反射內存網(wǎng)技術在艦載導航系統(tǒng)中的應用*

徐振國　許　彩

(海軍駐武漢七一九所軍事代表室　武漢　430205)

反射內存網(wǎng)技術在艦載導航系統(tǒng)中的應用*

徐振國許彩

(海軍駐武漢七一九所軍事代表室武漢430205)

摘要艦載導航系統(tǒng)內部通信網(wǎng)絡傳輸信息的速率、實時性能、容錯能力將直接影響艦載武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)性能。針對目前廣泛用于艦載導航系統(tǒng)的以太網(wǎng)技術的不足，引出采用強實時性網(wǎng)絡的必要性，研究了采用反射內存網(wǎng)技術的系統(tǒng)通信平臺的體系結構，并對提高導航系統(tǒng)位置、姿態(tài)等信息傳輸?shù)膶崟r性、可靠性進行了技術探索。

關鍵詞反射內存網(wǎng); 實時性; 艦載導航系統(tǒng)

Class NumberTN959

1引言

艦載導航系統(tǒng)是保障艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)的一個非常重要的系統(tǒng)，它的內部網(wǎng)絡承擔著各設備間數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖姑畔鬏敽吞幚淼捻憫芰χ苯佑绊懥伺炤d武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能。目前，艦載導航系統(tǒng)的網(wǎng)絡大多數(shù)采用雙冗余的以太網(wǎng)，其延時時間的不確定性對導航系統(tǒng)所輸出的信息精度影響是客觀存在的，很多專家學者提供了一些技術解決方案，如同步通信方式、外時統(tǒng)同步法等，雖然在一定程度上緩和了延時，但并沒有根本改變以太網(wǎng)的CSMA/CD機制導致的延時不確定性。導航系統(tǒng)作為信息傳輸實時性要求較高的系統(tǒng)，導航信息在傳輸通道上的延時將等同于降低其精度，傳統(tǒng)以太網(wǎng)已經(jīng)不能很好地滿足需求，因此迫切需要尋求一種更高性能的網(wǎng)絡技術。反射內存網(wǎng)作為一種新興的總線標準，具有高實時性、確定性、支持中斷和傳輸糾錯能力強等諸多特點，被廣泛地應用在工業(yè)領域中?；诖耍疚膶Ψ瓷鋬却婢W(wǎng)技術在導航系統(tǒng)中的應用開展深入研究。

2光纖反射內存網(wǎng)簡介

實時光纖反射內存網(wǎng)(Reflective Memory Network，RMN)是一種基于高速光纖網(wǎng)絡共享存儲技術的實時網(wǎng)絡，寫入數(shù)據(jù)通過“廣播式反射方式”同步鏡像到其他節(jié)點板卡的同一內存區(qū)，一點寫入，多點依次更新。

2.1光纖反射內存網(wǎng)工作原理

反射內存網(wǎng)作為一種特殊類型的共享內存系統(tǒng)，網(wǎng)中每一個節(jié)點都需要有一塊反射內存(Reflective Memory，RFM)，外圍設備通過反射內存構成互聯(lián)的反射內存網(wǎng)絡。反射內存的操作如雙口 RAM，具體工作過程，如圖1所示。

圖1　反射內存網(wǎng)工作過程

由圖1所示可知，當數(shù)據(jù)寫入本地內存，RFM會自動將數(shù)據(jù)傳輸至環(huán)狀網(wǎng)絡的下一個節(jié)點；每個后續(xù)節(jié)點收到網(wǎng)絡數(shù)據(jù)后，更新本地內存數(shù)據(jù)，同時轉發(fā)至環(huán)網(wǎng)的下一個節(jié)點；當信息回到初始節(jié)點時便會被從網(wǎng)絡中移除[1]。

該過程使每個節(jié)點都保存整個共享內存的獨立備份，這樣任何一個站點均享有充分且不受限制的訪問權限，同時還能以極高的內存寫入速度修改本地內存。

2.2反射內存網(wǎng)的特點

反射內存網(wǎng)作為基于網(wǎng)絡的分布式內存硬實時網(wǎng)絡的一種設計思想，其天生即存在以下技術特點[2]:

1) 相比傳統(tǒng)的以太網(wǎng)，反射內存網(wǎng)硬件采用分布式RAM之間數(shù)據(jù)的傳輸、共享，整個過程具有很低的實現(xiàn)延遲；

2) 相比傳統(tǒng)的以太網(wǎng)，反射內存網(wǎng)主要依靠硬件實現(xiàn)，不需要復雜的網(wǎng)絡協(xié)議控制，能夠在相同的傳輸帶寬下達到更高的有效速率，且對CPU 的資源消耗最低；

3) 相比傳統(tǒng)以太網(wǎng)，反射內存網(wǎng)支持中斷機制，具有完善的錯誤管理和防止數(shù)據(jù)丟失的保護措施，從而保證通信過程中數(shù)據(jù)的可靠性。

3基于反射內存網(wǎng)技術艦載導航系統(tǒng)內部通信平臺

反射內存網(wǎng)有兩種網(wǎng)絡拓撲結構構建方式:一種為環(huán)形拓撲結構；一種為星型拓撲結構[3]。環(huán)形拓撲結構是利用光纖將各個計算機節(jié)點連接成一個首尾相接的環(huán)；星型結構則需要采用專門的主機光纖HUB與各計算機節(jié)點進行連接。兩種網(wǎng)絡拓撲結構如圖2、圖3 所示。

