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光纤通道关键技术研究与实现
摘要
随着光纤传输技术的发展，以及航空电子系统中各种语音、视频等大数据量业务的传输需求，以MIL-STD-1553B为代表的现役军用数据总线己不能满足现代航空电子系统对于数据传输的需求。
随之出现的以FC-AE为代表的光纤总线技术在航电互联系统中逐步得到了广泛的应用和发展。
本文在对MIL-STD-1553B、光纤通道（FibreChannel,FC）以及无源光网络（PassiveOpticalNetwork,PON）的技术特性介绍的基础上，利用PON拓扑结构简单和传输功耗低的优势，提出一种基于PON结构的光纤航电总线传输协议，该协议在继承光纤通道优良传输特性同时，又兼备了PON抗干扰能力强、制造成本低和维护简单的特性。
该网络交换拓扑的无源特性，也更好的满足了当前航电应用对于网络低功耗的设计要求。
本文详细介绍和分析了该协议的传输规范，定义了其在航空环境中使用的网络拓扑、传输格式和传输要求等指标，对协议可靠的传输实现进行了研究和设计。
在OPNET软件平台下采用三级建模机制，分别建立该协议的进程模型、节点模型和网络模型。
通过对协议的仿真特性分析，证明了该协议具有拓扑简单、功耗低的网络互联结构，也验证了其低延迟、高传输速率的传输特性。
本文的研究为该协议后续的硬件开发和应用提供了理论支撑，也为今后PON技术在航电互联领域的应用研究提供了较高的参考价值。
关键词：
航空电子总线，无源光网络，光纤通道，FC-AE-1553
ABSTRACT
Withtherapiddevelopmentofopticaltransmissiontechnologyandthelargedatatransmissionrequirementsofvoiceandvideosignalsinavionicssystems,MIL-STD-1553Bcannotsatisfytheneedofmodernavionicselectronicsystems.AndthefiberbustechnologysuchasFC-AEiswidelyappliedanddevelopedintheavionicsinterconnectionsystem.
ThisarticlepresentsafiberbusprotocoloverPONarchitectureusinginavionicsenvironmentonthebaseoftheintroductionofthetechnicalcharacteristicsofMIL-STD-1553B,FCandPONtechnologies.ItnotonlyinheritsthetransmissionadvantageofFC,butalsohasthePONcharacteristicssuchasanti-jammingability,lowmanufacturingcostandsimplemaintenance.Itspassivenetworktopologyforexchangebettersatisfiestherequirementsoflowpowerconsumptioninthecurrentavionicsapplicationdesign.
Thepaperintroducesthetransmitcriterion,definesitsnetworktopologyusedinavionicsenvironment,frameformat,anddesignsitsdependability.Theprocessmodel,nodemodelandnetworkmodeloftheprotocolareestablishedontheOPNETsoftwareplatformusingthethird-stagemodelmechanism.Thesimulationresultsshowthattheprotocolhastheadvantageofsimplearchitecture,lowconsumption,highreliableperformance,lowdelaytimeandhightransmissiondatarate.Theresearchworkinthepapernotonlyprovidesatheoreticalsupportforthesubsequenthardwaredevelopmentandapplicationoftheprotocol,butalsoprovidesahighreferencevalueoftheapplicationofthePONtechnologyinavionicsinterconnectionfield.
