基于高速光纤实时网的弹上信息传输技术研究

胥辉旗，朱平云，潘莉莉，何献武

(1.海军航空工程学院 科研部，山东 烟台 264001；2.海军航空工程学院 研究生管理大队，山东 烟台 264001)

1 引言

早期的导弹武器系统大部分设备间普遍采用点对点直接连接的电缆网进行仪器间的信号传输。这种繁杂的连接线路降低了系统的可靠性，同时，电缆中传输的大量模拟信号易受干扰，甚至本身就是强干扰源，降低了系统的电磁兼容与抗毁能力。而总线方案能够有效地提高导弹综合信息处理能力，简化系统结构，减轻消极质量，提高可靠性，提升系统的整体性能。俄罗斯的“宝石”导弹、印度的“烈火Ⅱ”中程导弹及美国的MX洲际导弹的弹上设备间信息传输采用了标准1553B总线[1]。

随着导弹性能、功能的增加、执行作战任务复杂程度的提高，越来越多不同功能任务子系统在导弹武器系统上应用，对导弹武器信息的获取、交互、综合处理等提出了更高的要求。新一代导弹武器综合信息系统更是要求在信号一级实现综合，大量中间信息的实时传输对弹上信息传输技术提出了更高的要求，高速光传实时网已成为弹上信息传输的发展趋势。

2 新一代弹上信息传输需求分析

2.1 弹上信息传输特点分析

导弹作为一次性使用的、无人控制的一种特殊机动平台，它在使用中不可维修，而且导弹在工作中存在较强的机械振动和电磁干扰，温湿度、气压、洁净度也难以保证，因此要求弹上总线具有极高的可靠性。再则，导弹运动速度快，执行任务时间短，对数据的实时性，传输确定性、容错性等提出了极高的要求。同时，弹上信号传输有着如下鲜明的特点。

1) 规律性。弹上信息传输具有规律性，随机信号较少。导弹系统执行的任务比较单纯，信号的产生和传输是严格按照控制程序进行的。信号采样与控制是周期性的，而且周期是固定的，或是程控的，离散的控制信息也有着严格的时序关系。

2) 不均匀性。弹上信息传输在空间和时间上是不均匀的。从空间上讲，导弹系统中的各设备所处理的信息量差别很大，传输负荷也不相同。从时间上讲，导弹系统信息传输是一个有中心的、传输负荷不均匀的、有明显数据流方向性的网络。

3) 不规则性。导弹传输的信息既有小数据包的指令信息又有雷达数据、图像数据等大数据包的信息，因此要求弹上信息传输系统对大小不同数据包同时具有较高的传输效率。

4) 可靠性。导弹的特殊性要求弹上总线在硬件与通信协议上具有极高的可靠性。具备隔离、冗余和多种错误检测与故障恢复机制，降低误码率，防止网络瘫痪，确保弹上信息传输系统在恶劣的环境中能够可靠工作。

5) 高速性。随着信息技术的发展，新一代的导弹武器系统综合信息系统中，要求在信号一级实现综合，弹上传输的不再仅仅是命令和状态数据，而主要是各传感器等的大量中间数据。各功能子系统海量数据共享、实时交互、综合处理等要求弹上信息网络应当具有极高的带宽和微秒级别的数据延迟。

2.2 新一代弹上总线需求分析

光纤总线网络以其带宽高、质量轻、电磁兼容性好等特点，已被证明是满足飞行器平台综合信息系统需求的有效方案。本文所研究的基于反射内存（reflective memory）的光纤总线网络[2]与MIL-STD-1773[3]、FDDI[4]、吉比特光纤以太网等光通信方案相比不但具有极高传输数据率，还具有很强的实时性、可靠的传输纠错能力、严格的传输确定性和可预测性等特征。

1) 高传输数据率。与 MIL-STD-1773最高3Mbit/s和FDDI最高100Mbit/s数据率相比，反射内存光纤网络数据率最高可达2.125Gbit/s[5]。

