機(jī)載光纖總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的性能研究*

伊小素，余楚璇，曾華菘

（北京航空航天大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100191）

0 引 言

隨著航空機(jī)載網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，系統(tǒng)設(shè)備間的連接形式從單一的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)結(jié)構(gòu)發(fā)展為更多種類的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如總線型、星型和環(huán)型等[1-2]。數(shù)據(jù)通信總線也引入更高速可靠的光纖通信技術(shù)，形成機(jī)載光纖總線通信系統(tǒng)，在以美制F22/F35、俄制T50為代表的第四代戰(zhàn)機(jī)中應(yīng)用廣泛[3]。由于機(jī)載系統(tǒng)中信息的綜合程度不斷提高，為適應(yīng)設(shè)備間傳輸數(shù)據(jù)量較大且交互頻繁的特點(diǎn)，機(jī)載光纖總線需滿足更高帶寬、更低時(shí)延和更高可靠性等性能要求[4-6]。對(duì)于不同功能的飛行器，它的機(jī)載系統(tǒng)的規(guī)模、結(jié)構(gòu)及容量均有差異，因此對(duì)總線系統(tǒng)的性能要求各有不同。而系統(tǒng)設(shè)備間物理連接的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂胶蜋C(jī)制有所不同，最終使總線網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)不同的性能特點(diǎn)。因此，研究不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)機(jī)載光纖總線關(guān)鍵性能參數(shù)的影響具有重要意義。

本文具體分析總線型、星型和環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下機(jī)載光纖總線網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、吞吐量和系統(tǒng)可靠性3 類性能參數(shù)，針對(duì)時(shí)延和吞吐量等傳輸特性，通過(guò)OPNET對(duì)總線網(wǎng)絡(luò)不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行建模和仿真。而系統(tǒng)可靠性的分析則是通過(guò)故障樹(shù)理論對(duì)3 類不同冗余情況的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行失效模型建模計(jì)算、綜合仿真及計(jì)算結(jié)果，為拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇提供參考依據(jù)。

1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

1.1 總線型結(jié)構(gòu)

在基于無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（Passive Optical Network，PON）的總線型結(jié)構(gòu)中，節(jié)點(diǎn)分為網(wǎng)絡(luò)控制器（Network Control，NC）和 網(wǎng) 絡(luò) 終 端（Network Terminal，NT）。NC 與NT 通過(guò)無(wú)源的集線器相連，所有NT地位平等[7-10]。圖1 是PON 總線型的結(jié)構(gòu)示意圖。數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，下行數(shù)據(jù)由NC 廣播發(fā)出，所有NT 都會(huì)收到下行方向數(shù)據(jù)，但只有目標(biāo)NT 會(huì)接收；上行的數(shù)據(jù)傳輸采用時(shí)分復(fù)用技術(shù)，NT 按指定時(shí)隙長(zhǎng)度發(fā)送數(shù)據(jù)。由于結(jié)構(gòu)的特殊性，總線型中一次只能傳送一組數(shù)據(jù)。若同時(shí)傳輸多組數(shù)據(jù)，會(huì)發(fā)生沖突導(dǎo)致數(shù)據(jù)不完整甚至丟失。

圖1 PON 總線型拓?fù)?/p>

1.2 星型結(jié)構(gòu)

圖2 是星型結(jié)構(gòu)的示意圖。星型結(jié)構(gòu)以交換機(jī)為中心，節(jié)點(diǎn)間的通信均需借助交換機(jī)。發(fā)送端產(chǎn)生的數(shù)據(jù)經(jīng)由交換機(jī)，在交換機(jī)識(shí)別出目標(biāo)地址后，直接將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。交換機(jī)起數(shù)據(jù)過(guò)濾和轉(zhuǎn)發(fā)作用，能有效隔離廣播風(fēng)暴，減少數(shù)據(jù)丟失和誤發(fā)情況[11]。但是，由于所有數(shù)據(jù)都需通過(guò)交換機(jī)，數(shù)據(jù)量較大時(shí)會(huì)導(dǎo)致交換機(jī)的負(fù)荷過(guò)重，此時(shí)信息處理轉(zhuǎn)發(fā)不及時(shí)會(huì)直接影響系統(tǒng)傳輸?shù)臅r(shí)延和吞吐量，降低系統(tǒng)整體的可靠性。

