MIL-STD-1553标准作为主干总线在地面系统和航空系统方面的应用已经有相当长的一段时间了。然而对于越来越大量的数据传输(视频、音频、分布式数据) 应用,使得1553总线的带宽已无法满足现代系统应用的需求。许多高速的互连技术都有可能取代1553总线技术。这包括:光纤分布式数据接口(FDDI)、光纤通道(Fiber Channel)、异步传输模式(ATM)、火线(IEEE 1394)和快速以太网。在比较了这些技术,并考虑到要适应于将来的军用平台这样苛刻环境的要求,光纤通道(Fiber Channel) 似乎是最佳的选择。
MIL-STD-1553军用数据总线分析:
MIL-STD-1553 是一种具有可确定性的、传输可靠的数据总线。特别适合使命关键的计算模块与实时传感器和控制器之间互连的应用。20多年来,它广泛地应用于不同的军事平台(航空系统、地面车辆系统、舰艇系统) 系统。1553总线具有以下优点:
线性局域网络结构
合理的拓扑结构使得1553成为航空系统或地面车辆系统中分布式设备的理想连接方式。与点对点连接相比,它减少了所需电缆、所需空间、和系统的重量。便于维护,易于增加或删除节点,提高设计灵活性。
冗余容错能力
由于其固有的双通道设计,1553通过在两个通道间自动切换来获得冗余容错能力,提高可靠性。通道的自动切换对软件透明。
支持“哑”节点和“智能”节点
1553支持非智能的远程终端。这种远程终端提供与传感器和激励器的连接接口。十分适合智能中央处理模块和分布式从属设备的连接。
高水平的电器保障性能
由于采用了电器屏蔽和总线耦合方式,每个节点都能够安全地与网络隔离;减少了潜在的损坏计算设备的可能性。
良好的器件可用性
1553 器件的制造工艺满足了大范围温度变化以及军标的要求。器件的商品化使得1553得以广泛地应用在苛刻环境的项目当中。
保证了的实时可确定性
1553的命令/相应的协议方式保证了实时的可确定性。这可能是大多数系统设计者在设计使命关键系统中选择1553的最主要的原因。
尽管有以上的这些优点,但其1 Mbit/sec的传输速率成为了它的限制因素,无法满足现代航空和地面车辆系统应用中支持数据、音频、视频信息交换的基本需求。
军事车载/机载/舰载局域网需求分析
为了维持在信息战中绝对的控制权地位,现代军事平台上传递的信息从种类上和数量上都在急剧增加,并且快速地走向数字化。数字信号处理、目标跟踪和目标识别都是现代系统中的典型应用。这些应用导致了在飞机、坦克、和舰艇上的数据流量的激增。这些不断增加的新的需求促进了系统结构的不断进化,以适应对数据流量、数据存储、和处理速度方面的需要。这些系统进化包括:
- 传感器采集的数据在系统前端进行数字化并提高采样频率(100+ 兆样本/秒)
- 传感器融合需要高性能的中央信号处理器来浓缩数据
- 将模拟视频信号转换为数字视频数据
这些系统结构的特征将成为选择新一代总线技术的基本参考指标。
为选择苛刻环境下的下一代主干网络技术,可以从以下几个方面对不同技术的功能和性能做个比较:
- 统一标准
- 商业支持
- 容错能力
- 同步视频(Iscochronous Video)
- 易维护
- 高带宽
- 实时可确定性行为(低延迟)
- 支持苛刻环境
局域网络的选择
现在有很多开放的LAN标准在商业领域得到广泛的应用。图1(互连技术族谱)显示了一些比较流行的互连技术在整个应用领域中的位置。广域网和城域网(MAN)有很强的全局能力,但不适合作为飞机和车辆上使用的主干网络。存储局域网(SAN)以及I/O到总线的连接也同样是不合适的。那些落在局域网(LAN)范围里的才是可作为候选的主干网络技术。它们包括:光纤通道(Fibre Channel),光纤分布式数据接口(FDDI),以太网(Ethernet),火线/IEEE 1394(Firewire/IEEE 1394),异步传输模式ATM和通用串行总线(USB)。
技术的应用情况和成熟程度分析
