FC-AE-1553協(xié)議分析與研究

鞠銘陽，張利洲，王世奎

（中航工業(yè) 西安航空計算技術(shù)研究所，陜西 西安　710065）

FC-AE-1553協(xié)議分析與研究

鞠銘陽，張利洲，王世奎

（中航工業(yè) 西安航空計算技術(shù)研究所，陜西 西安710065）

為解決FC-AE-1553協(xié)議相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)過程中的疑點和難點，從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、拓撲以及協(xié)議傳輸模式等方面對FCAE-1553進行了全面細致的分析，并對FC-AE-1553協(xié)議與MIL-STD-1553B協(xié)議進行比較，提出了協(xié)議的簡化及優(yōu)化方案，同時分析了FC-AE-1553協(xié)議研究的現(xiàn)狀及難點，對該協(xié)議的研究工作以及后續(xù)相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)有較高的參考價值。

FC-AE-1553；MIL-STD-1553B；網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；網(wǎng)絡(luò)拓撲

1　網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分析

在基于FC-AE-1553協(xié)議實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)時，可選擇FC網(wǎng)絡(luò)的三種基本拓撲實現(xiàn)，結(jié)合FC-AE-1553的命令/應(yīng)答工作模式，將拓撲構(gòu)型可以分為兩類：

交換結(jié)構(gòu)：基于交換機的星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，各個節(jié)點具備獨立的帶寬。

共享帶寬結(jié)構(gòu)：點到點和仲裁環(huán)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，其中點到點可以看作是仲裁環(huán)網(wǎng)絡(luò)的一個特殊形式。和傳統(tǒng)的MIL-STD-1553B協(xié)議對比，共享帶寬結(jié)構(gòu)更加類似于在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基礎(chǔ)上進行了帶寬、地址空間以及數(shù)據(jù)傳輸長度的擴展，工作模式較傳統(tǒng)的MIL-STD-1533B總線沒有本質(zhì)的變化，但更易于理解，它要求節(jié)點必須支持仲裁功能，節(jié)點機本身的構(gòu)造更復雜，具有單點故障模式，可靠性低，優(yōu)點是成本低，網(wǎng)絡(luò)互連方便簡單。該型網(wǎng)絡(luò)拓撲示意見圖1。從圖1中可以看出，如果一個鏈路或一個節(jié)點失效，整個網(wǎng)絡(luò)失效。

交換結(jié)構(gòu)：交換結(jié)構(gòu)是一種大規(guī)模擴展FC網(wǎng)絡(luò)的有效方式，其在帶寬擴展上相比仲裁環(huán)結(jié)構(gòu)有著先天性的架構(gòu)優(yōu)勢，但是由于額外的高速交換設(shè)備的引入和星型結(jié)構(gòu)方式的限制，其成本更高，且同樣存在單點故障的問題。該拓撲結(jié)構(gòu)示意見圖2。從圖2中可以看出，SW出現(xiàn)問題時整個網(wǎng)絡(luò)失效，但是某個節(jié)點或鏈路失效時，對整個網(wǎng)絡(luò)其他節(jié)點沒有影響。

圖1　仲裁環(huán)網(wǎng)絡(luò)拓撲示意圖

2　網(wǎng)絡(luò)拓撲改進

基于以上分析，可以看出無論何種網(wǎng)絡(luò)拓撲架構(gòu)在實現(xiàn)FC-AE-1553協(xié)議時，如果要達到MIL-STD-1553B網(wǎng)絡(luò)拓撲架構(gòu)所實現(xiàn)的故障容錯以及高可靠性時，傳統(tǒng)的FC網(wǎng)絡(luò)拓撲架構(gòu)都存在一定的弊端，必須采用如下的方式加以改進：

雙余度結(jié)構(gòu)：將網(wǎng)絡(luò)中用于數(shù)據(jù)交換的鏈路或設(shè)備進行余度備份，增加傳輸路徑提高網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)幕究煽啃浴?/p>

