[发明专利]基于FC-AE-1553协议的多NC星型拓扑结构

说明书

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(Arbitrated Loop)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。