基于EoRPR技術的潛艇信息系統高生存性組網研究

司廣宇，楊大偉

(江蘇自動化研究所，江蘇 連云港 222006)

0 引言

隨著技術的發展，網絡的帶寬越來越高，信息傳輸量也越來越大，不僅是商業網絡，潛艇信息網絡也在發生著相同的變化。但是，由于潛艇的特殊戰斗使命，決定了其在追求網絡帶寬的同時，對網絡可靠性和安全性的要求比商業網絡更高。在執行作戰任務時，如果網絡發生故障，必須能夠保證在不丟失報文的情況下，實現短時間內故障自愈。

以太網技術的靈活性、低成本、易用性以及對傳送分組數據時帶寬的有效利用，再加上它優良的可擴充升級性和簡便的業務配置能力都非常具有吸引力。但是，對于以太網來說，網絡級別的可靠性主要采用RSTP技術，該算法的特性決定了網絡的收斂時間最低不少于15 s，難以滿足潛艇信息系統對網絡可靠性的要求;另外在可管理性方面，這種方式缺乏故障發現和定位手段。

基于彈性分組數據環的以太網(EoRPR)技術集IP的智能化、以太網的經濟性和光纖環網的高帶寬效率、可靠性于一體，充分考慮了可靠性和可管理性等因素，使IP網絡可以達到電信級的要求，為潛艇信息系統提供了一個良好的組網方案。

1 RPR和EoRPR技術簡介

1.1 RPR 技術

RPR(彈性分組環)是一種MAC層訪問控制協議，是集SDH的快速自愈能力和以太網的經濟、高效性于一身的新型網絡技術。

RPR為互逆雙環拓撲結構，環上的每段光路工作在同一速率上，RPR的雙環都能夠傳送數據，兩個環被分別稱為0環(Ringlet 0)和1環(Ringlet 1)。

RPR 0環的數據傳送方向為順時針方向，1環的數據傳送方向為逆時針方向，如圖1所示［1］。

圖1 RPR網絡原理示意圖Fig.1 Working principle of RPR

1.2 EoRPR 技術

所謂的EoRPR技術，指的是支持物理層為千兆以太網的RPR環網應用。工作在橋模式下的RPR交換機具有MAC地址的學習能力，當RPR接收端接收到用戶的信息幀后，自動記錄源MAC地址、VLAN信息、源RPR節點信息。當RPR節點需要發送數據時，就會根據MAC地址表查詢到RPR節點的信息，并根據目的RPR節點進行數據的封裝和選環發送。

2 潛艇信息網絡基于EoRPR技術組網應用

2.1 功能劃分

根據潛艇信息系統各功能子系統的使用特點，可劃分為指控系統、聲納系統、導航系統、武器系統、通信系統、平臺系統等功能子系統，如圖2所示。

圖2 潛艇信息系統功能劃分Fig.2 Function partition of submarine information system

指控系統作為潛艇實施作戰指揮控制的核心，擔負著情報綜合處理、戰術指揮決策、武器綜合控制等重要職責;聲納系統和導航系統作為作戰系統的信息來源，向全系統提供本艇、環境、目標等各類信息;武器系統則主要承擔魚雷、導彈、聲抗器材等各類艇載武器的發射管狀態檢查、射前準備、射中狀態監控以及射后恢復［2］;通信系統主要承擔外部長短波信息的管理、接收、發送以及內部通信信息的控制功能;平臺系統主要承擔全艇操控、艙室監視、液壓控制、消防監控等的管理功能。

2.2 基于EoRPR技術的潛艇信息網絡高可靠性組網方案

2.2.1 網絡拓撲結構根據潛艇信息網絡的功能體系結構特點，綜合考慮系統功能分布、通信安全性、可靠性、網絡容量和可擴充性等因素，將潛艇信息網絡物理結構劃分為:1)指揮決策層(子網VLAN 1);2)傳感器層(子網VLAN 2);3)武器控制層(子網VLAN 3);4)通信層(子網VLAN 4);5)平臺管理層(子網VLAN 5)。潛艇信息網絡拓撲結構如圖3所示。

圖3 信息系統組網示意圖Fig.3 Networking of the information system

圖3中，設備 E1、E2、E3、E4、E5 分屬各自的 5 個子網 VLAN 1、VLAN 2、VLAN 3、VLAN 4、VLAN 5。在Ethernet端，E1通過設備內部的雙冗余以太網卡分別連接交換機 S1和 S1’，E2、E3、E4、E5則同理分別連接交換機 S2和 S2’、S3 和 S3’、S4 和 S4’、S5 和 S5’，構成子網內的以太網鏈路;在RPR端，5個子網通過交換機 S1’、S2’、S3’、S4’和 S5’兩兩相切，外環則通過交換機S1、S2、S3、S4和 S5相連，以 RPR環路的基本原理為基礎，外環和5個子環構成了相對復雜的光纖主干環路網絡。以上Ethernet和RPR兩部分，就構成了基于EoRPR技術的潛艇信息系統網絡。

