谷曉燕，代 真，何 鋒

（1.北京信息科技大學 信息管理學院，北京100192；2.北京航空航天大學 電子信息工程學院，北京100191）

0 引 言

航空電子全雙工交換式以太網(wǎng) （avionics full duplex switched Ethernet，AFDX）是由 ARING664part7規(guī)范［1］定義的確定性高性能航空電子互連網(wǎng)絡。AFDX通過虛擬鏈路 （virtual link，VL）進行數(shù)據(jù)流傳輸，數(shù)據(jù)流到達交換節(jié)點后，交換機對VL進行信用量令牌桶流量管制，再經(jīng)多路復用排隊，向下一級交換節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)。信用量的設置值大小將影響到VL的轉(zhuǎn)發(fā)服務，以及網(wǎng)絡通信的完整性。

VL承載的流量在交換節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)過程中由于受到共用網(wǎng)段流量的影響，將產(chǎn)生時延抖動 （jitter）現(xiàn)象，導致VL數(shù)據(jù)流的傳輸端到端延時的不確定性增加。為減少這種不確定性，AFDX為每個VL設定了一個信用量，在信用量不足時，拒絕接收違規(guī)的數(shù)據(jù)幀，使網(wǎng)絡正常工作。而信用量的設置受到時延抖動最大值J［2］max的影響，對VL信用量進行設置時，需要充分考慮VL的時延抖動。

在討論時延抖動對網(wǎng)絡信用量設置的影響時，可以通過分析的方法對比不同信用量模型［3］，也可利用時間自動機進行建模仿真［4］，或采用信用量消耗邊界探測機制實現(xiàn)流量管制功能測試［5］。主要工作集中于對信用量模型在進行流量管制時的功能驗證，缺乏對信用量設置值合理性的評估，以及對通信完整性影響的評價。本文通過分析帶寬分配間隔 （bandwidth allocation gap，BAG）時間段內(nèi)等效擁有的數(shù)據(jù)幀個數(shù)，給出了時延抖動的流量帶寬約束條件，為VL信用量的設置提供參考。

1 AFDX網(wǎng)絡時延抖動分析

1.1 網(wǎng)絡演算計算延遲界限

AFDX網(wǎng)絡通信任務從源ES到目的ES路由過程中，由多路復用排隊引起的可變延遲是分析網(wǎng)絡延遲界限的關鍵［6，7］。對于具有Smax（最大幀長）和BAG約束 （TG）的VL，可以用 （σ，ρ）模型描述流量特征，其中σ為突發(fā)度，ρ為可持續(xù)的平均流量，存在

則從源端看，VL的 （σ，ρ）形式流量約束為

考慮流量輸出排隊的最基本情況：2條輸入VLi，i＝1，2，分別滿足 （σ，ρ）形式的流量約束，設輸入物理鏈路的帶寬為Ci，i＝1，2；輸出物理鏈路的帶寬為常量C；如果采用FIFO的排隊服務規(guī)則，根據(jù)Cruz R.L.確定性延遲界限［8］的計算方法，屬于VL1的數(shù)據(jù)包的延遲界限為

如果忽略數(shù)據(jù)包的長度Smax，i，并將αi（t）＝σi＋ρit帶入，則可以在u＝0取得最大值，即

以此類推，則多條VL多路復用排隊的延遲界限為：（i＝1，…，n）

如果第i級節(jié)點的輸入流量約束函數(shù)為αi（t）＝σi＋ρt，該節(jié)點的延遲界限為Di，則該流量進入下一級 （第i＋1級）節(jié)點的輸入流量約束為：αi＋1（t）＝αi（t＋Di）＝σi＋1＋ρt其中：σi＋1＝σi＋ρt。

可以將各級的延遲界限累加，得到總延遲界限D(zhuǎn)total；或者由最后一級的突發(fā)度σfinal給出等效公式

考慮AFDX網(wǎng)絡的具體配置，當多條流量包含多個共享網(wǎng)段時，存在 “一次性突發(fā)”原則 （pay burst only once）：多條個體流量經(jīng)過多路復用排隊形成聚合流量時被串行化，其順序在后續(xù)的FIFO排隊中不發(fā)生變化；因此個體流量的突發(fā)度僅在進入 （最先一級）多路復用節(jié)點時發(fā)生累計，其后續(xù)連續(xù)經(jīng)過交換節(jié)點時突發(fā)度保持不變。依據(jù)于一次性突發(fā)原則，可以得到更緊的延遲界限分析［9，10］。

