吳建魯，楊福彪，劉 煜，朱 勇

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司江蘇自動(dòng)化研究所，江蘇 連云港 222006）

艦載武器系統(tǒng)作為戰(zhàn)斗艦艇的重要組成部分，多數(shù)為實(shí)時(shí)系統(tǒng)，對(duì)完成各子系統(tǒng)之間互連通訊的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提出了嚴(yán)格的要求，主要包括：網(wǎng)絡(luò)延遲確定、傳輸能力可靠、容錯(cuò)能力強(qiáng)等。最初艦載武器系統(tǒng)中采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路通信，由于其明顯的局限性被隨后產(chǎn)生的數(shù)據(jù)總線所取代。1978年美國(guó)制定第一個(gè)軍用總線標(biāo)準(zhǔn)——MIL-STD-1553B，在早期節(jié)點(diǎn)數(shù)較少、節(jié)點(diǎn)間分布距離較短的艦載環(huán)境中，對(duì)于一般的數(shù)據(jù)傳輸要求，提供了最佳的選擇[1]。隨著武器裝備節(jié)點(diǎn)規(guī)模的擴(kuò)大、通信信息量的增加以及傳輸信息種類的增多，局部網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用到艦載武器系統(tǒng)中。以太網(wǎng)以其互連性好、升級(jí)容易、組網(wǎng)簡(jiǎn)單、技術(shù)支撐廣泛、技術(shù)發(fā)展快等諸多優(yōu)點(diǎn)，成為局部網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的主流。但是以太網(wǎng)應(yīng)用到實(shí)時(shí)環(huán)境中存在實(shí)時(shí)性差和傳輸延遲不確定的缺陷。隨著技術(shù)的進(jìn)步，快速以太網(wǎng)和交換式以太網(wǎng)的發(fā)展給解決以太網(wǎng)的不確定性問(wèn)題帶來(lái)了契機(jī)，全雙工交換式以太網(wǎng)的誕生意味著以太網(wǎng)有條件成為確定性的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[2]。由航空標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)——ARINC制定的 AFDX（Avionics Full Duplex Switched Ethernet）網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，采用交換式以太網(wǎng)的全雙工模式，在IEEE 802.3以太網(wǎng)物理層技術(shù)的基礎(chǔ)上增加了確定傳輸、高可靠和高數(shù)據(jù)完整性機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)的ARINC 429傳輸。

在提高通信帶寬的同時(shí)，AFDX以交換式網(wǎng)絡(luò)取代了ARINC 429的分立式電纜連接，克服了后者布線復(fù)雜，維護(hù)、改型困難的缺點(diǎn)，提供了一種滿足強(qiáng)實(shí)時(shí)領(lǐng)域延遲確定、傳輸可靠、容錯(cuò)能力強(qiáng)的高效網(wǎng)絡(luò)方案，在空客A380、波音B787等民用客機(jī)和A400M大型軍用運(yùn)輸機(jī)中得到了成功的應(yīng)用。

1 以太網(wǎng)技術(shù)

以太網(wǎng)最早是由美國(guó)Xerox公司于1976年研制的一種試驗(yàn)性局域網(wǎng)，是目前使用最廣泛的局域網(wǎng)技術(shù)[3]。經(jīng)過(guò)加固和冗余設(shè)計(jì)，近年來(lái)被普遍應(yīng)用于艦載武器系統(tǒng)，如美軍“尼米茲號(hào)”航母，丹麥海軍的“弗萊維費(fèi)斯”級(jí)多任務(wù)艦艇，法國(guó)“ 魚(yú)”級(jí)潛艇及法國(guó)F-124型護(hù)衛(wèi)艦等[4]。

1.1 共享式以太網(wǎng)