Keywords:
AvionicsBus,PON,FibreChannel,FC-AE-1553
目录
第一章绪论1
1.1课题研究背景1
1.2国内外研究现状2
1.3课题研究意义与目的3
1.4研究内容与组织结构4
第二章MIL-STD-1553B协议与光纤通道协议介绍5
2.1前言5
2.2MIL-STD-1553B协议5
2.3光纤通道协议7
2.3.1光纤通道的层次结构7
2.3.2光纤通道服务类型8
2.3.3光纤通道的拓扑结构9
2.3.4光纤通道中的交换与序列12
2.3.5光纤通道帧结构13
2.3.6流量控制与优先级控制14
2.4FC-AE-1553协议简介16
2.5本章小结17
第三章FC-PON协议设计19
3.1PON技术19
3.1.1PON技术简介19
3.1.2EPON基本工作原理20
3.2FC-PON协议设计思想22
3.3拓扑结构23
3.4传输可靠性设计24
3.4.1同步方式24
3.4.2协议传输消息格式25
3.4.3PNT-to-PNT的传输实现26
3.5传输帧27
3.5.1命令帧28
3.5.2状态帧30
3.5.3数据帧32
3.6定时器32
3.7传输类型34
3.7.1光纤传输类型34
3.7.2过桥传输类型38
3.8本章总结43
第四章FC-PON协议网络建模与仿真45
4.1OPNET简介45
4.2网络节点建模45
4.2.1PNC节点设计与建模45
4.2.2PNT节点设计与建模48
4.2.3RT节点设计与建模50
4.2.4PODN节点设计与建模52
4.3网络模型和流量仿真建模53
4.3.1网络模型建模53
4.3.2流量仿真建模54
4.4帧模型建模55
4.4.1光纤帧模型55
4.4.2MIL-STD-1553B消息字模型58
4.5FC-PON协议仿真分析59
4.5.1系统参数设定60
4.5.2光纤传输仿真与分析60
4.5.3过桥传输仿真与分析65
4.5.4仿真分析总结67
4.6本章小结67
第五章总结69
5.1工作总结69
5.2不足与期望69
参考文献72
攻硕期间取得的研究成果74
缩略词表
FCFibreChannel光纤通道
NTNetworkTerminal网络终端
NCNetworkController网络控制器
BCBusController总线控制器
RTRemoteTerminal远程终端
BMBusMonitor总线监控器
PONPassiveOpticalNetwork无源光网络
EPONEthernetPassiveOpticalNetwork以太网无源光网络
OLTOpticalLinkTerminal光链路终端
ONUOpticalNetworkUnit光网络单元
ODNOpticalDistributingNetwork光分配网络
AFAdaptationFunction适配功能
PNCPassiveNetworkController无源网络控制器
PNTPassiveNetworkTerminal无源网络终端
PODNPassiveOpticalDistributingNode无源光分配节点
SOFStartofFrame帧起始标记符
EOFEndofFrame帧结束标记符
CRCCyclicRedundancyCheck循环冗余校验
RDMARemoteDirectMemoryAccess远程直接存储访问
第一章绪论
1.1课题研究背景
航空电子总线是飞机航空电子综合系统的数据通信枢纽，主要负责各种机载设备之间的数据交换和通信，通过资源管理和共享，实现互联网络设备终端的功能最大化，从而提高整个航空电子系统通信的传输可靠性和稳定性。
而随着光纤通信传输技术和计算机网络技术的迅速发展，以及航空电子网络结构复杂化和大数据量通信传输的应用背景需求，将光纤传输技术应用于航空电子系统网络已成为当今航空机载网络互联技术的重要研究和发展方向之一。
传统机载互联网络总线的研究开始于上世纪60年代，在众多传统总线中，MIL-STD-1553B总线是应用最为广泛的数据总线之一。
MIL-STD-1553B总线很好的简化了机载网络互连结构，因其机载电子设备间互联简单、维修性好的优良特性，在航空、航天、航海和其他武器装备上得到广泛的应用，曾获得“一网盖三军”之美誉[11]。
但随着数字航空系统综合集成度越来越高，MIL-STD-1553B总线的传输性能受到来自系统内外电磁干扰、静电放射以及闪电、电磁脉冲干扰的影响愈加严重。
