一種基于航電總線驅(qū)動的組播通信功能設(shè)計和實現(xiàn)

薛楠 張樂樂 胡靖宇 杜建華

摘要：隨著機載嵌入式航電網(wǎng)絡(luò)總線通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，高速率、高穩(wěn)定性和高可靠性的數(shù)據(jù)傳輸特征越來越受到航電網(wǎng)絡(luò)總體設(shè)計的要求[1]。數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和高速性對通信設(shè)備硬件的要求也比較高，當航電應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計和數(shù)據(jù)收發(fā)特征比較復(fù)雜時，尤其當單設(shè)備需要同時給更多個設(shè)備發(fā)送同一條應(yīng)用消息，并且根據(jù)不同消息更換設(shè)備組的時候，通訊設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸處理負荷增大，很大程度上影響航電網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用軟件的執(zhí)行效率，也會增大數(shù)據(jù)傳輸異常的概率和數(shù)據(jù)處理的時間[2]。對此，該文提出了一種基于航電總線驅(qū)動的組播通信功能的設(shè)計實現(xiàn)，在滿足航電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)用的前提下，最大效率的提高數(shù)據(jù)傳輸效率，提高了整個航電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

關(guān)鍵詞：航電網(wǎng)絡(luò)；單播通信；組播通信

中圖分類號：TP309 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）24-0028-02

1 引言

伴隨航電網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的不斷更替，航電網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的通信規(guī)模和通信方式也在不斷更新，一種合理化、可靠化通信方式的設(shè)計決定了整個航電總線網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性[3]。在航電網(wǎng)絡(luò)中一般會設(shè)計有多個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點都會通過物理總線連接至交換網(wǎng)絡(luò)中，實現(xiàn)和其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進行消息的收發(fā)功能[4]。

由于航電網(wǎng)絡(luò)中的通信需求，部分節(jié)點必須實時的給網(wǎng)絡(luò)中的某幾個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點同時發(fā)送相同的消息，并且根據(jù)消息的類型和內(nèi)容會實時切換消息發(fā)送的目的設(shè)備，這樣就會使發(fā)送節(jié)點的負擔增大。若采用以往的消息通信方式，那么發(fā)送節(jié)點每發(fā)送一包數(shù)據(jù)，就要調(diào)用一次發(fā)送函數(shù)，消息通過鏈路傳遞給交換設(shè)備并轉(zhuǎn)發(fā)至目的設(shè)備。若發(fā)送目的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點過多，那么鏈路上傳遞的數(shù)據(jù)量會大大增加，不僅會降低軟件的工作效率，也會增大數(shù)據(jù)傳輸異常的概率，影響網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。對此，本文引入一種基于航電網(wǎng)絡(luò)總線驅(qū)動組播通信功能的實現(xiàn)，很大程度上優(yōu)化了消息的收發(fā)效率，減小了鏈路上消息傳遞的負擔，提高了應(yīng)用軟件的執(zhí)行效率[5]。

2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通信方式

航電總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一般采用交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即所有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通過物理鏈路連接至交換設(shè)備，每個節(jié)點都有其全網(wǎng)獨一無二的交換端口ID，作為整個網(wǎng)絡(luò)的唯一標識。在設(shè)計航電總線網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動時，不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點均要有其各自的配置數(shù)據(jù)，作為其和網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點通信所使用的消息ID、消息類型以及消息通信的目的設(shè)備地址標識的定義。

2.1 單播通信

當網(wǎng)絡(luò)正常運行的時候，若單個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點有發(fā)送消息的需要，那么節(jié)點應(yīng)用軟件會先將目的設(shè)備地址標識填在待發(fā)送消息的消息頭中，再在自身配置表中根據(jù)目的設(shè)備地址標識找到對應(yīng)的消息ID，然后調(diào)用總線驅(qū)動軟件提供的接口函數(shù)將消息發(fā)送至交換設(shè)備，交換設(shè)備收到消息后，根據(jù)消息頭填充的目的設(shè)備地址標識，將消息路由至和目的設(shè)備地址標識對應(yīng)的物理地址標識所接的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，目的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點即收到消息。此種方式為單節(jié)點一對一的通信，即調(diào)用一次函數(shù)接口實現(xiàn)了發(fā)送一條消息，具體通信流程如圖1所示。

若單節(jié)點的消息需要發(fā)送至多個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，并且要滿足實時發(fā)送，那么節(jié)點的應(yīng)用就必須同時調(diào)用多次消息發(fā)送接口，并且根據(jù)消息內(nèi)容和發(fā)送的需要，實時更改其發(fā)送的設(shè)備，這樣大大增大了軟件的執(zhí)行時間，降低了軟件執(zhí)行效率。對此，基于航電總線網(wǎng)絡(luò)引入組播通信功能。設(shè)備若通過組播方式和其他節(jié)點進行通信，可以很大程度減小鏈路上數(shù)據(jù)傳輸負擔，提高航電總線網(wǎng)絡(luò)的安全性和可靠性。

2.2 組播通信

具備組播通信的航電總線網(wǎng)絡(luò)必須在單節(jié)點端和交換機端均具備組播通信方式。單網(wǎng)絡(luò)節(jié)點端必須有一張專門用于組播消息通信的配置表，里面定義了用于組播消息發(fā)送所使用的組播組設(shè)備地址標識以及各類消息的消息ID；交換機端也必須具有一張組播通信配置表，里面定義所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組播表中每一個組播地址標識對應(yīng)的組播設(shè)備群，即定義每一個組播地址標識里面都有哪些目的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。

