占。其關鍵性缺陷在于，協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數據總線在減少航空電子設備的空間、質量、復雜性、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并且數據傳輸速率達到20 Mb／s，1773數據總線在關鍵性、不確定性和緊迫性下的處理能力都有所增強。但是1773數據總線不能進行分布式處理，不能滿足擴展I／O需求。

3.3 高速數據總線HSDB 　　

20世紀80年代來航空電子設備也發生了深刻變化，為了適應航空電子航空電子系統的高度復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據總線HSDB，以光纖技術構成雙冗余度的通信信道，提高數據通信容量，滿足處理部件之間以及系統間的數據交換需要。這一時期的總線技術由1 Mb／s的1553B上升到50 Mb／s的線性令牌傳遞總線(LTPB)，使航電系統在信息一級實現了更高層次的綜合。但是綜合仍限于數據處理，對于信號，尤其是射頻信號仍沒有達到全面綜合的目的。

高速數據總線HSDB在減少航空電子設備的空間、質量、復雜性、費用以及可替換性和可重用性方面具有很好地能力。HSDB以光纖技術構成雙冗余度的通信信道，滿足處理部件之間以及系統間的數據交換需要。HSDB的傳輸速率能達到50 Mb／s，能夠很好地支持實時應用，這使得HSDB在關鍵性、不確定性和緊迫性下的處理能力相比較1773數據總線都有所增強。HSDB可以掛接128個終端設備，在擴展I／O方面比1553B和1773數據總線有所改善。

4 彈性分組環網和簡化的彈性分組環網 　　

前面已經分析過使命計算在現有.網絡應用中的優點及缺點。下面對彈性分組環(RPR)做研究分析并提出一和簡化的彈性分組環網來改善上述各種總線網絡的不足。

4.1 彈性分組環網 　　

彈性分組環網是IEEE 802協議中最新的一種電信運營級以太網傳輸協議。彈性分組環網的節點結構如圖3所示。RPR技術是一種在環形結構上優化數據業務傳送的新型MAC層協議，能夠適應多種物理層(如SDH、以太網、DWDM等)，可有效地傳送數據、話音、圖像等多種業務類型。

RPR融合以太網技術的經濟性、靈活性、可擴展性等特點，同時吸收了SDH環網的50 ms快速保護的優點。它采用雙環(內環和外環)結構，保證了高可用性；對環路帶寬采用空間重用機制，單播數據傳送可在環的不同部分同時進行，提高了環路帶寬的利用率；并具有網絡拓撲自動發現、環路帶寬共享、公平分配、嚴格的業務分類(COS)等技術優勢。其技術特點包括：支持的傳輸帶寬可達10 Gb／s、空間重用帶寬、本地重用帶寬、支持優先級業務、可由大量的節點或站點組成環網、即插即用、全網節點間的公平性、QoS支持、支持基于環網的冗余保護、獨立于物理層媒質和所有節點處于同步工作狀態(時鐘誤差在ns級，可實現系統的時統)。

4.2 簡化的彈性分組環網 　　

根據RPR的優勢及技術特點可知RPR可以較好地解決現有.網絡在關鍵性、不確定性和緊迫性下以及掛接終端數目的問題。但是RPR在航電設備應用環境下存在以下問題：協議過于復雜、實現成本較高；只能支持環形組網、靈活性受限；對高優先級業務的操作描述不夠詳細。

通過分析現有傳輸總線協議和RPR，提出了簡化的彈性分組環網，使之適合于新一代航空電子總線系統的特點，同時滿足使命計算所面臨的各種挑戰要求。簡化的彈性分組環網主要的改造部分包括主要的改造部分包括：削減支持的網絡節點數；削減對擴展協議的處理；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；對最高優先級的業務處理方式做更詳細的規定；對業務的劃分借鑒MIL-STD-1773和ARINC629的方式進行；對最高優先級業務，采用USB模式處理(響應方式)。簡化的彈性分組環網協議可由1塊芯片實現協議。簡化的彈性分組環網體系結構圖如圖4所示：

簡化的彈性分組環網提供即插即用，不需要用人工指配來設置環網上的新節點，支持多種拓撲結構，傳輸速率能夠達到155 Mb／s，時分和搶占相結合機制，流量控制機制，自動防止光纖或節點故障，保護倒換機制，在使命計算調度策略、關鍵性、不確定性和緊迫性下都具有很強的處理能力。每個環網可以多達64個節點，利用拓撲發現、帶寬管理、保護算法等功能能夠在已有的網絡中增加新節點，或從網絡中移除節點，簡化的彈性分組環網具有強的I／O擴展能力。