節(jié)點旁路電路：對于仲裁環(huán)結(jié)構(gòu)，由于其直接使用光纖串聯(lián)多個節(jié)點，且信息傳播根據(jù)FC-AL標準必須經(jīng)過節(jié)點內(nèi)部轉(zhuǎn)發(fā)，如果單個節(jié)點故障，則整個鏈路必將出現(xiàn)癱瘓，因此必須對節(jié)點收發(fā)機電路進行改進，增加旁路電路。而對于交換結(jié)構(gòu)的節(jié)點機而言，由于獨享鏈路，則不存在該問題。同樣，余度鏈路結(jié)構(gòu)也是必須的。

圖2　交換網(wǎng)絡(luò)拓撲示意圖

更改為余度結(jié)構(gòu)后的網(wǎng)絡(luò)拓撲示意見圖3。

圖3　余度網(wǎng)絡(luò)拓撲示意圖

從圖3可以看出，余度拓撲網(wǎng)絡(luò)中鏈路的單點故障均不會造成網(wǎng)絡(luò)失效，但是在仲裁環(huán)結(jié)構(gòu)中，如果節(jié)點故障仍舊會造成網(wǎng)絡(luò)失效。對此，需要在節(jié)點機上增加節(jié)點旁路電路和備用電源電路，確保節(jié)點故障時網(wǎng)絡(luò)能夠正常通信（FC網(wǎng)絡(luò)在通信中，必須保證整個鏈路閉環(huán)，確保各個節(jié)點收發(fā)機能夠正常的發(fā)送和接收才能進行通信，這是在物理層面和MIL-STD-1553B網(wǎng)絡(luò)的最大差別）。

結(jié)合對余度拓撲的分析以及FC-AE-ASM協(xié)議的實現(xiàn)經(jīng)驗，在交換結(jié)構(gòu)中增加余度成本雖然較高，但是其技術(shù)相對更為簡單，只需要增加交換設(shè)備并增加節(jié)點機的鏈路即可，技術(shù)更為成熟可靠。而仲裁環(huán)結(jié)構(gòu)由于其節(jié)點結(jié)構(gòu)本身復雜度非常高，且在余度中需要對鏈路旁路、故障隔離檢測進行新的探索和研究，當前階段，在工程中實現(xiàn)不太可行。

3　協(xié)議傳輸模式

FC-AE-1553協(xié)議是基于FC協(xié)議基礎(chǔ)上通過映射方式實現(xiàn)的MIL-STD-1553B通信模式，但是基于環(huán)境的較大差異和FC固有特性，在FC-AE-1553協(xié)議中引入了一些新的模式，并有別于傳統(tǒng)的MIL-STD-1553B定義的傳輸模式。在本協(xié)議中定義的傳輸模式包括：

（1）NC→NT：單播通信方式，由NC發(fā)出接收命令序列，NC可以在命令序列中攜帶數(shù)據(jù)或在后續(xù)幀中發(fā)送數(shù)據(jù)。

（2）NC→NTs：多播或廣播通信方式，由NC發(fā)出接收命令序列到2個或2個以上的NT，NC可以在命令序列中攜帶數(shù)據(jù)或在后續(xù)幀中發(fā)送數(shù)據(jù)；

（3）NT→NT：單播通信方式，由NC發(fā)出發(fā)送命令序列到發(fā)送NT，發(fā)送端NT接收到命令后，再發(fā)送接收命令到接收NT；

（4）NT→NTs：多播或廣播通信方式，由NC發(fā)出發(fā)送命令序列到發(fā)送NT，發(fā)送端NT接收到命令后，再發(fā)送接收命令到接收NT；

（5）NT→NC：單播通信方式，由NC發(fā)出發(fā)送命令序列到NT，NT接收到命令后發(fā)送數(shù)據(jù)到NC；

（6）NT→NT（s）/BC：多播或廣播通信方式，由NC發(fā)出發(fā)送命令序列到發(fā)送NT，發(fā)送端NT接收到命令后，再發(fā)送接收命令到接收NT，在發(fā)送數(shù)據(jù)時同時發(fā)送到NC，讓NC實現(xiàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)控。

以上幾種模式為FC-AE-1553協(xié)議定義的基本模式，沒有仔細區(qū)別小的模式，比如命令+數(shù)據(jù)序列或命令序列+數(shù)據(jù)序列等模式。主要原因是在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流向上沒有本質(zhì)差別，沒有進一步劃分。

