机载悬挂物管理系统FC通信管理技术研究与实现

杨建茜, 王世奎, 于 峰

(航空工业西安航空计算技术研究所,西安 710065)

0 引言

MIL-STD-1553B数据总线因可靠性高、传输延迟低以及确定的数据传输等特点，被机载悬挂物管理系统(SMS)普遍采用构建武器系统通信总线，以满足各挂点之间信息共享和数据交互。随着飞机挂点数量的增多以及各挂点之间通信量的剧增，1 Mbit/s的传输带宽和最多31个终端数量的限制已远不能满足海量数据传输的新武器和大载弹量的多挂点需求[1-2]。交换式FC-AE-1553网络相比传统的MIL-STD-1553优势在于能够利用交换机进行多节点并发操作[3]，为以信息网络为中心的海、陆、空、天、电一体化联合的立体战争[4]提供高速率、低延迟、高带宽的传输方案。

美国SAE组织于2008年针对MIL-STD-1760E标准颁布了适用于飞机悬挂物接口要求的高速网络标准AS5653，并分别于2012年和2014年提出修改版本AS5653A和AS5653B；美国的AH-64D长弓阿帕奇直升机，B1-B等飞机均启用了FC-AE-1553协议[5]；据报道,RF-22、侦察机等型号武器系统上开始采用AS5653协议组建高带宽的FC网络，以提高飞机的作战能力和侦察能力。国内从2001年开始研究FC基础协议，2006年开始分析研究FC-AE标准中的FC-AE-ASM协议和FC-AE-1553协议，而针对武器系统的高速网络通信技术的研究几乎空白。

依据AS5653B标准，结合机载SMS应用系统对总线数据传输确定性、实时性和有序性的需求，以及对命令、控制执行的可追踪性要求，围绕FC-AE-1553协议分析研究机载SMS高速FC网络在动态组网和通信调度管理等方面的相关技术，并规划具体的实施方案。

1 机载SMS的FC网络通信拓扑结构配置

FC-AE-1553基于MIL-STD-1553 Notice 2，在带宽、地址空间、数据传输长度上进行了扩展，支持航空电子系统设备之间关键任务的低延迟、低开销通信[6]。依据FC-AE-1553标准可组建两类网络拓扑模型:一种为集中控制模型，在该模型中整个网络只有一个网络控制器(NC)，管理并调度网络所有节点的通信任务；另一种为分布控制模型，网络中可以存在多个NC，实现物理上的域管理或基于任务的管理[7]。

AS5653B要求FC通信网络中只能配置一个NC，而且该NC必须与网络主交换机的第一个物理端口连接[8]。该要求确保了在FC交换网络控制模式下，只能配置一个节点作为NC，实现FC网络通信的统一调度和管理功能；任务悬挂物必须有能力承担网络终端(NT)的功能，完成通信网络数据的接收和发送处理[8]。

AS5653B针对机载SMS应用场景，对FC通信网络的节点端口类型、通信数据流方向以及网络拓扑结构给出如图1所示的配置结构。

图1 机载SMS的FC通信网络配置结构Fig.1 FC communication network configuration for SMS

2 机载SMS高速FC网络通信管理技术分析

针对武器系统挂点数量多、挂点在不同作战环境下悬挂物配置不同等特点，要求新一代的SMS能够在动态组网和高速传输等关键技术上深入研究和仿真试验[9]，该举措是促使标准研究走向实际应用的有效途径。鉴此，本文将针对SMS采用FC组建高网络通信的管理技术展开研究。

机载SMS高速FC网络通信管理涉及的关键技术主要包括：1) 节点初始化控制与管理策略；2) 网络通信调度与管理策略；3) 节点有效状态监控与管理策略。

2.1 节点初始化控制与管理策略

节点初始化控制与管理技术是NC/NT节点在加电或复位状态下，通过一系列显式操作，完成节点初始化和FC通信参数传递功能，是进入FC有效通信状态的前提条件。

节点初始化控制与管理过程由端口注册和进程注册两部分操作组成，在执行顺序上要求进程注册必须在端口注册成功的条件下才可执行。

为了实现对网络节点实时、动态的监控和管理需求，端口注册和进程注册均采用显式注册方式。

端口显式注册功能根据节点端口类型的不同分为F端口显式注册(FLOGI)和N端口显式注册(PLOGI)，该注册功能分别通过FC扩展链路服务(ELS)中的FLOGI和PLOGI命令实现，实现过程如图2、图3所示。

