实时以太网技术在航空电子系统中的应用

李阳

【摘要】随着航空研究领域的不断深入和科学技术的不断发展，原有的航空电子系统中的以太网技术已经不能满足航空系统的要求，其中表现最显著的方面是实时性的特点没有得到良好的应用，实时以太网技术在航空电子系统中运用将会是今后的一大趋势。本文首先对以太网技术进行了概述，接着研究了传统的以太网通信网络的发展现状及其在航空电子系统中的不适应性，然后在此基础上，进一步分析比较了以太网的实施技术，最后提出了一些改进实时以太网技术的方案和措施，以此来提高以太网的确定性，为日后的应用模式提供借鉴。

【关键词】实时性;以太网技术;通信调度;改进技术

引言

进入到二十一世纪以来，我国经济的迅速发展大力推动了科技的研究进程，电子技术日益出新。随着科学技术的发展，通信技术设备也不断更新，通信技术也在不断地完备，同时，它以飞快的步伐进驻到人们的生产生活中。众周所知，航空技术的发展离不开通信系统的支持，因此，通信系统的完善为航空电子的发展奠定了良好的基础。以太网作为通信网络之一，由于网络本身速度快、覆盖范围大、开办成本低等优势，其应用的领域也在不断拓展。现代航空电子领域正在使用的航空数据总线例如1553B存在很多的问题，然而，以太网信息块长度较长，终端数量较多，这正好弥补了数据线1553B的缺点和不足之处。综上所述，由于以太网技术拥有很多潜在的优势，能够为航空电子系统提供更好的数据服务和技术帮助，能够更切帖地符合航空系统的发展要求，因此，本文对以太网技术进行研究分析，以此增强其实时性，在航空领域发挥出更大的价值和功能，扫除某些通信障碍，更好地满足航空电子系统的时代要求。

一、以太网技术的概述

以太网是指由Xerox（施乐）公司创建并由Xerox、Inter和DEC公司联合开发的基带局域网规范，是当今现有的局域网采用的最通用的通信协议标准，由此我们知道，以太网是局域网中的一种，并且它还是一种通信网络[1]。到目前为止，以太网的应用范围已经在现实生活中得到了广泛的普及和人们的认可。

以太网技术起先是施乐帕洛阿尔托研究中心的一个先进的项目，直到1977年末，梅特卡夫和其他人经过日夜不断的研究，最终成功地申请到“具有冲突检验的多点数据通信系统”的专利，这标志着以太网的诞生，此后，随着时代的发展，经过多位科学家的研究，以太网主要经历了以下四种类型，分别是标准以太网、快速以太网、千兆以太网，最后发展成为万兆以太网。从发展历程来看，这四个阶段的研发，使得以太网理论不断充实，不断发展，改善了以太网的内在系统，大大提高了以太网的传播速度。另外，以太网的拓扑结构主要可以分为总线型结构和星型结构。

二、传统的以太网技术在航空电子系统中的不适应性

根据以太网技术的发展历程，我们可以知道以太网的主要通信调度方式为利用CSMA/CD来进行调度。这种调度方式有一个鲜明的特点，这个特点也可以说是一种限制，那就是其不确定性，这种不确定性的后果就会造成很大强度的非实时性。但现实是，随着社会的发展和科研领域的进步，航空电子系统的实时性要求也越来越高，这就说明传统的以太网通信调度方式必须经由科学的改良才能适应当今的航空电子领域，才能保证航空电子系统正常地工作和运行。在传统的调度方式里，网络的每一个节点要想有效地传输数据信息，必须采用竞争的方式，并且还存在一个限制，只有信道显示为空闲的状态时，网络节点才能传发要点和数据信息。除此之外，值得我们注意的还有产生碰撞冲突的问题。假设，在输送的过程中一旦产生碰撞，我们就得停下来等待，等待过后，可以避免信息传输的碰撞，但是这种碰撞的避免仅能并且只能发生一次，下次遇到了相同的问题，还会再度产生碰撞。

