FC-AE-1553协议分析与研究

鞠铭阳，张利洲，王世奎

（中航工业 西安航空计算技术研究所，陕西 西安　710065）

FC-AE-1553协议分析与研究

鞠铭阳，张利洲，王世奎

（中航工业 西安航空计算技术研究所，陕西 西安710065）

为解决FC-AE-1553协议相关产品开发过程中的疑点和难点，从网络架构、拓扑以及协议传输模式等方面对FCAE-1553进行了全面细致的分析，并对FC-AE-1553协议与MIL-STD-1553B协议进行比较，提出了协议的简化及优化方案，同时分析了FC-AE-1553协议研究的现状及难点，对该协议的研究工作以及后续相关产品的开发有较高的参考价值。

FC-AE-1553；MIL-STD-1553B；网络架构；网络拓扑

1　网络架构分析

在基于FC-AE-1553协议实现网络通信系统时，可选择FC网络的三种基本拓扑实现，结合FC-AE-1553的命令/应答工作模式，将拓扑构型可以分为两类：

交换结构：基于交换机的星型网络架构，各个节点具备独立的带宽。

共享带宽结构：点到点和仲裁环网络架构，其中点到点可以看作是仲裁环网络的一个特殊形式。和传统的MIL-STD-1553B协议对比，共享带宽结构更加类似于在传统的网络架构基础上进行了带宽、地址空间以及数据传输长度的扩展，工作模式较传统的MIL-STD-1533B总线没有本质的变化，但更易于理解，它要求节点必须支持仲裁功能，节点机本身的构造更复杂，具有单点故障模式，可靠性低，优点是成本低，网络互连方便简单。该型网络拓扑示意见图1。从图1中可以看出，如果一个链路或一个节点失效，整个网络失效。

交换结构：交换结构是一种大规模扩展FC网络的有效方式，其在带宽扩展上相比仲裁环结构有着先天性的架构优势，但是由于额外的高速交换设备的引入和星型结构方式的限制，其成本更高，且同样存在单点故障的问题。该拓扑结构示意见图2。从图2中可以看出，SW出现问题时整个网络失效，但是某个节点或链路失效时，对整个网络其他节点没有影响。

图1　仲裁环网络拓扑示意图

2　网络拓扑改进

基于以上分析，可以看出无论何种网络拓扑架构在实现FC-AE-1553协议时，如果要达到MIL-STD-1553B网络拓扑架构所实现的故障容错以及高可靠性时，传统的FC网络拓扑架构都存在一定的弊端，必须采用如下的方式加以改进：

双余度结构：将网络中用于数据交换的链路或设备进行余度备份，增加传输路径提高网络传输的基本可靠性。

节点旁路电路：对于仲裁环结构，由于其直接使用光纤串联多个节点，且信息传播根据FC-AL标准必须经过节点内部转发，如果单个节点故障，则整个链路必将出现瘫痪，因此必须对节点收发机电路进行改进，增加旁路电路。而对于交换结构的节点机而言，由于独享链路，则不存在该问题。同样，余度链路结构也是必须的。

图2　交换网络拓扑示意图

更改为余度结构后的网络拓扑示意见图3。

图3　余度网络拓扑示意图

从图3可以看出，余度拓扑网络中链路的单点故障均不会造成网络失效，但是在仲裁环结构中，如果节点故障仍旧会造成网络失效。对此，需要在节点机上增加节点旁路电路和备用电源电路，确保节点故障时网络能够正常通信（FC网络在通信中，必须保证整个链路闭环，确保各个节点收发机能够正常的发送和接收才能进行通信，这是在物理层面和MIL-STD-1553B网络的最大差别）。

结合对余度拓扑的分析以及FC-AE-ASM协议的实现经验，在交换结构中增加余度成本虽然较高，但是其技术相对更为简单，只需要增加交换设备并增加节点机的链路即可，技术更为成熟可靠。而仲裁环结构由于其节点结构本身复杂度非常高，且在余度中需要对链路旁路、故障隔离检测进行新的探索和研究，当前阶段，在工程中实现不太可行。

3　协议传输模式

FC-AE-1553协议是基于FC协议基础上通过映射方式实现的MIL-STD-1553B通信模式，但是基于环境的较大差异和FC固有特性，在FC-AE-1553协议中引入了一些新的模式，并有别于传统的MIL-STD-1553B定义的传输模式。在本协议中定义的传输模式包括：