4　M IL-STD-1553B和FC-AE-1553差異

FC-AE-1553協(xié)議是針對MIL-STD-1553B協(xié)議進行的擴展，并非簡單的性能升級，兩者之間的區(qū)別如下：

（1）在MIL-STD-1553B協(xié)議中，只有BC可以發(fā)出命令字，用于控制NT進行收發(fā)操作，而在FC-AE-1553協(xié)議中，除了NC可以發(fā)出命令字外（命令序列），主動發(fā)起數(shù)據(jù)的NT也可以發(fā)出命令字（命令序列），當然，其不是命令序列的起始。

（2）應(yīng)答功能：在FC-AE-1553協(xié)議中，應(yīng)答功能并非必須，而是由命令字（命令序列）中的相應(yīng)字段指定的，而MIL-STD-15553B協(xié)議中應(yīng)答是必須的。

（3）數(shù)據(jù)字（序列）傳輸間隔：在FC-AE-1553協(xié)議中定義了兩種傳輸間隔，立即傳輸（根據(jù)PRLI注冊長度）或等待應(yīng)答傳輸，在每一個命令序列發(fā)起時均可選擇，而在MIL-STD-15553B協(xié)議中不同的傳輸模式數(shù)據(jù)字和命令字的傳輸間隔是固定的，沒有可選性。

（4）多播：FC-AE-1553協(xié)議定義了有關(guān)多播的功能，其用于支持實現(xiàn)NC對于傳輸數(shù)據(jù)的監(jiān)控以及點到多點的通信功能，在MIL-STD-1553B協(xié)議中只有廣播而沒有多播。

（5）數(shù)據(jù)監(jiān)控：在FC-AE-1553協(xié)議中沒有給出MT節(jié)點的定義，但是對NT→NT（s）通信的數(shù)據(jù)監(jiān)控定義了一種模式，即使用NC進行數(shù)據(jù)捕獲，將NT→NT（s）的數(shù)據(jù)同時發(fā)送到NC進行監(jiān)控。在MIL-STD-1553B網(wǎng)絡(luò)中，MT一般作為一個獨立的功能節(jié)點，或者RT/MT作為一個節(jié)點，沒有BC同時兼顧MT功能的用法和定義。

（6）協(xié)議組織層次：MIL-STD-1553協(xié)議中，無論何種傳輸模式，其不需要進行分層次的定義，全部傳輸以地址標識目標節(jié)點，而在FC-AE-1553協(xié)議中，除了以地址標識傳輸目標外，還應(yīng)考慮序列、交換的層級結(jié)構(gòu)，序列發(fā)起方的轉(zhuǎn)移，交換標識的管理等，從而確保一次傳輸只能對應(yīng)到一個交換，確保傳輸?shù)目刹l(fā)性，管理模式更為復雜。

5　協(xié)議簡化及優(yōu)化

在FC-AE-1553協(xié)議定義時，其對傳輸方式進行了擴展，而傳統(tǒng)的MIL-STD-1553B協(xié)議只定義了BC→RT，BC→RTs（廣播），RT→BC，RT→RT，RT→RTs（廣播）等傳輸方式，且所有情況下除廣播接收外其余傳輸必須進行應(yīng)答（狀態(tài)字），如果考慮到傳統(tǒng)基于MIL-STD-1553B協(xié)議應(yīng)用的無縫升級，則可以對當前FC-AE-1553定義的傳輸模式進行簡化，在符合協(xié)議子集和應(yīng)用模式的前提下，有效降低網(wǎng)絡(luò)設(shè)備設(shè)計和實現(xiàn)的復雜度，提高工程下的可實現(xiàn)性。對FC-AE-1553協(xié)議進行優(yōu)化時，擬從如下幾個方面進行：

（1）傳輸模式：以兼容傳統(tǒng)MIL-STD-1553B協(xié)議為基礎(chǔ)，去掉多余的傳輸模式，如不應(yīng)答模式。

（2）固定數(shù)據(jù)傳輸間隔，仿照MIL-STD-1553B協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸間隔，去掉FC-AE-1553協(xié)議中的數(shù)據(jù)間隔的可選性，將不同模式下的數(shù)據(jù)間隔固定，但不違反協(xié)議本身定義。

