TTE协议数据与FC协议数据转换设计及实现.pdf
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1、2023 年第 9 期68计算机应用信息技术与信息化TTE 协议数据与 FC 协议数据转换设计及实现雷俊婷1 李正军1 石 岩1 李 凤1 赵玄润1LEI Junting LI Zhengjun SHI Yan LI Feng ZHAO Xuanrun 摘要 随着网络技术的更新迭代及新型飞机对通信数据需求的日益增加,航空电子系统对于机载网络的带宽、实时性、可靠性要求也越来越高。目前 FC 协议因其高速率、高可靠性等优势被广泛应用于航空电子系统中,而 TTE 协议基于分布式同步算法,采用时间触发方式,增强了通信网络的实时性、确定性及可预测性,并被安全关键应用领域所关注。介绍了FC网络及TTE网络
2、的相关技术内容,简述两者的优缺点,并对 TTE 协议数据转为 FC 协议数据的数据转换过程进行设计实现。测试验证结果表明,协议转换能够有效解决两种不同协议设备之间的数据兼容问题。关键词 航空电子系统;机载网络;光纤网络;时间触发以太网;协议转换 doi:10.3969/j.issn.1672-9528.2023.09.0151.中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所 陕西西安 7100650 引言系统总线是航空电子系统发展的重要因素之一,随着网络技术的更新迭代以及新型飞机对机载数据网络通信要求的增加,航空电子系统对系统总线技术提出了更高的要求1。当前 FC 网络协议应用较为广泛2,其具有高
3、速率、高可靠性等优势,而 TTE 网络的出现也以其独有的优势(强实时性、高确定性、分布式同步算法等)得到了重点关注3。本文简述了 FC 及 TTE 网络技术的网络特点及优势,并设计实现了 TTE 协议数据转换为 FC 协议数据的数据转换过程,使得TTE交换机在接收到TTE协议数据后能够转发至FC网络,有效解决了网络间的协议兼容问题,增强了网络的可用性。1 协议简介1.1 FC 协议FC(fi bre channel)光纤通道协议4提出的初衷在于解决 I/O 传输瓶颈对整个存储系统带来的消极影响,最终形成了一个光纤通道协议簇,并实现了在同一协议平台框架下映射至更多 FC-4 上层协议。随着 FC
4、 技术的发展,其带宽也不断地扩展,以满足更高的通信数据需求。从逻辑的角度而言,可将 FC 看作是一种双向的、点对点的串行数据通信,FC 网络的核心则是由 FC 交换机和 FC 节点机构成5。其中交换机的作用在于完成信息交换,具体体现在处理接收到的源节点机发来的数据,随后根据配置表单播或多播至一个或多个目的节点,以实现各节点间的互联通信。节点机则指接入至 FC网络中的设备,主要用于实现消息的接收及发送。当前 FC网络协议在航电系统上的应用主要分为两个大的分支:FC-AE、FC-AV(ARINC818)6。FC-AE 标准是将 FC 协议应用到航空电子环境中的一组协议集,主要用于各设备之间的数据通
5、信,传输相关数据信息,例如视频、仪器仪表、传感器等数据。相较而言,FC-AV 则能实现传输大数据量的音视频数据流,更符合当前使用的需求。机载 FC 网络相较于传统的总线网络而言,具备以下五点优势。(1)高速率FC 网络协议可实现多种传输速率,具体包括:1 Gbit/s、2 Gbit/s、4 Gbit/s、8 Gbit/s、16 Gbit/s,其链路介质常用光纤。(2)高可靠性FC 网络协议物理链路的传输误码率小于 10-12。(3)强抗干扰性FC 网络协议通常采用光纤作为传输介质,因此其抗电磁干扰能力较强。(4)重量轻FC 网络协议采用的光纤重量相较于同轴线缆而言小很多,大约每千米轻20 kg
6、,使得其线路易于铺设,从而节省空间。(5)拓扑结构灵活FC 网络协议可采用点到点、仲裁环及交换等拓扑结构。这三种拓扑结构各有优缺点,其中点到点的拓扑结构能够在实现较大的通信带宽的同时实现较小的传输延迟,但存在扩展性差的问题;仲裁环的优势在于其成本低且通信不依赖于交换机,但同时会造成实时性、可靠性差的问题;交换结构的优点在于扩展性好、带宽高,但其结构设计难度大且成本高。因此在实际应用的过程中,应当根据实际情况选择具体 2023 年第 9 期69计算机应用信息技术与信息化的拓扑结构,以满足特定的需求。1.2 TTE 协议TTE(time-triggered ethernet)时间触发以太网7,顾名
7、思义 TTE 网络协议不同于传统以太网采用的事件触发方式,而是选择采用了时间触发方式。时间触发方式的优点在于可预测性,系统采用集中式调度表来控制网络中各个节点的访问,具体过程为在固定的周期间隔进行触发,每个节点进行感知、通信、计算、控制等操作,能够保证具有前驱和后续关系的任务之间的正常调度与协同处理,从而实现了在继承传统以太网优点的基础上,克服了以太网在传输过程中存在的时延及抖动等问题,提高了网络的可靠性和安全性,使得 TTE 网络协议在航空航天领域有着更为广阔的应用前景8。TTE 网络协议可以简单理解为在传统以太网的基础上增加了时钟同步、时间触发通信、速率受限传输及尽力而为传输的功能,其具备