另外由于当今航空电子系统中各种语音、视频等大数据量业务的传输需求，使传统的MIL-STD-1553B的1Mb/s的传输速率已经远远不能满足高速数据传输的要求。
基于以上原因，在航空电子环境中采用光纤传输总线代替电传总线成为了必然。
在众多光纤通信技术中，光纤通道（FibreChannel，FC）是一种具有高带宽、低延时、远距离传输特性的网络技术。
它以其传输速率高，兼容多种上层通信协议，具有开放的工业标准等特点，被人们认为是目前最有可能满足未来航空电子环境发展需要，成为下一代航空电子网络传输标准的光传输技术。
针对FC技术在军事航空电子领域的应用需求，FC标准开发组织（ANSI）专门建立了一个FC航空电子环境分委员会（ANSIFC-AE）。
该机构专门针对FC技术如何应用于航空电子领域以及现有MIL-STD-1553B总线系统的平滑升级等问题，研究并制定出了一组光纤通道航空电子环境（FC-AE）的草案。
该草案制定和描述了以FC为基本标准的航空电子增强专用系统。
其中的FC-AE-1553协议遵守MIL-STD-1553B协议，将MIL-STD-1553B映射到高带宽的FC网络，形成了一个传输速率高，维护费低廉、抗干扰能力强的高确定性协议。
该协议很好的解决了传统电传输总线带宽低、可靠性差、稳定性弱的问题，具备了适应在苛刻军事航空环境下，对密集型的航电系统进行复杂数据信息综合处理和总线网络功能综合的能力。
该光纤总线标准无疑是一种非常复杂和精密的协议标准，目前该协议还在不断的修改和完善，要使其更好的应用于航空电子环境中，还面临着很大的挑战[13]。
同时在光纤传输通信技术中，无源光网络（PassiveOpticalNetwork，PON）是通信业界多年来一直认为的未来光接入网的主流技术之一。
PON技术在解决宽带接入问题上被普遍认可。
它的成本相对便宜，提供的带宽足以应付未来的各种宽带业务需求。
PON自从在20世纪80年代被采用至今，它简单的拓扑结构，优良的抗电磁干扰能力，低廉的维护费用以及较强扩展性，使其成为目前最经济和最有发展潜力的光纤接入技术之一。
未来航空电子系统在向通用化、模块化和开放化方向的逐步发展过程中，除了对总线网络的实时性能、容错性能、传输带宽、标准的开放性要求越来越高以外，受到复杂航空航天环境的要求，如何简化航电互联网络结构，降低网络传输功耗，也成为未来航电总线互联技术新的研究方向。
如果可以将PON的结构优势和光纤通道优良传输特性结合，设计一种基于PON结构的命令/响应方式的光纤总线传输协议，使其在继承了光纤通道高带宽、低延迟、高可靠性的传输特性同时，又兼备了PON结构简单、制造成本低和低功耗结构特性，无疑会在日后国内外同类产品的竞争中处于优势地位。
因此，针对军事应用背景，结合已迅猛发展的无源光网络传输技术和计算机技术，开展适用于航空电子环境的基于PON结构光纤传输总线设计的研究，具有重要的国防军事意义与应用价值。
1.2国内外研究现状
航空电子系统发展大致经历三个阶段，它们分别是离散式航空电子系统、联合式航空电子系统和综合航空电子系统。
在这个过程中，航空电子总线标准也从最早的MIL-STD-1553B总线，发展到后来的令牌传递网络和交换式以太网，再到现在的光纤通道技术，在传输带宽、可靠性和稳定性方面都得到了极大的提升。
目前，光纤通道技术的研究与应用主要集中在两大领域：
存储区域网络（StorageAreaNetwork,SAN）和航空电子环境（AvionicsEnvironment）。
前者广泛用于民用领域中的高性能数据传输、数据备份，以及存储区域网络等方面，技术已经相对比较成熟[14]；而后者FC-AE由于其协议制定时间较短，尚无正式标准，国内外相关资料也非常有限。
国外的FC-AE相关产品主要以DDC公司研制的基于FC-AE-1553标准的系列板卡FC-75000，FC-75100为代表。
此类产品虽然是基于FC-AE-1553协议标准制造，但由于其硬件设计的局限，使得其MIL-STD-1553B协议与FC-AE-1553协议之间的协议转换无法直接由硬件完成，而是通过计算机上的软件实现的，这也使得该类产品并不能看作是真正意义上的FC-AE-1553协议芯片[15]。
目前，国外FC-AE的应用主要集中在美军的飞行设备中，包括AWACS、B-1B、F/A-18、V-22、AH-64、RAH-66等的航空电子设备更新及改型设计。
