胥輝旗，朱平云，潘莉莉，何獻武

(1.海軍航空工程學院 科研部，山東 煙臺 264001；2.海軍航空工程學院 研究生管理大隊，山東 煙臺 264001)

1 引言

早期的導彈武器系統(tǒng)大部分設(shè)備間普遍采用點對點直接連接的電纜網(wǎng)進行儀器間的信號傳輸。這種繁雜的連接線路降低了系統(tǒng)的可靠性，同時，電纜中傳輸?shù)拇罅磕M信號易受干擾，甚至本身就是強干擾源，降低了系統(tǒng)的電磁兼容與抗毀能力。而總線方案能夠有效地提高導彈綜合信息處理能力，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減輕消極質(zhì)量，提高可靠性，提升系統(tǒng)的整體性能。俄羅斯的“寶石”導彈、印度的“烈火Ⅱ”中程導彈及美國的MX洲際導彈的彈上設(shè)備間信息傳輸采用了標準1553B總線[1]。

隨著導彈性能、功能的增加、執(zhí)行作戰(zhàn)任務復雜程度的提高，越來越多不同功能任務子系統(tǒng)在導彈武器系統(tǒng)上應用，對導彈武器信息的獲取、交互、綜合處理等提出了更高的要求。新一代導彈武器綜合信息系統(tǒng)更是要求在信號一級實現(xiàn)綜合，大量中間信息的實時傳輸對彈上信息傳輸技術(shù)提出了更高的要求，高速光傳實時網(wǎng)已成為彈上信息傳輸?shù)陌l(fā)展趨勢。

2 新一代彈上信息傳輸需求分析

2.1 彈上信息傳輸特點分析

導彈作為一次性使用的、無人控制的一種特殊機動平臺，它在使用中不可維修，而且導彈在工作中存在較強的機械振動和電磁干擾，溫濕度、氣壓、潔凈度也難以保證，因此要求彈上總線具有極高的可靠性。再則，導彈運動速度快，執(zhí)行任務時間短，對數(shù)據(jù)的實時性，傳輸確定性、容錯性等提出了極高的要求。同時，彈上信號傳輸有著如下鮮明的特點。

1) 規(guī)律性。彈上信息傳輸具有規(guī)律性，隨機信號較少。導彈系統(tǒng)執(zhí)行的任務比較單純，信號的產(chǎn)生和傳輸是嚴格按照控制程序進行的。信號采樣與控制是周期性的，而且周期是固定的，或是程控的，離散的控制信息也有著嚴格的時序關(guān)系。

2) 不均勻性。彈上信息傳輸在空間和時間上是不均勻的。從空間上講，導彈系統(tǒng)中的各設(shè)備所處理的信息量差別很大，傳輸負荷也不相同。從時間上講，導彈系統(tǒng)信息傳輸是一個有中心的、傳輸負荷不均勻的、有明顯數(shù)據(jù)流方向性的網(wǎng)絡(luò)。

3) 不規(guī)則性。導彈傳輸?shù)男畔⒓扔行?shù)據(jù)包的指令信息又有雷達數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)等大數(shù)據(jù)包的信息，因此要求彈上信息傳輸系統(tǒng)對大小不同數(shù)據(jù)包同時具有較高的傳輸效率。

4) 可靠性。導彈的特殊性要求彈上總線在硬件與通信協(xié)議上具有極高的可靠性。具備隔離、冗余和多種錯誤檢測與故障恢復機制，降低誤碼率，防止網(wǎng)絡(luò)癱瘓，確保彈上信息傳輸系統(tǒng)在惡劣的環(huán)境中能夠可靠工作。

5) 高速性。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，新一代的導彈武器系統(tǒng)綜合信息系統(tǒng)中，要求在信號一級實現(xiàn)綜合，彈上傳輸?shù)牟辉賰H僅是命令和狀態(tài)數(shù)據(jù)，而主要是各傳感器等的大量中間數(shù)據(jù)。各功能子系統(tǒng)海量數(shù)據(jù)共享、實時交互、綜合處理等要求彈上信息網(wǎng)絡(luò)應當具有極高的帶寬和微秒級別的數(shù)據(jù)延遲。