1.2 時延抖動計算

利用流量的連續(xù)模型，我們可以對VL承載的數(shù)據(jù)包所流經(jīng)路徑上的抖動擴散現(xiàn)象進行描述。這種抖動一方面來源于本級端口流量聚合輸出時不同流量競爭的結(jié)果，同時也會受到上一級交換端口流量競爭輸出時的抖動擴散。依據(jù)于本級端口競爭輸出的VL流量的最大延遲DFIFO，減去該VL在沒有競爭環(huán)境下的輸出時間的差值，即為該VL在本級交換端口上的最大時延抖動

考慮經(jīng)過同一上級交換機競爭輸出的多個VL，當它們在本級交換機的路由行為一致時，其輸出排隊序列在上一級交換機的競爭輸出時已經(jīng)決定了，因此在本級流量競爭輸出時，這多個VL的相對排序與上一級的輸出類似，因此對于這組VL集合，其輸入的突發(fā)度在本級并沒有因為延遲擴散而增加。當VL大量表現(xiàn)為這種特性時，結(jié)合“一次性突發(fā)原則”，我們可以通過這種分組 （group）方法縮小時延抖動的計算邊界。

在具體設計時延抖動算法時，需要通過迭代的方式才能獲得各個VL準確的突發(fā)度。對于本級交換端口流量突發(fā)度的計算，需要索引上一級流量輸出情況的 “快照”，對其中來自相同上一級端口VL進行重新組合，將其突發(fā)度的增大因素視為一個組序列集體表現(xiàn)出來的外部時間特征，而不是單個VL流量的行為，并參與本級的流量競爭輸出計算，從而獲取結(jié)果更緊的交換機端口競爭輸出延遲抖動結(jié)果。

2 信用量設置值評估

利用時延抖動計算算法，可以求出VL所有路徑上的時延抖動情況，對此我們可以精確的控制VL所經(jīng)過的每一個交換節(jié)點的流量管制功能。

對于VL路徑上游節(jié)點中時延抖動較小的交換節(jié)點，過大的信用量設置不利于預防故障幀。如果要根據(jù)每條VL經(jīng)過交換機的不同而設置多條Jitter參數(shù)，則交換機配置文件內(nèi)容與通信任務的設計緊密相關。由于給定型號的AFDX網(wǎng)絡中每臺交換機的配置必須是一致的 （只通過管腳編程現(xiàn)場選定配置項），少量的流量設計修改也會造成配置文件較為復雜的改動。

下面針對信用量具體設定值的情況進行分析。

2.1 信用量設置值分析

由于VL中的數(shù)據(jù)包受到其它聚合VL中數(shù)據(jù)包突發(fā)度的影響，在多路復用時會出現(xiàn)阻塞延遲，造成時延抖動現(xiàn)象，如果信用量設置中不包含時延抖動部分，或時延抖動部分包含得過小，將會造成：

情況一：如果按照ARINC 664part 7的規(guī)定，當賬戶小于到達幀長度時 （對于基于幀的管制，表現(xiàn)為幀的到達已使賬戶的信用量用盡），將幀丟棄，將會造成不必要的數(shù)據(jù)包的丟失；

情況二：即使擴展規(guī)范的定義，當賬戶小于到達幀長度時，并不丟棄幀，而是將幀緩存，直到帳戶被充值后有足夠的信用量再將幀轉(zhuǎn)發(fā)——這類似于重新做信用量令牌桶流量整形，會使某些數(shù)據(jù)包受到來自其它VL的額外的突發(fā)度的影響，從而使時延隨多路復用級數(shù)的增大而顯著加大。

對于情況一，未充分考慮抖動影響的后果是較為明顯的；而對于情況二，重新作流量整形會導致額外的突發(fā)度影響的原因可以如下解釋：考慮兩條 （或多條）多路復用排隊的VL，數(shù)據(jù)包會受到其它VL中突發(fā)數(shù)據(jù)包不可搶占傳輸?shù)挠绊懚舆t，但經(jīng)過MUX后的聚合流量，它們在物理鏈路上是串行傳輸?shù)模?jīng)過下一級MUX時，聚合流量內(nèi)的數(shù)據(jù)包之間不再次發(fā)生爭用，即所謂的 “突發(fā)度一次性原則”；但在信用量令牌桶的 “深度”（即充滿后的信用量值）不足的情況下過濾，相當于再次將聚合的流量拆成具有獨立突發(fā)度的流量，它們在經(jīng)過下一級MUX時，會再次發(fā)生流量突發(fā)造成的延遲累加。

