FC-AE-1553协议复杂交换式结构的优化设计

郭绍禾， 张向利， 张红梅

(桂林电子科技大学 认知无线电与信息处理省部共建教育部重点实验室，广西 桂林 541004)

MIL-STD-1553B总线标准于20世纪70年代提出，随即普遍应用于各种航电系统，例如飞机综合航电系统，舰船、航天等航电系统，是当今作战飞机电子系统中的脊梁骨，有“一网盖三军”之称[1]。然而MIL-STD-1553B标准只支持1 Mbit/s的带宽，越来越不能满足航天、机载和舰载等电子系统互连的需求[2]。FC-AE-1553协议以光纤通道为基础，是航电系统不同设备之间数据高速传输的总线协议，能兼容传统的MIL-STD-1553B总线设备，可将原来MIL-STD-1553B网络的传输速率提高至1 Gbit/s，大大扩展了数据传输带宽。FC-AE-1553网络不仅具有光纤通道高实时性的良好性能，而且兼具MIL-STD-1553B总线的传统优势，有“吉比特的1553”之称[3]，很有可能成为下一代航空电子网络传输标准。文献[3-5]介绍了FC-AE-1553协议的高级特性，但仅针对简单拓扑模型进行了仿真与性能分析。文献[6-9]提出一种FC-AE-1553网络与MIL-STD-1553B总线设备桥接的设计方案，未对复杂网络进行研究。随着航电系统日益复杂和网络终端设备的不断增多，简单的交换型拓扑结构已远远不能满足实际航电系统的要求。为此，针对FC-AE-1553复杂交换式网络，提出一种利用Dijkstra算法对网络进行优化的方案，使得FC-AE-1553网络在分布式控制网络具有更好的性能。

1 FC-AE-1553协议简介

1.1 FC-AE-1553网络模型

FC-AE-1553网络主要由网络控制器NC、多个网络终端NT以及若干条光纤链路组成。其中，网络控制器NC的主要功能是提供网络上的传输调度，而网络终端NT是光纤通道子系统或传感器的接口，主要功能是与子系统传输数据，并行使网络控制器发出的命令。FC-AE-1553网络支持点到点型、仲裁环型、交换型[10]3种拓扑结构。FC-AE-1553网络拓扑结构如图1所示。

点到点拓扑结构能够连接节点的最大数量为NC节点的最大端口数量。由于节点之间无共享链路，任何单根光纤故障，不会影响网络中其他节点的数据和命令的传输，仅仅造成单个节点发生重试或切换总线的现象[11]。但点到点拓扑结构扩展能力有限，因为向网络增加节点时，必须在NC上添加一对收发端口。

仲裁环拓扑结构是将相邻节点之间的收发端口首尾相连而形成的单向环路。由于所有节点之间的通信链路共享，当环路上任何一个节点或单根光纤出现故障时，都会影响到整个网络，造成所有设备节点发生断线或重连，可靠性较差。又因同一时刻只有正在通信中的2个网络节点之间的线路被占用，其他线路都是空闲的，其网络的利用率较低。

交换型拓扑结构通过帧头中指定的目的地址，将数据路由到目的端口，使得多个设备能够在同一时刻进行通信，因此，这种结构的链路利用率相比仲裁环结构更高。交换式结构能够适应网络的动态变化，某个终端节点故障、加入和删除都不会影响网络中其他节点的正常工作。每个网络终端的端口通过点对点的双向连接与交换机端口互连，使得每个端口都能以最大速度与交换机的端口进行数据交换。由于交换网络存在部分共享链路，当故障发生在连接任何NT的支路时，不会影响网络中的其他节点，仅仅造成单个节点重试或切换总线的现象[12]。

1.2 复杂交换式结构

若有多台终端设备连接至同一交换机，则可连接的节点数量就取决于交换机的端口数量，这很大程度上限制了交换机的工作效率和网络的互连能力。对于实际的航电环境，网络拓扑要复杂得多，这就需要多级交换结构，也即要求交换机之间的互连互通，如图2所示。这样的连接可以连入更多的终端节点，并且提高了网络互连能力，有更高的可靠性和安全性，系统设备的升级和更新换代更加容易。但是，当图2中的单根光纤发生故障时，交换机_3就不能正常使用，与之相连的NT端也就无法正常收发数据。

图2 多级交换式拓扑结构图

若将多个交换机节点互连成一个环状，如图3所示，虽然这样加大了广播风暴的风险，但由于FC-AE-1553网络相较于一般网络具有非常高的传输速率和传输效率，一般网络并不能发挥FC-AE-1553网络的优势。由于交换机之间互连成环状，并且还增加了一些冗余的连接线路，当图3所示的单根光纤发生故障时，冗余的线路就会从离线状态变为激活状态，从而替代原有故障的链路，维持整个网络的正常通信[13]。

图3 环状交换式拓扑结构

交换机中的路由表的实现与维护是交换机转发机制的核心部分。同时由于环状拓扑线路的出现，不仅增加了网络的复杂性，而且数据在传输时容易造成广播风暴。针对互连成网状的交换式拓扑结构，交换机利用Dijkstra最短路径算法进行优化。

2 FC-AE-1553模型仿真

使用OPNET Modeler仿真建模工具，对FC-AE-1553网络中的NC、NT节点与交换机节点进行仿真，并利用Dijkstra算法对交换机模型进行自动寻路优化。