2.2.2 工作流程

基于EoRPR技術的信息系統網絡在工作時，將在RPR節點端生成兩份MAC地址列表:一份是以太網MAC地址表，用來記錄設備信息流出的以太網端口號，該節點在作為目的RPR節點時，同時記錄發送設備回程信息的RPR上環端口，從而完成以太網端的數據傳輸;另一份是RPR環網MAC地址表，用來記錄設備所屬節點與目的節點之間的路徑，從而完成信息的上環和下環操作。

如圖3所示，當設備E1向設備E3傳輸信息時，其首個以太網數據報文從S1上環，在S1的以太網MAC地址表中查詢到設備E1的源MAC地址，同時記錄設備E1在S1節點的以太網出端口。設備E1發出的信息在EoRPR外環上通過S2傳送到目的地S3時，在S3 EoRPR端的MAC地址表中查詢到設備E3的相關信息，即從S3到S1的路徑，然后信息幀被剝離RPR報頭后從S3節點下環，并通過S3節點的以太網端口傳輸至設備E3。同時，從S3節點的以太網MAC地址表中查詢到向設備E1發送回程報文的上環端口信息，回程信息根據同樣的信息傳輸方式完成信息回復，節點S1和S3的兩份MAC地址表最終學習完成。MAC地址表項內容見表1。

表1 信息傳輸MAC地址表示例Table 1 MAC addresses for information transmission

3 設計方法

3.1 流量分層控制

潛艇信息系統劃分為指控系統、聲納系統、導航系統、武器系統、通信系統及平臺系統6個功能子系統，各分系統內部會產生大量的內部信息，如果將這些信息全部發送至全局網絡，必然會對主干網的帶寬造成巨大壓力。因此，以分系統相對明確的功能劃分為基礎配置相應的子網，同一子網內的內部信息直接通過交換機底板的交換模塊進行Ethernet內交互，對于需要跨子網的交互信息則通過RPR環網進行轉發，減輕了主干網的流量負載，避免了主干網的廣播風暴和信息擁塞，保證網絡工作穩定。

3.2 容錯性設計

潛艇信息系統對網絡的高可靠性要求，可通過提高設備本身的可靠性水平和對網絡進行冗余設計來滿足。本網絡進行了兩級容錯性設計，如圖3所示。

1)一級:鏈路級。

當環網的光纖電纜出現故障時，EoRPR技術支持Wrap(迂回)和Steering(抄近)兩種故障自愈方式，具備50 ms的故障自愈能力，實現最佳的故障保護和帶寬充分利用效果。

2)二級:電路級。

①在設備內部配備雙冗余以太網卡，當主端口出現故障時，備用端口可在50 ms內完成自動切換，保證信息的正常傳輸。

②由于環網內的各個子網是通過交換機實現相切連接的，發送節點至接收節點直接的信息傳輸鏈路并非是唯一的，當任一交換機出現故障時，網絡可通過路徑算法重新計算另一條最佳路徑，實現信息的無間隙傳輸。

3.3 擴展性設計

基于EoRPR技術的潛艇信息系統組網方案，因為過環業務透明傳送，以太網幀對過環節點透明，無需在過環節點上配置任何和用戶相關的信息，如VLAN信息，在環上插入新節點，無需添加任何與已有業務相關的配置，可以做到即插即用，新增節點對已有業務的沖擊小。以上文中的網絡為例，如需新增一個子網，只需對網絡的拓撲形狀進行簡單的修改即可。如圖4所示。

圖4 擴展性設計Fig.4 Expansibility design

4 EoRPR與交換式以太網的性能對比

EoRPR與交互式以太網的性能對比見表2。從表2的比較來看，EoRPR技術在網絡帶寬、傳輸體制等方面較交換式以太網均有一定程度的優勢，尤其在保護倒換時間和自愈恢復方式方面，其采用steering或wrapping環保護倒換機制，在50 ms內可實現保護倒換，較交換式以太網有了大幅度的提升。

表2 EoRPR與交互式以太網的性能對比表Table 2 Performance of EoRPR and interactive Ethernet

5 結束語

潛艇信息系統是潛艇內、外信息交互的平臺和樞紐，承擔了全艇信息傳輸的重要使命，信息種類主要包括各類戰術信息、命令信息、視頻圖像信息以及語音信息等，傳輸方式主要分為廣播、組播和單播。由于潛艇的戰術使命特點，決定了其對網絡容錯性和實時性的高要求，為保證系統能夠正常完成作戰任務，網絡必須在作戰時能夠正常運轉，一旦出現故障，也必須能夠在較短時間內完成故障自愈且不能丟失任何報文。本文所提出的組網方案，著重在可靠性和實時性方面進行了一些研究，EoRPR技術作為一種改進的以太網解決方案，應用于潛艇信息系統，可較好地滿足潛艇的使用需求，具備一定的工程實用價值。

［1］華為技術有限公司.RPR技術白皮書［R］.深圳:華為技術有限公司，2007.

［2］趙祖銘.潛艇指控系統技術和發展分析［J］.指揮控制與仿真，2007(2):1-8.

［3］歐陽芹峰，敖發良.高生存性RPR網絡數據傳輸實現［J］.光通信技術，2006(5):13-15.

［4］昌俊，敖發良.基于一種高生存性RPR網絡的路由研究［J］.光學與光電技術，2008(2):36-39.

［5］高志英，張治中.RPR網絡中公平性算法的研究［J］.光通信技術，2007(6):25-28.