目前，现阶段我国的光纤通道应用产品尚无推出，主要还停留在理论研究阶段，研究方向主要集中点对点和交换式拓扑结构的网络传输实现等方面，其中包括北京航空航天大学的FC互联可靠性技术研究，北京微电子所的光纤通道N端口IP核的研究和清华大学对光纤通道仲裁环的研究等。
1.3课题研究意义与目的
随着通信传输技术和计算机科学的不断发展，以及总线技术在军事航空领域的广泛应用，航空总线技术受到越来越多专家的关注，逐渐成为航空研究领域重要公关技术之一。
众所周知，传统的航空总线在大大减轻航空负载的同时，也提高了航电系统的可靠性和可维护性。
但随着当今航电系统中各种语音、视频等大数据量业务的传输需求，传统总线已无法满足未来航电应用环境对传输高带宽，低延时的传输要求。
其次，虽然光纤通道技术很好的解决的了传统电介质传输带宽低，可靠性差的问题，但是由于光纤通道技术在航电领域的应用发展起步较晚，现在已有的FC-AE-1553协议由美国在04年才制定出初稿，目前还一直在对其进行补充修改和完善，至今都还没有形成一个正式的标准，使得关于FC-AE-1553的研究大多集中在航空电子环境中的FC协议及其上层应用的理论研究，对其应用的开发寥寥无几。
加之美国的军事技术封锁，使我国迫切需要制定我国自己的满足航空电子环境要求的光纤总线传输协议。
另外，PON以其优良的抗电磁干扰能力，较强扩展性以及低廉的维护费用，在当今的光纤通信领域得到了广泛的应用，使它被公认为是当今最有发展潜力的光纤传输技术之一。
但目前整个航电领域尚无基于PON结构航电光纤总线协议方面的研究。
本文利用PON结构简单和功传输耗低的优势，提出了一种基于PON结构的命令/响应方式的光纤总线传输协议（FC-PON），该协议在继承光纤通道优良特性同时，又兼备了PON抗干扰能力强、制造成本低和维护简单的特性。
该协议网络交换拓扑的无源特性，也更好的满足了当前航电应用对于低功耗的设计要求。
协议通过采用PON拓扑传输结构，结合稳定的命令/响应传输方式，集两大优势于一身，很好的满足了航空电子互联通信网络不断扩展的传输需求。
该协议的研究填补了航空电子领域基于PON总线研究和应用的空白，而其相关产品生产与应用，相信无疑会在日后国内外同类产品的竞争中处于优势地位，具有很高的军事意义。
1.4研究内容与组织结构
本文在分析了航电总线协议发展现状基础上，提出一种适用于航空环境的基于PON结构的命令/响应方式光纤总线协议，分析研究了该协议的传输特性与通信方法。
在OPNET软件平台下采用三级建模机制，建立该协议的进程模型、节点模型和网络模型，通过对协议的仿真以及对其结果特性指标进行分析，验证协议高可靠、低延迟、高传输数据率的传输特性。
本文按照如下章节进行组织：
第一章：
绪论。
简要概述本文的相关研究背景、国内外研究现状、研究意义以及本文的主要研究内容与组织结构。
第二章：
首先简单介绍了MIL-STD-1553B协议。
然后从层次构成、服务类型、拓扑结构等方面着重介绍了光纤通道协议的主要构架。
最后对光纤通道在航空环境下的应用协议FC-AE-1553协议进行了介绍。
第三章：
简单介绍了PON技术传输特性和基本原理。
对基于PON拓扑的命令\响应方式通信协议设计进行了详细的介绍。
定义了协议的拓扑结构和传输帧结构，完成了协议网络传输类型的设计和定义。
第四章：
基于OPNET软件仿真平台，对整个协议进行网络级的仿真建模。
通过采用三级建模机制，对各网络节点分别进行进程模型、节点模型的设计和建模。
对网络模型进行建模和环境配置，完成整个仿真网络环境的搭建。
对协议进行仿真和传输特性分析，验证协议的各项传输性能。
第五章：
全文总结。
第二章MIL-STD-1553B协议与光纤通道协议介绍
2.1前言
航空总线技术是航空电子技术的一个重要研究内容。
总线技术在航空电子系统中的应用，大大提高了航空电子网络的可靠性，降低了传输延时，改善了系统的抗干扰能力，成为了航空电子系统中的一个重要技术。
本章将对已有的传统MIL-STD-1553B总线标准和航空环境中的光纤通道技术进行介绍和说明。
2.2MIL-STD-1553B协议
MIL-STD-1553B是一种时分多路串行传输的总线协议标准。
该协议标准对物理层上硬件电路的电信号特性，以及数据链路层和网络层上的故障检测方法和传输命令与响应的方式进行了严格的规范和定义。