2.1 交换机节点模型

交换机在开始工作前，必须进行登录。首先是架构登录，其次为端口登录和进程登录[14]。任何终端在与其他终端进行正常的数据通信前，必须向交换机进行架构登录，交换机将为发起架构登录的终端分配一个唯一的N端口地址。在交换机登录后、数据转发前，采用Dijkstra算法对整个网络的路径进行优化。Dijkstra算法是目前解决单源最短路径的典型算法，算法以源点为中心向外层层迭代扩展，直至扩展到终点为止，每次循环选中一个顶点，该点是除了标记点之外距离源点最近的顶点。

交换机节点模型由一个中心处理模块以及若干对发送机和接收机组成。图4为交换机中心处理模块的进程模型。进程模型分为3个部分：交换机登录与终端节点信息采集部分，Dijkstra寻路部分，帧转发部分。

图4 交换机中心处理模块的进程模型

1)交换机登录与终端节点信息采集部分主要作用是完成NT、NC的端口登录工作。该部分的主要过程为：首先，每台交换机都会形成一个自己的路由表，该路由表存有与之相连的NT终端的地址和端口、是否与其他交换机相连通以及交换机之间的延时等重要信息。其次，每台交换机会将自己管理维护的路由表发送给根节点交换机(与NC端直接相连的交换机，选为根节点交换机)，这样根节点交换机就有了整个网络拓扑的信息，然后根节点交换机进入Dijkstra寻路部分生成路径，而非根节点交换机进入转发部分开始等待。

2)Dijkstra寻路部分是根节点交换机生成整个网络拓扑最短路径表的过程。根节点交换机掌握了整个网络拓扑的信息，并生成图，图中边的权值依靠交换机之间端到端的延时形成。最后利用Dijkstra算法，形成每个节点的最短路径表，并转发给每个交换机。

3)帧转发部分是交换机根据最短路径表转发帧的过程。每个交换机收到根节点交换机发来的最短路径表，在接收到帧后，首先遍历自己的路由表，判断帧的目的地址是否存在，若存在，则直接转发给目的NT，否则根据最短路径表，转发给下一个交换机。

2.2 网络模型

在OPNET Modeler中，对FC-AE-1553网络进行建模仿真，拓扑结构为复杂网状的交换式拓扑结构，并采用分布式控制网络。复杂分布式交换拓扑结构如图5所示。该拓扑结构有5个NC控制器、10个交换机，其中交换机之间边的权值表示传输延时。

图5 复杂分布式交换拓扑结构

其中，NC_0、NC_3与NC_4是NT-to-NT传输方式，并且分别采用普通模式、突发模式1与突发模式2进行数据交换，而NC_1与NC_2则是NC-to-NT传输方式，分别采用突发模式1、突发模式2进行数据交换。当整个网络开始工作时，5个控制器同时开始向不同的NT发出命令，进行相应的数据交换，以此模拟在机载、舰载等航电系统中同时对多个命令进行响应，例如在操控方向的同时，按下不同的功能按钮。在网络传输压力相同且交换机之间端到端延时相同的条件下，分别采用普通交换机与改进交换机进行仿真对比，其中仿真运行时间设置为30 min，并且在仿真运行停止前，所有控制器会不间断地进行数据交换。

3 结果分析

在根节点交换机中，整个网络中的交换机抽象为有权图，经过数学建模形成邻接矩阵A，其中边的权值为交换机之间的传输延时，邻接矩阵中999表示2个交换机之间无光纤直连。经过Dijkstra算法优化后，形成最短路径矩阵P，该矩阵的第1行表示以交换机S_0为源点，第2列表示源点S_0到S_1的最短路径的前驱节点，以此类推。邻接矩阵A与最短路径矩阵P为：

在该复杂网状结构中，利用普通交换机与改进交换机分别进行仿真对比分析，其传输延时如图6、7所示。

图6 普通模型的网络延时

图7 改进模型的网络延时

在分布式控制网络中，当多个控制器同时发起数据交换时，整个网络的数据流不仅是一条单一的路径。对于普通交换机，自身路由表中没有的节点进行广播操作，无形中加大了其他交换机的转发压力，随着时间的不断推移，交换机中积攒的需转发的帧就越多，端到端的延时也就越大，在仿真的开始阶段延时约为7 μs(见图6)，但随着交换机的转发压力不断加大，其延时也就越来越大，并且造成广播风暴的概率也在不断加大。而对于改进交换机来说，每个交换机都有整个网络的信息，并且具有到其他任何交换机节点的最短路径，因此，每个数据交换都会沿着固定的路径(延时最短路径)进行传输，其端到端延时如图7所示，自整个网络开始数据交换，网络的传输井然有序，并且延时可稳定维持在约5 μs，也就是所有最短路径的NT端的平均延时。因此，改进交换机的性能要优于普通交换机。

网络吞吐量也是衡量航电网络系统的重要性能指标。分布式控制网络的网络吞吐量如图8所示。从图8可看出，FC-AE-1553网络的吞吐量可达77 MB/s，达到理论值的80%～90%，如此之大的吞吐量，其端到端延时又可保持在微秒。相比传统的MIL-STD-1553B总线网络，性能提高了成千上万倍。

图8 网络吞吐量

4 结束语

针对FC-AE-1553网络的复杂交换式拓扑结构，提出在交换机中利用Dijkstra算法对传输路径进行规划的设计方案，该方案使得每条传输线路具有最小的延时，并通过OPNET建立了分布控制式网络的仿真模型。仿真结果表明，改进型交换机相较于传统交换机在网络传输中具有更低的延时。因此，该方案可为FC-AE-1553复杂网络在实际航电系统中的应用提供一种有效的途径。