另外一个问题就是，传统的以太网是共享式的，这种模式已经不适应现代生活的需要了。当前，我国网络通信人口呈逐年增长的趋势，数据流量在日后将会大幅度地上升，因此，人们在之前的前提下又开始使用交换式以太网。交换式以太网通过自身独有的系统设计，能够有效防止数据信息输入或输出的碰撞，对于仅仅需要毫秒级响应时间的场合可以很好地满足确定性时间的要求和条件。虽然这种交换式以太网技术给人们带来了一定的好处，但是我们也不能忽视这种模式自身的缺点和不足。可以试想一下，当数据量急剧增大，由于交互式端口处理的数目有限，在这种情况下，数据得不到有效的及时处理，因此必须逐次排队进行。所以，在无形中，这又增加了等待的时间。总而言之，传统的以太网技术具有很大的拖延性，这种拖延性又增加了以太网的不确定性，即使是交换式以太网也不能避免这些问题。所以，这与实时性鲜明的航空系统的要求发送相悖，致使现代以太网通信技术难以发挥出最大的功能价值。

三、实现实时以太网的改造方法

要想改变现有的以太网的缺点，主要是改变以太网的不确定的因素，把不确定变确定，以适应航空电子系统的要求和发展。实时以太网具有较强的通信能力，而且成本不高，方便快捷，受到社会的欢迎。一般来说，经常用到的改造方法有如下三种，第一种是改变和CSMA/CD相关的MAC层的协议，第二种是把以太网和TCP/IP相结合起来，第三种是添加软件层，保证调度的确定性。

1.修改以太网媒体访问控制层协议。我们可以知道以太网的主要通信调度方式为利用CSMA/CD来进行调度，数据信号的传输都要通过竞争的方式来实现，还会发生冲突的情况，所以就会导致以太网的不确定性。因此，为了改变这种不确定性，就要从CSMA/CD来入手。CSMA/CD主要位于以太网的MAC层，也就是媒体访问控制层，所以，我们必须通过改变媒体访问控制层协议来进行处理。其中，治理的过程分为两个阶段。当传输信息还没有产生碰撞的时候，我们可以继续采用原有的协议;产生碰撞的时候，我们可以采取一种确定性的冲突解决算法，这种算法又可以称为二叉树遍历算法[2]。

2.实现以太网和TCP/IP的融合。我们知道网络节点主要在以太网交换机的端口处，其中交换机可以把整片网络合理划成多条网段，这些网段可以端口处的网络节点配以一定的宽带，通过宽带服务可以有效地避免强烈的竞争，防止竞争的同时也就减少了传输信息之间的碰撞。需要注意的是，这种融合方式和交换式以太网一样，虽然能有效地减少碰撞的发生，但是在遇到数据量很大的情况时，数据得不到有效的及时处理，因此必须逐次排队进行，所以，这两种方法都会延长时间，有帮助的同时也有自身的不足。

3.添加软件层，提高调度的确定性。由于以太网通信调度存在问题，所以要改变调度的方式。除了第一种通过改变和CSMA/CD相关的MAC层的协议的方法外，我们还可以添加可用的软件层，通过软件层来提高调度的确定性，软件层主要添加在MAC层的上面。网段内的实时报文和非实时报文不会同时进行，在特定的时间里将会有不同类型的报文输送，堆栈中的实时报文通过数据链路层传递后，不经过网络层和传输层而直接传递给应用层，同时，非实时报文仍然通过TCP/IP协议来进行传递[3]。

参考文献

[1]谢希仁.计算机网络（第4版）[M].北京：电子工业出版社，2003.

[2]刘明哲，徐铠冬，毕宇航.确定性实时以太网通信协议研究[J].仪器仪表学报，2005（8）.

[3]刘中，李成贤.交换式以太网在航空电子系统中的应用[J].武器装备自动化，2006（1）.