（3）去掉可選項的支持，比如RDMA，而采用主動發(fā)送方式進行傳輸，簡化掉諸如PRLI等服務(wù)的支持功能。

（4）明確增加余度結(jié)構(gòu)，并對余度結(jié)構(gòu)進行詳細定義，提高網(wǎng)絡(luò)通信可靠性。

（5）去掉NC的監(jiān)控功能，獨立增加監(jiān)控節(jié)點定義，以降低組播表配置復雜度，簡化NC設(shè)計。

基于以上幾點優(yōu)化后的FC-AE-1553協(xié)議具備如下特點：高可靠性，具備余度傳輸鏈路；節(jié)點復雜度低，有利于降低功耗和體積；時間特性得到增強，去掉了一些處理分支，增加硬件處理的確定性，能夠簡化故障模式，增強實時性；良好的升級性，可以對應(yīng)用和驅(qū)動進行小幅修改進而保證系統(tǒng)升級后的功能正確。

而優(yōu)化后也帶來了一定的缺點，包括：網(wǎng)絡(luò)功能減少，由于對傳輸模式和節(jié)點功能的簡化，網(wǎng)絡(luò)在后期升級能力方面有所降低；網(wǎng)絡(luò)整體復雜度提升，成本有所升高，但是由于對節(jié)點機協(xié)議處理進行簡化，其整體成本應(yīng)該比實現(xiàn)FC-AE-1553協(xié)議全集的成本低。

6　FC-AE-1553協(xié)議研究現(xiàn)狀

目前針對FC-AE-1553協(xié)議的研究在國內(nèi)仍舊處于探索階段，其定義的復雜傳輸和功能模式尚未完全理解，分析研究僅限于協(xié)議本身的分析，尚未開展工程化的仿真和技術(shù)攻關(guān)工作。

在國際上FC-AE-1553協(xié)議作為目前FC-AE組織推出的一個重要協(xié)議，正在逐步完善。目前支持該協(xié)議產(chǎn)品已經(jīng)存在，比如DDC公司的FC板卡，但是沒有測試設(shè)備廠商研發(fā)出測試支持設(shè)備，是否完全滿足協(xié)議沒有經(jīng)過權(quán)威的測試機構(gòu)進行認證，DDC公司也沒有作為主導產(chǎn)品進行推廣，應(yīng)該說在研制環(huán)節(jié)上存在不足，無法提供可用的支持和驗證。型號應(yīng)用中，F(xiàn)C-AE-1553被多次提及，涉及航天、航空等多個領(lǐng)域，主要考慮的是型號升級改造，尚未進入正式論證階段。

7　協(xié)議研究的難點

FC-AE-1553作為一種面向航空電子系統(tǒng)的基于FC網(wǎng)絡(luò)的高層協(xié)議，其研制開發(fā)過程結(jié)合當前的技術(shù)水平和發(fā)展，從理論和工程兩方面對困難進行說明。

7.1理論層面

標準實現(xiàn)支撐：雖然已經(jīng)出現(xiàn)相關(guān)產(chǎn)品，但是沒有標準測試設(shè)備的支持，很難全面進行協(xié)議實現(xiàn)符合性和技術(shù)指標的考察。

關(guān)鍵參數(shù)定義：比如應(yīng)答超時值，傳輸時間間隔以及多播組定義等協(xié)議并未給出明確的定義，必須依據(jù)現(xiàn)實的應(yīng)用模型進行仿真和定義。

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)改造和標準編制：針對可靠性、容錯能力等指標進行網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)改造，并盡快編制相關(guān)的標準，從理論層面進行支撐，對支持該協(xié)議標準的產(chǎn)品研制進行規(guī)范。

應(yīng)用模式不夠清晰，超出協(xié)議自身的應(yīng)用模式定義和需求比比皆是，無法對整個模式進行標準化清理和規(guī)范。

7.2工程實現(xiàn)層面

在機載領(lǐng)域主要使用點到點和交換拓撲結(jié)構(gòu)，仲裁環(huán)雖然比較接近傳統(tǒng)的MIL-STD-1553B網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，但是NL端口的研制由于其本身具備仲裁特性更為復雜，且沒有可借鑒的產(chǎn)品，需要進行重新定義和研發(fā)。

