一种交换式光纤总线系统监控方法研究

邱　奕，肖练刚，曾　琦

(1.北京航天自动控制研究所，北京　100084； 2.北京航天光华电子技术有限公司，北京　100084)



一种交换式光纤总线系统监控方法研究

邱奕1，肖练刚1，曾琦2

(1.北京航天自动控制研究所，北京100084； 2.北京航天光华电子技术有限公司，北京100084)

摘要：针对交换式光纤应用于箭上时总线数据实时监控的需求，提出了一种总线数据监控方法；该方法通过对交换机的交换策略、地址管理、传输路径规划等进行改进，使监控终端具备监控多交换节点网络中所有数据的能力；并基于Altera公司FPGA建立了具备总线监控功能的实际总线网络，仿真高速数据传输实验表明使用该方法的系统能够在不妨碍箭上数据传输的条件下监控高速总线信息，设计具备较强的工程应用价值。

关键词 ：光纤总线；监控；交换；箭载

Citation format:QIU Yi, XIAO Lian-gang, ZENG Qi.A Monitor Design Method of the Switching Fiber Optic Bus System on Board[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(2):53-57.

随着近年来箭载系统数据传输量的增大，光纤总线系统的应用已经成为未来航天总线发展的趋势[1]，已经应用于F35等最先进军用飞机的交换式光纤总线[2]因其具有带宽高、密度低、使用流程简化、不受电磁干扰[3]等特点已经成为未来航天领域总线应用的发展方向。随着光纤总线技术的发展，如何实现总线数据监控已经渐渐成为高速光纤总线应用于航天领域的关键技术。总线监控在航空航天领域的飞行测试、研发定型、故障分析、快速设计方面起到必不可少的作用，能够大大增加箭载系统的可靠性，测试的快速性，提高航天研发效率，因此在上一代军用1553B总线中特意规定一个监控节点(MT)用来实现监控功能[4]。然而在目前的交换式高速光纤总线的协议规定[5]中，因为光纤传输原理不同于ARINC429、1553B等线性总线[6]，系统监控功能没有很好的实现形式。在国外，DDC公司提供了光纤监控方法[7]，在国内，电子科大、西安飞行试验研究院等单位也研究开发了光纤测试板卡用于采集和监控数据[8-9]，然而国内外的研究应用主要着眼于监控单个通路、单个节点信息上的信息，在多交换机的光纤总线系统下如何通过一个监控终端完成全部总线监控功能还没有相关的研究。

在1553B、1773、STANAG3838/3910等通用军用总线应用系统中，由于其总线数据传输方式是“广播应答”式[10]，只需将一个监控节点挂载在总线上，监控就可以轻易的接收到总线上所有“广播”的信息。

但是在交换式高速光纤数据传输中，其传输的基本特性发生了变化，信息的传递不再是通过双绞线等电介质对所有挂载的端点“广播”消息，而变成了光纤连接交换机。而交换机转发到目标的方式，任何端口能否获取数据，主要取决于交换机是否对其转发消息，此时仅仅将监控设备直接挂载到交换机上将无法获取总线上的任何信息。

在此背景下，本文通过对交换式光纤的数据传输机制研究，提出了一种针对交换式光纤总线的监控方法，使总线能够在一定带宽下通过一个监控终端即实现对总线数据的监控，同时不影响正常数据的传输，为未来航天领域光纤系统的应用提出了一种可行的方案。

1高速光纤总线监控的原理

由于高速光纤总线数据传输是通过交换机转发完成的，所以要实现总线数据监控就需要改进交换机的交换方式，使其能够对挂载在总线上的监控做出识别，从而能在完成自身的交换功能的前提下完成新增的总线监控的功能。

交换机改进交换方式后的系统结构如图1所示，图1中箭头符号表示的是不同数据处理的方式，共分成两大类，分别为基本的交换服务和为了监控功能添加的监控服务。

图1　高速光纤总线系统结构

交换服务是指高速光纤总线系统提供的支持数据交换这一最基本功能的服务，是符合标准光纤交换协议的，能在交换管理模块控制下按照帧的目的地址、源地址、帧类型等信息进行数据转发的服务。

