實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)在航空電子系統中的應用研究論文
引言
進(jìn)入到二十一世紀以來(lái)，我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展大力推動(dòng)了科技的研究進(jìn)程，電子技術(shù)日益出新。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，通信技術(shù)設備也不斷更新，通信技術(shù)也在不斷地完備，同時(shí)，它以飛快的步伐進(jìn)駐到人們的生產(chǎn)生活中。眾周所知，航空技術(shù)的發(fā)展離不開(kāi)通信系統的支持，因此，通信系統的完善為航空電子的發(fā)展奠定了良好的基礎。以太網(wǎng)作為通信網(wǎng)絡(luò )之一，由于網(wǎng)絡(luò )本身速度快、覆蓋范圍大、開(kāi)辦成本低等優(yōu)勢，其應用的領(lǐng)域也在不斷拓展�，F代航空電子領(lǐng)域正在使用的航空數據總線(xiàn)例如1553B存在很多的問(wèn)題，然而，以太網(wǎng)信息塊長(cháng)度較長(cháng)，終端數量較多，這正好彌補了數據線(xiàn)1553B的缺點(diǎn)和不足之處。綜上所述，由于以太網(wǎng)技術(shù)擁有很多潛在的優(yōu)勢，能夠為航空電子系統提供更好的數據服務(wù)和技術(shù)幫助，能夠更切帖地符合航空系統的發(fā)展要求，因此，本文對以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行研究分析，以此增強其實(shí)時(shí)性，在航空領(lǐng)域發(fā)揮出更大的價(jià)值和功能，掃除某些通信障礙，更好地滿(mǎn)足航空電子系統的時(shí)代要求。
一、以太網(wǎng)技術(shù)的概述
以太網(wǎng)是指由Xerox（施樂(lè )）公司創(chuàng )建并由Xerox、Inter和DEC公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的基帶局域網(wǎng)規范，是當今現有的局域網(wǎng)采用的最通用的通信協(xié)議標準，由此我們知道，以太網(wǎng)是局域網(wǎng)中的一種，并且它還是一種通信網(wǎng)絡(luò )。到目前為止，以太網(wǎng)的應用范圍已經(jīng)在現實(shí)生活中得到了廣泛的普及和人們的認可。
以太網(wǎng)技術(shù)起先是施樂(lè )帕洛阿爾托研究中心的一個(gè)先進(jìn)的項目，直到1977年末，梅特卡夫和其他人經(jīng)過(guò)日夜不斷的研究，最終成功地申請到“具有沖突檢驗的多點(diǎn)數據通信系統”的專(zhuān)利，這標志著(zhù)以太網(wǎng)的誕生，此后，隨著(zhù)時(shí)代的發(fā)展，經(jīng)過(guò)多位科學(xué)家的研究，以太網(wǎng)主要經(jīng)歷了以下四種類(lèi)型，分別是標準以太網(wǎng)、快速以太網(wǎng)、千兆以太網(wǎng)，最后發(fā)展成為萬(wàn)兆以太網(wǎng)。從發(fā)展歷程來(lái)看，這四個(gè)階段的研發(fā)，使得以太網(wǎng)理論不斷充實(shí)，不斷發(fā)展，改善了以太網(wǎng)的內在系統，大大提高了以太網(wǎng)的傳播速度。另外，以太網(wǎng)的拓撲結構主要可以分為總線(xiàn)型結構和星型結構。
二、傳統的以太網(wǎng)技術(shù)在航空電子系統中的不適應性
根據以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展歷程，我們可以知道以太網(wǎng)的主要通信調度方式為利用CSMA/CD來(lái)進(jìn)行調度。這種調度方式有一個(gè)鮮明的特點(diǎn)，這個(gè)特點(diǎn)也可以說(shuō)是一種限制，那就是其不確定性，這種不確定性的后果就會(huì )造成很大強度的非實(shí)時(shí)性。但現實(shí)是，隨著(zhù)社會(huì )的發(fā)展和科研領(lǐng)域的進(jìn)步，航空電子系統的實(shí)時(shí)性要求也越來(lái)越高，這就說(shuō)明傳統的以太網(wǎng)通信調度方式必須經(jīng)由科學(xué)的改良才能適應當今的航空電子領(lǐng)域，才能保證航空電子系統正常地工作和運行。在傳統的調度方式里，網(wǎng)絡(luò )的每一個(gè)節點(diǎn)要想有效地傳輸數據信息，必須采用競爭的方式，并且還存在一個(gè)限制，只有信道顯示為空閑的狀態(tài)時(shí)，網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)才能傳發(fā)要點(diǎn)和數據信息。除此之外，值得我們注意的還有產(chǎn)生碰撞沖突的問(wèn)題。假設，在輸送的過(guò)程中一旦產(chǎn)生碰撞，我們就得停下來(lái)等待，等待過(guò)后，可以避免信息傳輸的碰撞，但是這種碰撞的避免僅能并且只能發(fā)生一次，下次遇到了相同的問(wèn)題，還會(huì )再度產(chǎn)生碰撞。