2.2 新一代彈上總線需求分析

光纖總線網(wǎng)絡(luò)以其帶寬高、質(zhì)量輕、電磁兼容性好等特點，已被證明是滿足飛行器平臺綜合信息系統(tǒng)需求的有效方案。本文所研究的基于反射內(nèi)存（reflective memory）的光纖總線網(wǎng)絡(luò)[2]與MIL-STD-1773[3]、FDDI[4]、吉比特光纖以太網(wǎng)等光通信方案相比不但具有極高傳輸數(shù)據(jù)率，還具有很強的實時性、可靠的傳輸糾錯能力、嚴格的傳輸確定性和可預測性等特征。

1) 高傳輸數(shù)據(jù)率。與 MIL-STD-1773最高3Mbit/s和FDDI最高100Mbit/s數(shù)據(jù)率相比，反射內(nèi)存光纖網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)率最高可達2.125Gbit/s[5]。

2) 很強的實時性。反射內(nèi)存光纖網(wǎng)絡(luò)具有納秒級的傳輸延遲。

3) 嚴格傳輸確定性。以太網(wǎng)的CSMA/CD(載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測)的傳輸機制決定了其很難保證傳輸延遲的確定性。反射內(nèi)存光纖網(wǎng)采用硬件方法實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，和以太網(wǎng)及 FDDI采用軟件方法實現(xiàn)OSI模型中各相鄰層間的數(shù)據(jù)通信相比，系統(tǒng)通信基本不占用CPU時間，不需要OSI多層協(xié)議支持，具有嚴格的傳輸確定性和可預測性[6]。

4) 不同數(shù)據(jù)包的高通信效率。吉比特光纖以太網(wǎng)對小數(shù)據(jù)包的傳輸效率遠低于對大數(shù)據(jù)包的傳輸速率。反射內(nèi)存光纖網(wǎng)采用透明傳輸體制[7]，并能根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)大小動態(tài)選擇傳輸方式，因此對大小數(shù)據(jù)包都同時具有極高的傳輸效率。

5) 可靠性高。反射內(nèi)存光纖網(wǎng)可采用雙環(huán)路冗余設(shè)計，增加網(wǎng)絡(luò)實時監(jiān)測和自愈合功能，內(nèi)建數(shù)據(jù)校驗、恢復機制，具有很好的容錯性和極高的傳輸可靠性。

6) 跨平臺支持。反射內(nèi)存光纖網(wǎng)絡(luò)允許集成不同廠商的系統(tǒng)硬件，并且組網(wǎng)只涉及對反射內(nèi)存操作，不需要平臺操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議支持，網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點支持不同的軟硬件平臺，具有極大的方便性。同時反射光纖網(wǎng)絡(luò)最多能支持256個節(jié)點，具有較強的可擴展性[5]。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組成

3.1 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)及協(xié)議設(shè)計

該彈上信息傳輸網(wǎng)絡(luò)采用反射內(nèi)存機制，拓撲結(jié)構(gòu)為環(huán)形。因為相對于其他結(jié)構(gòu)，環(huán)形拓撲不僅易于提高通信的實時性，且具有更好的容錯能力，更便于在硬件級別實現(xiàn)錯誤診斷及修復[8]。典型的反射內(nèi)存光纖環(huán)網(wǎng)如圖1所示。每個彈上設(shè)備接一個RM（reflective memory）接口適配器，構(gòu)成一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點利用光纖將收發(fā)端口相連，構(gòu)成環(huán)網(wǎng)。每個RM接口適配器均集成一塊專用的存儲空間，并將其映射到該網(wǎng)絡(luò)節(jié)點處理系統(tǒng)的地址空間，這樣節(jié)點處理系統(tǒng)對 RM接口適配器的操作就和對本機內(nèi)存操作方式一樣。當任務設(shè)備往映射到反射存儲器的虛擬地址空間的某個位置寫數(shù)據(jù)的時候，反射內(nèi)存環(huán)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在納秒級的時間內(nèi)將數(shù)據(jù)傳播到網(wǎng)絡(luò)上的每個其他節(jié)點，并且更新的傳播操作是異步的，沒有應用系統(tǒng)處理器的介入。

圖1 典型反射內(nèi)存環(huán)網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)

