CN102075247B - 高速光纤总线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高速光纤总线，基于命令响应式的高速光纤总线协议，该结构包括：一个光纤总线；一个网络控制器，连接于该光纤总线；多个网络终端，通过多个光纤耦合器挂接到光纤总线上；以及多个远置终端，通过桥接设备连接于光纤耦合器。利用本发明，可以满足航空航天等多种应用环境对高速、实时、高可靠光纤总线的需求，通信速率达到2.5Gbps，单点故障容易隔离，支持多种拓扑结构，布线方便，系统所用设备简单，可靠性高。
Description
技术领域
本发明涉及高速总线技术领域，尤其涉及一种基于无源光网络的命令响应式的高速光纤总线。
背景技术
数据总线技术是航空航天电子系统的关键技术，现在航电设备的复杂度越来越高，需要高带宽、强实时与高可靠的数据总线网络才能满足需求。现有相关的数据总线技术主要有以下两种技术标准，一是MIL-STD-1553B总线标准，二是FC-AE-1553总线标准。
MIL-STD-1553B总线标准始于1968年初，1978年9月21日获得正式的书面批准后，作为美国官方的文件公布发表。MIL-STD-1553B总线为指令/响应时分多路数据总线，采用冗余的总线型拓扑结构，利用屏蔽双绞线或同轴电缆作为传输介质，传输数据率为1Mbps。其主要功能是为所有连接到总线上的航空电子系统提供综合化、集中式的系统控制和标准化的接口。
作为第一代军用数据总线技术，MIL-STD-1553B总线具有以下优点：
1)、冗余容错能力强。MIL-STD-1553B总线采用双通道设计，通过在两个通道间自动切换来获得较好的冗余容错能力，提高了系统可靠性，通道的自动切换对软件透明；
2)、良好的实时性。MIL-STD-1553B总线采用命令/响应式协议，把响应时间限定在4～12ms以内；
3)、高水平的电器保障性能。MIL-STD-1553B总线采用电气屏蔽和总线耦合方式，每个节点都能够安全地与网络隔离，减少了潜在的损坏设备的可能性；
4)、良好的器件可用性。MIL-STD-1553B器件的制造工艺满足大范围温度变化及军标的要求，使得MIL-STD-1553B能够广泛地应用在环境苛刻的项目当中。
MIL-STD-1553B总线最初由美国空军用于飞机航空电子系统，目前已经应用于美国和欧洲海、陆、空三军，而且正在成为一种国际标准，它广泛用于飞机综合航电系统、外挂物管理与集成系统，并逐步扩展到飞行控制系统及坦克、舰船、航天等领域。
但是，随着航空航天领域对数据传输(视频、音频、分布式数据)的需求日益增加，MIL-STD-1553B总线1Mbps的带宽已无法满足现代航空航天电子系统的要求。另外由于采用电缆介质，MIL-STD-1553B总线结构抗电磁干扰性能差、质量重、体积大、功耗高、布线复杂。MIL-STD-1553B总线正在被许多更高性能的数据总线所取代。
FC-AE-1553总线技术就是在光纤通道上映射MIL-STD-1553B协议得到的“吉比特的1553”协议。光纤通道(fiber channel，简称FC)是美国国家标准委员会(ANSI)的X3T11小组于1988年开始制定的一种高速串行通信协议，采用通道技术控制信号传输，在共享介质时采用基于仲裁或交换的信道共享冲突解决机制和基于信用的流量控制策略。
FC具有高速率、低延迟、低误码率的特性；FC支持多种上层协议、多种底层传输介质、多种服务类型与灵活的拓扑结构；FC是一种完全开放的标准，作为以COTS为基础的网络技术，在标准开发以及产品供应商方面具有广泛地支持；另外FC标准开发组织还建立了航空电子分委员会(ANSI FC-AE)，专门针对FC技术如何应用于航空电子领域以及现有的1553总线如何平滑升级而开展工作。目前FC-AE定义了5种传输协议，其中FC-AE-1553就是这五个FC上层协议映射之一，具有光纤通道的良好网络性能，又具有MIL-STD-1553B的传统优势，被称为“吉比特的1553”，另外FC-AE-1553也兼顾了对于现有MIL-STD-1553B网络的桥接，因此FC-AE-1553对传统的MIL-STD-1553网络能很好的继承。
