CN104954217A - 基于fc-ae-1553协议的多nc星型拓扑结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于FC-AE-1553协议的多NC星型拓扑结构，包括一个星型光纤耦合器、至少一个NC以及至少一个NT，每个NC和NT均通过光纤连接于星型光纤耦合器两端。本发明在FC-AE-1553协议标准定义的三种拓扑结构之外提出一种新型的星型拓扑网络结构，该结构简化了网络结构，降低了网络功耗，具有低成本、抗电磁干扰、故障率低、组网方便、易于维护的优点。

Description

基于FC-AE-1553协议的多NC星型拓扑结构

技术领域

本发明属于航空电子机载高速数据总线技术领域，具体涉及一种基于FC-AE-1553协议的多NC星型拓扑结构的设计。

背景技术

FC-AE-1553协议是由光纤通道(Fibre Channel，FC)标准组织美国工业标准协会(ANSI)的下属航空电子分委员会(ANSI FC-AE)制定的，该分会主要研究光纤通道技术如何应用于航空电子领域，并制定了FC-AE标准协议集，FC-AE-1553便是其中一个子协议，定义了MIL-STD-1553B总线协议到光纤通道高层协议的映射，实现了对传统MIL-STD-1553B的平滑升级，在兼顾传统航电设备的同时，又根据新的应用环境和技术背景进行了一些功能上的扩展。FC-AE-1553与MIL-STD-1553B技术对比如下表所示：

未来的航空电子环境对机载高速数据总线的要求不仅是可靠性高和延时低，而且要求其具有结构简单、功耗低、价格低廉、适应性强、易于维护等特点。传统的军用机载高速数据总线协议MIL-STD-1553B不但速率低且难以达到高性能的要求，已逐步被光纤总线所替代，而基于光纤通道(Fibre Channel，FC)技术的FC-AE-1553协议标准虽然具有高带宽、低时延和高可靠性的优良传输特性，但其协议标准定义的点对点(Point-to-Point)、仲裁环(ArbitratedLoop)和交换式(Fabric)三种拓扑结构使网络系统结构复杂、功耗高且组网成本较高。

(1)点对点方式的拓扑结构如图1所示，任意两个网络节点的端口之间采用光纤线缆双向连接。从而使该网络拓扑结构具有高可靠性和低延迟的特点，它能够提供节点间通信的最大带宽，并实现全双工通信，它适宜于连接中有大量持续数据需要传输的节点，如在机载系统中雷达和雷达信号处理器之间进行数据传输。但其缺点为连接线路使用光缆总成本随节点数的增加而成倍数的增加，而且线缆重量以及网络结构的复杂度也线性增加，导致在实际的航电系统机载高速数据总线中并不采用这种拓扑结构来构建网络。

(2)仲裁环式的拓扑结构如图2所示，在标准中定义其为单向数据流的环状结构，仲裁环可以最多连接126个设备，但由于数据在环路上按一个方向传送，故在任意时刻仲裁环只能有一对端口进行通信，并占用整个环的全部通信带宽，因此随着节点的增多，通信效率会急剧下降。当有多个节点需要通信时，就会发生冲突。特别是网络中如果有一个节点发生故障，则整个网络系统将会发生崩溃。仲裁环拓扑结构有效降低了交换式网络的成本劣势，但这是以系统可靠性和有效性急剧下降为代价的。

(3)交换式的拓扑结构如图3所示，需要一个或多个光纤通道交换机。每个交换机可以连接多达65000个设备，每个节点端口都可以以最大速度与交换机的端口建立连接并通信。交换机可以提供任意两个节点之间的路径，当网络中一条路径出现故障后交换机可以选择其它的路径来传递信息。整个网络由中心节点交换机执行集中式通信控制管理，各节点间的通信都要通过交换机。每一个要发送数据的节点都将要发送的数据发送给交换机，再由交换机将数据送到目地节点，因此交换机结构相当复杂。在网络通信中的各个节点的通信处理负担都很小，而且单个连接点的故障只影响一个设备，不会影响全网。但其缺点是交换机负担较重，容易形成网络“瓶颈”，一旦交换机发生故障，则与其连接的通信设备便会受到影响，导致各站点的分布处理能力较低。同时目前交换机的价格极度昂贵，对于小型网络其成本劣势非常明显。

