基于FC-AE-1553总线的空天电子网络带宽动态分配机制研究

姜国义，孙 蕾，张海全，马 超，张治国

（1.国网内蒙古东部电力有限公司，呼和浩特010020；2.北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室，北京100876）

0 引言

航空航天是一个重要且富有挑战性的科学与应用领域，已成为人类社会发展不可或缺的重要构成部分，各国都将新型空天技术的研究与应用作为空天事业发展的重中之重。航空航天领域各类应用系统稳定、良好的运转离不开各载荷之间高效、准确的配合。传统连接载荷的总线协议MIL-STD-1553是一种双余度的双向总线，采用双向的Manchester编码方式，最多支持31个远程终端连接，最高支持1Mbps的传输速率［1］。但是随着空天电子系统综合化程度的提高，对总线的传输速率提出了更高要求，MIL-STD-1553总线在传输速率、带宽、允许终端数、实时性等方面难以满足实际需求［2］。FC-AE-1553总线标准是一种支持平滑升级、可有效满足新一代航电网络需求的新型空天电子网络总线协议，是一种有效的解决方案。

光纤通道（Fiber Channel，FC）是美国国家标准委员会（ANSI）制定的一种高速串行通信协议，它基于光纤连接并借助通道技术传输，不仅具备较高的传输速率，且兼具低误码率的特点，尤其适用于可靠性和传输速率要求严格的网络环境［3］。FC具有高速率、低延时、低误码率等特性，并且能够适应航空航天等较为恶劣的电磁环境。此外，FC也支持多种上层协议、多种服务类型、多种传输介质和更加灵活的拓扑结构［4］，因此更加受到航电系统用户的青睐。FC-AE-1553协议是在光纤通道的FC-4层实现对传统MIL-STD-1553B总线协议的映射，并支持交换、仲裁等结构，以实现在实时的航空应用中，以命令／响应的模式进行保证确定性的通信［5-6］。MIL-STD-1553B总线协议与FC-AE-1553总线协议性能对比如表1所示，FCAE-1553相比MIL-STD-1553，提供了更高的带宽，更多的终端数，更大的信息量，还可以兼容原有协议。

近年来，美国已经对大部分航空航天电子设备进行了升级换代，如在AH-64D长弓阿帕奇直升机中启用FC-AE-1553总线协议，应用于数字视频接口与飞行试验任务处理器之间的互联；在B1-B中，应用FC-AE-1553总线，作为航天电子计算机和数据存储／传输设备间的连接通道等。美英联合攻击机JSF电子系统间的告诉互联，也采用了FCAE标准作为统一的航空通信网络［7］。根据目前国外的发展趋势，我国也必然逐渐使用FC-AE-1553总线替代MIL-STD-1553B总线。

基于无源光网络（PON）结构下的FC-AE-1553总线是一种新型的总线网络，发展尚不成熟，特别是多终端、多业务、大容量条件下如何保证其资源利用率及传输时延等是一个待解决的难题。本文在FC-AE-1553总线协议的基础上，设计并实现了一种网络动态带宽分配机制，该机制在满足网络中多业务QoS要求的同时，很好地解决了多终端网络调度中存在的信道共享冲突，实现了较高的带宽利用率和低传输时延。

1 PON结构下FC-AE-1553总线网络

1.1 FC-AE-1553层次模型

光纤通道协议具有很好的通用性，是一种通用传输机制。FC协议的层次模型具有5层模型结构，如图1所示。其中，FC-0、FC-1、FC-2层属于物理层和信号层，FC-3、FC-4层属于上层协议。FC-AE-1553协议是在光纤通道的FC-4层实现对传统MIL-STD-1553B总线协议的映射，以实现在实时的航空应用中，以命令／响应的模式进行保证确定性的通信［6］。该协议在保留原总线协议通信方式的基础上进行了一定的功能扩展，同时该网络兼容原总线协议的同时又具有FC的高数据传输带宽、低传输延时和高可靠性。

1.2 PON结构下FC-AE-1553网络拓扑结构

PON是一种点对多点结构的高速光接入网技术，以EPON与GPON为主的PON技术目前已在电信、电力等公网与专网中获得广泛应用，PON网络具有传输速率高、支持动态带宽分配、可靠性高等特点。基于PON结构的FC-AE-1553网络拓扑结构如图2所示。