圖2 星型拓?fù)?/p>

1.3 環(huán)型結(jié)構(gòu)

節(jié)點(diǎn)通過(guò)點(diǎn)到點(diǎn)鏈路按順序連接構(gòu)成環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖3 所示。數(shù)據(jù)信息的流動(dòng)在閉環(huán)中遵循某一固定方向。由于網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)只與相鄰兩節(jié)點(diǎn)直接互聯(lián)，兩節(jié)點(diǎn)間僅有一條通路，因此環(huán)型結(jié)構(gòu)的工作機(jī)制簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性強(qiáng)且最大時(shí)延固定[12]。但是，環(huán)路有多個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸速率將受到影響，網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)。若一個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，可能會(huì)導(dǎo)致全網(wǎng)的終止或癱瘓，影響系統(tǒng)的可靠性。

圖3 環(huán)型拓?fù)?/p>

2 總線網(wǎng)絡(luò)建模與仿真

為準(zhǔn)確評(píng)估機(jī)載光纖總線系統(tǒng)的時(shí)延、吞吐量等傳輸特性，采用仿真模擬的方案，根據(jù)總線型、星型和環(huán)型拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在OPNET 中分別建立3 類結(jié)構(gòu)的仿真模型。圖4 為星型結(jié)構(gòu)的仿真模型，模型中含6 個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中包含1 個(gè)服務(wù)器和5個(gè)客戶機(jī)，虛線為流量傳輸方向。

圖4 仿真模型

具體仿真參數(shù)的設(shè)定如表1 所示。由于顯式流量模型通過(guò)對(duì)流量源產(chǎn)生報(bào)文的完整生命周期建模，可為流量行為提供準(zhǔn)確描述[13]。因此，仿真采用顯示報(bào)文的流量源模型，數(shù)據(jù)由各個(gè)客戶機(jī)傳輸流向服務(wù)器，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)總帶寬為16 Mb/s。為對(duì)比相同組網(wǎng)條件下各結(jié)構(gòu)的傳輸特性，分別為各結(jié)構(gòu)的仿真網(wǎng)絡(luò)配置相同的節(jié)點(diǎn)模型、鏈路模型和流量源模型，仿真中通過(guò)不斷改變節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量來(lái)改變網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，仿真結(jié)束后收集和統(tǒng)計(jì)仿真過(guò)程中時(shí)延和吞吐量的參數(shù)值。

表1 仿真參數(shù)的設(shè)定

3 總線可靠性建模與計(jì)算

總線網(wǎng)絡(luò)可靠性是保障信息可靠傳輸?shù)闹匾笜?biāo)，由鏈路傳輸固有誤碼率和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中各設(shè)備的性能共同決定[14]。本文引入故障樹(shù)分析法對(duì)總線型、星型和環(huán)型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的有效度進(jìn)行計(jì)算，從而對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行分析評(píng)估。它的基本思想是從可能發(fā)生的事件開(kāi)始，自上而下尋找事故的原因，確定最基本的原因事件后，繪制事件間“與”“或”等邏輯關(guān)系，形成樹(shù)狀邏輯因果關(guān)系圖[15-16]。評(píng)估參數(shù)主要有平均無(wú)故障工作時(shí)間（Mean Time Between Failure，MTBF）、平均修復(fù)時(shí)間（Mean Time To Repair，MTTR）、有效度和失效度。

定義機(jī)載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)失效為故障樹(shù)“頂事件”，假設(shè)各系統(tǒng)故障樹(shù)的“底事件”間均互為獨(dú)立事件，分別計(jì)算在系統(tǒng)無(wú)冗余、雙冗余和三冗余條件下3類結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)有效度。