如果信用量設置中時延抖動設置的過大，將會造成：

情況一：如果端系統(tǒng)流量約束功能失效，則端系統(tǒng)故障VL可能會超量發(fā)送故障幀，從而消耗掉其它正常VL的發(fā)送帶寬。當故障幀進入交換節(jié)點，由于過大的抖動設置值，其信用量增長速率與配置的抖動值成正比，造成過多的符合流量管制模型的故障幀進入下一級交換節(jié)點，占用正常通信帶寬，影響后續(xù)的正常通信過程，沒有有效發(fā)揮故障隔離功能；

情況二：考慮端系統(tǒng)功能正常，但在某種 “畸形”的配置下，由于數(shù)據(jù)的擠壓和阻塞，造成深度交換后的某種或者某些VL在交換節(jié)點的輸出過程中違反流量約束機制，也即在同一個BAG時間范圍內(nèi)，出現(xiàn)多個該VL承載的數(shù)據(jù)幀到達，而過大的抖動配置值下，不能有效對這部分流量進行管制，造成相關VL的數(shù)據(jù)幀輸出延遲超過設計需求，進而影響整個網(wǎng)絡的通信實時性。實際上對深度交換的VL抖動值的合理分析和配置也是對設計過程的反饋和修正。

一般對于抖動值設置過小，會影響正常的通信有比較直觀的認識，下面對于過大的抖動值將會影響通信實時性進行理論分析。

對于交換節(jié)點信用量充值模型，以Smax，i／TBAGi的速率進行充值，但最大不超過Smax，i× ［1＋Ji，switch／TBAGi］。

考慮基于幀的流量管制模型，根據(jù)信用量充值規(guī)則，其瞬間的數(shù)據(jù)突發(fā)度在抖動Ji，switch的配合下會發(fā)散。在數(shù)據(jù)幀連續(xù)到達情況下，第一個數(shù)據(jù)幀消耗掉Smax，i的信用量，則第二個數(shù)據(jù)幀需要等一段時間，當信用量被充值足夠時才能被交換節(jié)點正確轉(zhuǎn)發(fā)，等待的時間或者間隔時間為

因此，折合成一個BAG時間段內(nèi)等效擁有的數(shù)據(jù)幀個數(shù)為

當Ji，switch設置的值與TBAGi有可比性時，則數(shù)據(jù)幀的最大到達等效速率將會明顯加倍。比如：當Ji，switch＝TBAGi／2，則Ni＝2；當Ji，switch＝2×TBAGi／3，則 Ni＝3。而在 AFDX網(wǎng)絡配置的過程中，很多時候設計人員沒有從深層次角度考慮抖動設定值的合理性，比如：從方便角度將Ji，switch直接設定成TBAGi／2，或者TBAGi，使得數(shù)據(jù)幀的最大可容忍等效速率從增加一倍至無窮，從而使交換節(jié)點流量管制功能等同虛設。

2.2 時延抖動設置約束

在AFDX網(wǎng)絡的設計過程中，應該全盤考慮時延的抖動分布，在數(shù)據(jù)源的發(fā)送端，AFDX協(xié)議規(guī)定其最大抖動邊界不能超過0.5ms。這是從數(shù)據(jù)源進行流量的整體約束

雖然在交換節(jié)點采用流量管制進行流量的進一步限流，但缺乏進一步的約束說明，把流量抖動的不確定造成系統(tǒng)通信的完整性隱患交給設計者去承擔，實際上在交換節(jié)點我們需要定義一個流量等效帶寬約束

其中第一式為交換節(jié)點端口輸出帶寬 “硬約束”，VL消耗的合同帶寬之和不能超過物理帶寬發(fā)送數(shù)據(jù)能力，第二式為VL最大等效到達數(shù)據(jù) “軟約束”，Ratemax為可允許最大等效超帶寬比例 （Ratemax≥1），反應了當前交換節(jié)點中流量干擾允許的程度。Ratemax越大，從設計角度對通信的不確定容忍越大，反之，對通信的不確定性容忍越小。根據(jù)計算結(jié)果可能出現(xiàn)如下情況：