上述結(jié)構(gòu)雖然可滿足高速通信需求，但單環(huán)結(jié)構(gòu)不能滿足彈上設(shè)備的高可靠性要求。一旦環(huán)路上的某個環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障，都將導致整個光傳通信系統(tǒng)癱瘓，這顯然是不允許的。為了改善這種狀況，機載飛行平臺普遍采用物理星型結(jié)構(gòu)（邏輯上還是環(huán)形結(jié)構(gòu)）的雙冗余高速交換機，通過交換機的冗余設(shè)計和旁路功能來解決可靠性問題。相對于飛機而言，導彈平臺任務設(shè)備較少，且彈上空間狹小，雙冗余高速交換機的物理星型結(jié)構(gòu)不適合彈上使用。本文結(jié)合彈上使用特點，采用雙環(huán)冗余環(huán)網(wǎng)，有效地解決了彈上信息高可靠性傳輸?shù)膯栴}。

改進后的高可靠反射內(nèi)存環(huán)網(wǎng)如圖2所示，RM接口適配器采用雙端口設(shè)計，系統(tǒng)中各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通過1、2、3、4和a、b、c、d光纖分別組成外環(huán)和內(nèi)環(huán)2個環(huán)網(wǎng)。雙環(huán)冗余設(shè)計確保一條路徑上數(shù)據(jù)出錯或丟失后，另一條路徑的數(shù)據(jù)仍能正確傳輸?shù)竭_目標節(jié)點，同時系統(tǒng)具備良好的容錯和重構(gòu)能力。任意一光纜或者是節(jié)點故障均不影響其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間正常通信。

圖2 改進后高可靠反射內(nèi)存環(huán)網(wǎng)拓撲

系統(tǒng)容錯及重構(gòu)功能如圖3所示，假設(shè)外環(huán)4號光纜因為故障而斷開，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點4的RM接口適配器能馬上檢測到并隔離4號光纖、重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。通過1、2、3、c、b、a光纜重新構(gòu)成環(huán)網(wǎng)，確保全部4個節(jié)點均能正常通信。假設(shè)4號網(wǎng)絡(luò)節(jié)點故障，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點3的RM接口適配器能馬上檢測到并隔離網(wǎng)絡(luò)節(jié)點4，并通過1、2、b、a光纜重新組成3節(jié)點環(huán)網(wǎng)，確保剩余3個節(jié)點正常通信。

圖3 反射內(nèi)存環(huán)網(wǎng)容錯重構(gòu)

3.2 RM接口適配器

RM接口適配器為各任務設(shè)備和反射內(nèi)存光纖網(wǎng)絡(luò)相連的接口，具有數(shù)據(jù)傳輸及網(wǎng)絡(luò)管理雙重功能，是整個反射內(nèi)存環(huán)網(wǎng)的核心設(shè)備。RM接口適配器主要由光電轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)編/解碼/并行處理、網(wǎng)絡(luò)管理狀態(tài)機、存儲器、協(xié)議管理模塊及任務設(shè)備接口等組成，系統(tǒng)功能框圖如圖4所示。系統(tǒng)采用雙光纖接口冗余設(shè)計、具有網(wǎng)絡(luò)容錯和重構(gòu)功能，同時考慮到彈上應用需要，RM接口適配器采用嵌入式設(shè)計，并且任務設(shè)備接口可以根據(jù)彈上設(shè)備接口需要設(shè)計。

圖4 RM接口適配器功能

數(shù)據(jù)傳輸時，當某個節(jié)點將數(shù)據(jù)寫入本地RM 接口適配器內(nèi)部的某存儲器區(qū)域后，其內(nèi)部控制電路立即按照協(xié)議將該存儲區(qū)的數(shù)據(jù)與節(jié)點號、存儲器地址、數(shù)據(jù)長度等信息組合成長度不等的數(shù)據(jù)分組，通過光纖接口傳遞到下一節(jié)點。下一節(jié)點收到該數(shù)據(jù)分組后對其進行“解分組”，然后將數(shù)據(jù)按照上一節(jié)點的寫入地址將信息相應存入本地存儲器區(qū)域，同時將信息送發(fā)送模塊向下一節(jié)點傳輸。如此循環(huán)，直至該分組傳回到其源始節(jié)點被消除為止。此時，網(wǎng)絡(luò)上所有節(jié)點接口適配器相應存儲器區(qū)域的數(shù)據(jù)均已被更新為源節(jié)點所寫入的數(shù)據(jù)[9]。