3.1 無(wú)冗余系統(tǒng)

總線型結(jié)構(gòu)由集線器、服務(wù)器以及若干客戶機(jī)和鏈路構(gòu)成。在無(wú)冗余設(shè)計(jì)條件下，總線型中任一設(shè)備或鏈路發(fā)生故障，整個(gè)系統(tǒng)都會(huì)失效。此外，總線型數(shù)據(jù)傳輸時(shí)廣播風(fēng)暴帶來(lái)的故障也會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)失效，由此得到總線型結(jié)構(gòu)無(wú)冗余系統(tǒng)失效的故障樹(shù)如圖5 所示。

圖5 總線型結(jié)構(gòu)無(wú)冗余系統(tǒng)故障樹(shù)

由圖5 可知，每個(gè)底事件的發(fā)生均能直接導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的失效，因此該系統(tǒng)的失效模型為串聯(lián)系統(tǒng)，底事件的失效度之和即為通信系統(tǒng)整體失效度F1值。MTTR 設(shè)為24 h，根據(jù)設(shè)備廠商提供的MTBF，計(jì)算出相應(yīng)設(shè)備的失效度如表2 所示。

表2 總線型結(jié)構(gòu)各設(shè)備的失效度

假設(shè)總線型結(jié)構(gòu)中共n 個(gè)節(jié)點(diǎn)，包含1 個(gè)服務(wù)器和n-1 個(gè)客戶機(jī)。數(shù)據(jù)從客戶機(jī)發(fā)送至服務(wù)器，則需要n 條通信鏈路將各個(gè)節(jié)點(diǎn)與集線器相連，即：

通信系統(tǒng)的失效度為：

故總線型無(wú)冗余通信系統(tǒng)的有效度為：

構(gòu)成星型和環(huán)型結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備種類相似，兩者的系統(tǒng)失效來(lái)源類似，故障樹(shù)結(jié)構(gòu)也相似，但兩者的失效度計(jì)算有所差別。星型和環(huán)型結(jié)構(gòu)的故障圖如圖6 所示。

圖6 星型和環(huán)型結(jié)構(gòu)無(wú)冗余系統(tǒng)故障樹(shù)

如圖6 所示，星型和環(huán)型結(jié)構(gòu)的故障模型也是串聯(lián)系統(tǒng)，系統(tǒng)失效度為各設(shè)備失效度之和。MTTR 為24 h 時(shí)，各數(shù)據(jù)如表3 所示，由于集線器是無(wú)源器件，而交換機(jī)是有源設(shè)備，相較而言，連接交換機(jī)的鏈路比連接集線器的鏈路更易發(fā)生故障，即星型和環(huán)型結(jié)構(gòu)中通信鏈路的MTBF 相較總線型結(jié)構(gòu)而言更短。

表3 星型和環(huán)型結(jié)構(gòu)各設(shè)備的失效度

同樣，假設(shè)星型結(jié)構(gòu)中包含有1 個(gè)服務(wù)器和n-1個(gè)客戶機(jī)，則需要n 條通信鏈路將各個(gè)節(jié)點(diǎn)與交換機(jī)相連，即：

故通信系統(tǒng)的失效度為：

有效度為：

對(duì)于環(huán)型結(jié)構(gòu)，有：

通信系統(tǒng)的失效度為：

故環(huán)型結(jié)構(gòu)無(wú)冗余系統(tǒng)的有效度為：

3.2 雙冗余系統(tǒng)

雙冗余系統(tǒng)是指機(jī)載系統(tǒng)配置2 套相同的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。在主系統(tǒng)失效后，備份系統(tǒng)可接替主系統(tǒng)的任務(wù)正常工作。只有當(dāng)主系統(tǒng)和備份系統(tǒng)同時(shí)發(fā)生故障時(shí)，整個(gè)機(jī)載總線才失效。因此，主系統(tǒng)故障事件和備份系統(tǒng)故障事件是邏輯“與”的關(guān)系。

