光纤通道在航天运输系统的应用分析

江云秋 张 玮 蒋彭龙

1.宇航智能控制技术国家级重点实验室，北京100854

2.探月与航天工程中心，北京100037

在20世纪70年代初，美国军方和政府公布了MIL－STD－1553数据总线标准［1］，MIL－STD－1553是美国国防部制定的军用数据总线标准，全称是“时分制命令/响应型多路传输机载数据总线”，目的是解决不同航空电子设备之间通信接口复杂的问题，70年代末和80年代初又提出了MIL－STD－1553B总线标准并做了多次改进［2］。MIL－STD－1553B具有线性的网络拓扑结构、双总线或多总线冗余结构、出色的环境适应能力、实时性等优势。然而对于量越来越大的数据传输应用，MIL－STD－1553B存在一系列的局限性，包括数据传输速率、有限的容错能力以及维护工作复杂等，因此发展新一代高速数据总线对于航天运输系统是势在必行。

光纤通道(FC)是为满足不断增长的高性能数据传输需求而出现的高速串行数据通信互连网络技术［3］，具有高可靠、实时性强、低延迟、高吞吐率、低成本等优点，并且FC－AE(Fiber Channel Avionics Environment)标准专为航空系统设计，接近航天系统的使用环境，同时FC－AE－1553上层映射可平滑代替1553B总线，最大限度继承现有成果。因此，以光纤通道替代传统总线将成为航天系统总线技术的必然选择。

1 光纤通道协议介绍

光纤通道将通道传输的高速性和网络传输的灵活性结合在一起，可以在统一网络上运行当前流行的通道标准和网络协议;支持多种上层协议，采用层次化的结构，定义了3种拓扑结构:点对点、仲裁环、交换式网络，既能方便的实现高速高效传输，同时又提供了极大的灵活性。

1.1 分层结构

FC标准体系采用层次化结构，由FC－0，FC－1，FC－2，FC－3，FC－4共5层组成，如图1所示。

其中FC－0层描述物理接口，它包括传送介质、发射机和接收机及其接口，规定了收发器和各种物理媒介的光电参数;FC－1是编码和同步层，它采用直流平衡8b/10b码;FC－2是信号传输协议层，它规定了数据传输的规则，提供了数据块从一个端口传输到下一个端口的传输机制;FC－3层为一些高级特性提供所需要的通用服务，是光纤通道节点的多个N端口所公用的;FC－4层是FC协议的最高层，它规定了光纤通道结构到上层ULP协议的映射方法，以使现有的协议不经过修改就可以使用光纤通道协议。

1.2 FC系统的拓扑结构

光纤通道有3种拓扑结构如图2所示，即点对点、仲裁环和交换式结构。其中点对点是最简单的拓扑结构，允许2个节点之间直接通讯，如图2(a)所示。仲裁环是一种环路拓扑结构，如图2(b)所示。可以提供127个设备之间的高速连接，数据在环路的一个方向上传送，仲裁环在同一时刻只有一对环端口进行通信，环中的设备只有检测到环处于空闲状态，才能通过仲裁环获得仲裁环的使用权。仲裁环结构提供了一种不需要附加设备就可以进行多节点互联的解决方案。交换结构是由包含一个或多个“交换单元”或“交换机”的网络组成，图2(c)是一个多N_Port通过一个Fabric连接的结构，2个以上的N端口可以通过“交换结构”相互连接起来，交换结构使多节点之间互联具有更大的灵活性。

1.3 链路服务

光纤通道协议标准规定了一系列的链路服务供不同层次的协议使用［4］，链路服务用于管理节点之间的通信和节点与交换机之间的交互。标准主要定义了3种链路服务:基本链路服务、扩展链路服务和FC－4链路服务。不同的链路服务实现不同的功能，从低级别的信息查询到高级别的信息交换。

基本链路服务是指在一个新发起或已经存在的序列中发送的单帧命令，通过单帧命令和响应实现，当前标准中规定了6个基本链路服务，包括中止序列、接受命令、拒绝命令、无操作、移除连接和专用连接被抢占。一个N端口可以通过使用扩展链路服务来请求另一个N端口执行某一个操作，接收到拓展链路服务请求的端口必须回送一个响应，光纤通道标准定义了数十个扩展链路服务，例如交换注册、端口注册、注销、时钟同步服务请求、时钟同步更新等。FC－4层提供了在光纤通道上使用现有的协议而不需要修改协议的方法，FC节点只需提供高层协议要求的极低层的传输服务，这种集中功能要求FC－4提供附加的服务，如数据的缓冲器、同步和优化次序等。