2) 很强的实时性。反射内存光纤网络具有纳秒级的传输延迟。

3) 严格传输确定性。以太网的CSMA/CD(载波监听多路访问/冲突检测)的传输机制决定了其很难保证传输延迟的确定性。反射内存光纤网采用硬件方法实现数据通信，和以太网及 FDDI采用软件方法实现OSI模型中各相邻层间的数据通信相比，系统通信基本不占用CPU时间，不需要OSI多层协议支持，具有严格的传输确定性和可预测性[6]。

4) 不同数据包的高通信效率。吉比特光纤以太网对小数据包的传输效率远低于对大数据包的传输速率。反射内存光纤网采用透明传输体制[7]，并能根据传输数据大小动态选择传输方式，因此对大小数据包都同时具有极高的传输效率。

5) 可靠性高。反射内存光纤网可采用双环路冗余设计，增加网络实时监测和自愈合功能，内建数据校验、恢复机制，具有很好的容错性和极高的传输可靠性。

6) 跨平台支持。反射内存光纤网络允许集成不同厂商的系统硬件，并且组网只涉及对反射内存操作，不需要平台操作系统网络协议支持，网络各节点支持不同的软硬件平台，具有极大的方便性。同时反射光纤网络最多能支持256个节点，具有较强的可扩展性[5]。

3 系统结构与组成

3.1 网络拓扑结构及协议设计

该弹上信息传输网络采用反射内存机制，拓扑结构为环形。因为相对于其他结构，环形拓扑不仅易于提高通信的实时性，且具有更好的容错能力，更便于在硬件级别实现错误诊断及修复[8]。典型的反射内存光纤环网如图1所示。每个弹上设备接一个RM（reflective memory）接口适配器，构成一个网络节点，各网络节点利用光纤将收发端口相连，构成环网。每个RM接口适配器均集成一块专用的存储空间，并将其映射到该网络节点处理系统的地址空间，这样节点处理系统对 RM接口适配器的操作就和对本机内存操作方式一样。当任务设备往映射到反射存储器的虚拟地址空间的某个位置写数据的时候，反射内存环网络协议在纳秒级的时间内将数据传播到网络上的每个其他节点，并且更新的传播操作是异步的，没有应用系统处理器的介入。

图1 典型反射内存环网拓扑结构

上述结构虽然可满足高速通信需求，但单环结构不能满足弹上设备的高可靠性要求。一旦环路上的某个环节出现故障，都将导致整个光传通信系统瘫痪，这显然是不允许的。为了改善这种状况，机载飞行平台普遍采用物理星型结构（逻辑上还是环形结构）的双冗余高速交换机，通过交换机的冗余设计和旁路功能来解决可靠性问题。相对于飞机而言，导弹平台任务设备较少，且弹上空间狭小，双冗余高速交换机的物理星型结构不适合弹上使用。本文结合弹上使用特点，采用双环冗余环网，有效地解决了弹上信息高可靠性传输的问题。

改进后的高可靠反射内存环网如图2所示，RM接口适配器采用双端口设计，系统中各网络节点通过1、2、3、4和a、b、c、d光纤分别组成外环和内环2个环网。双环冗余设计确保一条路径上数据出错或丢失后，另一条路径的数据仍能正确传输到达目标节点，同时系统具备良好的容错和重构能力。任意一光缆或者是节点故障均不影响其他网络节点间正常通信。

图2 改进后高可靠反射内存环网拓扑

系统容错及重构功能如图3所示，假设外环4号光缆因为故障而断开，网络节点4的RM接口适配器能马上检测到并隔离4号光纤、重构网络。通过1、2、3、c、b、a光缆重新构成环网，确保全部4个节点均能正常通信。假设4号网络节点故障，网络节点3的RM接口适配器能马上检测到并隔离网络节点4，并通过1、2、b、a光缆重新组成3节点环网，确保剩余3个节点正常通信。