图2 FLOGI实现过程示意图Fig.2 Schematic of realization process for FLOGI

图3 PLOGI/PRLI/PRLO/LOGO实现过程示意图Fig.3 Schematic of realization process for PLOGI/PRLI/ PRLO/LOGO

SMS应用软件在加载过程中，只需将系统预定义的网络各节点地址信息以配置文件的形式加载到FC网络交换机(Swicth)上。节点通过执行FLOGI，不仅可识别交换机存在与否，还可获取系统配置的端口地址和FC流控信息；在获得端口地址的前提下，通过执行PLOGI，实现FC-AE-1553通信节点之间通信参数(如端口名、节点或交换机名),通信信息(如命令服务参数、类服务参数)和超时信息(如错误识别超时值E_D_TOV、资源分配超时值R_A_TOV和接收器发送器超时值R_T_TOV)的交换，为FC-AE-1553通信的有效性和异常情况的识别提供评判依据。

在完成端口显式注册的前提下才可执行进程显式注册(PRLI)。PRLI为通信节点在执行FC-4层的应用协议建立一种操作环境，该操作环境包括建立通信节点间的映像对、通信节点之间交换服务参数等。PRLI的实现过程如图3所示。

FC-AE-1553作为FC-4层的应用协议，通过执行显式的PRLI，在相互通信的节点机之间传递执行FC-AE-1553协议的服务参数，该服务参数包括：节点机的工作模式(NC或NT),需要的FC-AE-1553交换配置(包括NC命令序列、NT命令序列、NT-NT命令序列以及方式命令序列)要求,NT的状态序列设置要求以及与通信相关的超时信息配置要求等。为了便于FC-AE-1553通信协议的实施，PRLI操作一般要求由NC发起，根据系统通信任务的需求进行配置。

NC节点通过执行网络节点初始化控制与管理策略可绘制出整个FC-AE-1553网络通信有效节点的拓扑结构，为后续的通信调度提供高效的调度依据；NT节点通过执行网络节点初始化控制与管理策略可实现节点有效状态的初始化并进入FC-AE-1553有效通信状态。

节点在完成初始化控制与管理功能后就具备FC-AE-1553通信的能力，可开始正常的FC-AE-1553通信。

2.2 网络通信调度与管理策略

FC-AE-1553作为FC-4层的应用协议，完成SMS应用层任务中命令、控制和文件的传输。消息传输以交换(Exchange)为单元，根据传输类型的不同，交换由FC-AE-1553命令序列、状态序列或数据序列组成。交换的类型主要包括：NC-NT的交换、NT-NC的交换、NT-NT的交换、方式命令交换以及广播交换。

命令、控制类消息携带的数据较少，对数据传输的实时性、可靠性和确定性要求较高。针对以上特征以单帧的形式封装FC-AE-1553命令序列、状态序列和数据序列。

文件传输主要针对块数据(Mass Data)传输，这类消息携带的数据量相对较大，对数据传输的完整性、一致性和有序性要求较高；在消息组织上命令序列、状态序列和数据序列分别独立封装，数据帧采用多序列组合交换的方式进行封装，为了减少传输处理延迟，使能实现FC-AE-1553“抑制状态(Suppress Status)”和“NT Burst Size Request”功能。

文件的拆分和组装管理策略是文件传输的一个关键技术，文件的发送方和接收方均需按照该策略对文件进行拆分或组装FC-AE-1553数据序列。文件的拆分和组装管理策略要求：首先，设定帧的最大有效负载长度，根据设定的帧长度和文件长度将文件拆分成帧；其次，设定一个序列中帧的最大个数，据此将帧封装成序列；最后，设定一个交换中序列的最大个数，据此将序列封装成交换。对于封装的序列要求包括序列标号、序列开始标识和序列结束标识等信息；对于封装的帧必须包括帧序号、帧在文件中的标号、帧开始标识、帧结束标识以及帧的有效数据长度等信息。按照以上策略设计的文件拆分和组装管理的数据结构模型如图4所示。文件的拆分和组装管理策略可以有效确保文件在传输过程的完整性、一致性和有序性。

NC作为机载SMS高速FC网络配置的唯一网络控制器，承担着整个FC-AE-1553网络通信的统一调度和管理任务，该任务依据FC-AE-1553网络通信调度与管理策略实施。