情況一：當根據(jù)VL配置計算出來的合同帶寬超過交換端口帶寬約束時，我們說該交換端口是 “非完整性安全”的，在當前配置下不能保證數(shù)據(jù)的正確轉(zhuǎn)發(fā)，交換機已經(jīng)處于深度飽和狀態(tài)；

情況二：當根據(jù)VL配置計算出來的合同帶寬沒有超過交換端口帶寬約束，并且根據(jù)鏈路抖動計算出來的第二式如果也能滿足小于C的 “硬約束”時，我們說該交換端口是“完整性安全”的，其端到端延遲的不確定性取決于整體設計，而當前交換節(jié)點不會增加無法預測的抖動隨機性；

情況三：當根據(jù)鏈路抖動計算出來的第一式滿足硬約束，第二式值超過C，但沒有超過C×Ratemax“軟約束”時，我們說該交換端口是 “完整性部分安全”的，其對通信的影響需要進一步的分析方法進行驗證，特別是面對深度交換的情況。當然Ratemax值本身的給定也是一個需要進一步研究的關鍵參考指標；

情況四：當據(jù)鏈路抖動計算出來的第一式滿足硬約束，但第二式值已經(jīng)超過C×Ratemax的 “軟約束”時，我們說該交換端口是 “非完整性部分安全”的，雖然交換節(jié)點還未到達深度飽和狀態(tài)，但是由于級聯(lián)的深入和流量的干擾，其通信完整性必須要經(jīng)過嚴格的驗證才能保證后續(xù)通信的正常。

從上述4種情況來開，利用硬約束和軟約束的符合條件，我們構(gòu)建了4種不同的安全性約束準則，擴展了硬約束在討論通信完整性的不足，并建立不同安全性約束條件與通信完整性的對應關系。

3 實例分析

考慮一個典型的AFDX交換網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)［3］，如圖1所示。其VL的參數(shù)和路徑見表1。

圖1 典型AFDX交換網(wǎng)絡

表1 VL參數(shù)設置

我們采用 “Group”思想求解的VL路徑上延遲抖動的最大值為JGP＝JitterGroupmax，port，其結(jié)果見表2。

表2 時延抖動結(jié)果分析

通過等效帶寬條件分析，可以知道當前配置都能滿足硬約束條件，但在網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)中我們構(gòu)建了深度為4的交換路徑，虛擬鏈路受共享路徑通信流量的干擾，隨著級聯(lián)的深入，其抖動呈現(xiàn)放大狀態(tài)，嚴重影響到了通信的確定性和完整性。當我們討論不同Ratemax下的軟約束時，有：

（1）Ratemax＝2時，滿足約束情況四 （對應于1553B等總線50%的帶寬利用率）；

（2）Ratemax＝4時，滿足約束情況三 （對應于AFDX等事件觸發(fā)網(wǎng)絡25%帶寬利用率）；

可見，當Ratemax＝2時，網(wǎng)絡為 “非完整性部分安全”，當Ratemax＝4時，網(wǎng)絡為 “完整性部分安全”。因此，雖然當前流量配置沒有超過物理傳輸帶寬約束，但整個網(wǎng)絡的完整性有待于進一步考察，部分流量存在著較高的通信不確定性，需對整個網(wǎng)絡作進一步的優(yōu)化，比如減少級聯(lián)深度，減少共享路段其它流量干擾等。誠然，當Ratemax值不同時，滿足的約束條件不同，即網(wǎng)絡的 “完整”性等級還和可允許最大等效超帶寬比有關，在設計AFDX網(wǎng)絡VL流量時，應綜合考慮網(wǎng)絡的流量約束情況。

4 結(jié)束語

本文利用網(wǎng)絡演算計算了AFDX網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸延時，利用 “Group”方法計算了虛擬鏈路VL的時延抖動。通過討論時延抖動對信用量設置的影響，提出了AFDX網(wǎng)絡在設計過程中應該滿足的4種流量約束條件，得到了交換端口的 “完整性”通信準則。

在對VL信用量進行設置時，需考慮VL的時延抖動，其設置值的合理性將嚴重影響到整個網(wǎng)絡交換端口的通信完整型，在對AFDX網(wǎng)絡流量進行設計時，應充分驗證時延抖動的設置值，以便得到具有 “安全”確定性保障性能的設計結(jié)果。

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