為同時兼顧彈上指令數(shù)據(jù)等小數(shù)據(jù)包傳輸及圖像、雷達數(shù)據(jù)等大數(shù)據(jù)包傳輸?shù)母邆鬏斝?，RM接口適配器內(nèi)建動態(tài)傳輸方式選擇功能。針對反射內(nèi)存環(huán)網(wǎng)小數(shù)據(jù)量傳輸時，PIO（programmable input/output）方式比 DMA（direct memory access）方式傳輸效率高，反之，大數(shù)據(jù)量傳輸時，DMA方式比PIO方式傳輸效率高。系統(tǒng)不但能根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)量大小，動態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)分組長度，還能設(shè)定一個閾值，當數(shù)據(jù)分組長度小于閾值時，自動采用PIO傳輸方式，當數(shù)據(jù)分組長度大于閾值時，自動采用DMA傳輸方式，從而使系統(tǒng)無論傳輸控制指令還是大數(shù)據(jù)量的傳感信息均具有很高的效率。

RM接口適配器還具備網(wǎng)絡(luò)管理、容錯及重構(gòu)能力如下。

1) 故障節(jié)點隔離。若某個光端口未探測到光信號或探測到錯誤的同步碼，則自動隔離該端口或網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，并利用冗余環(huán)路迅速重構(gòu)整個網(wǎng)絡(luò)。

2) 自動旁路故障光纜。自動檢測到光纜故障，能自動旁路故障光纜，通過內(nèi)環(huán)、外環(huán)其余光纜重新構(gòu)成環(huán)網(wǎng)，確保所有節(jié)點均正常通信。

3) 節(jié)點實時加入。有新節(jié)點加入或被隔離的節(jié)點恢復正常時，自動將該節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)，并通知其他節(jié)點重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)[8]。

4 反射內(nèi)存環(huán)網(wǎng)性能測試

為測試反射內(nèi)存環(huán)網(wǎng)在不同大小數(shù)據(jù)包下的傳輸速率，驗證實時性、傳輸確定性，并對發(fā)送出去和接收回來的數(shù)據(jù)進行比較，驗證可靠性，設(shè)計本測試。測試中反射內(nèi)存環(huán)網(wǎng)工作在 Windows NT+RTX環(huán)境下，其中RTX是Windows NT的一種實時擴展模塊，通過對Windows NT操作系統(tǒng)的內(nèi)核加載實時擴展模塊RTX來保證系統(tǒng)的實時性[10]。

為了測試方便，設(shè)置每個包大小為PACKAGE，每次測試發(fā)送500個包，核對測試數(shù)據(jù)并計算傳輸時間。設(shè)置PACKAGE分別為4~220 000B，分別取了50組數(shù)據(jù)，測試結(jié)果如圖5所示（橫坐標非均勻比例坐標）。

圖5 反射內(nèi)存環(huán)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸測試

圖5中有2個拐點，第一個就是包大小為64B的時候，另一個就是包大小為12k的時候。包大小為64B，也就是DMA方式下的默認閾值的大小，當傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量小于 64B的時候，系統(tǒng)默認采用PIO傳輸方式，因此隨著包大小的增加，傳輸速率也隨之增加；但是當包大小達到DMA閾值時，為提高傳輸速率，系統(tǒng)默認采用DMA傳輸方式，在大于等于64B以后，隨著每次傳輸包大小的增加，讀寫速率也隨之增加，當傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包在12k以后基本穩(wěn)定在80MB/s的水平以上。從圖中可以看到，在64B附近，隨著數(shù)據(jù)包增大，傳輸速率反而降低，這是因為在 DMA方式中，每次傳輸數(shù)據(jù)都要向CPU請求，得到回應信號后才能接管總線控制權(quán)，傳輸結(jié)束后還需要向CPU發(fā)送結(jié)束DMA請求信號，釋放總線控制權(quán)。所以在雖然DMA方式有利于提高通信速率，但是小數(shù)據(jù)量的時候每傳輸一次都需要做這些工作，耗費時間，影響通信效率。反射內(nèi)存環(huán)網(wǎng)通過PIO和DMA 2種傳輸方式的結(jié)合使用，確保了不同大小數(shù)據(jù)包的高傳輸速率。

為了測試反射內(nèi)存環(huán)網(wǎng)的傳輸延遲，設(shè)置數(shù)據(jù)包大小為12k，利用中斷方式進行了500次傳輸測試，統(tǒng)計每次節(jié)點間傳輸延遲時間，如圖6所示。