而监控服务指的是能够保障总线数据完整的被监控节点获取的核心服务，分为3个部分：

1) 数据采集保存：局部监控通过交换管理器采集此时各交换机传输的数据信息；

2) 监控的在线识别：在线的识别监控所在位置，计算采集数据传输到最终监控的路径；

3) 数据的闲时转发：检测目标路径是否空闲，空闲时申请传输，将局部监控采集的数据传输到总监控上。

通过改进后新的总线系统具备总线数据100%监控、监控设备自动识别、监控数据时不占用正常数据传输带宽等特性，能够满足航天领域总线监控的需求。

2高速光纤总线系统结构

高速光纤总线的系统结构如图1所示：主要包含系统层、监控终端层、交换内核层3个层次分别用图1、图2、图3示意，其中最核心的结构是图3所示的FPGA内部的交换内核，监控服务的实现主要依赖于对交换内核部分的设计。

图2　硬件核心结构

图3　光纤交换内核

2.1系统层

如图1所示的系统结构，可完成特定的实验和传输任务。

设备节点(RTx)RT1,RT2,RT3等一般为单端口，应用时他们互相之间有通过地址传输数据的需求。

交换节点(SWx)SW0，SW1有3个端口，具备将各个RT从端口发送过来的光纤帧按照其内部帧头地址信息进行帧的转发的能力；

MT为单端口总线系统监控，能够获取全总线数据信息，并利用这些信息实现测试、分析等一系列功能。

2.2监控终端层

虽然构成系统层的设备按照功能分有RT,SW,和MT，每种类型的端点原理都可以用如图2所示监控节点的结构表示。

光电转换模块(SFP)用于实现光电转换将1 Gb/s在光纤中传输的光信号转换为1 Gb/s的电信号，包含激光驱动器，限幅放大器等内部结构。

串并转换模块(SERDES)用于实现将1 Gb/s的高速串行信号转换为8 bit并行数据信号加1 bit数据控制信号，其内部包含实现串并转换、时钟恢复、8 b/10 b编码、位同步电路、字同步电路等功能的电路模块。

端口管理模块是有CYCLONE4GX系列FPGA内部逻辑生成的模块，使用VHDL语言编写，用于基本的光纤帧的管理。使用该模块可以对接收到的原语序列进行反馈以完成链路的初步握手通讯，握手成功后才允许进行光纤帧的传输。该端口还实现接收光纤帧并将其拆分成帧头和数据两部分的功能，其中帧头为了方便FPGA并行处理，被展开成384位。

航天系统外部设备是指测量、计算、执行等需要通信的设备如数字信号处理器(DSP)、模拟信号采样器(ADC)等，其通过LVDS、RS422、PCI等接口和协议与FPGA相连以利用光纤总线实现传输。

以上两层构成了高速光纤总线系统的硬件结构，为高速总线传输提供物理链路结构。

3高速光纤总线交换内核的实现

交换内核结构和功能实现如图3所示，该内核主要用于实现数据采集、监控地址识别、监控帧传输策略规定、监控帧传输流程实现等关键过程，是监控设计的核心。

按照航天应用的实际，监控帧在传输时需要满足以下监控原则：

1) 数据全采集原则：监控的要点就是要能够全部采集所有总线上的信息。

2) 优先级最低原则：由于监控只是为了获取实际运行的信息，其丢失并不会对实际运行产生任何恶劣影响，故当监控帧与任何其他帧在交换机内进行交换优先级判定时，其优先级判定永远最低。

3) 非阻塞原则：监控不能因为其自身的优先级低而阻塞后续优先级高的数据传输。

4) 帧不多次复制原则：数据帧在一次传输中只被采集一次产生监控帧，之后不再被采集，而监控帧在生成后也不再被复制成多个帧，该原则可以防止总线负载率不必要的膨胀。

5) 监控地址确定原则：即系统监控是通过地址识别的，所有传向监控帧的都是传向这个地址，本例中规定监控地址为F0;