簡化的彈性分組環網具有以下優點及特性： 　　

(1)支持多種拓撲結構：包括環型拓撲、線型拓撲、雙環型拓撲、網狀拓撲、集線器拓撲、關鍵路徑冗余拓撲等。

(2)動態拓撲發現：當前.的拓撲信息是通過網管軟件配置實現。動態拓撲發現功能雖然會增加協議芯片本身的復雜度，但大幅降低了網管軟件和人為控制的復雜度，總體而言大大降低了系統的復雜度，同時使系統的自動化水平更高。動態拓撲發現還能帶來以下優勢：可最大限度的提高網絡的可用帶寬；可防止網絡斷路或節點失效的情況下引起的重發風暴；可方便地實現網絡的冗余保護機制。

(3)能適應多系統整合：可以滿足不同系統的測試接人；可支持多個節點接入；網絡帶寬高、易于系統擴容；網絡管理方便、易于用戶二次開發。

(4)高可靠性：可方便實現關鍵部件的冗余保護；傳輸線路可實現實時冗余倒換；網絡物理層和協議層采用增強的前向糾錯碼保護；關鍵數據采用接收端終結方式，并采用接收響應機制。

(5)時分和搶占相結合機制：整個網絡帶寬按2 M單元進行時隙劃分。單元內容可以自行定義(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。這樣即保證了高優先級業務的實時性，又可使各節點的非高優先級業務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：系統中存在各種不同的非高優先級業務，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務分優先級處理，避免造成低優先級數據搶占高優先級數據帶寬的情況出現。同時流控機制的加入，可將網絡使用情況間接的通知應用層，使應用層暫停或放慢向環路發送數據。

(7)帶寬管理公平性算法：對非高優先級業務，為避免突發業務造成的網絡擁賽，需權衡各節點業務的帶寬使用情況，保證網絡各節點在帶寬使用上的加權公平性。公平算法的一些規則包括：對穿的高優先級包先發送；如果對穿的低優先級包緩存沒有超過一個低優先級閾值，且本地的帶寬使用率低于允許的帶寬使用率，來自本地的低優先級包可以發送；如果沒有別的符合上述要求的包要發，則可以發送對穿的低優先級包。簡化的彈性分組環網帶寬管理機制如圖5所示。

(8)同步機制：采用節點時鐘調整機制，可將各節點的時鐘調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點的時鐘作為參考時鐘。

(9)保護倒換機制：在節點或者線路失效時，能在50 ms內恢復線路通訊。采用2級倒換方式，一級倒換對失效做出快速反應，二級倒換優化倒換后的傳輸路徑。簡化的彈性分組環網保護倒換機制如圖6所示。

(10)開放性：在工程和系統設計中應用標準接口和符合這些標準的設備。可以在維護系統性能甚至提高系統性能的情況下降低開發成本、縮短開發時間。具有故障檢測、隔離和修復功能，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，從而提高系統的可用性。依據穩定的接口標準使開放式系統更適合先進技術和市場變化。

(11)實現協議的代價較小：成本低、體積(面積)小、重量輕。

簡化的彈性分組環網總線協議基于對通訊用802.17協議的簡化，結合傳統.的一些特點，實現一種滿足航空分布式設備的局部總線協議。它具有實現簡單、支持的傳輸帶寬高、與物理層獨立、能適應多系統整合、高可靠性、高可用性、同步機制、實時性、開放性等特點。

簡化的彈性分組環網在減少航空電子設備的空間、質量、復雜性、費用以及可替換性和可重用性方面具有很好的能力。簡化的彈性分組環網提供即插即用，不需要用人工指配來設置環網上的新節點，支持多種拓撲結構，傳輸速率能夠達到155 Mb／s，時分和搶占相結合機制、流量控制機制、自動防止光纖或節點故障，保護倒換機制，在使命計算調度策略、關鍵性、不確定性和緊迫性下都具有很強的處理能力。每個環網可以多達64個節點，利用拓撲發現、帶寬管理、保護算法等功能能夠在已有的網絡中增加新節點，或從網絡中移除節點，簡化的彈性分組環網具有強的I／O擴展能力。

5 結 語 　　

航電系統經過幾十年的發展與演化，已經經歷了三代。現今，美國航電系統已經發展為第四代，而我國也正在進行預研第四代航電系統。由于現代科學技術日新月異，再加上航空設備研制周期相對較長，因此，現在還難以準確地描述新一代航電總線網絡的需求、功能、要求等。本文旨在從使命計算對航電總線網絡提出的挑戰出發，提出一種新的航電總線網絡。對新一代航電總線網絡還有很多問題需要深入的研究和探討。