图4 文件管理数据结构Fig.4 Data structure for file management

网络通信调度与管理策略由网络管理和通信调度管理两部分构成。在网络管理功能中，NC通过监控每一组交换传输获取相应的通信参数，与预定义参数比较做出传输有效性的评价，并将该评价的结果实时记录在网络管理表中。在网络通信调度管理中，NC根据系统配置的通信调度表获取当前需要调度发送的命令序列，通过解析获取该命令序列的源节点地址，判断该地址是否为本节点地址，如果是则使能该命令序列的发送，否则放弃发送依次查询下一条命令序列。以此方式轮询通信调度表实现FC网络通信调度任务。

网络通信调度与管理策略规划了网络管理表和通信调度表2种数据结构。网络管理表实时、动态地记录了网络连接节点的工作状态，NC可以根据该表动态地绘制网络拓扑结构，为网络有效调度提供参考依据;通信调度表由系统根据通信任务的需求配置，该表为系统通信任务调度排列表，每一个传输任务对应的内容包括通信数据的源节点,目的节点,数据类型(命令、控制、文件),有效数据长度,触发传输的条件(事件、周期),最大延迟时间,其他特殊要求(紧急消息、系统时钟同步)等。

在组织和规划通信调度表时应综合考虑数据产生的条件和传输的时间特性等因素，对于条件触发的事件性消息本着触发即传输的原则，通过设置较高优先级，实现尽快尽早的调度；对于时间触发的消息本着满足周期即被调度的原则，同一个周期如果有多个消息的调度需要紧急处理可通过设置优先级实现优先调度，如果无特殊要求按照轮询的方式依次调度。当事件消息和周期消息调度发生冲突时，按照消息的优先级执行调度。无论哪种情况在确定调度方案时都必须充分考虑消息传输的延时和抖动对整个网络通信调度的影响。

2.3 节点有效活动监控和管理策略

FC网络节点有效活动监控和管理是对网络中连接节点的运行状态进行实时监控和动态管理的一种策略，该策略由节点网络有效活动的启动、追踪管理以及终止3部分组成。在FC网络通信过程中，节点的工作状态及转换关系如图5所示。图5中,矩形框表示节点状态转换的条件，椭圆表示节点状态。

图5 FC网络通信中节点运行状态转换示意图Fig.5 Node state transition during FC network communication

节点网络有效活动的启动也称为节点上网管理。在上电或复位状态，节点通过执行初始化控制与管理功能实现上网管理。首先，节点通过端口显式注册获取系统配置的端口物理地址和相关的通信服务参数；通过进程显式注册使节点机获得执行FC-AE-1553通信的相关参数，具备FC-AE-1553通信的能力，此时的节点状态称为上网状态，这个操作过程称为节点上网管理过程。

节点网络有效活动的终止也称为节点下网管理，该功能通过执行进程显式注销实现。进程显式注销(PRLO)与PRLI功能相反。节点在PRLO时将释放PRLI申请的所有资源，并终止与本节点相关的所有FC-AE-1553通信调度。PRLO实现过程与PRLI类同，通过定义的ELS操作实现。当节点执行PRLO处于下网状态时，如果需要恢复FC-AE-1553通信能力，必须再次执行PRLI完成上网管理进入FC-AE-1553有效通信状态。

节点网络有效活动的追踪和管理是以通信中的交换为对象，对交换的命令序列、状态序列和数据序列的发送、接收等时间信息进行采集和计算，参考FC-AE-1553协议定义的6类时钟信息，对传输的有效性和正确性做出评判。6类时钟包括NT_C/S_TOV，NT_C-D/S_BURST_TOV，NC_C/S_TOV，NC_C-D/S_BURST_TOV，C-S/D_TX_TOV以及C-S/D_RX_TOV[10]，网络中所有节点均配置以上6类时钟信息。上电或复位时系统将各节点的时钟信息加载在NC节点上；在初始化控制与管理过程中,NC通过组织并发送PRLI请求,将携带的时钟信息传递给各NT。在FC-AE-1553通信中，NT节点采集、记录命令序列、数据序列接收或发送的时间点，参照6类时钟信息计算需要的时间段，与系统给定的参考时间比较，将结果反映在状态序列中并发送；作为NC，与NT一样，需要采集、记录并计算每一次交换的相应时间，参照系统给定的6类时钟信息评判此次交换的有效性和正确性。

除了对交换过程中以上6类时钟信息进行监控和管理外，还需要对交换的命令序列、状态序列以及数据序列的有效性和正确性进行评判，作为节点网络有效活动的追踪和管理的一项指标。

在通信过程中，如果需要终止FC-AE-1553通信可通过执行进程注销(PRLO)功能，启动下网管理并释放相关资源结束FC-AE-1553通信；如果需要结束FC通信，必须再执行端口显式注销(LOGO)功能，释放PLOGI和FLOGI申请的所有有效资源并终止FC通信。LOGO的实现过程与PLOGI类同，通过指定的ELS操作实现。