PON结构下的FC-AE-1553协议网络是下行“一点到多点”、上行 “多点到一点”的双向拓扑结构，网络中有3类节点：PON网络控制器（PON Network Controller， PNC）、 PON 网 络 终 端 （PON Network Terminal， PNT）和PON 网络光分路器（PON Optical Distribution Network， PODN）［8-11］。 本方案下的网络拓扑包括：1个PNC、31个PNT、1个PODN和光纤链路。PNC是网络中发出命令的节点，主要功能是调度整个网络的带宽资源，控制整个网络中的数据传输。网络中的每一次数据交换都是由PNC发起数据传输命令开始，数据传输完成后，PNT返回带有带宽请求的状态帧结束。PNT是网络中执行PNC命令的节点，主要功能是根据PNC发起的命令进行与PNC或其他PNT的数据交换，PNT与PNT之间的数据交换不能直接进行，需要经过PNC的中转。整个网络运行的是FC-AE-1553协议，物理链路为FC链路，传输速率为4.25Gbps。

1.3 PON结构下FC-AE-1553网络的信令机制

整个协议网络的运行过程大致可分为3个阶段：登录阶段、数据传输阶段和注销阶段［12］。由于FC-AE-1553是命令／响应式协议，因此节点之间的数据传输不需要严格的时间同步和精确的测距，所以FC-AE-1553网络调度方案必须能容忍不测距带来的传输误差。

PON结构下的FC-AE-1553网络中，系统上电后，登录过程为隐式登录，PNC、PNT之间和PNT、PNT之间均通过隐式登录完成相互之间的数据传输环境的建立。在整个登录过程完成后，即所有的操作环境建立成功后，各节点间可以进行数据的传输，每一次数据传输都是由PNC发起命令帧开始，PNT返回携带带宽请求的状态帧结束。

FC-AE-1553协议采用的是PNC集中控制的命令／响应模式下的确定性的通信，整个网络的正常运行需要PNC发送命令帧来控制。FC-AE-1553协议定义了命令序列、数据序列、状态序列来保证数据的正确传输。其中，命令序列和状态序列是单帧序列，帧是网络调度的基本单位，多个帧可组成一个序列，多个序列可组成一个交换，这3种序列在网络的正常传递保证了网络的正确运行。PON结构中存在 3种交换，分别是 PNC-PNT、PNT-PNC、PNT-PNT。其中，PON结构下的PNT与PNT之间不能进行直接的数据传输，PNT与PNT之间的数据传输必须通过PNC的中转。

FC-AE-1553协议规定，PNT与PNT交换的状态帧的返回过程是：接收PNT接收数据完成后发送状态帧给发送PNT，发送PNT接收到接收PNT的状态帧后，返回状态帧给PNC。在PON结构中将变为：发送PNT发送完最后一个数据帧后，发送携带自身请求的状态帧给PNC，接收PNT接收完最后一个数据帧后，也发送携带自身请求的状态帧给PNC。由于标准的规定是为了将发送PNT和接收PNT的自身状态返回给PNC，所以本方案的做法达到了同样的效果，也是合理的。本方案PON结构中的PNT-PNT的交换如图3所示。

1.4 PON结构下FC-AE-1553网络的业务类型

综合归纳航空、航天领域的应用业务数据类型，主要可提炼为以下3类：强时效性突发业务（Time Constraint Burst Message， TCBM）、 一般突发业务（Common Burst Message， CBM）、 周期性业务（Periodic Message，PM）。其中，强时效性突发业务是指具有强时效性需求的程控指令，要求PNT节点在设定的时间门限值内完成指令的接收并执行相应的操作，具有较强的时效性需求，一般是由PNC发往PNT；一般突发性业务是指业务具备时间维度的偶发性，会对网络带宽进行临时占用，但是对延时没有苛刻需求，但需要保证业务传输的确定性，一般是在PNC与PNT之间、PNT与PNT之间进行；周期性业务是指网络上周期性产生的循环业务，要求PNT节点在固定的时间门限内完成相应的操作，该类业务会固定占用系统的带宽，通过带宽预留可以保证业务的零时延抖动，一般是在PNC与PNT之间进行。