图3 反射内存环网容错重构

3.2 RM接口适配器

RM接口适配器为各任务设备和反射内存光纤网络相连的接口，具有数据传输及网络管理双重功能，是整个反射内存环网的核心设备。RM接口适配器主要由光电转换、数据编/解码/并行处理、网络管理状态机、存储器、协议管理模块及任务设备接口等组成，系统功能框图如图4所示。系统采用双光纤接口冗余设计、具有网络容错和重构功能，同时考虑到弹上应用需要，RM接口适配器采用嵌入式设计，并且任务设备接口可以根据弹上设备接口需要设计。

图4 RM接口适配器功能

数据传输时，当某个节点将数据写入本地RM 接口适配器内部的某存储器区域后，其内部控制电路立即按照协议将该存储区的数据与节点号、存储器地址、数据长度等信息组合成长度不等的数据分组，通过光纤接口传递到下一节点。下一节点收到该数据分组后对其进行“解分组”，然后将数据按照上一节点的写入地址将信息相应存入本地存储器区域，同时将信息送发送模块向下一节点传输。如此循环，直至该分组传回到其源始节点被消除为止。此时，网络上所有节点接口适配器相应存储器区域的数据均已被更新为源节点所写入的数据[9]。

为同时兼顾弹上指令数据等小数据包传输及图像、雷达数据等大数据包传输的高传输效率，RM接口适配器内建动态传输方式选择功能。针对反射内存环网小数据量传输时，PIO（programmable input/output）方式比 DMA（direct memory access）方式传输效率高，反之，大数据量传输时，DMA方式比PIO方式传输效率高。系统不但能根据传输数据量大小，动态调整数据分组长度，还能设定一个阈值，当数据分组长度小于阈值时，自动采用PIO传输方式，当数据分组长度大于阈值时，自动采用DMA传输方式，从而使系统无论传输控制指令还是大数据量的传感信息均具有很高的效率。

RM接口适配器还具备网络管理、容错及重构能力如下。

1) 故障节点隔离。若某个光端口未探测到光信号或探测到错误的同步码，则自动隔离该端口或网络节点，并利用冗余环路迅速重构整个网络。

2) 自动旁路故障光缆。自动检测到光缆故障，能自动旁路故障光缆，通过内环、外环其余光缆重新构成环网，确保所有节点均正常通信。

3) 节点实时加入。有新节点加入或被隔离的节点恢复正常时，自动将该节点加入网络，并通知其他节点重构网络[8]。

4 反射内存环网性能测试

为测试反射内存环网在不同大小数据包下的传输速率，验证实时性、传输确定性，并对发送出去和接收回来的数据进行比较，验证可靠性，设计本测试。测试中反射内存环网工作在 Windows NT+RTX环境下，其中RTX是Windows NT的一种实时扩展模块，通过对Windows NT操作系统的内核加载实时扩展模块RTX来保证系统的实时性[10]。

为了测试方便，设置每个包大小为PACKAGE，每次测试发送500个包，核对测试数据并计算传输时间。设置PACKAGE分别为4~220 000B，分别取了50组数据，测试结果如图5所示（横坐标非均匀比例坐标）。

图5 反射内存环网数据传输测试

图5中有2个拐点，第一个就是包大小为64B的时候，另一个就是包大小为12k的时候。包大小为64B，也就是DMA方式下的默认阈值的大小，当传输的数据量小于 64B的时候，系统默认采用PIO传输方式，因此随着包大小的增加，传输速率也随之增加；但是当包大小达到DMA阈值时，为提高传输速率，系统默认采用DMA传输方式，在大于等于64B以后，随着每次传输包大小的增加，读写速率也随之增加，当传输的数据包在12k以后基本稳定在80MB/s的水平以上。从图中可以看到，在64B附近，随着数据包增大，传输速率反而降低，这是因为在 DMA方式中，每次传输数据都要向CPU请求，得到回应信号后才能接管总线控制权，传输结束后还需要向CPU发送结束DMA请求信号，释放总线控制权。所以在虽然DMA方式有利于提高通信速率，但是小数据量的时候每传输一次都需要做这些工作，耗费时间，影响通信效率。反射内存环网通过PIO和DMA 2种传输方式的结合使用，确保了不同大小数据包的高传输速率。