目前實現(xiàn)協(xié)議處理，初期均考慮FPGA進行設(shè)計實現(xiàn)，但是針對FC-AE-1553的復雜傳輸模式，對FPGA的小型化、低功耗設(shè)計而言，是一個較大的難點。

網(wǎng)絡(luò)設(shè)計驗證：沒有專用的測試設(shè)備和規(guī)范，需要在研制中額外增加多種輔助手段，增加了設(shè)計的難度和工作量，甚至有可能導致理論設(shè)計和工程應(yīng)用設(shè)計的架構(gòu)出現(xiàn)較大變化，增加了工程應(yīng)用的風險。

FC網(wǎng)絡(luò)利用率：在一個超出MIL-STD-1553B網(wǎng)絡(luò)帶寬1 000倍以上的網(wǎng)絡(luò)中，基于命令/應(yīng)答方式的FCAE-1553協(xié)議如何有效地利用網(wǎng)絡(luò)帶寬傳輸數(shù)據(jù)，且不

會對系統(tǒng)的應(yīng)用模式規(guī)劃、配置以及產(chǎn)品設(shè)計增加較大的難度。

8　結(jié)　語

通過分析，目前國內(nèi)所掌握的FC-AE-1553技術(shù)距離工程實際應(yīng)用仍舊存在差距，短時間內(nèi)無法轉(zhuǎn)入工程設(shè)計實現(xiàn)階段，還需要對協(xié)議、節(jié)點架構(gòu)、傳輸模式以及網(wǎng)絡(luò)管理等技術(shù)點進行更為深入的研究、仿真，獲取更為詳盡的材料，有效突破相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)才能滿足型號工程化研究的需要。

［1］ANSI INCITS.Fibre channel-avionics environment（FC-AE），Rev 3.5［R］.US：ANSI INCITS，2003.

［2］ANSI INCITS.Fibre channel-AE-1553.Rev 0.3［R］.US：ANSI INCITS，2004.

［3］US Department of Defense.Military standard digital time division command/response multiplex data bus notice：MIL-STD-1553B［S］.US：USDepartment of Defense，1978.

［4］ANSI INCITS.Fibre channelarbitrated loop（FC-AL）Rev 4.5［R］. US：ANSI INCITS，1995.

［5］ANSI INCITS.Fibre channel arbitrated loop-2（FC-AL-2）Rev 7.0［R］.US：ANSI INCITS，2001.

［6］林強，熊華剛，張其善.光纖通道中的1553總線技術(shù)［J］.航空電子技術(shù)，2004（1）：1-5.

［7］徐亞軍，熊華鋼.未來航電系統(tǒng)FC互聯(lián)的拓撲結(jié)構(gòu)研究［J］.電光與控制，2004（4）：17-20.

張利洲（1981—），陜西西安人，碩士，高級工程師。研究方向為計算機應(yīng)用技術(shù)。

王世奎（1965—），山西臨猗人，碩士，研究員。研究方向為機載網(wǎng)絡(luò)通信。

Analysis and research of FC-AE-1553 Protocol

JU M ingyang，ZHANG Lizhou，WANG Shikui
（AVIC Xi’an Aeronautics Computing Technique Research Institute，Xi’an 710065，China）

In order to solve the doubts and difficulties in development process of FC-AE-1553 Protocol related products，the FC-AE-1553 Protocol is comprehensively and detailedly studied in the aspects of network architecture，topology and protocol transmission mode.The FC-AE-1553 Protocol and MIL-STD-1553B Protocol are compared.The simplification and optimization schemes of the protocol are proposed.The research situation and difficulty of FC-AE-1553 Protocol are analyzed.The research work of the protocol and development of the subsequent related products have the high reference value.

FC-AE-1553；MIL-STD-1553B；network architecture；network topology

TN915.04-34

A

1004-373X（2016）11-0021-03

10.16652/j.issn.1004-373x.2016.11.006

2015-11-16

中國航空科學基金（20111931001）

鞠銘陽（1983—），吉林松原人，工程師。研究方向為機載網(wǎng)絡(luò)通信。