共享模式下，以太網(wǎng)采用CSMA/CD介質(zhì)訪問(wèn)控制方式，是一種隨機(jī)爭(zhēng)用共享帶寬的技術(shù)，對(duì)傳輸間歇突發(fā)性長(zhǎng)報(bào)文有著很高的效率。在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)規(guī)模不大、通信數(shù)據(jù)量低、負(fù)載輕的情況下有著無(wú)可否認(rèn)的優(yōu)越性。但是隨著節(jié)點(diǎn)規(guī)模擴(kuò)大、通信數(shù)據(jù)量加重，以太網(wǎng)的效率明顯下降。CSMA/CD機(jī)制決定了以太網(wǎng)潛在的不確定性，且隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，不確定性越來(lái)越明顯。以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性差和延遲不確定問(wèn)題限制了其在強(qiáng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）節(jié)點(diǎn)間傳輸延遲抖動(dòng)大 在以太網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)帶寬為系統(tǒng)中所有的節(jié)點(diǎn)共享，節(jié)點(diǎn)間隨機(jī)爭(zhēng)用傳輸介質(zhì)就會(huì)產(chǎn)生碰撞。發(fā)生碰撞（最多16次）后通過(guò)二進(jìn)制指數(shù)退避算法來(lái)處理等待時(shí)間，該等待時(shí)間是0到1個(gè)上限時(shí)間之間的隨機(jī)數(shù)，即使相同次數(shù)的碰撞，等待時(shí)間也可能不同，節(jié)點(diǎn)間的傳輸延遲在有碰撞發(fā)生時(shí)是不確定的。

2）有效帶寬利用率低 有資料表明，以太網(wǎng)實(shí)際帶寬利用率不超過(guò)40%，且隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加、網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的加重，因碰撞引起的報(bào)文丟失現(xiàn)象也隨著增多。

3）實(shí)時(shí)性差 以太網(wǎng)采用的CSMA/CD介質(zhì)訪問(wèn)方式不能保證網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，在任何網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的情況下都能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)得到數(shù)據(jù)發(fā)送機(jī)會(huì)，存在由于碰撞導(dǎo)致的不可預(yù)知的發(fā)送時(shí)延，實(shí)時(shí)性得不到保證。

為了克服以太網(wǎng)傳輸延遲不確定的缺陷，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者提出了各種改進(jìn)方法，主要分為硬實(shí)時(shí)方法和軟實(shí)時(shí)方法兩種。硬實(shí)時(shí)方法通過(guò)設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)挠布娐罚ㄟ^(guò)限制節(jié)點(diǎn)訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間和速率來(lái)減少碰撞和排隊(duì)延遲以滿足實(shí)時(shí)應(yīng)用；軟實(shí)時(shí)方法通過(guò)軟件調(diào)度策略對(duì)CSMA/CD機(jī)制和二進(jìn)制指數(shù)退避算法進(jìn)行改進(jìn)以滿足實(shí)時(shí)應(yīng)用。不管是硬實(shí)時(shí)方法還是軟實(shí)時(shí)方法，都沒(méi)能從根本上解決以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性問(wèn)題。

1.2 交換式以太網(wǎng)

隨著技術(shù)的進(jìn)步，交換式以太網(wǎng)的出現(xiàn)給解決以太網(wǎng)傳輸延遲不確定問(wèn)題帶來(lái)新的契機(jī)。交換機(jī)將以太網(wǎng)劃分為若干個(gè)微網(wǎng)段，每個(gè)微網(wǎng)段即為一個(gè)子沖突域，各個(gè)子沖突域通過(guò)交換機(jī)進(jìn)行隔離。網(wǎng)段的微化增加了每個(gè)網(wǎng)段的吞吐量和帶寬，一定程度上改善了以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性。盡管交換機(jī)隔離了微網(wǎng)段間的沖突，但在每個(gè)微網(wǎng)段內(nèi)仍存在沖突問(wèn)題。

全雙工通信機(jī)制的出現(xiàn)意味著以太網(wǎng)有條件成為確定性的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它支持鏈路同時(shí)收發(fā)，極大地提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。盡管全雙工模式消除了不能同時(shí)收發(fā)的沖突，但是交換機(jī)多采用基于輸出緩沖的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，當(dāng)多個(gè)輸入端口向同一個(gè)輸出端口發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，輸出排隊(duì)延遲將決定全雙工交換式以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性能。輸出排隊(duì)延遲受到交換機(jī)輸出端口聚合流量特性的影響，在一個(gè)異步的網(wǎng)絡(luò)中，端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包到達(dá)是隨機(jī)的，盡管平均帶寬是已知的，但瞬時(shí)帶寬可能是無(wú)限的，從而導(dǎo)致了時(shí)延的不可控。目前，還沒(méi)有一種有效的方法從端節(jié)點(diǎn)限制數(shù)據(jù)包的到達(dá)規(guī)律，從而限制鏈路突發(fā)，控制聚合流量條件下的排隊(duì)延遲。