2 PON结构下FC-AE-1553总线网络动态带宽分配方案设计

资源调度机制采用周期性动态带宽分配（Dynamic Bandwidth Allocation， DBA）调度， 针对强时效性业务和周期性业务采用静态的固定带宽资源调度方式，即在一个DBA周期内给强时效性业务和周期性业务周期性的分配固定带宽，来保证业务的QoS要求；针对一般突发性业务采用 “大流量优先”的调度方式来解决网络中共享信道的冲突。网络中调度的最小单位为一个最大FC帧的大小（一个 FC帧最大为 2148Byte，且为固定最大帧长）。

在基于PON结构的FC-AE-1553网络动态带宽分配机制中，整个网络的带宽资源抽象为单时间轴，该轴是指PNC节点的时间轴，包含PNC的上行和下行两个方向，且PNC的上行和下行在一定程度上是相关联的。在PON结构下，由于没有测距机制的原因，PNC能控制的是一个数据交换的发起时刻和结束时刻（以最大RTT预估），但并不能控制交换中每个数据帧的准确时刻，因此为保证状态帧不与其他的数据交换发生冲突，PNC的上下行在一定程度上是相互关联的；但并不是所有时间的上下行都相互关联，在一个下行的数据交换中仍然存在一段完全安全的时间可以进行上行交换，可利用这部分时间实现上下行的并发，提高网络带宽利用率。

调度方案的详细设计如图4所示，调度机制采用时长来等效带宽资源，一个DBA周期内的时隙主要包括4部分：强时效性业务时间段（TCBM）、周期性业务时间段（PM）、一般突发性业务时间段（CBM）和DBA计算时间段（DBA Calculate Time）。在节点包含的3种业务中，强时效性突发业务的时延要求最高且固定带宽分配，在DBA周期中每隔40μs固定分配一个时间段调度该业务；周期性业务的周期与DBA周期大小一致；对于突发性业务，采用大流量优先的带宽分配算法，可在一定程度上提高网络带宽利用率。

周期性业务的调度：周期性业务时间段在整个DBA周期内固定预留。在周期性业务时间段内，由于周期性业务的周期是与DBA周期相同且业务已知，不需要PNC轮询PNT来获取该业务的带宽请求，每个DBA周期给周期性业务分配固定带宽。通常将周期性业务的时间段放在DBA周期的开始部分，来保证该业务严格的周期性。在一个周期性业务的时间段内，网络先执行PNC下行的周期性业务，后执行PNC上行的周期性业务。

强时效性突发业务的调度：强时效性突发业务一般由PNC产生去往PNT。在网络调度的时间轴上，每隔40μs为强时效性业务预留一个时隙，该时隙的长度由40μs内最多产生的该类业务的请求数决定。本方案规定每个DBA周期每个40μs的间隔内，最多产生一个该类业务。

一般突发性业务的调度：一般突发性业务的调度采用大流量优先的方式进行数据交换的传输。PNC通过每次数据交换完成后返回的携带带宽请求的状态帧获取PNT的带宽请求，由于业务的时效性较高，所有突发性业务的数据交换需要控制在40μs以内。在网络负载较大的情况下，一个大的突发业务的数据交换可能需要拆分成多个40μs的交换。带宽分配算法如下：

（1）将收集到的所有节点的请求从大到小进行排序

③采用大流量优先的原则可尽量减少一个40μs内数据交换的带宽碎片及RTT的个数。

（2）交换数据的执行

完成突发性业务的带宽分配后，通过判断下行的突发数据交换是否可以并发来提高网络带宽利用率。下行突发性交换存在并发的条件是：PNC下行突发数据交换中PNC发送数据的时长大于最大RTT，即此时该PNC下行突发数据交换时间段内部可以并发执行一个上行的突发性数据交换。这样一定程度上实现了PNC上下行的并发，提高了网络吞吐量。另外，对于PNT到PNT的传输，机制采用PNC接收到发送PNT的第一帧后就转发给接收PNT，直到数据交换传输结束，这相当于PNC在接收的同时也在发送，一定程度上提高了带宽利用率。