为了测试反射内存环网的传输延迟，设置数据包大小为12k，利用中断方式进行了500次传输测试，统计每次节点间传输延迟时间，如图6所示。

图6 反射内存环网传输延迟统计

从图中可以看出，每次数据传输的延时大约为0.142ms，并且延迟时间都很稳定，抖动非常小。使得数据传输可以在可预知的时间内到达目标节点，即数据通信具有高可预见性，保证了系统数据通信的确定性性能。

在可靠性测试中，对上述测试的接收数据进行数据校验，从而评估反射内存环网传输的可靠性。测试表明2节点的反射内存环网环境下，24h内，其传输可靠性达到 100%，证明了反射内存环网传输的高可靠性。

5 结束语

本文所研究的基于反射内存的光纤总线网络与MIL-STD-1773、FDDI、吉比特光纤以太网等光通信方案相比不但具有极高传输数据率，还具有很强的实时性、可靠的传输纠错能力、严格的传输确定性和可预测性等特点，能够更好地满足新一代弹上信息传输的需求。文中针对弹上设备使用环境和信息传输特点提出的双环硬件余度设计及动态传输方式选择策略增强了整个系统的容错性能，提高了系统不同数据包的传输效率。测试结果表明，该光传系统可在一定程度上满足弹上信息传输系统在传输速率、实时性、可靠性、容错能力等方面不断增长的要求。

[1]郑建林.火箭控制系统总线传输技术研究[D].国防科技大学工程硕士论文, 2005.ZHENG J L.Research on the Data Bus Transmit Technology for the Rocket Control System[D].Master Degree Dissertations of National University of Defense Technology, 2005.

[2]顾颖彦.反射内存环网实时通信技术的[J].计算机工程,2002,28(7):143-145.GU Y Y.Research of real-time communication based on reflective memory network[J].Computer Engineering, 2002,28(7):143-145.

[3]ZHANG J G, NI Y D, SHARMA A B.Data buses take flight[J].Circuits and Devices Magazine, 2002, 18(4):18-31.

[4]HALL I K, STIGALL P D.Distributed flight control system using fiber distributed data interface[J].Aerospace and Electronic Systems Magazine,IEEE,1992, 7(6): 21-33.

[5]General Electric Company.VMIPCI-5565 ultra high-speed fiber-optic reflective memory with interrupts product manual[EB/OL].http://www.geip.com/produces/12136, 2002.

[6]CHUNG S T, GONZALEZ O, RAMAMRITHAM K.A CORBA compliant reflective memory based real-time communication service[A].Proceedings of the 21st IEEE on Real-Time Systems Symposium[C].2000.47-56.

[7]CHIA S, ICHIRO M.RT-CRM: real-time channel-based reflective memory[J].IEEE Transactions on Computers, 2000, 49(11): 1202-1214.

[8]张益东, 杨一栋, 张树坤.超高速实时光传操纵系统研究[J].航空计算技术，2006,36(5): 1-4.ZHANG Y D, YANG Y D, ZHANG S K.Research on ultra-speed real-time fly-by-light system[J].Aeronautical Computing Technique,2006, 36(5): 1-4.

[9]YAMASAKI N.Design and implementation of responsive processor for parallel/distributed control and its development environments[J].Journal of Robotics and Mechatronics, 2001,13(2): 125-133.

[10]楼俊荣.分布式虚拟靶试系统的实时数据通信与管理技术研究[D].西北工业大学硕士学位论文, 2006.LOU J R Research on Real-Time Data Transmit and Manage Technology of Distributed Virtual Fight-Test System[D].Master Degree Dissertations of Northwest Polytechnical University, 2006.