FC-AE-1553适应的拓扑结构包括仲裁环，交换式及其组合式。FC支持的典型冗余结构有双环冗余(如图1)与双交换式冗余结构(如图2)，两种特性的特性如表1，表1是FC双环冗余与双交换式的特性比较。
表1
综上所述，双环冗余结构，布线方便，但共享带宽，对单点掉电或故障敏感，可靠性有限；双交换式是星型拓扑，布线复杂，引入的交换设备技术难度大，又由于带有若干光口，功耗大，可靠性不易保证。因此，FC-AE-1553协议仍然需要改进才能满足苛刻环境条件对通信系统高可靠的要求。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提出一种基于无源光网络的命令响应式的高速光纤总线，将FC-AE-1553协议与PON传输结构结合起来，形成了“全新”主从式的1553PON协议，即FC-AE-1553over PON(以下简称“1553PON”)，并且为新协议设计了冗余拓扑结构，研制了“1553PON”的总线网络系统，以适应航空航天等多种应用环境对下对简单拓扑高速总线网络的需求。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种高速光纤总线结构，基于命令响应式的高速光纤总线协议，该结构包括：
一个光纤总线，由无源光器件中的光缆、光纤耦合器及光纤连接器组成；
一个网络控制器，连接于该光纤总线；
多个网络终端，通过多个光纤耦合器挂接到光纤总线上；以及
多个远置终端，通过桥接设备连接于光纤耦合器。
上述方案中，所述命令响应式的高速光纤总线协议基于无源光网络架构，采用下行广播，上行分时复用机制，支持多种拓扑结构，桥接传统1553设备。
上述方案中，所述网络控制器用于实现总线的调度和管理，完成数据传输，是总线通讯的发起者和组织者，是主动参与总线通讯的，所有的数据传输均由网络控制器启动，网络终端只能被动的接收或者发送数据，任何一次通讯过程都由网络控制器参与，网络终端只能被动的接收或者发送与自己有关的数据。
上述方案中，所述网络终端不多于64个，用于根据预先设定的通讯协议接收和发送数据，分时复用上行总线。
上述方案中，所述桥接设备是一个透明网桥，将从1553PON网络收到的数据包转换成MIL-STD-1553B的协议字下发到传统1553设备，从传统1553设备收上来的包转换成1553PON的包上传至1553PON网络。
上述方案中，该系统进一步包括多个网络监视器，每个网络监视器通过光纤耦合器挂接到光纤总线上。
上述方案中，所述网络监视器用于选择性的监视网络的通讯，对通讯状态进行分析与判断。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的这种命令响应式的高速光纤总线及其冗余拓扑结构，为解决高速数据通信的问题，研究了一种新型协议，将FC-AE-1553协议与PON架构有效融合，形成了“全新”主从式的1553PON协议，并且研制了“1553PON”的总线网络系统，可以满足航空航天等多种应用领域对高速总线的需求，通信速率达到2.5Gbps，单点故障容易隔离，线性拓扑，布线方便，系统所用设备简单，可靠性高。
2、本发明提供的这种命令响应式的高速光纤总线及其冗余拓扑结构，提高了网络带宽，抗电磁干扰能力强，可以多总线合一，简化总线种类，提高了可靠性。
3、本发明提供的这种命令响应式的高速光纤总线及其冗余拓扑结构，提供了链路故障检测机制，单节点故障可以隔离，不会造成整体网络的瘫痪，单点或多点光缆断裂也能有效降低失效节点数。
4、本发明提供的这种命令响应式的高速光纤总线及其冗余拓扑结构，传输速率可达2.5Gbps，可靠性高，实时性好，可以应用于航空、航天、舰船等多种应用领域。
附图说明
图1是现有技术中光纤通道支持的双环冗余结构的示意图；
图2是现有技术中光纤通道支持的双交换式冗余结构的示意图；
图3是本发明提供的基于无源光网络的命令响应式的的高速光纤总线结构的总线形拓扑结构示意图；
图4是本发明提供的基于无源光网络的命令响应式的的高速光纤总线结构的星形拓扑结构示意图；
图5是本发明提供的基于无源光网络的命令响应式的的高速光纤总线冗余拓扑结构的示意图；