8、以下四点优势。(1)高兼容性TTE 网络协议实现了与以太网 802.3 协议的完全兼容,可以实现不同类型的应用业务在同一网络上的无缝连接,例如个人的 PC 机、多媒体系统等均可使用相同的网络。(2)高适用性TTE 网络协议适用各种带宽速率,能高效地应用10 Mbit/s、100 Mbit/s、1 Gbit/s、10 Gbit/s 等各种带宽网络。(3)高容错性TTE 网络协议能够有效阻止个别端系统存在的胡言乱语等错误蔓延至整个网络,且可以防止外部对系统资源的非法访问。(4)可扩展性TTE 网络协议可根据实际需求进行扩展,使得已有系统应用无需做任何更改。TTE 网络主要由 4 个部分构成,分别为
9、时间触发以太网交换机(CM)、时间触发以太网控制器终端(SM)、时间触发以太网客户终端(SC)及物理链路。其拓扑结构也有多种形式,不同的分类标准下将存在不同的结构,具体分为以下两大类。一是根据网络中是否存在交换机链路分为单跳拓扑(single-hop topology)和多跳拓扑(multi-hop topology);二是根据网络中端节点间的余度通信链路分为单通道拓扑、双通道拓扑及多通道拓扑,具体的网络结构应当根据使用过程中的需求进行设计。2 协议转换实现如 1.1 及 1.2 节所述,FC 网络协议及 TTE 网络协议各有特点,针对当前航空电子系统的发展需求,即在同一个系统中同时存在 FC
10、 网络协议和 TTE 网络协议的应用情况,因此根据系统需要进行协议数据转换,从而提高机载系统之间的兼容性。具体地,交换机相关端口实现存储 TTE 网络消息ID 与 FC 网络消息 ID 的静态映射表,在网络协议转换时通过查表实现相互转换,本文则主要针对 TTE 协议数据转换为 FC 协议数据的数据转换过程的设计及实现,具体流程如下所述。2.1 TTE 数据的接收接收到的 TTE 数据由 9 个部分构成,依次为 DMAC、SMAC、TYPE、LEN、PAYLOAD、HVPC、PAD、SN 及FCS,如表 1 所示。表 1TTE 数据发送序列字段DMACSMACTYPELENPAYLOAD字节数6
11、622X字段HVPCPADSNFCS字节数4314如 表 1 中 所 示,TTE 数 据 按 照 DMAC、SMAC、TYPE、LEN、PAYLOAD、HVPC、PAD、SN 及 FCS 的顺序依次组成9,各部分的具体描述如下。(1)DMAC 为目的 MAC 地址,由 6 个字节构成,具体包括虚拟链路标志符、消息长度、消息标记、优先级及固定域。其中,DMAC 中的 29:28 及 15:0 位拼成一个 18 位的数据,用于查询 CAM1 表,当表中有对应数据时,则输出MATCH_ADDR1。在接收到 DMAC 数据的同时,需要进行数据检查,例如 DAMC 数据中部分指定位的数据值应当为设定的固
12、定值。(2)SMAC 为源 MAC 地址,同样由 6 个字节构成,其中具体包括接口标志符、用户定义标志符及固定域。同DMAC 中所述,SMAC 中的 23:8 及 7:5 位将拼成一个 19位的数据,用于查询 CAM2 表,当表中有对应数据时,则输出 MATCH_ADDR2。(3)TYPE 表示 MAC 帧类型,由 2 字节构成,该值应当为固定值。(4)LEN 表示负载长度,由 2 字节构成,其在非分拆帧的情况下,应当等于 PAYLOAD_LEN 的数值。(5)PAYLOAD 为负载,其具体的字节数将根据网络中传输的实际数据决定。(6)HVPC 为硬件校验值,主要用于校验接收到的数据是否正确。
13、在非分拆帧的情况下,HVPC=VPC(PAYLOAD,PAD)。(7)PAD 则表示 padding,主要用于当数据长度不足 64字节时,则需要利用 PAD 将其补齐至 64 字节,此处表示采用了 3 字节的填充字节。(8)SN 为帧顺序号,由 1 字节构成。(9)FCS 为帧校验序列,由 4 字节构成。2023 年第 9 期70计算机应用信息技术与信息化TTE 数据接收模块将完成数据的接收,同时完成数据的检查判断,只有满足上述各字段数据值要求时,才表明接收到的数据是正确的,随后将其存储至相应的寄存器中,方便实现后续操作。2.2 数据转换TTE 交换机在接收 TTE 协议数据的同时完成数据检查
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- TTE 协议 数据 FC 转换 设计 实现
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