2 AFDX網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

AFDX隨著20世紀(jì)90年代空客A380項(xiàng)目的研制而發(fā)展，全雙工交換式以太網(wǎng)技術(shù)在 A380航空電子系統(tǒng)上的成功應(yīng)用導(dǎo)致了AFDX網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的誕生，2005年6月AFDX被航空標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)——ARINC定義為一項(xiàng)確定性網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。

AFDX網(wǎng)絡(luò)主要由應(yīng)用子系統(tǒng)、端系統(tǒng)（End System）和AFDX交換機(jī)（Switch）三部分組成。應(yīng)用子系統(tǒng)通過(guò)端系統(tǒng)以全雙工方式連接到AFDX交換機(jī)，通過(guò)交換機(jī)完成數(shù)據(jù)的交換，如圖1所示[5-7]。端系統(tǒng)保證應(yīng)用子系統(tǒng)間安全可靠的數(shù)據(jù)交換，并向應(yīng)用子系統(tǒng)提供應(yīng)用編程接口，保證各設(shè)備之間通過(guò)簡(jiǎn)單的消息端口實(shí)現(xiàn)通訊。AFDX交換機(jī)采用靜態(tài)虛鏈路表的方式進(jìn)行目的端口的尋址，以控制尋址時(shí)間，保證網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)確定性能。

圖1 AFDX網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成

AFDX網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)確定性能主要由端系統(tǒng)保證，包括以下幾個(gè)關(guān)鍵概念：

1）流量整形 在端系統(tǒng)的輸出端，有帶寬分配間隔（BAG）和抖動(dòng)（Jitter）兩個(gè)參數(shù)決定特定虛鏈路（Virtual Link,VL）上的幀流特性。如果一個(gè)數(shù)據(jù)幀從調(diào)度器出來(lái)沒(méi)有抖動(dòng)，BAG表示同一虛鏈路上兩個(gè)連續(xù)數(shù)據(jù)幀之間的最小時(shí)間間隔。端系統(tǒng)在每個(gè) VL的基礎(chǔ)上調(diào)整要發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，保證同一虛鏈路上一個(gè)BAG時(shí)間間隔內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包不超過(guò)一個(gè)，如圖2所示。

圖2 流量整形

2）實(shí)時(shí)調(diào)度 當(dāng)端系統(tǒng)擁有多個(gè)虛鏈路時(shí)，調(diào)度器按照一定實(shí)時(shí)調(diào)度策略對(duì)來(lái)自不同虛鏈路的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行調(diào)度，保證數(shù)據(jù)幀的發(fā)送滿足不同數(shù)據(jù)流的實(shí)時(shí)性要求，如圖3所示。在調(diào)度器的輸出端，特定虛鏈路上數(shù)據(jù)幀要出現(xiàn)在有限的時(shí)間間隔內(nèi)，這個(gè)時(shí)間間隔定義為最大可以允許的抖動(dòng)（Max_Jitter）。ARINC 664限制每條虛鏈路上最大的抖動(dòng)為500us，以控制對(duì)于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)確定性的影響。

3）冗余管理 冗余管理在每條虛鏈路的基礎(chǔ)上進(jìn)行操作，發(fā)送和接收端系統(tǒng)按下面的方式進(jìn)行特定虛鏈路上的通信：冗余配置下，每個(gè)數(shù)據(jù)幀在數(shù)據(jù)字段的之后添加一個(gè)1字節(jié)的順序號(hào)（Sequence Number）字段并通過(guò)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送，接收端通過(guò)對(duì)順序號(hào)完整性檢查，根據(jù)“接收最先收到且有效”（First Valid Wins）的原則重建一個(gè)沒(méi)有副本的單一序列流，如圖4所示。