图6是本发明提供的基于无源光网络的命令响应式的的高速光纤总线冗余拓扑结构的两条光链路在同一位置断裂的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供了一种命令响应式的高速光纤总线结构的简单物理拓扑结构如图3所示，网络中只能有一个网络控制器(NC)，不多于64个网络终端(NT)，网络监视器(NM)是可选的，用于监视总线网络的通讯。传统1553总线的终端设备通过桥接设备(BG)接入1553PON网络，终端设备通过光纤耦合器(从OC-1到OC-n)挂接到光纤总线上，具体包括：
一个光纤总线，由无源光器件中的光缆、光纤耦合器及光纤连接器组成；
一个网络控制器，连接于该光纤总线；
多个网络终端，通过多个光纤耦合器挂接到光纤总线上；以及
多个远置终端，通过桥接设备连接于光纤耦合器。
(1)网络控制器(NC)
NC类似于MIL-STD-1553B中的总线控制器(BC)，相当于无源光网络(PON)结构中的光线路终端(OLT)，用于实现总线的调度和管理，完成数据传输，是总线通讯的发起者和组织者。只有NC是主动参与总线通讯的，所有的数据传输必须由NC启动，网络终端网络终端(NT)只能被动的接收或者发送数据，因而任何一次通讯过程都必须由NC参与，NT只能被动的接收或者发送与自己有关的数据。在下行方向采用广播方式，对于NT地址与本地地址不同的数据，NT直接丢弃。
NC根据用户需求与系统需求，主动组织各个NT参与通讯，完成数据传输。NT也可以主动向总线控制器发出数据请求，比如采用服务请求位，然后NC根据情况组织相应的信息，允许NT接收或发送数据。
(2)网络终端(NT)
网络终端不多于64个，用于根据预先设定的通讯协议接收和发送数据，分时复用上行总线。NT只能被动的接收或者发送和自己有关的数据，对NT来讲，和自己无关的数据是透明的(看不见的)。NT根据预先设定的通讯协议接收和发送数据。由于NT只能被动的参与总线通讯，软件的设计和总线控制器的工作方式是密切相关的，因而在软件的设计上必须有充分的安全考虑。
和NC一样，远置终端一般也是某个星载设备的全部功能的一部分，NT本身只是个通讯的桥梁，通讯软件往往是为数据收集和分发服务的。
与MIL-STD-1553B中RT不同的是，NT的激光器只有在发送数据的时隙是开启的，其它时候都关闭，因为所有的NT是分时复用上行总线的。
(3)网桥(BG)
1553PON网络通过BG兼容MIL-STD-1553B设备。桥接设备是一个透明网桥，将从1553PON网络收到的数据包转换成MIL-STD-1553B的协议字下发到传统1553设备，从传统1553设备收上来的包转换成1553PON的包上传至1553PON网络。
(4)网络监视器(NM)
系统进一步包括多个网络监视器，每个网络监视器通过光纤耦合器挂接到光纤总线上。网络监视器用于选择性的监视网络的通讯，对通讯状态进行分析与判断。1553PON网络上所有的通讯过程，对NM来讲都是可见的。因此，NM能选择性的监视网络的通讯，对通讯状态进行分析与判断。
(5)ODN(光分配网络)
光分配网是由光缆、光纤耦合器、光纤连接器等无源器件实现NC与各NT之间的光通路连接，主要功能是完成光信号的功率分配和传输。
下面详细介绍FC-AE-1553与PON传输结构的融合。
无源光网络技术(PON：passive optical network)最早由英国电信研究人员于1988年发表，近10年来随着光通信技术的发展，PON开始应用到接入网中，解决“last mile”的传输瓶颈问题。
PON是点对多点(P2MP)结构，因此它既不像环形是单纯的共享媒介结构，也不是单纯的点对点的网络，而是两者的结合。在下行方向上，它拥有共享媒介的特性，在上行方向上，它的行为特性如同点对点。
PON结构的优点来源于其无源光分/合路器，下行采用TDM广播方式，上行采用TDMA复用方式，下行TDM广播帧中不同时隙对应给不同的ONU信号，各ONU接收到整个广播帧后根据某些跟自己相关的信息(帧中的时隙所携带的标志符)来判断接收属于自己的时隙。上行信道划分为不同的时隙，各个ONU在分配的时隙内向OLT发送数据。这样的TDMA方式决定了PON必须要解决的一个关键问题，ONU距OLT不同路径带来的测距问题。
1553本身就是一种命令响应式的协议，在1553总线结构中，只有NC是主动参与总线通讯的，所有的数据传输过程都是从总线控制器发起命令字开始，终端被动响应。
