采用ieee总线的航空航天设备互连可靠性研究

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1、采用IEEE1394总线的航空航天设备互连可靠性研究//.paper.edu-1-采用IEEE1394总线的航空航天设备互连可靠性研究尹旭峰1，刘迟斌2，李雪原11北京理工大学机械与车辆工程学院，北京（100081）2西门子（中国）有限公司，北京（100102）摘要：介绍了美国国家航空航天局喷气推进实验室（NASA/JPL）将IEEE1394总线应用于航空航天设备通讯系统中，为提高互连可靠性而提出的三种栈树拓扑结构，以及它们的互连可靠性计算方法与结果。在此基础上，提出了一种改进型栈树拓扑结构，并设计出一种通用的栈

2、树连通性遍历算法，遍历故障节点的各种不同组合，考察栈树在各种组合下的连通图数，进而计算得到其互连可靠性。通过对计算数据的比较和分析，从而得出结论：这种改进型栈树拓扑结构的互连可靠性要高于NASA/JPL定义的三种拓扑结构，对IEEE1394总线系统的拓扑结构设计具有实际指导意义。关键词：网络；拓扑；可靠性；航空电子；IEEE1394中图分类号：TP393.031引言应用于航空航天设备的通讯系统，不但要具备在极端环境下长时间工作的高可靠性，还必须满足能耗低、质量轻、体积小等基本要求。在“商业现货”（commerci

3、ally-off-the-shelf，简称COTS）思想的影响下，美国国家航空航天局的喷气推进实验室（简称NASA/JPL）在综合评测了多种标准计算机总线的性能与特点以后，深入研究了IEEE1394总线应用于航空航天设备的互连可靠性问题。其目标是建立一种可重构、可降解、具有一定容错能力的现场总线通讯系统，当系统内出现节点故障时，不需要任何冗余节点的支持，所有仍正常工作的节点（称为幸存节点）保持相互连通。NASA/JPL定义了一种特殊的树状拓扑结构——“栈树”（StackTree），并给出其三种变异结构[1]。这三

4、种结构不但能满足IEEE1394对总线网络中无环路的组网要求[2~3]，而且据此构建的通讯系统具有一定的容错能力。本文先简单介绍了NASA/JPL定义的这三种拓扑结构、相应的互连可靠性计算方法、以及最后得出的结论。在此基础上，提出了一种改进型栈树拓扑结构，并设计出一种通用的栈树连通性遍历算法，遍历故障节点的各种不同组合，考察栈树在各种组合下的连通图数，进而计算得到其互连可靠性。通过对计算数据的比较和分析，从而得出结论：本文提出的改进型栈树拓扑结构的互连可靠性要高于NASA/JPL定义的三种拓扑结构，对IEEE13

5、94总线系统的拓扑结构设计具有实际指导意义。2栈树拓扑结构的定义2.1NASA/JPL定义的三种栈树拓扑结构NASA/JPL定义了一种特殊的树状拓扑结构，称为“栈树”（StackTree）。定义1：栈树是一种特殊的树状拓扑结构，树上的每个枝节点最多连接3个节点，并且在这3个节点中最多只能有2个枝节点。-2-定义2：每个枝节点都连接且只连接1个叶节点的栈树称为完全栈树（CompleteStackTree，简称CST）。定义3：通过如下方法可以得到一个CST的镜像：1）断开连接枝节点i和j的边，其中i和j满足1=??

6、ji；2）连接叶节点k和l，其中k和l满足1=??lk。图1中（a）是一个包含2n个节点的完全栈树。这种拓扑结构称为“单形完全栈树”，记为CSTS。（b）是其镜像。123n-1nn+1n+2n+32n-12n123n-1nn+1n+2n+32n-12n(a)(b)SCSTSCST的镜像图1单形完全栈树CSTS及其镜像Fig.1ASimplexCompleteStackTreeanditsMirrorImage如图1所示，一个由2n个节点组成的CSTS与其镜像没有相同的枝节点。这意味着从一个CSTS栈树上摘除1个枝

7、节点不会分裂其镜像。NASA/JPL据此提出如下双总线方案：双总线完全栈树，记为CSTD，由一个CSTS和其镜像组成，如图2所示。123567891112410图2双总线完全栈树CSTDFig.2ADualBusSchemeofCST-CSTD利用IEEE1394a的“端口禁用/使能”（portdisable/enable）特性[3]，NASA/JPL进一步提出，在图1（a）所示具有n个枝节点的CSTS结构中，如果在任意两个满足1=??ji关系的叶节点i和j之间、以及（1，n）和（n+1，2n）这两对节点之间添加

8、备用连接，可得到如图3所示的拓扑结构（这里取n=6）。因为添加的备用连接（用虚线表示）在通讯系统正常工作时处于休眠状态，所以，网络在逻辑上保持无环路状态，满足IEEE1394协议的无环路组网要求。图3所示的拓扑结构称为“环形完全栈树”，记为CSTR。图3环形完全栈树CSTRFig.3ARobustCSTwithRingBackupLinks-CSTR//.paper.ed