圖3 實(shí)時(shí)調(diào)度

圖4 冗余管理

3 AFDX在艦載武器系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

3.1 實(shí)時(shí)性

艦載武器系統(tǒng)絕大多數(shù)為實(shí)時(shí)系統(tǒng)，以太網(wǎng)延時(shí)時(shí)間不確定性對(duì)于實(shí)時(shí)系統(tǒng)的影響是客觀存在的，尤其對(duì)是強(qiáng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)問(wèn)題更為突出。文獻(xiàn)[3]從以太網(wǎng)的技術(shù)特點(diǎn)出發(fā)，給出了直接法、同步應(yīng)答、外時(shí)統(tǒng)和軟令牌等幾種方法解決其時(shí)間不確定問(wèn)題，并對(duì)每種方法的應(yīng)用環(huán)境及其局限性進(jìn)行了分析。直接法僅適用于節(jié)點(diǎn)數(shù)少、通信流量不大的系統(tǒng)；同步通信方式解決了具有應(yīng)答式邏輯關(guān)系的實(shí)時(shí)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信碰撞問(wèn)題，只能用于具有主從關(guān)系的武器系統(tǒng)；外時(shí)統(tǒng)適用于對(duì)時(shí)序有嚴(yán)格要求的武器系統(tǒng)，但時(shí)統(tǒng)裝置會(huì)成為整個(gè)系統(tǒng)可靠性的瓶頸；軟令牌通過(guò)受控的辦法使通信有序的進(jìn)行，但它犧牲了網(wǎng)絡(luò)帶寬，不適合網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷很重的系統(tǒng)。

AFDX網(wǎng)絡(luò)引入虛鏈路實(shí)現(xiàn)了帶寬資源的有效分配和隔離。虛鏈路定義了從一個(gè)唯一數(shù)據(jù)源端到一個(gè)或多個(gè)目的端邏輯上的單向連接，物理上多路虛鏈路共用一條以太網(wǎng)鏈路。通過(guò)虛鏈路為每一個(gè)連接提供有保證的帶寬，解決了以太網(wǎng)帶寬利用率低的問(wèn)題，有資料表明 AFDX的有效帶寬利用率超過(guò) 70%。AFDX通過(guò)精確地流量整形控制單個(gè)虛鏈路上分組的發(fā)送間隔，限制了虛鏈路的突發(fā)度，控制了聚合流量最壞條件下的排隊(duì)延遲界限[8-9]，使得幀的傳輸服從一個(gè)有界的到達(dá)分布，進(jìn)而保證網(wǎng)絡(luò)端到端的最大傳輸時(shí)延是可計(jì)算的。當(dāng)發(fā)送端系統(tǒng)存在多條虛鏈路時(shí)，通過(guò)調(diào)度器對(duì)來(lái)自整形器的多個(gè)虛鏈路的數(shù)據(jù)流進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)度，以滿足不同的實(shí)時(shí)性要求，解決了以太網(wǎng)延遲不確定問(wèn)題，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。

3.2 網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)

采用網(wǎng)絡(luò)互連的武器系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)通信工作的正常與否將直接影響到武器系統(tǒng)工作的正確性和可靠性。為了提高艦載武器系統(tǒng)的可靠性，常采用冗余設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)，基本方法是對(duì)網(wǎng)絡(luò)部件進(jìn)行冗余備份，設(shè)計(jì)雙冗余以太網(wǎng)，通過(guò)軟件自動(dòng)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)故障，在故障出現(xiàn)后自動(dòng)切換到備用的網(wǎng)絡(luò)部件上，保持網(wǎng)絡(luò)通信的繼續(xù)進(jìn)行。這種方案在出現(xiàn)故障的情況下切換時(shí)間較長(zhǎng)，在故障恢復(fù)時(shí)間上尚需進(jìn)一步的改善。