规划节点有效状态的追踪和管理以及上下网过程控制管理是为了能够对FC-AE-1553网络通信过程实现实时、动态的监控和管理，提高FC网络通信的综合管理水平。

3 机载SMS高速FC网络通信管理技术的实现

3.1 节点初始化控制与管理的实现

上电或复位状态，NC/NT节点通过执行初始化控制与管理功能完成节点上电初始化操作。初始化控制与管理功能由F端口显式注册(FLOGI)、N端口显式注册(PLOGI)以及进程显式注册(PRLI)3部分组成，3部分实现流程如图6所示。

图6 FLOGI/PLOGI/PRLI显式注册操作流程Fig.6 FLOGI/PLOGI/PRLI explicit login operation process

NC/NT节点上电主动向交换机发送FLOGI请求，当交换机检测到FLOGI请求时,根据接收该请求的端口地址在系统配置文件中查找匹配的NC/NT节点端口的物理地址，用该地址组织FLOGI应答序列并发送，实现系统分配的NC/NT节点端口物理地址的动态分配。

NC/NT节点获得端口物理地址后，根据系统配置要求，组织PLOGI请求并向即将通信的节点发送，以此实现通信节点机之间命令参数、类服务参数、传输超时参数以及节点信息的相互传递。

端口注册结束后，作为网络的统一调度者,NC根据系统配置的FC网络拓扑结构,依次向连接的各NT组织发送PRLI请求；当接收到NT回复的PRLI应答序列时，评判PRLI执行的正确性，根据此评判结果完成NT的上网(online)管理并记录相关信息。完成上网管理的NT节点进入FC-AE-1553有效通信状态，可以开始正常的FC-AE-1553通信。NC/NT节点机初始化控制与管理实现流程如图7a所示，交换机初始化控制与管理实现流程如图7b所示。

图7 NC/NT节点机和交换机初始化控制与管理流程 Fig.7 Initial control and management process of NC/NT node machine and interchanger

3.2 网络通信调度与管理的实现

网络管理表由FLOGI,PLOGI,LOGO，PRLI，PRLO等与节点管理类操作相关的命令构成，为了实现NC对FC网络通信的统一调度和管理功能，网络管理表为NC，NT节点均配置了FLOGI请求命令，而其他命令均配置为NC请求类型；通信调度表由系统通信任务相关的命令构成。上电或复位完成后，各节点根据系统配置信息设置本节点的工作模式(NC/NT)，并根据该工作模式完成网络管理表和通信调度表的加载功能。

NC/NT节点完成网络管理表和通信调度表的加载任务后进入初始化控制与管理流程，在FLOGI，PLOGI和PRLI操作均正常的情况下完成上网管理功能并进入FC-AE-1553有效通信状态，开始正常的FC-AE-1553通信，具体的实现流程如图8所示。NC对网络管理表和通信调度表采取独立管理、统一调度的原则，根据各节点的工作状态(见图5)实施统一调度。在上电或复位状态下，NC将所有NT均标注为下网状态，仅启动网络管理表的周期调度，当查询到某NT进入到FC-AE-1553有效通信状态时，启动通信调度表工作，查询与该NT匹配的命令并启动传输，同时停止网络管理中与该NT相关的命令的传输；在FC-AE-1553通信中当某NT下网进入FC有效通信状态时，NC将停止通信调度表中该NT的相关命令的调度，并启动网络管理中与该NT相关的命令的传输。

图8 FC网络通信管理和调度流程
Fig.8 FC network management and scheduling process

NC对通信调度表采取条件激励或时间触发的调度策略，并在交换结束时对此次交换传输的有效性和正确性进行识别和管理；当满足调度条件的命令有多个时，NC将基于命令的优先级实施调度和管理，因此每条调度命令均需配置优先级。

3.3 节点有效活动监控和管理的实现

对于网络节点有效活动的监控和管理主要针对以下几个方面展开：1) 针对6类时钟信息，对传输超时实施监控和管理；2) 针对数据传输，对传输数据的有效性和正确性实施监控和管理；3) 节点失效处理。