针对这些问题，业界也提出了一些解决方案。例如采用集线器模式的环状拓扑结构提高环路连接的可靠性(如图4所示)，在集线器内部维持了单向的数据流，同样在任意时刻只能有两个节点之间进行通信，但是加入了端口旁路的功能，若环路中某一节点发生故障，则可将其进行旁路，从而不会导致整个网络链路的崩溃。再如，采用双向环结构来减少网络时延(如图5所示)，由于仲裁环是将个节点连成一条首尾相连的单向闭合环回路，环路上一个节点发出的信息可能要穿越环中所有的环路节点，而采用双向环模式的拓扑结构可以根据节点的远近自主的选择消息的回路，从而有效的降低信息传送的传输时延。中国科学院光电研究院的学者曾提出了一种基于无源光网络(Passive Optical Network，PON)的冗余网络拓扑结构1553PON(如图6所示)，但是该拓扑仅能支持一个网络控制器(Network Controller，NC)，不能发挥FC-AE-1553协议支持多个网络控制器的优势。

基于以上背景，标准的FC-AE-1553协议网络拓扑支持存在结构复杂，功耗较高，价格昂贵等缺点，而改进的方案能一定程度上提升性能，降低功耗等，但是对协议的支持却不够完全。因此，为了满足未来航电机载高速数据总线技术对性能、价格和功耗等的高度要求，提出一种适应FC-AE-1553协议的新拓扑结构将具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中航电总线FC-AE-1553协议标准拓扑的结构复杂、功耗高、抗电磁干扰能力弱且价格昂贵的问题，提出了一种基于FC-AE-1553协议的多NC星型拓扑结构。

本发明的技术方案为：一种应用于FC-AE-1553协议的多NC星型拓扑结构，包括一个星型光纤耦合器、至少一个NC以及至少一个NT，每个NC和NT均通过光纤连接于星型光纤耦合器两端。

优选地，NC用于实现整个网络的控制和调度管理，完成NC与NT以及NT与NT之间的数据传输管理。

优选地，在任意时刻至多只有一个NC处于运行过程中，其余NC均处于静默状态。

优选地，该多NC星型拓扑结构采用基于网络控制优先级的方法来决定NC对网络的控制权：

如果某NC在已有其它NC控制管理网络的过程中需要控制网络运行，则需要提出网络控制申请；若申请网络控制的NC的优先级比现在运行的NC优先级高，则可以成功取得网络控制权，否则申请网络控制的NC需要等待现在运行的NC结束网络控制任务后才能取得网络控制权。

优选地，NT根据NC的命令发送或者接收数据，若NT未接收到NC的任务命令则处于静默状态。

优选地，NC的下行数据广播给所有NT，每个NT通过MAC地址鉴别方法来判别NC的下行数据是否传递给该NT；NT的上行数据广播给所有NC，每个NC通过MAC地址鉴别方法来判别NT的上行数据是否传递给该NC。

优选地，星型光纤耦合器用于使传输中的光信号在耦合区发生耦合，并对光功率进行再分配，同时保持信号的频谱成分不变。

优选地，星型光纤耦合器分为有源星型光纤耦合器和无源星型光纤耦合器。

优选地，有源星型光纤耦合器含有信号再生和碰撞检测装置，当NC争夺网络控制权时若不同NC节点同时发送的数据包之间有碰撞发生，有源星型光纤耦合器则用信令的方式通知各NC节点采取校正动作。

优选地，无源星型光纤耦合器采用基于NT节点的功率检测和地址检测相联合的方法进行信号碰撞检测，具体过程如下：

当有超过一个以上的NC在争夺网络控制权时，每个争夺NC节点的光信号都将通过无源星型光纤耦合器分配给所有的NT节点，此时如果控制NC节点正在下行传输信号，会导致接收NT节点的接收功率超出异常值，如果控制NC节点并没有下行传输信号，会导致接收NT节点的FC帧地址解析出现发送地址错误；若接收NT节点的接收功率超出异常值或者接收NT节点的FC帧地址解析出现发送地址错误，则判定为有信号碰撞发生。

本发明的有益效果是：

(1)本发明在FC-AE-1553协议标准定义的三种拓扑结构之外提出一种新型的星型拓扑网络结构，该结构简化了网络结构，降低了网络功耗，具有低成本、抗电磁干扰、故障率低、组网方便、易于维护的优点。