AFDX通過(guò)冗余路徑來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性，每一個(gè)端系統(tǒng)與交換機(jī)之間有一條直接的雙向連接，同時(shí)還與另一個(gè)交換機(jī)之間保持第二條雙向連接[10-11]。在冗余配置下，每個(gè)端系統(tǒng)將要發(fā)送的幀編號(hào)復(fù)制成兩份，分別通過(guò)物理上獨(dú)立的交換設(shè)備向目的端發(fā)送。端系統(tǒng)具有冗余管理功能，目的端根據(jù)順序號(hào)按順序接收，如果兩個(gè)都傳輸正常，則后者到被丟棄；如果其中一個(gè)傳輸出現(xiàn)了故障，用另一個(gè)替代。這樣一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的癱瘓不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信，從而減少了數(shù)據(jù)的丟失。

3.3 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

艦載武器系統(tǒng)通常規(guī)模不大，互連設(shè)備數(shù)較少。根據(jù)武器系統(tǒng)的控制方式和規(guī)模，通常采用共享式和交換式兩種體系[3]：采用共享式體系的武器系統(tǒng)通常以火控設(shè)備為核心，而跟蹤器和武器僅與火控設(shè)備有聯(lián)系，跟蹤器與武器兩兩之間不存在通信關(guān)系；采用交換式網(wǎng)絡(luò)體系的武器系統(tǒng)雖以火控設(shè)備為核心，但跟蹤器和武器兩兩之間也存在通信關(guān)系。

AFDX網(wǎng)絡(luò)可以在一定程度上改善交換式體系下武器系統(tǒng)的性能。AFDX的端系統(tǒng)可以支持多個(gè)應(yīng)用子系統(tǒng)，將火控設(shè)備、跟蹤器子系統(tǒng)和武器子系統(tǒng)分別放在終端系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，可以有效地減少網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)規(guī)模，通過(guò)虛鏈路為每個(gè)應(yīng)用子系統(tǒng)分配帶寬，可以有效地提高網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率。采用虛鏈路實(shí)現(xiàn)火控設(shè)備和跟蹤器子系統(tǒng)、武器子系統(tǒng)之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)邏輯上的連接，火控設(shè)備傳送的信息按照虛鏈路定義的路徑傳送到一個(gè)或多個(gè)目的設(shè)備，可以有效地減輕系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。

AFDX交換機(jī)的路徑尋址策略與商業(yè)交換機(jī)的“學(xué)習(xí)和自老化”不同，它采用固定的虛鏈路表形式進(jìn)行目的端口的尋址，以控制尋址的時(shí)間，有效地控制了交換機(jī)節(jié)點(diǎn)的時(shí)延，進(jìn)而保證了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的確定性。

采用AFDX構(gòu)建武器系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D5所示，可以充分利用AFDX的全雙工交換消除沖突，通過(guò)虛鏈路進(jìn)行帶寬的有效隔離和分配，提高通信效率；通過(guò)靜態(tài)配置確保系統(tǒng)通信延時(shí)的確定；通過(guò)硬件上的冗余路徑和基于虛鏈路的數(shù)據(jù)冗余管理增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性。

圖5 艦載武器系統(tǒng)AFDX網(wǎng)絡(luò)互連

4 結(jié)束語(yǔ)

以太網(wǎng)以其互連性好、升級(jí)容易、組網(wǎng)簡(jiǎn)單、技術(shù)支撐廣泛、技術(shù)發(fā)展快等優(yōu)點(diǎn)成為局部網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的主流，但是以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性差和延遲時(shí)間不確定問(wèn)題一定程度上限制了其在艦載武器系統(tǒng)中的應(yīng)用。AFDX基于IEEE 802.3以太網(wǎng)的物理層技術(shù)，通過(guò)精確地流量整形控制和實(shí)時(shí)調(diào)度策略有效的解決了以太網(wǎng)的延遲時(shí)間不確定問(wèn)題，引入虛鏈路概念實(shí)現(xiàn)對(duì)帶寬資源的有效分配和隔離，提高了網(wǎng)絡(luò)的帶寬利用率，物理上的冗余路徑和基于虛鏈路的數(shù)據(jù)冗余管理提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性，可以為艦載武器系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)性能提高提供參考。

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