另外一個(gè)問(wèn)題就是，傳統的以太網(wǎng)是共享式的，這種模式已經(jīng)不適應現代生活的需要了。當前，我國網(wǎng)絡(luò )通信人口呈逐年增長(cháng)的趨勢，數據流量在日后將會(huì )大幅度地上升，因此，人們在之前的前提下又開(kāi)始使用交換式以太網(wǎng)。交換式以太網(wǎng)通過(guò)自身獨有的系統設計，能夠有效防止數據信息輸入或輸出的碰撞，對于僅僅需要毫秒級響應時(shí)間的場(chǎng)合可以很好地滿(mǎn)足確定性時(shí)間的要求和條件。雖然這種交換式以太網(wǎng)技術(shù)給人們帶來(lái)了一定的好處，但是我們也不能忽視這種模式自身的缺點(diǎn)和不足�？梢栽囅胍幌�，當數據量急劇增大，由于交互式端口處理的數目有限，在這種情況下，數據得不到有效的及時(shí)處理，因此必須逐次排隊進(jìn)行。所以，在無(wú)形中，這又增加了等待的時(shí)間�？偠灾�，傳統的以太網(wǎng)技術(shù)具有很大的拖延性，這種拖延性又增加了以太網(wǎng)的不確定性，即使是交換式以太網(wǎng)也不能避免這些問(wèn)題。所以，這與實(shí)時(shí)性鮮明的航空系統的要求發(fā)送相悖，致使現代以太網(wǎng)通信技術(shù)難以發(fā)揮出最大的功能價(jià)值。
三、實(shí)現實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的改造方法
要想改變現有的以太網(wǎng)的缺點(diǎn)，主要是改變以太網(wǎng)的不確定的因素，把不確定變確定，以適應航空電子系統的要求和發(fā)展。實(shí)時(shí)以太網(wǎng)具有較強的通信能力，而且成本不高，方便快捷，受到社會(huì )的歡迎。一般來(lái)說(shuō)，經(jīng)常用到的改造方法有如下三種，第一種是改變和CSMA/CD相關(guān)的MAC層的協(xié)議，第二種是把以太網(wǎng)和TCP/IP相結合起來(lái)，第三種是添加軟件層，保證調度的確定性。
1.修改以太網(wǎng)媒體訪(fǎng)問(wèn)控制層協(xié)議。我們可以知道以太網(wǎng)的主要通信調度方式為利用CSMA/CD來(lái)進(jìn)行調度，數據信號的傳輸都要通過(guò)競爭的方式來(lái)實(shí)現，還會(huì )發(fā)生沖突的情況，所以就會(huì )導致以太網(wǎng)的不確定性。因此，為了改變這種不確定性，就要從CSMA/CD來(lái)入手。CSMA/CD主要位于以太網(wǎng)的MAC層，也就是媒體訪(fǎng)問(wèn)控制層，所以，我們必須通過(guò)改變媒體訪(fǎng)問(wèn)控制層協(xié)議來(lái)進(jìn)行處理。其中，治理的過(guò)程分為兩個(gè)階段。當傳輸信息還沒(méi)有產(chǎn)生碰撞的時(shí)候，我們可以繼續采用原有的協(xié)議；產(chǎn)生碰撞的時(shí)候，我們可以采取一種確定性的沖突解決算法，這種算法又可以稱(chēng)為二叉樹(shù)遍歷算法。
2.實(shí)現以太網(wǎng)和TCP/IP的融合。我們知道網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)主要在以太網(wǎng)交換機的端口處，其中交換機可以把整片網(wǎng)絡(luò )合理劃成多條網(wǎng)段，這些網(wǎng)段可以端口處的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)配以一定的寬帶，通過(guò)寬帶服務(wù)可以有效地避免強烈的競爭，防止競爭的同時(shí)也就減少了傳輸信息之間的碰撞。需要注意的是，這種融合方式和交換式以太網(wǎng)一樣，雖然能有效地減少碰撞的發(fā)生，但是在遇到數據量很大的情況時(shí)，數據得不到有效的及時(shí)處理，因此必須逐次排隊進(jìn)行，所以，這兩種方法都會(huì )延長(cháng)時(shí)間，有幫助的同時(shí)也有自身的不足。
3.添加軟件層，提高調度的確定性。由于以太網(wǎng)通信調度存在問(wèn)題，所以要改變調度的方式。除了第一種通過(guò)改變和CSMA/CD相關(guān)的MAC層的協(xié)議的方法外，我們還可以添加可用的軟件層，通過(guò)軟件層來(lái)提高調度的確定性，軟件層主要添加在MAC層的上面。網(wǎng)段內的實(shí)時(shí)報文和非實(shí)時(shí)報文不會(huì )同時(shí)進(jìn)行，在特定的時(shí)間里將會(huì )有不同類(lèi)型的報文輸送，堆棧中的實(shí)時(shí)報文通過(guò)數據鏈路層傳遞后，不經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò )層和傳輸層而直接傳遞給應用層，同時(shí)，非實(shí)時(shí)報文仍然通過(guò)TCP/IP協(xié)議來(lái)進(jìn)行傳遞。
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