这种情况下，将1553协议直接与PON传输结构结合起来，既避免了PON结构时隙分配的测距问题，PON架构又方便1553协议的承载。对于1553PON传输协议，每次数据传输过程都是由NC发起的，NT终端只有接收到与自己有关的命令帧，才将激光器打开参与通信，否则，NT的激光器始终关闭。
1553PON冗余拓扑结构设计。
航空航天等环境对可靠性要求很高，要求网络系统能达到以下要求：
(1)单节点掉电或故障容易隔离，
(2)线性拓扑，布线方便；
(3)系统所用设备简单，可靠性高。
而网络的拓扑结构是影响网络可靠性的重要决定因素，主要在于它的连通性，即某些节点或链路失效，是否使得网络成为了不连通图，进而导致部分或全部的网络失效，基于这些分析，为1553PON设计了冗余拓扑结构。
本发明还提供的这种命令响应式的高速光纤总线冗余拓扑结构的实现方法，该方法包括：
封闭光链路，将总线型的无源光网络结构封闭成环形，可以实时检测光链路的连通性；
将逆向双环互为备份，一条链路失效则可选择另一条链路；
利用网络监视器作为网络控制器的冗余设备。
所述封闭光链路，将总线型的无源光网络结构封闭成环形，具体包括：在两条总线的网络控制器侧分别增加一个光链路检测模块，将链路的最后一个节点与网络控制器连接起来，实现将总线型的无源光网络结构封闭成环形。
所述网络监视器平时只做网络监视器，监控网络的状况，在网络控制器失效时，网络监视器取代网络控制器来管理总线。
为1553PON网络设计的冗余结构如图5所示，其中虚线表示单纤单向信号，实线表示单纤双向信号。
第一，通过封闭光链路，即将链路的最后一个节点与NC连接起来，通过在NC侧增加一个ONU的光模块即可以实现，两条总线需要增加两个，如图4所示，假设A总线的光链路失效，OLD即检测到ONU-A信号丢失，于是通知“bus controller”(总线控制器)选择备份总线B。
第二，采用逆向双总线的目的是，主要是为了减少两条光链路断裂的情况下失效的ONU节点数，如图6，假设两条光链路在NTn节点前面断裂，这样NC侧将检测到两条光链路都出现故障，这种情况下，对于A链路，失效的节点只有最后一个NTn，对于B链路，除了NTn以外，其他节点都失效，这样NC可以同时开启A总线与B总线，使用双总线情况下，所有节点都能正常工作。
第三，假设NT节点掉电或故障，比如图6中的NT2节点设备出现故障，由于PON架构本身的特点，节点很容易隔离，不会对总线结构造成影响，除NT2失效外，其他均能正常通信。
第四，NC设备是整个网络的核心设备，NC失效将导致整个网络失效，因此除了提高NC设备本身的可靠性以外，使用冗余设备NM来提高网络的可靠性。网络正常工作时，NM作为网络监视器，监控网络的状况，NC失效时，NM可以配置为NC，管理总线。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种基于无源光网络的命令响应式的高速光纤总线系统，基于命令响应式的高速光纤总线协议，其特征在于，所述高速光纤总线协议为将FC-AE-1553协议与无源光网络融合后形成的主从式的1553PON协议，该系统包括：
一个光纤总线，由无源光器件中的光缆、光纤耦合器及光纤连接器组成；
一个网络控制器，连接于该光纤总线；
多个网络终端，通过多个光纤耦合器挂接到光纤总线上；
多个远置终端，通过桥接设备连接于光纤耦合器；以及
一个网络监视器，通过光纤耦合器挂接到光纤总线上；所述网络监视器用于选择性的监视网络的通讯，对通讯状态进行分析与判断；
所述桥接设备是一个透明网桥，将从1553PON网络收到的数据包转换成MIL-STD-1553B的协议字下发到传统1553设备，从传统1553设备收上来的包转换成1553PON的包上传至1553PON网络；所述传统1553设备为MIL-STD-1553B设备；
所述命令响应式的高速光纤总线协议基于无源光网络架构，采用下行广播，上行分时复用机制，支持星形、环形和总线形拓扑结构；
所述网络控制器用于实现总线的调度和管理，完成数据传输，是总线通讯的发起者和组织者，是主动参与总线通讯的，所有的数据传输均由网络控制器启动，任何一次通讯过程都由网络控制器参与，网络终端只能被动的接收或者发送与自己有关的数据；
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