這兩種拓撲結構有各自的優(yōu)缺點，星型結構需要用專門的Hub，優(yōu)點是實現(xiàn)故障隔離，時延相對較小，缺點是對Hub 的依賴，并且造價花費較高; 環(huán)型結構的優(yōu)點是節(jié)省光纖，花費較少，缺點是一旦有一個節(jié)點出現(xiàn)故障將會影響整個網(wǎng)絡[4]。鑒于導彈武器系統(tǒng)對導航信息實時性、可靠性的需求，利用多個光纖HUB與各網(wǎng)絡節(jié)點組建導航系統(tǒng)內部通信平臺，如圖4所示。

圖2　環(huán)型網(wǎng)絡拓撲結構

圖3　星型網(wǎng)絡拓撲結構

圖4　反射內存網(wǎng)構建導航系統(tǒng)內部通信網(wǎng)絡示意圖

4試驗驗證

通過數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩帱c發(fā)送、多點接收通信測試，驗證星型拓撲結構光纖反射內存網(wǎng)的傳輸速率與可靠性是否滿足導航系統(tǒng)的要求。在本次反射內存網(wǎng)技術研究與性能測試中，選用型號為VMIPCI-5565反射內存卡構建星型網(wǎng)絡，運用光纖進行連接。試驗的系統(tǒng)環(huán)境為Windows XP，運用軟件環(huán)境為Visual C++ 6.0。測試的硬件環(huán)境為:共選用四個VMI-5565 反射內存網(wǎng)卡，一個實時網(wǎng)絡Hub，采用計算機配置為CPU主頻2.39GHz，內存 2.00GB；測試軟件環(huán)境:所用的軟件編程測試工具為Visual C++ 6.0；采用的程序中除了網(wǎng)絡中斷以外，沒有加入其他的關聯(lián)發(fā)送方和接收方交互工作(例如:讀寫標志位等)。

4.1網(wǎng)絡傳輸速率測試

測試方案:由四個節(jié)點以及一個實時網(wǎng)絡HUB組成星形網(wǎng)絡，節(jié)點分別為A～D，其中A～B做為發(fā)送節(jié)點，C～D為接收節(jié)點，分別以下列兩組關系發(fā)送數(shù)據(jù)A～C、B～D，發(fā)送次數(shù)為5000次，數(shù)據(jù)包大小分別為64B、256B、1024B以及1MB。分別記錄A～D節(jié)點傳輸時間以及網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸速率。

表1　傳輸5000次測試 (時間單位:s　速率單位:Mbps)

測試分析:通過以上測試數(shù)據(jù)看出，5000次傳輸速率的測試結果表明傳輸速率穩(wěn)定，變化幅度十分小，這就驗證了傳輸延遲的確定性，可以滿足導航系統(tǒng)的要求。

4.2網(wǎng)絡傳輸可靠性測試

測試方案: 由四個節(jié)點以及一個實時網(wǎng)絡HUB組成星形網(wǎng)絡，節(jié)點分別為A～D，其中A～B做為發(fā)送節(jié)點，則C～D為接收節(jié)點。數(shù)據(jù)包大小分別為64B、256B、1024B以及1MB。1)以A～C、B～D對應關系發(fā)送500組數(shù)據(jù)，接收節(jié)點對接收到的數(shù)據(jù)進行檢驗，若是無誤則打印“l(fā)oop xx over”，若是有誤則打印相關錯誤信息，分別記錄不同測試條件下的錯誤數(shù)目，計算可靠概率；2)以A～C、B～D對應關系發(fā)送20000組數(shù)據(jù)，接收節(jié)點檢測接收到的數(shù)據(jù)包個數(shù)，檢測其丟包率。

表2　數(shù)據(jù)可靠性測試

表3　丟包率測試

測試分析:通過以上測試數(shù)據(jù)看出，信息在傳輸過程中，沒有出現(xiàn)數(shù)據(jù)出錯、丟失的情況，反射內存網(wǎng)的傳輸可靠性達到100%。因此，這就驗證了反射內存卡在通信運行時確定性、可靠性比較高，可以滿足導航系統(tǒng)的要求。

5結語

反射內存網(wǎng)采用基于網(wǎng)絡的分布式的數(shù)據(jù)處理能力解決了以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟淮_定性，提高了系統(tǒng)的實時性能，滿足了導航系統(tǒng)用戶對信息精度的需求；采用星形網(wǎng)絡拓撲結構提高了信息傳輸?shù)目煽啃院桶踩?。因此在導航系統(tǒng)內部網(wǎng)絡中采用反射內存網(wǎng)技術，可以大大提高艦載導航系統(tǒng)內部網(wǎng)絡的性能。

參 考 文 獻

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Application of Reflective Memory Network in INS

XU ZhenguoXU Cai

(Navy Representative Office in 719th Research Institute, Wuhan430205)

AbstractThe transmission speed, real-time performance and fault tolerant ability of INS network will directly affect the performance of the system. This paper explains the shortage of Ethernet technology which is widely used in INS and the necessity of using the network which has high real time. It studies the architecture of system，and networking protocol of INS which used reflective memory network. It provides the technical study for improving the real time performance and reliability of INS.

Key Wordsreflective memory network, real-time, shipboard INS

*收稿日期:2015年12月19日,修回日期:2016年2月3日

作者簡介:徐振國,男，高級工程師，研究方向：慣性技術及應用。許彩，女，碩士，工程師，研究方向：慣性技術及應用。

中圖分類號TN959

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.06.014