（1）NC→NT：单播通信方式，由NC发出接收命令序列，NC可以在命令序列中携带数据或在后续帧中发送数据。

（2）NC→NTs：多播或广播通信方式，由NC发出接收命令序列到2个或2个以上的NT，NC可以在命令序列中携带数据或在后续帧中发送数据；

（3）NT→NT：单播通信方式，由NC发出发送命令序列到发送NT，发送端NT接收到命令后，再发送接收命令到接收NT；

（4）NT→NTs：多播或广播通信方式，由NC发出发送命令序列到发送NT，发送端NT接收到命令后，再发送接收命令到接收NT；

（5）NT→NC：单播通信方式，由NC发出发送命令序列到NT，NT接收到命令后发送数据到NC；

（6）NT→NT（s）/BC：多播或广播通信方式，由NC发出发送命令序列到发送NT，发送端NT接收到命令后，再发送接收命令到接收NT，在发送数据时同时发送到NC，让NC实现数据的监控。

以上几种模式为FC-AE-1553协议定义的基本模式，没有仔细区别小的模式，比如命令+数据序列或命令序列+数据序列等模式。主要原因是在传输的数据流向上没有本质差别，没有进一步划分。

4　M IL-STD-1553B和FC-AE-1553差异

FC-AE-1553协议是针对MIL-STD-1553B协议进行的扩展，并非简单的性能升级，两者之间的区别如下：

（1）在MIL-STD-1553B协议中，只有BC可以发出命令字，用于控制NT进行收发操作，而在FC-AE-1553协议中，除了NC可以发出命令字外（命令序列），主动发起数据的NT也可以发出命令字（命令序列），当然，其不是命令序列的起始。

（2）应答功能：在FC-AE-1553协议中，应答功能并非必须，而是由命令字（命令序列）中的相应字段指定的，而MIL-STD-15553B协议中应答是必须的。

（3）数据字（序列）传输间隔：在FC-AE-1553协议中定义了两种传输间隔，立即传输（根据PRLI注册长度）或等待应答传输，在每一个命令序列发起时均可选择，而在MIL-STD-15553B协议中不同的传输模式数据字和命令字的传输间隔是固定的，没有可选性。

（4）多播：FC-AE-1553协议定义了有关多播的功能，其用于支持实现NC对于传输数据的监控以及点到多点的通信功能，在MIL-STD-1553B协议中只有广播而没有多播。

（5）数据监控：在FC-AE-1553协议中没有给出MT节点的定义，但是对NT→NT（s）通信的数据监控定义了一种模式，即使用NC进行数据捕获，将NT→NT（s）的数据同时发送到NC进行监控。在MIL-STD-1553B网络中，MT一般作为一个独立的功能节点，或者RT/MT作为一个节点，没有BC同时兼顾MT功能的用法和定义。

（6）协议组织层次：MIL-STD-1553协议中，无论何种传输模式，其不需要进行分层次的定义，全部传输以地址标识目标节点，而在FC-AE-1553协议中，除了以地址标识传输目标外，还应考虑序列、交换的层级结构，序列发起方的转移，交换标识的管理等，从而确保一次传输只能对应到一个交换，确保传输的可并发性，管理模式更为复杂。

5　协议简化及优化

在FC-AE-1553协议定义时，其对传输方式进行了扩展，而传统的MIL-STD-1553B协议只定义了BC→RT，BC→RTs（广播），RT→BC，RT→RT，RT→RTs（广播）等传输方式，且所有情况下除广播接收外其余传输必须进行应答（状态字），如果考虑到传统基于MIL-STD-1553B协议应用的无缝升级，则可以对当前FC-AE-1553定义的传输模式进行简化，在符合协议子集和应用模式的前提下，有效降低网络设备设计和实现的复杂度，提高工程下的可实现性。对FC-AE-1553协议进行优化时，拟从如下几个方面进行：

（1）传输模式：以兼容传统MIL-STD-1553B协议为基础，去掉多余的传输模式，如不应答模式。

（2）固定数据传输间隔，仿照MIL-STD-1553B协议的数据传输间隔，去掉FC-AE-1553协议中的数据间隔的可选性，将不同模式下的数据间隔固定，但不违反协议本身定义。