3 PON结构下FC-AE-1553总线网络带宽动态分配方案仿真验证

3.1 仿真平台设计

采用仿真工具OPNET搭建PON结构的FC-AE-1553总线网络仿真平台，仿真平台由1个PNC节点、31个PNT节点及节点间的3.4Gbps（4.25Gbps经8B／10B编码转换后的速率）双向链路组成。

仿真设置参数如下：

1）节点数和仿真时间：32节点，仿真时间为20s。

2）节点缓存：PNC、PNT节点的缓存设置为50Mbit。

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3）强时效性业务：数据产生的时间间隔服从指数分布，平均时间间隔1ms，数据量大小为100Byte。

4）周期性业务：周期大小始终和DBA周期相同，数据量大小为512Byte，占带宽资源4%。

5）一般突发业务：网络中突发业务为均匀连接均匀流量，数据源的峰值速率设置为500Mbps。

6）DBA周期： 4ms。

在节点缓存大小和DBA周期大小保持不变的条件下，影响网络吞吐量的因素包括：RTT开销占比和时间碎片，而强时效性业务的时延需求直接影响着RTT的开销和时间碎片的大小。网络极限吞吐量w约为：

A表示强时效性业务的检测间隔（A＝46μs），Ta表示给强时效业务预留的发送时隙（Ta＝6μs），N表示2次强时效业务预留发送时隙之间传输交换的个数（N＝1），Tb表示一次交换中无法并发的时间（Tb＝5.1μs）， 根据公式可知此时网络极限吞吐量是4.96Gbps。

3.2 典型业务特征下网络调度机制的性能仿真

在典型业务特征32节点和10节点场景中，仿真验证调度机制性能随网络负载变化。

（1）32节点网络调度机制性能仿真

节点数和仿真时间分别为32节点和20s，其余参数与上述仿真参数相同，仿真结果如表2和图5所示。由表2可知，强时效性业务时延保持在50μs以内，满足该业务QoS要求；周期性业务满足严格的周期性，无时延抖动。由图5（a）可知，网络吞吐量随网络负载的增加而增加，且增加趋势基本为线性关系。网络最大吞吐量为3.76Gbps，超过线路速率3.4Gbps，这是由于采用并发的调度机制。由图5（b）可知，突发业务的最大时延随网络负载的增加而增加，平均时延基本保持不变。当网络负载较小时，突发业务的最大时延增长缓慢，随着负载的增大，突发业务的最大时延增长较快。

表2 32节点网络不同负载下的网络性能Table 2 Network performance under different load of 32 nodes network

（2）10节点网络调度机制性能仿真

节点数和仿真时间分别为10节点和20s，其余参数与上述仿真参数相同，仿真结果如表3和图6所示。由表3可知，强时效性业务时延保持不变，在50μs以内，满足要求。由图6（a）可知，网络吞吐量随网络负载的增加而增加，且增加的趋势基本为线性关系，网络最大吞吐量为3.64Gbps。由图6（b）可知，突发业务的最大时延随网络负载的增加而增加，平均时延基本保持不变。当网络负载较小时，突发业务的最大时延增长缓慢，随着负载的增大，突发业务的最大时延增长较快。在航空系统应用中，若每秒传输的高清图片大小为1M，则FC-AE-1553总线传输可比MIL-STD-1553每秒多传输454张高清图片。

表3 10节点网络不同负载下的网络性能Table 3 Network performance under different load of 10 nodes network

4 结论

针对PON结构下FC-AE-1553总线网络中存在的下行 “一点对多点”的调度和上行 “多点对一点”的信道共享冲突，设计了一种支持多业务QoS要求的网络动态带宽分配机制。该机制针对不同的业务类型采用不同的调度策略来满足多业务的QoS要求，并采用并发的方式提高了网络带宽利用率。仿真结果表明，该方案可有效支持高达3.76Gbps的网络吞吐量，TCBM最大时延是46μs，完全符合小于50μs的时延要求。此外，该机制PM的最大时延和平均时延相同，即PM时延抖动为0，满足了数据传输的稳定性。基于该带宽动态分配机制的PON结构下FC-AE-1553总线网络，因具有低功耗、大吞吐量、低传输时延、组网简单、高可靠性等优势，可有效满足新一代航空航天电子系统对信息交互网络的各项性能要求，是未来航电网络的有效解决方案。

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