针对FC通信过程中传输超时的监控和管理:首先，确定监控的时钟信息和采集时钟信息的时间段；其次，在选定的时间段采集并记录相关时钟信息；最后，对采集的时钟信息进行计算，与6类时钟中对应的时间参数比较，评判当前传输的超时情况并作对应的处理。以时间参数NT_C/S_TOV举例说明。NC需要在命令序列发送结束时采集时钟并记录为t1，在接收到NT回复的状态序列时采集时钟并记录为t2，计算t2减t1的差值与参数NT_C/S_TOV比较，如果差值大于或等于NT_C/S_TOV，则表示传输超时，否则表示传输正常；其他超时信息参照以上方式进行处理。

针对FC通信过程中节点之间数据传输的有效性和正确性监控和管理，要求在每次传输结束时，对数据的有效性和正确性进行检测，检测的内容包括：SOF，EOF，帧头，FC-AE-1553帧头，校验，CRC，序列以及交换等。

在FC通信过程中，通过对节点传输超时和传输数据有效性、正确性进行监控，以此信息作为评估节点工作有效的条件。当判定节点无效时，必须对该节点实施下网管理，以终止无效的通信，提高网络通信的有效率。下网管理通过NC启动无效节点的PRLO命令和LOGO命令实施，同时遍历通信调度表禁止无效节点的消息传输。

FC通信网络节点有效活动监控和管理功能，为SMS应用软件提供透明、便捷的网络管理服务。

4 仿真验证

为了检验机载SMS高速FC网络通信管理方案的可行性和正确性，基于OPNET Modeler仿真工具，将节点初始化控制与管理策略、网络通信调度与管理策略和网络节点有效活动监控和管理策略作为网络管理协议进行仿真设计并分析。

以机载SMS为应用场景，建立的FC通信网络模型如图9所示，模拟SMS系统应用任务，配置网络管理表和通信调度表。网络管理表用于管理各NT的上下网操作，其内容包括节点注册、注销和进程注册、注销操作命令；通信调度表为模拟的应用任务调度序列，由NC-NT，NT-NC，NT-NT，方式命令以及广播命令等命令序列组成。

在进程建模中，完成节点初始化控制与管理、网络通信调度与管理以及节点有效活动监控和管理的仿真设计。

图9 协议仿真建立的通信网络模型Fig.9 Communication network model for protocol simulation

建模设计完成后，针对2.3节的6类时钟和网络吞吐量配置统计探针，分别对6类时钟和吞吐量进行分析。从仿真的结果看，被检测的6类时钟均在AS5653标准给定的时间范围内；链路带宽设定为1 Gbit/s，当任务调度的时间间隔为100 μs时，吞吐量达到660 Mbit/s。

仿真结果表明,机载SMS高速FC网络通信管理方案正确、可行，能够满足新一代机载SMS多挂点、高带宽、低延迟的传输需求。

5 结束语

本文以机载SMS为应用场景，结合机载武器系统的现状和发展需求，提出采用FC光纤组建SMS高速通信网络的管理策略和实施方案，并通过OPNET仿真，进一步验证了该方案不仅能够实现机载SMS实时、动态组网的需求，而且能够满足数据低延迟、高带宽、高可靠性的传输要求,该方案可以为新一代机载SMS采用FC组建高速网络提供技术模型。

[1] 杨开平，崔小航，段荣.新一代机载悬挂物管理系统需求分析[J].航空制造技术，2016(14)：65-68.

[2] 中国航空工业总公司.GJB1188A-1999 飞机/悬挂物电气连接系统标准[S].北京:总装备部军标出版发行部,1999.

[3] 吴少俊，赵光恒，王立芊,等.FC-AE-1553网络的“并发交换式”动态带宽调度机制[J].北京航空航天大学学报，2016，42(12)：2579-2586.

[4] 孙隆和.网络信息环境中的飞机(飞行作战平台)武器

火力指挥控制系统[J].电光与控制，2010，17(3)：1-8.

[5] 杜玲，廖小海.FC-AE-1553总线在箭载测量系统中应用研究[J].遥测遥控，2015，36(5)：33-36.

[6] IEC.ISO/IEC TR14165-312 information technology-fibre channel-avionics part312： avionics environment upper layer protocol (FC-AE 1553)[S].Geneva：IEC,2009.

[7] 曹素芝,张善从.FC-AE-1553高级特性介绍[J].光通信技术，2010(2)：49-51.

[8] SAE.SAE AS5653B high speed network for MIL-STD-1760[S].[S.l.]:SAE International,2014.

[9] 王朝阳，季晓光，丁全心.机载悬挂物管理系统技术发展分析[J].电光与控制，2009，16(3)：1-5.

[10] ANSI.INCITS 424-2007 information technology-fibre channel-framing and signaling(FC-FS-2)[S].New York:American National Standards Institute,Inc.,2007.