在挑选的过程中,技术的应用情况及成熟程度和在技术上的比较是同等重要的。它能够告诉我们一项技术的生存能力和潜在应用的发展空间。图2(LAN各项技术的应用情况和成熟程度)显示了军用系统LAN的各种技术的应用情况和成熟程度。在这条曲线上,所有的技术都处于被引入和被淘汰的状态之间。出现在曲线前端的技术还没有达到充分的成熟,所以还没有被广泛地用于新一代的军事系统。另外一些虽然已经很成熟,但如果应用于现代新的系统中又显衰落。比如,前面提到过的MIL-STD-1553已经走过了它的成熟期并走向下坡了。可以看出,光纤通道已经开始被早期的创新者使用了,而且有将成为主流技术的趋势。
如上图所示,对于现在很多新兴的互连标准我们没有做过多的考虑。这是因为还没有现成的苛刻级集成电路器件并且/或者没有适当的发展条件。这些技术包括:
- IEEE 1394(也叫火线)
这个具有工业标准的、高速(100 Mbit/sec 到 400 Mbit/sec)、对等节点的网络外设串行总线有以下的优点:支持设备的热交换,兼容即插即用,支持同步音频/视频。但其主要限制因素在于它的网络是在特定距离内(十多米)的树型拓扑结构。因此当用做车辆的干线网络时就会使铺设和维护变得比较复杂。另外,其在苛刻环境下的可靠性对于军用系统集成商的要求还相距甚远。
- 快速串列式汇流排(Serial Express)
这是一种基于IEEE 1394但支持更高速和更远距离的高速(1 Gbit/sec)串行总线。因为它是一种全新的技术,所以现在预测它在军用系统中的应用地位还为时过早。
- 通用串行总线(USB)
USB是一种12 Mbit/sec的桌面外设互连总线。它的设计目标是取代现有的一些接口包括RS-232C串行口,PC并行口,MIDI口和显示器接口。在桌面PC应用方面它是1394的理想补充。但因为它太慢而且也拥有一个不适当的树型拓扑结构,所以不会被作为主干网络技术采用。
- 千兆以太网
千兆以太网正在被网络业界广泛采用。但它的点对点结构使得在车辆应用中的连接和维护都会很复杂。此外,以太网内在的不确定性和多冲突的特点使它不适合与需要实时、有保障、可确定性的航空和地面车辆一类的通信应用。
有竞争力的主干网络技术分析
现在剩下的能够满足所有要求的(高性能,适应恶劣环境,支持数据、音频、视频传输)互连技术有以下几种:
光纤分布式数据接口(FDDI 铜线版100 Mbit/sec)
光纤通道仲裁环路(Fiber Channel-Arbitrated Loop 铜线版100 Mbit/sec 或1 Gbit/sec)
异步传输模式(ATM - 铜线版可达155 Mbit/sec,光纤版可达622 Mbit/sec)
表1对这些技术做了比较,并与MIL-STD-1553做了对比。
表1:互联技术比较
备注:
1. ATM方式必须要求星形的物理交换架构,因此对8个冗余节点,我们需要一个16口的交换机才能完成。
2. ATM或者FC-AL方式使用双重节点适配器来获得冗余/纠错能力。
3. DDI或者FC-AL方式能够利用一个简单的交换机来实现星形物理架构,从而解决环形结构固有的一点出错导致整体系统崩溃的问题。
光纤分布式数据接口(FDDI)分析
FDDI技术已很成熟。它作为MIL-STD-1553替代品的主要优点是它内在的双冗余结构。但缺点是它的令牌环的工作方式导致较低的传输速率。FDDI的最高传输速率可达100 Mbit/sec。然而1 Gbit/sec的技术现在已经很普遍了。另外,它的节点适配器高昂的价格(约$2500),也成为它发展上的一大障碍。
FDDI在一些海军项目上有所应用,但并没有用在温度要求苛刻的环境,而是用在像指挥控制室这样的普通环境。需要说明的是这些海军应用现在也开始把目标放在光纤通道或ATM上了。
异步传输模式(ATM)
ATM已经在电信业得到了广泛的应用,并成为广域数字连接方式的首选。由于其硬件和软件的标准化的进程过于缓慢,使ATM至今仍然停留在一种新生技术的状态,阻碍了成为被工业界所接受的主流产品的进程。由于现在高速以太网和将来千兆以太网的竞争,ATM始终没能打入桌面互连市场。
ATM协议主要是为语音信号传输所设计的。对于语音和视频而言,ATM“准时、有序、但不必可靠”的特点是很理想的。这些特点对于要求可靠、无误的数据传输来说却是不合适的。语音信号在传输过