(2)本发明能有效支持FC-AE-1553协议的10种数据交换模式，进一步肯定了该星型拓扑结构的实际可用性。

(3)本发明支持多NC，使用碰撞检测机制来发现网络控制权的争夺，并通过采用基于网络控制优先级的方法来决定NC对网络的控制权，给数据传送带来了极大的灵活性。

附图说明

图1为现有的FC-AE-1553协议标准所支持的点对点拓扑结构示意图。

图2为现有的FC-AE-1553协议标准所支持的仲裁环拓扑结构示意图。

图3为现有的FC-AE-1553协议标准所支持的交换式拓扑结构示意图。

图4为现有的改进集线器模式仲裁环拓扑结构示意图。

图5为现有的改进双向环模式仲裁环拓扑结构示意图。

图6为现有的改进1553PON型拓扑结构示意图。

图7为本发明所提供的基于FC-AE-1553协议的多NC星型拓扑结构示意图。

图8为本发明具体实施方式中的NC节点FC-2层帧发送流程图。

图9为本发明具体实施方式中的有源星型光纤耦合器碰撞处理结构示意图。

图10为本发明具体实施方式中的无源星型光纤耦合器NT节点碰撞处理结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。

本发明提供了一种应用于FC-AE-1553协议的多NC星型拓扑结构，包括一个星型光纤耦合器、至少一个网络控制器(NC)以及至少一个网络终端(NT)，如图7所示，本发明实施例中共有2个NC与4个NT。每个NC和NT均通过光纤连接于星型光纤耦合器两端。传统MIL-STD-1553B总线的远程终端设备(RT)可以通过桥接设备(FC-1553桥)接入到该网络拓扑结构中。

上述方案中，FC-AE-1553协议是一种命令响应式的问答协议，并同样支持FC-AE-1553协议的10种数据交换模式(Exchange Format)。在该结构中NC用于实现整个网络的控制和调度管理，完成NC与NT以及NT与NT之间的数据传输管理，它是整个网络数据传输的发起者和组织者，任何一次通信任务的实施必须有NC的参与。但是在任意时刻至多只有一个NC处于运行过程中，其余NC均处于静默状态。

本发明采用基于网络控制优先级的方法来决定NC对网络的控制权，其具体过程如下：

如果某NC在已有其它NC控制管理网络的过程中需要控制网络运行，则需要提出网络控制申请；若申请网络控制的NC的优先级比现在运行的NC优先级高，则可以成功取得网络控制权，否则申请网络控制的NC需要等待现在运行的NC结束网络控制任务后才能取得网络控制权。

NT根据NC的命令发送或者接收数据，若NT未接收到NC的任务命令则处于静默状态。

星型光纤耦合器用于使传输中的光信号在耦合区发生耦合，并对光功率进行再分配，同时保持信号的频谱成分不变。星型光纤耦合器可分为有源星型光纤耦合器和无源星型光纤耦合器。有源星型光纤耦合器含有信号再生和碰撞检测装置，当NC争夺网络控制权时若不同NC节点同时发送的数据包之间有碰撞发生，有源星型光纤耦合器则用信令的方式通知各NC节点采取校正动作。无源星型光纤耦合器具有成本、抗电磁干扰、故障率低、易于维护等优点，但基于无源星型耦合器拓扑结构的碰撞检测机制是通过NT节点的功率检测机制来实现的。

针对本发明提出的多NC星型拓扑结构，在FC-AE-1553协议栈的协议栈链路层(FC-2层)，可以分为NC到NT，NT到NC两种通信方式。同时，命令/响应方式的控制方法，使得所有NT节点信息都处于被动传输状态，只有当NT接收到NC的传输命令许可，才有权限参与和执行当前任务。

(1)在NC到NT通信时，由节点NC发出的数据信息会通过星型耦合器向下传输到每一个NT节点上，经过分路的光信号仍然是NC节点的比特流，但信号的功率会由于分路而衰减。NT节点在FC-2层通过解码FC帧头的目的地址(D_ID)，判断其是否为发给自己的帧。如果不是，NT节点直接丢弃该帧消息，反之，则将帧交给光纤通道协议上层进行处理。对于NC节点，此时处于FC帧发送状态，但可能遇到别的NC为争夺网络控制权而导致的信道碰撞冲突，故而其NC端口帧发送流程如图8所示。

NC节点在发送FC帧之前，需要先进行链路空闲检测，如果信道空闲，则根据协议发送握手信号实现链路同步；否则进入到网络控制优先级判断的状态。

链路处于同步状态后，则可以发送FC帧，在此期间，如果未监听到有冲突碰撞发生，就始终发送FC帧，直到该任务的所有FC帧发送完成，该NC端口帧发送过程正常结束；如果发送FC帧的某一时刻监听到有冲突碰撞发生，则判定为发生了网络控制权的争夺，NC节点需要保存该未发送完成的帧数据，并进入到网络控制优先级判断的状态。