6) 监控位置任意性原则：为了满足航天测试要求，监控节点可以通过连接，实现在任何一个交换节点上被总线系统识别并完成监控任务。

3.1数据采集

数据采集即将普通传输的数据在不影响传输的前提下采集成监控帧的过程。由于光纤通道(FC)协议没有规定监控。本文在这里首先规定监控帧：FC协议帧头路由字段(R_CTL)自光纤帧头的第一个32位双字其第31至23位为16进制的FF的帧定义为光纤监控帧。

数据采集的实现关键部分如图 3局部监控模块：每个帧头接收单入单出存储器(FIFO)和数据接收FIFO的输出端都旁路了一个一对一的监控FIFO，这6个监控FIFO采集所有从接收FIFO传输出去的数据，再经帧选择和处理模块后，3个通道的帧按照帧选择逻辑合并成一个通道的帧，即局部帧头监控FIFO和局部数据监控FIFO。所有进入局部监控FIFO的帧都在经过帧处理模块时将其帧头R_CTL字段置位为FF表明该帧被置为监控帧。此时局部帧头监控FIFO和局部数据监控FIFO中存储着所有通过本交换节点传输的光纤帧数据。

3.2监控地址识别

整个总线网络的拓扑如何在每个交换机中说明并良好管理，是关系到数据能否正确传输、能否正确监控、能否实现任意监控端口的重点。

3.2.1地址管理

想要交换机准确的传输数据，首先就要求每个交换节点有一个能够准确描述总线拓扑的地址管理模块。

本系统地址管理模块是3个256个字节的存储空间，每个空间对应着所有经过该端口能够传输到的地址，该空间是一个自动的管理模块，当有一个帧从某端口传输过来时，地址管理模块自动将此帧的源地址添加到此端口对应存储空间中。

当该系统用于航天时，由于可靠性和确定性的要求每个端口的地址空间都提前写入。而监控由于要求挂载的节点的不确定，所以需要一个初始化的策略将监控纳入全系统的地址管理中。

3.2.2监控初始化

通过初始化之后，系统能够获得监控准确的拓扑结构，监控的初始化示意图如图4。具体步骤如下：

1) 地址位F0的监控节点对外发送声明帧，声明帧的特点是，其源地址为F0，其他帧头参数不规定；

2) 交换节点初始化时间内只要收到监控声明帧即将其源地址列入端口对应地址管理存储空间；

4) 交换节点收到监控声明帧后复制并将其从所有其他端口发出；

4) 每个交换节点重复2)，3)过程。只要配好初始化时间后通过以上方式，即可实现地址初始化。

图4　监控初始化

3.3监控帧传输策略

监控帧产生于数据采集。存储于局部监控FIFO，在实现将其通过交换转发到监控端口时，需要满足以下传输策略。

1) 监控帧立刻销毁：根据非阻塞原则，监控帧在传输时为防止因为其优先级过低阻塞后方优先级高的帧的传输，其数据一旦出现在端口立即销毁，并在销毁过程中通过监控FIFO监控下来。

2) 来自监控和交换所在端口的数据不采集：对于任何交换节点，其监控和交换所在的端口传输过来的数据，必然在其传输路径的上一个SW中就已被采集，故其数据不再被采集。

以上关键技术有力的保障了可监控航天光纤总线系统的正常监控。

3.4监控帧交换管理

在采集了监控帧，确定了监控所在拓扑位置，同时明确了监控帧的传输策略后。需要通过交换管理器，按照如图5帧传输的流程将帧传出即可实现监控，过程如下：

1) 首先通过监控帧头FIFO是否为空，声明是否有帧需要传输，当FIFO非空时，说明此时监控有帧需要传输，

2) 在一个周期后将帧头数据读出，通过帧头对帧类型进行判断，判断为监控帧后，向决策控制器提出监控帧传输申请；

3) 交换决策控制器通过各个端口的地址管理模块确定总监控所在的端口，并根据其是否空闲对监控帧交换执行状态机进行控制；

4) 交换执行状态机通过控制接受FIFO的写使能选择和发送FIFO的读使能选择实现数据交换。通过交换执行状态机，一个光纤监控帧可以被传送到监控所对应端口，然后发送出去，完成监控帧的传输。