應(yīng)用軟件若要發(fā)送組播消息，實時的將待發(fā)送消息內(nèi)容進行填充，選擇其所需要發(fā)送的組播設(shè)備群所對應(yīng)的組播組地址標識，并將組播地址標識填充在消息頭中。然后調(diào)用驅(qū)動軟件提供的接口函數(shù)將消息發(fā)送至交換設(shè)備。交換設(shè)備收到單節(jié)點發(fā)送的消息后，首先對消息頭中填充的目的設(shè)備地址標識進行解析，若消息類型是組播消息，那么交換設(shè)備會在自身的組播配置表中進行查找，找到對應(yīng)組播組地址標識中定義的所有目的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的地址標識，然后將其收到的組播消息同時發(fā)送給組播組中定義的所有目的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。組播組中定義的目的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點會同時收到來自交換設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)的組播消息，即完成組播消息的通信。具體組播消息通信流程如圖2所示。

2.3 兩種通信模式分析

一般來說，航電總線網(wǎng)絡(luò)的通信方式使用單播通信方式，但是某些特殊網(wǎng)絡(luò)節(jié)點由于其在航電網(wǎng)絡(luò)中的特殊性和重要性，必須實時將網(wǎng)絡(luò)中的重要信息或者外部傳入的關(guān)鍵信息發(fā)給指定的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組，保證航電系統(tǒng)可以實時做出回應(yīng)。若采用單播消息發(fā)送方式，發(fā)送端網(wǎng)絡(luò)節(jié)點端必須根據(jù)其需要發(fā)送的目的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量來決定調(diào)用幾次發(fā)送接口，若應(yīng)用軟件每次都實時的進行判斷并多次調(diào)用消息發(fā)送接口，會很大程度影響應(yīng)用軟件的效率，增加發(fā)送網(wǎng)絡(luò)節(jié)點CPU端的負擔。并且每發(fā)送一條單播消息，消息都會在鏈路上從網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳遞至交換設(shè)備，增大了交換設(shè)備的處理負擔和故障率。

使用組播方式進行消息通信，發(fā)送端網(wǎng)絡(luò)節(jié)點只需根據(jù)其待發(fā)送的目的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組選擇對應(yīng)的組播組地址標識，調(diào)用接口進行消息發(fā)送。此時只需要發(fā)送一條消息至交換設(shè)備，然后交換設(shè)備根據(jù)組播組定義的目的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點標識選擇對應(yīng)的目的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，并將收到的組播消息轉(zhuǎn)發(fā)至對應(yīng)的目的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組中的每一個節(jié)點。此種方式的消息通信，提高了發(fā)送端網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的應(yīng)用軟件執(zhí)行效率，降低了航電總線網(wǎng)絡(luò)鏈路和交換設(shè)備的處理負擔，提高了航電總線網(wǎng)絡(luò)的安全性和穩(wěn)定性。

3 組播通信應(yīng)用實例

在某型號飛機航電網(wǎng)絡(luò)中，某網(wǎng)絡(luò)節(jié)點作為航電導(dǎo)航系統(tǒng)，最初采取單播消息通信的設(shè)計方式，由于初期硬件規(guī)劃的緣故，此節(jié)點的硬件相關(guān)配置不高，但是其在整個航電網(wǎng)絡(luò)的作用非常關(guān)鍵，系統(tǒng)要求此節(jié)點實時將關(guān)鍵數(shù)據(jù)發(fā)送至幾個固定的設(shè)備。由于發(fā)送消息頻率非常高，并且此節(jié)點本身還有自身的其他應(yīng)用軟件在運行，這樣導(dǎo)致其CPU資源經(jīng)常被搶占完，且偶爾應(yīng)用軟件出現(xiàn)異?；蛘咄ㄐ懦霈F(xiàn)錯誤的狀況，這樣會嚴重威脅整個航電系統(tǒng)的安全性。

由于上述問題的持續(xù)存在性，航電總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將此節(jié)點的消息發(fā)送方式升級為組播方式。經(jīng)過長時間反復(fù)測試，軟件的執(zhí)行效率大大提高，且此節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點消息的通信過程沒有出現(xiàn)任何異常狀況，在充分利用硬件資源的前提下高效率完成導(dǎo)航系統(tǒng)的任務(wù)。

4 結(jié)束語

隨著航電總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的不斷升級和應(yīng)用模式的不斷創(chuàng)新，網(wǎng)絡(luò)通信方式和通信規(guī)模也在持續(xù)的改進。將組播通信功能運用在航電網(wǎng)絡(luò)通信中，不僅可以解決上述實例中的安全性問題，也可以促進航電網(wǎng)絡(luò)的多樣性發(fā)展，提高整個航電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性[6]。

參考文獻：

[1] ANSI.Fibre Channel Avionics Environment Anonymous Subscriber Messaging （FC-AE-ASM）， Rev1.2[M]. US：ANSI，2006.

[2] 李海全，李剛.系統(tǒng)可靠性分析與設(shè)計[M].北京：科學(xué)出版社，2003.

[3] Alderman R.New standard form odu le electron ics[J].Avionics Magazine，2006，（8）：66.

[4] 徐亞軍，張曉林等.FC網(wǎng)絡(luò)性能測試與研究[J].2007，43（15）：137-139.

[5] ANSI.Fibre Channel Framing and Signaling-2 （FC-FS-2）， Rev0.01[M]. US： ANSI， 2003.

[6] John，Males.F-22 Radar development[J].Aerospace and Electronics Conference，IEEE，1997，l2： 831-839.

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