在网络控制优先级判断的状态下，当该NC节点在网络控制权争夺中处于高优先级，则等待一段处理时延过后，继续发送消息任务的FC帧。反之，当其处于低优先级，则需要存储该任务，等待规定T时刻重新执行该任务，直到任务完成，或者是因为执行失败次数超过上限而中断该传输任务。

(2)在NT到NC通信时，由于FC-AE-1553是命令/响应式协议，某一时刻最多只有一个NC获得网络控制权，并处于运行之中。在整个网络通信传输过程中，NC拥有节点信息发送接收的最高控制权，所有传输任务的发起和监控均由NC负责，该控制方式保证了总线传输控制权的时刻唯一性。NC控制上行信道的使用，当NC将信道使用权分配给指定的NT后，NT发送的数据信息将上行广播到所有NC节点，而别的NT将不会有数据传输，这样就不会发生上行信道占用的冲突，这也确保了在同一时刻，总线上只有唯一的任务进行传输，避免同一时刻多任务执行导致总线数据传输上行信道冲突，提高了总线传输的可靠性。NC接收FC帧的原理同样是通过FC帧头目的地址(D_ID)标记判别的方式，当NC节点的地址示符与FC帧的目的地址匹配时，该NC节点才会接收该FC帧，并向上层传输处理。

本发明采用基于网络控制优先级的方法来决定NC对网络的控制权，能够有效满足航电系统对于实时性的要求。在该航电网络中，有些消息是由系统中随机突发事件产生的，这类消息的数据通信量一般很小，而优先级却会较高，例如故障报警，雷达预警等。基于这种网络控制优先级的多主控网络，给数据传送带来极大的灵活性。

网络控制权的转移是通过碰撞检测的方式来实施的。同时FC-AE-1553协议定义了一系列的原语序列(Primitive Sequence)来控制链路的同步、错误检测等，通过增加相应的碰撞原语序列来解决碰撞信息反馈的问题，该碰撞原语序列中也包含相应的NC节点地址信息，以及网络控制优先级等信息。网络控制优先级的大小可以用其中一段长度的数字大小来表示，而该长度与网络控制NC节点的多少有关，可根据实际情况灵活定义。

有源星型光纤耦合器构成的该协议星型拓扑结构中，有源星型光纤耦合器含有信号再生和碰撞检测装置，如果有碰撞发生，有源星型光纤耦合器则用反馈碰撞原语序列的方式通知各节点采取校正动作，如图9所示。此时，有源星型光纤耦合器如同一个中继器(Repeater)，它接收来自任何NC节点光发射机的信号，并将光信号转化为电流信号，然后放大该电流后再驱动光源，重新产生光信号，通过耦合器将输出光功率均匀分配到所有接收站点。在该处理过程中，容易在电路域判断链路冲突，并判断网络控制权的优先级，然后反馈给相应NC节点有效的碰撞检测原语序列(Primitive Sequence)。

无源星型光纤耦合器构成的该协议星型拓扑结构中，由于其不具有碰撞检测装置，可以采用一种利用NT节点碰撞检测反馈的机制。当有超过一个以上的NC在争夺网络控制权时，每个争夺NC节点的光信号都将通过无源星型光纤耦合器分配给所有的NT节点，此时如果控制NC节点正在下行传输信号，必将导致接收NT节点的接收功率超出异常值，NT节点的物理层端口如图10所示，而如果此时控制NC节点并没有下行传输信号，又将会导致接收NT节点的FC帧地址解析出现发送地址错误。因此，若接收NT节点的接收功率超出异常值或者接收NT节点的FC帧地址解析出现发送地址错误，则判定为有信号碰撞发生。通过这种功率检测和地址检测相联合的方法，能有效侦测碰撞发生，在接收NT节点检测到碰撞发生过后，同样判断网络控制权的优先级，然后给相应的NC节点反馈有效的碰撞检测原语序列。

由于FC-AE-1553协议的底层使用了光纤通道技术，并在该协议的协议栈交换层(FC-4层)映射了MIL-STD-1553B协议，且FC-AE-1553协议同样支持MIL-STD-1553B协议的10种数据传输交换模式。针对本发明所提出的网络拓扑结构，在进行NT与NT的交换过程中，需要NC进行中转，所以在该拓扑结构下的传输模式有如下的特点，我们将传输交换模式分为以下三类来分别介绍。

(1)常规模式：包含NC-NT模式(写模式)、NT-NC模式(读模式)、无数据字模式命令、有数据字模式命令(发送数据)和有数据字模式命令(接收数据)共5种传输模式。其特征是仅NC与NT之间的数据交换，节点间的交换传输模式与协议标准拓扑结构下传输交换相似，而最大的区别在于FC-2层，需要根据该星型拓扑结构做如上节的收发控制调整。