MIL-STD-1553B总线的使用简化了机载电子网络互连结构，提高了传输可靠性和维护性，降低了机载网络互联线的重量。
MIL-STD-1553B总线在航电互联技术应用中占有重要的地位。
20世纪70年代初，美军首次在其实施的DAIS计划中将该总线引入到飞机航空电子系统中。
20世纪70年代以后的军用飞机的机载电子网络几乎全部采用该总线进行互联。
此外，它在舰船、坦克、导弹以及航天器上都有广泛的应用[1]。
图2-1MIL-STD-1553B网络结构
MIL-STD-1553B总线采用命令/响应方式进行总线的通信控制，其总线传输速率为1Mb/s。
该总线网络上最多可连接31个终端，如图2-1所示。
MIL-STD-1553B的网络终端分为3种：
（1）总线控制器（BusController,BC）：
负责控制和管理总线网络的传输。
（2）远程终端（RemoteTerminal,RT）：
参与网络通信的硬件节点，可以连接机载的电子设备。
（3）总线监控器（BusMonitor,BM）：
协助总线控制器记录总线数据，对总线通信进行数据的监控。
该协议定义的传输字字长为20bit，由3bit同步头，16bit数据信息和1bit的奇偶校验位组成。
传输字根据功能划分为指令字、数据字和状态字，如图2-2所示。
指令字是由BC发出的命令字，它包含了控制网络传输的相关控制信息，以指挥和协调整个网络通信；
状态字是由参与当前传输任务的RT返回给BC，携带了RT传输状态信息的响应字；
数据字是有效数据信息的传输载体，每个数据字中携带16bit的有效的数据信息[10]。
图2-2MIL-STD-1553B传输字结构
MIL-STD-1553B总线的传输类型共有10种，分为数据传输类型、模式代码传输类型和广播消息传输类型。
每一个MIL-STD-1553B总线任务都由BC发起。
RT通过响应BC的指令字来实现任务的通信，构成了一种可靠的集中式传输控制机制。
BC利用检查RT返回的响应状态字，了解当前数据传输任务的执行情况以及RT的状态情况。
2.3光纤通道协议
光纤通道（FibreChannel,FC）是由美国国家标准委员会（ANSI）的X3T11小组于制定的一种高速串行传输网络协议簇[5]。
它将通道的简单高速和基于协议的网络通信的灵活性与互连性结合起来，这种融合使系统设计者能将传统的外围设备连接起来，将主机与主机互连，以及将耦合处理器集群和系统域网络结合在一个多协议接口中。
根据应用的需要，任选通道或网络方式来进行数据传输[6]。
目前，光纤通道技术可以实现1Gb/s、2Gb/s和4Gb/s的高速传输，并且支持多种介质类型和连接器件，能够实现网络协议和通道标准在物理接口上的同时执行。
该协议目前在民用的存储和通信中被广泛使用，在军事领域中也逐步推广。
2.3.1光纤通道的层次结构
FC协议定义了5层结构，分别为FC-0、FC-1、FC-2、FC-3、FC-4，如图2-3所示[3]。
图2-3FC协议层次
1）FC-0层
FC-0层是协议的物理层，规定了接口规范、传输的物理介质和传输速率。
FC的传输速率包括133Gb/s、266Gb/s、531Gb/s、1Gb/s、2Gb/s和4Gb/s。
而其可使用的物理传输介质包括屏蔽双绞线、同轴电缆、单模光纤和多模光纤等。
2）FC-1层
FC-1层是协议的链路层，规定了8B/10B的编解码方案，定义了有序集（OrderedSets）的功能。
FC-1通过将上层的数据进行8B/10B编码，使每8位数据进行10位的编码，使得其具有更好的传输特性，错误检查能力也更强[18]。
另外，通过对有序集的定义，方便对数据帧分界、传送底层状态等信息进行识别。
3）FC-2层
FC-2层是协议的传输层，规定了数据通信的相关的传输机制，主要包括节点、端口及通信模型，服务类型，传输层次、帧格式、交换管理等功能。
在FC-2层定义了数据传输的数据帧最大长度为2148Bytes，而协议层通过序列和交换的管理来对帧的传输进行控制。
通常序列是由一个或多个数据帧组成，而一个或多个序列又构成了一个完成的交换。
FC-2层通过对信用量的定义，来实现了传输对流量的控制，避免了数据帧的丢失，提高了传输的可靠性。
4）FC-3层
FC-3层是协议的通用服务层，该层定义了相关的服务机制，为同节点多端口的通信提供服务。
该服务包括多条传送、搜索组以及多点传送。
5）FC-4层
FC
升级会员 