圖6 反射內(nèi)存環(huán)網(wǎng)傳輸延遲統(tǒng)計

從圖中可以看出，每次數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r大約為0.142ms，并且延遲時間都很穩(wěn)定，抖動非常小。使得數(shù)據(jù)傳輸可以在可預知的時間內(nèi)到達目標節(jié)點，即數(shù)據(jù)通信具有高可預見性，保證了系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的確定性性能。

在可靠性測試中，對上述測試的接收數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)校驗，從而評估反射內(nèi)存環(huán)網(wǎng)傳輸?shù)目煽啃浴y試表明2節(jié)點的反射內(nèi)存環(huán)網(wǎng)環(huán)境下，24h內(nèi)，其傳輸可靠性達到 100%，證明了反射內(nèi)存環(huán)網(wǎng)傳輸?shù)母呖煽啃浴?/p>

5 結(jié)束語

本文所研究的基于反射內(nèi)存的光纖總線網(wǎng)絡(luò)與MIL-STD-1773、FDDI、吉比特光纖以太網(wǎng)等光通信方案相比不但具有極高傳輸數(shù)據(jù)率，還具有很強的實時性、可靠的傳輸糾錯能力、嚴格的傳輸確定性和可預測性等特點，能夠更好地滿足新一代彈上信息傳輸?shù)男枨?。文中針對彈上設(shè)備使用環(huán)境和信息傳輸特點提出的雙環(huán)硬件余度設(shè)計及動態(tài)傳輸方式選擇策略增強了整個系統(tǒng)的容錯性能，提高了系統(tǒng)不同數(shù)據(jù)包的傳輸效率。測試結(jié)果表明，該光傳系統(tǒng)可在一定程度上滿足彈上信息傳輸系統(tǒng)在傳輸速率、實時性、可靠性、容錯能力等方面不斷增長的要求。

[1]鄭建林.火箭控制系統(tǒng)總線傳輸技術(shù)研究[D].國防科技大學工程碩士論文, 2005.ZHENG J L.Research on the Data Bus Transmit Technology for the Rocket Control System[D].Master Degree Dissertations of National University of Defense Technology, 2005.

[2]顧穎彥.反射內(nèi)存環(huán)網(wǎng)實時通信技術(shù)的[J].計算機工程,2002,28(7):143-145.GU Y Y.Research of real-time communication based on reflective memory network[J].Computer Engineering, 2002,28(7):143-145.

[3]ZHANG J G, NI Y D, SHARMA A B.Data buses take flight[J].Circuits and Devices Magazine, 2002, 18(4):18-31.

[4]HALL I K, STIGALL P D.Distributed flight control system using fiber distributed data interface[J].Aerospace and Electronic Systems Magazine,IEEE,1992, 7(6): 21-33.

[5]General Electric Company.VMIPCI-5565 ultra high-speed fiber-optic reflective memory with interrupts product manual[EB/OL].http://www.geip.com/produces/12136, 2002.

[6]CHUNG S T, GONZALEZ O, RAMAMRITHAM K.A CORBA compliant reflective memory based real-time communication service[A].Proceedings of the 21st IEEE on Real-Time Systems Symposium[C].2000.47-56.

[7]CHIA S, ICHIRO M.RT-CRM: real-time channel-based reflective memory[J].IEEE Transactions on Computers, 2000, 49(11): 1202-1214.

[8]張益東, 楊一棟, 張樹坤.超高速實時光傳操縱系統(tǒng)研究[J].航空計算技術(shù)，2006,36(5): 1-4.ZHANG Y D, YANG Y D, ZHANG S K.Research on ultra-speed real-time fly-by-light system[J].Aeronautical Computing Technique,2006, 36(5): 1-4.

[9]YAMASAKI N.Design and implementation of responsive processor for parallel/distributed control and its development environments[J].Journal of Robotics and Mechatronics, 2001,13(2): 125-133.

[10]樓俊榮.分布式虛擬靶試系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)通信與管理技術(shù)研究[D].西北工業(yè)大學碩士學位論文, 2006.LOU J R Research on Real-Time Data Transmit and Manage Technology of Distributed Virtual Fight-Test System[D].Master Degree Dissertations of Northwest Polytechnical University, 2006.