(2)中转模式：仅包含NT-NT模式(第三方模式)这1种，该模式在无源星型拓扑结构下并不同于交换式网络拓扑结构中光纤通道交换机的物理信道直连通信，而是需要NC进行中转才能进行通信。在整个中转过程中，NC对中转的消息帧不做任何的修改和处理，接收后立即进行转发。当NC命令帧中的监控位被置位时，表示在NT之间的信息交换传输中是需要NC进行数据监控和存储的，在该拓扑结构下，由于NC的中转使其并不需要NT在接收到数据后再向NC回传数据帧，而是NC在中转的过程中就直接进行数据监控和保存，从而简化了网络传输的复杂度，降低了网络时延。

(3)多播模式：包含NC-NTs(NC广播或组播)、NT-NTs(NT广播或组播)、无数据字模式命令(NTs)和有数据字模式命令(NTs)这4种。即NC(或NT)到多个NT通信，由于无源光分路器一对多的通信链路传输特点，在实现多播任务时具有物理信道直接支持的优势，在不需要额外的处理方式下，便可以将网络数据帧广播到所有的NT节点。

在FC-AE-1553协议的命令帧中，多播位(Multicast)置1，且目的地址(Destination Address)置为“FFFFFF”是广播命令帧，在目的节点端口能通过识别该知名地址(Well-known Address)来接收该广播帧。如果多播位置1，则代表该该帧为组播帧，其目的地址的值为该命令帧的组播组的序号值。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于FC-AE-1553协议的多NC星型拓扑结构，其特征在于，包括一个星型光纤耦合器、至少一个NC以及至少一个NT；所述每个NC和NT均通过光纤连接于星型光纤耦合器两端。

2.根据权利要求1所述的多NC星型拓扑结构，其特征在于，所述NC用于实现整个网络的控制和调度管理，完成NC与NT以及NT与NT之间的数据传输管理。

3.根据权利要求1所述的多NC星型拓扑结构，其特征在于，在任意时刻至多只有一个NC处于运行过程中，其余NC均处于静默状态。

4.根据权利要求3所述的多NC星型拓扑结构，其特征在于，该多NC星型拓扑结构采用基于网络控制优先级的方法来决定NC对网络的控制权：

如果某NC在已有其它NC控制管理网络的过程中需要控制网络运行，则需要提出网络控制申请；若申请网络控制的NC的优先级比现在运行的NC优先级高，则可以成功取得网络控制权，否则申请网络控制的NC需要等待现在运行的NC结束网络控制任务后才能取得网络控制权。

5.根据权利要求1所述的多NC星型拓扑结构，其特征在于，所述NT根据NC的命令发送或者接收数据，若NT未接收到NC的任务命令则处于静默状态。

6.根据权利要求1-5任一所述的多NC星型拓扑结构，其特征在于，所述NC的下行数据广播给所有NT，每个NT通过MAC地址鉴别方法来判别NC的下行数据是否传递给该NT；所述NT的上行数据广播给所有NC，每个NC通过MAC地址鉴别方法来判别NT的上行数据是否传递给该NC。

7.根据权利要求1所述的多NC星型拓扑结构，其特征在于，所述星型光纤耦合器用于使传输中的光信号在耦合区发生耦合，并对光功率进行再分配，同时保持信号的频谱成分不变。

8.根据权利要求1所述的多NC星型拓扑结构，其特征在于，所述星型光纤耦合器分为有源星型光纤耦合器和无源星型光纤耦合器。

9.根据权利要求8所述的多NC星型拓扑结构，其特征在于，所述有源星型光纤耦合器含有信号再生和碰撞检测装置，当NC争夺网络控制权时若不同NC节点同时发送的数据包之间有碰撞发生，有源星型光纤耦合器则用信令的方式通知各NC节点采取校正动作。

10.根据权利要求8所述的多NC星型拓扑结构，其特征在于，所述无源星型光纤耦合器采用基于NT节点的功率检测和地址检测相联合的方法进行信号碰撞检测，具体过程如下：

当有超过一个以上的NC在争夺网络控制权时，每个争夺NC节点的光信号都将通过无源星型光纤耦合器分配给所有的NT节点，此时如果控制NC节点正在下行传输信号，会导致接收NT节点的接收功率超出异常值，如果控制NC节点并没有下行传输信号，会导致接收NT节点的FC帧地址解析出现发送地址错误；若接收NT节点的接收功率超出异常值或者接收NT节点的FC帧地址解析出现发送地址错误，则判定为有信号碰撞发生。