图5　监控帧传输的流程

4仿真结果及分析

半实物仿真系统原理如图6所示，共由3个RT两个SW和一个MT构成，该结构是能够说明本设计监控的最简单系统。其中的FPGA选用EP4CGX30CF19I7。

图6　实验原理图

地址为01的RT1设备需要向RT3设备发送数据，类似的规定地址为02的RT2向RT1发送数据，地址为03的RT3向RT2发送数据。规定其发送的数据长度为8字节,数据通过不同的累加器产生，两次发送的间隙为450个周期，加上帧头帧尾等有效数据约50字节，有限数据的传输带宽为100 Mb/S。

利用Modelsim10.0c软件对以上功能进行仿真，系统在经过初始化后运行稳定的一组监控实现得到如图7一组传输需求，由于光纤串行数据阅读不便，取RT节点并行输出数据RTX_trans进行说明。

图7　RT1，RT2，RT3传输帧

可以看到RT1，RT2，RT3产生一组传输需求，其值分别为01、21、41起始的3个8字节数，产生的时间为第161 μs。

在数据发出后总线一直正常工作，在监控端口得到如图8所示的一组监控节点数据接收结果。可以看到RT1，RT2，RT3节点同时在161 μs发出帧，在165.2 μs时RT3发往RT2的以41开始的数据被监控到，168.0 μs时RT1发往RT3的以01开始的数据被监控到，168.7 μs时RT2发往RT1的以21开始的数据被监控到，这是由于，RT3和MT节点同挂接在一个交换节点上，其帧直接被监控FIFO采集，故最快被监控，而RT1发往RT3的帧，在通过一次正常传输到SW1后才被监控FIFO监控，故相对较慢，而RT2发往RT1的帧则在SW0被监控，然后，按照监控FIFO优先级最低原则，待总线空闲时再转发到SW1节点，然后再被SW1节点监控。故其监控时间最晚。

仿真结果符合预期，表明可监控光纤总线系统能够通过单终端很好的实现监控功能，完成对总线数据的监测。

图8　监控节点(MT)接收数据

5结论

提出交换式高速光纤总线系统的设计方法，完成原理和硬件的设计，试验表明使用该方法的系统能够对多节点构成的高速交换式光纤总线传输数据进行监控，填补了光纤总线监控在箭载领域应用于的空白，有助于航天领域箭载应用的系统测试、单机测试和飞行试验测试的安全性和可靠性的提升，在未来航天应用中有工程价值和发展前景。

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(责任编辑周江川)

A Monitor Design Method of the Switching Fiber Optic Bus System on Board

QIU Yi1, XIAO Lian-gang1, ZENG Qi2

(1.Beijing Aerospace Automatic Control Institute，Beijing 100084，China;2.Beijing Aerospace Guanghua Electronic Technology Corporation, Beijing 100084, China)

Abstract:Faced with the real-time bus data monitoring requirement generated when the high-speed switching fiber optic bus system is used in rocket-borne background, a monitoring method was proposed. This method change the switch’s switching mode， address management and the transmitting trace to realize the ability to monitor fiber optic switching network which is composed of more than one switch with one termination. Then a real system was established based on the FPGA provided by Altera corporation. Simulation of high-speed transmitting experiment shows that the system with this method possess the advantages of no affection on rocket-borne data transmitting while monitoring the bus data correct. The method is of better engineering value.

Key words:optic bus; monitor; switching; rocket-borne

文章编号：1006-0707(2016)02-0053-05

中图分类号：TJ768.3

文献标识码：A

doi:10.11809/scbgxb2016.02.014

作者简介：邱奕(1990—)，男，硕士研究生，主要从事控制系统研究。

收稿日期：2015-11-18；修回日期：2015-12-25

本文引用格式：邱奕，肖练刚，曾琦.一种交换式光纤总线系统监控方法研究[J].兵器装备工程学报，2016(2):53-57.

【装备理论与装备技术】