2 光纤通道在航天运输系统的应用分析

MIL－STD－1553总线曾在相当长一段时间内作为航空电子系统的数据总线标准，但是随着对数据密集型任务的要求越来越多，MIL－STD－1553总线1Mbps的数据传输速度远不能满足当前和未来武器系统对通信带宽的要求。由于光纤通道具有特殊的性能，使其能够取代MIL－STD－1553总线成为新一代高性能航天系统数据总线的最佳选择。

2.1 FC－AE标准

光纤通道运用于控制网络，完善的高层协议还需要功能实现人员做定义，针对航空电子领域，产生了FC－AE标准，该标准通过一组实时的结构以扩展光纤通道，从而提供确定性延迟、带宽、以及满足系统的需求，其重点是要定义实时的仲裁环路扩展，实时请求的优先权抢占机制和一个实时同步环路，目的是通过使用定长包和环路存取来提供有界延迟和确定响应。

FC－AE标准包括FC－AE－ASM，FC－AE－1553和FC－AE－RDMA三个规范。FC－AEASM定义了ASM协议，FC到ASM协议的映射，以及协议需要的FC系统属性。该协议可以在“mission critical”的航空航天中应用，为处理器、传感器、仪器和现实提供确定、安全和低延时通信。FC－AE－1553定义了MIL－STD－1553总线协议和FC高层协议之间的映射关系，通过FC－AE－1553，FC上就可以执行类似于1553总线上的实时可确定性行为。结合FC－AE协议，光纤通道可以提供一个高带宽、低延迟及确定性行为的数据通道。该协议的制定主要就是为了航空航天设备从MIL－STD－1553到FC－AE－1553的平滑过渡。FC－AERDMA是光纤通讯协议中的上层协议(ULP)，它基于光纤协议小型计算机系统接口。FC－AE－RDMA的主要特点是它允许发起者通过对等模式从远端目标存储器中读数据或者向它写数据。

2.2 MIL－STD－1553B到FC－AE－1553的映射

FC－AE－1553是FC－4映射层［5］，其目的是提供一个确定的命令/响应协议，用于实时的紧急战争和紧急任务，这个映射层协议使得MIL－STD－1553B的设计、硬件及软件性能得到提升，通过映射使用熟悉的MIL－STD－1553B，做到网络的平滑升级。MIL－STD－1553B中的总线控制器和远程终端在FC－AE－1553中分别用网络控制器和网络终端相对应，此外 MIL－STD－1553B的消息块与FC－AE－1553信息单元相对应［6］。

根据FC－AE－1553B协议规定，对于FC－AE－1553网内数据传输的情况，以及MIL－STD－1553B总线上数据传输的情况，不会涉及协议桥过渡传递，因此就不存在格式映射的情况。而对于跨越桥的 FC－AE－1553网络中的节点和 MILSTD－1553B总线上的节点之间进行通信的情况，就需要信息单元和消息块之间的映射。表1和表2为可能进行映射的消息块和信息单元的情况。

表1 从MIL－STD－1553B消息块到FC－AE－1553信息单元映射类型

表2 从FC－AE－1553信息单元到MIL－STD－1553B消息块映射类型

FC－AE－1553协议基于MIL－STD－1553B Notise2，并在带宽、地址空间和数据传输长度上进行扩展，以便于支持在航天系统的元件间低延迟、低开销通讯。这些扩展包括:一个充分大的终端设备数(224)，增加的字计数(232 bytes)，一个更大的子地址空间(232)。FC－AE－1553的一些关键特性是它的命令/响应协议，可选择为确认或未确认的消息接发、RDMA传输、文件传输和可桥接到传统MILSTD－1553B终端设备的能力。表3为MIL－STD－1553B与FC－AE－1553性能比较。

表3 MIL－STD－1553B与FC－AE－1553的性能比较

2.3 应用分析

随着未来航天技术的发展，对总线提出了更高的要求:

1)实时性:对于系统关键数据的传输，要求有更为严格的实时性;

2)容错性:包括软、硬件可靠性、可维护性、可测试性、容错能力、错误可恢复能力;

3)高带宽:由于大量的数据、视频、音频在不同的模块之间交换，因此，需要高信息吞吐量以完成大量数据的交互，应满足1Gbps以上的数据吞吐量;

4)并行处理:支持大规模并行处理器体系结构的实施，来满足高性能航电应用的需要，如传感器跟踪融合、自动目标识别、传感器信号处理、武器的制导等;

5)可扩展性:具有很强的灵活性，可方便地增加和减少接点，以满足不同航电系统不断升级的需求。

随着航天电子系统综合化以及对光纤总线技术研究的不断深入，新一代总线系统向着分布式、高速化、光纤化方向发展，采用光纤通道总线系统取代现有的总线，具有以下优点:

1)传输速率提高2～3个数量级;

2)误码率降低、延时降低;

3)采用光纤代替原有的电缆传输，有效防御电磁干扰和闪电、雷电引起的电磁冲击，对核电磁脉冲不敏感;

4)由于光纤是介质材料，不向外辐射能量，不存在金属导线所固有的地环形;

5)由于光纤的绝缘性能，改善了控制系统的抗电气危害能力，且没有公共接地问题;

6)光纤在弹载环境下(高温、高压、振动)抗腐蚀性和热防护品质优良;

7)光纤体积小、质量轻且无须屏蔽，从而减小了系统的体积和重量;

8)光纤故障隔离性好，一个通道发生故障不会影响其他通道。

FC总线为串行总线，能够避免并行连接在高速通信中遇到的时钟偏移问题，因此接口更简单、传输速率更高(基本速率1Gb/s，2Gb/s和4Gb/s的产品已经问世，更高速率的标准正在制定)、传输距离更远(使用单模光纤和长波长激光器可以支持几十千米的传输)，且FC总线除了支持光纤连接还可以在短距离使用电缆连接。FC－AE委员会专门负责光纤通道在航空电子环境中的应用研究，实现现有1553总线向光纤通道的平滑过渡。标准得到了众多民用、军用公司的参与，目前已经在美军的AWACS，B－1B，F/A－18，V－22，AH－64，RAH－66等航空电子设备更新及改型设计中大量采用。在商业运作上非常成功，参与FC－AE标准开发的公司包括波音公司，洛克希德－马丁公司，TRW，Raytheon，GDIS，Northrop，Rockwell－Collins，United Defense，DDC，DY4，Systran等公司。由于FC－AE与1553B的兼容性较好，而目前国内航天系统大量使用1553B标准，因此可以预见FC－AE技术在国内尤其是航天运输系统必将有很好的发展趋势。

3 结束语

光纤通道为串行连接，能够避免并行连接在高速通信中遇到的时钟偏移问题，具有接口简单、传输速率高、传输距离远等优势，且FC总线除了支持光纤连接还可以在短距离使用电缆连接。光纤通道已受到众多民用和军用机构以及企业的关注，并且得到军用规范、标准研制单位和ANSI FC－AE委员会的支持，光纤通道应用于航天运输系统虽然仍是较新的课题，但从目前的研究成果来看，其具备了在航天运输领域使用的潜力，能够满足航天运输系统的要求。

［1］ MIL-STD-1553B:Military Standard Digital Time Division Command/Response Multiplex Data Bus Notice 2［S］.Department of Defence，1978.

［2］ Virtual MIL-STD-1553.25thDigital Avionics Systems Conference［S］.Nicholas Downing，2006，10.

［3］ Fibre Channel-Framing and Signaling(FC-FS)［S］.Rev 1.90.ANSI INCITS，April，2003.

［4］ Fibre Channel Link Service(FC-LS)［S］.REV 1.6.ANSI INCITS，October，2006.

［5］ Fibre Channel Avionics Environment-Upper Layer Protocol MIL-STD-1553B Notice2［S］.Rev 0.95.ANSI INCITS，Dec5，2006.

［6］ Fibre Channel-FC-AE-1553(FC-AE-1553)［S］.Rev 0.3.ANSI INCITS，July 1，2004.