（3）去掉可选项的支持，比如RDMA，而采用主动发送方式进行传输，简化掉诸如PRLI等服务的支持功能。

（4）明确增加余度结构，并对余度结构进行详细定义，提高网络通信可靠性。

（5）去掉NC的监控功能，独立增加监控节点定义，以降低组播表配置复杂度，简化NC设计。

基于以上几点优化后的FC-AE-1553协议具备如下特点：高可靠性，具备余度传输链路；节点复杂度低，有利于降低功耗和体积；时间特性得到增强，去掉了一些处理分支，增加硬件处理的确定性，能够简化故障模式，增强实时性；良好的升级性，可以对应用和驱动进行小幅修改进而保证系统升级后的功能正确。

而优化后也带来了一定的缺点，包括：网络功能减少，由于对传输模式和节点功能的简化，网络在后期升级能力方面有所降低；网络整体复杂度提升，成本有所升高，但是由于对节点机协议处理进行简化，其整体成本应该比实现FC-AE-1553协议全集的成本低。

6　FC-AE-1553协议研究现状

目前针对FC-AE-1553协议的研究在国内仍旧处于探索阶段，其定义的复杂传输和功能模式尚未完全理解，分析研究仅限于协议本身的分析，尚未开展工程化的仿真和技术攻关工作。

在国际上FC-AE-1553协议作为目前FC-AE组织推出的一个重要协议，正在逐步完善。目前支持该协议产品已经存在，比如DDC公司的FC板卡，但是没有测试设备厂商研发出测试支持设备，是否完全满足协议没有经过权威的测试机构进行认证，DDC公司也没有作为主导产品进行推广，应该说在研制环节上存在不足，无法提供可用的支持和验证。型号应用中，FC-AE-1553被多次提及，涉及航天、航空等多个领域，主要考虑的是型号升级改造，尚未进入正式论证阶段。

7　协议研究的难点

FC-AE-1553作为一种面向航空电子系统的基于FC网络的高层协议，其研制开发过程结合当前的技术水平和发展，从理论和工程两方面对困难进行说明。

7.1理论层面

标准实现支撑：虽然已经出现相关产品，但是没有标准测试设备的支持，很难全面进行协议实现符合性和技术指标的考察。

关键参数定义：比如应答超时值，传输时间间隔以及多播组定义等协议并未给出明确的定义，必须依据现实的应用模型进行仿真和定义。

网络架构改造和标准编制：针对可靠性、容错能力等指标进行网络架构改造，并尽快编制相关的标准，从理论层面进行支撑，对支持该协议标准的产品研制进行规范。

应用模式不够清晰，超出协议自身的应用模式定义和需求比比皆是，无法对整个模式进行标准化清理和规范。

7.2工程实现层面

在机载领域主要使用点到点和交换拓扑结构，仲裁环虽然比较接近传统的MIL-STD-1553B网络结构，但是NL端口的研制由于其本身具备仲裁特性更为复杂，且没有可借鉴的产品，需要进行重新定义和研发。

目前实现协议处理，初期均考虑FPGA进行设计实现，但是针对FC-AE-1553的复杂传输模式，对FPGA的小型化、低功耗设计而言，是一个较大的难点。

网络设计验证：没有专用的测试设备和规范，需要在研制中额外增加多种辅助手段，增加了设计的难度和工作量，甚至有可能导致理论设计和工程应用设计的架构出现较大变化，增加了工程应用的风险。

FC网络利用率：在一个超出MIL-STD-1553B网络带宽1 000倍以上的网络中，基于命令/应答方式的FCAE-1553协议如何有效地利用网络带宽传输数据，且不

会对系统的应用模式规划、配置以及产品设计增加较大的难度。

8　结　语

通过分析，目前国内所掌握的FC-AE-1553技术距离工程实际应用仍旧存在差距，短时间内无法转入工程设计实现阶段，还需要对协议、节点架构、传输模式以及网络管理等技术点进行更为深入的研究、仿真，获取更为详尽的材料，有效突破相应的关键技术才能满足型号工程化研究的需要。

［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］林强，熊华刚，张其善.光纤通道中的1553总线技术［J］.航空电子技术，2004（1）：1-5.

［7］徐亚军，熊华钢.未来航电系统FC互联的拓扑结构研究［J］.电光与控制，2004（4）：17-20.

张利洲（1981—），陕西西安人，硕士，高级工程师。研究方向为计算机应用技术。

王世奎（1965—），山西临猗人，硕士，研究员。研究方向为机载网络通信。

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

中国航空科学基金（20111931001）

鞠铭阳（1983—），吉林松原人，工程师。研究方向为机载网络通信。