總線型結(jié)構(gòu)的雙冗余系統(tǒng)故障樹(shù)如圖7 所示，有：

故總線型結(jié)構(gòu)雙冗余系統(tǒng)的有效度為：

圖7 總線型結(jié)構(gòu)雙冗余系統(tǒng)故障樹(shù)

同理，星型結(jié)構(gòu)和環(huán)型結(jié)構(gòu)的故障樹(shù)如圖8所示。

圖8 星型和環(huán)型結(jié)構(gòu)雙冗余系統(tǒng)故障樹(shù)

對(duì)于星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)雙冗余系統(tǒng)，有：

故星型結(jié)構(gòu)雙冗余系統(tǒng)的有效度為：

對(duì)于環(huán)型結(jié)構(gòu)雙冗余系統(tǒng)，有：

故環(huán)型結(jié)構(gòu)雙冗余系統(tǒng)的有效度為：

3.3 三冗余系統(tǒng)

三冗余系統(tǒng)則是指機(jī)載系統(tǒng)配置有兩套相同的備用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，以防其中的備用系統(tǒng)也會(huì)失效，影響通信網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。三冗余通信系統(tǒng)中，只有當(dāng)主系統(tǒng)及兩套備份系統(tǒng)均失效時(shí)，整個(gè)機(jī)載系統(tǒng)才會(huì)失效，因此主系統(tǒng)失效事件和備份系統(tǒng)失效事件間在故障樹(shù)中仍是“與”邏輯的關(guān)系。

總線型結(jié)構(gòu)三冗余系統(tǒng)的有效度為：

星型結(jié)構(gòu)三冗余系統(tǒng)的有效度為：

環(huán)型結(jié)構(gòu)三冗余系統(tǒng)的有效度為：

4 結(jié)果與分析

4.1 時(shí) 延

統(tǒng)計(jì)3 種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在各負(fù)載情況下的時(shí)延并計(jì)算其平均值，結(jié)果如圖9 所示。

圖9 時(shí)延仿真結(jié)果

由圖9 可知，3 類結(jié)構(gòu)的總體時(shí)延隨網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加而增加，但增長(zhǎng)速率有所差別。在負(fù)載率為100%時(shí)，系統(tǒng)時(shí)延劇增，且時(shí)延抖動(dòng)較大。在負(fù)載率為80%及以下時(shí)，總線型結(jié)構(gòu)的時(shí)延特性優(yōu)于星型和環(huán)型結(jié)構(gòu)；但隨著數(shù)據(jù)量的不斷增大，尤其是當(dāng)達(dá)到系統(tǒng)傳輸最大能力附近時(shí)，總線型結(jié)構(gòu)的時(shí)延急劇惡化，其穩(wěn)定性不及其余二者。

4.2 吞吐量

收集并統(tǒng)計(jì)各結(jié)構(gòu)在不同負(fù)載下的吞吐量，結(jié)果如圖10 所示。

由圖10 可得，具有相同負(fù)載率的3 類結(jié)構(gòu)的平均吞吐量保持一致，表明在各設(shè)備處于理想狀態(tài)且無(wú)任何附加誤碼率或丟包率的前提下，相同組網(wǎng)條件下的不同機(jī)載光纖拓?fù)湎到y(tǒng)具有相似的數(shù)據(jù)傳輸能力。負(fù)載率在10%～90%范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)，平均吞吐量隨負(fù)載率增加而線性增加；而在負(fù)載率為100%時(shí)，平均吞吐量到達(dá)最大值，無(wú)法繼續(xù)增長(zhǎng)，此時(shí)機(jī)載光纖系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸能力到達(dá)峰值。

圖10 吞吐量結(jié)果

4.3 可靠性

圖11 為各冗余系統(tǒng)中各拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的有效度對(duì)比圖。隨著負(fù)載節(jié)點(diǎn)的增多，系統(tǒng)可靠性逐漸減小，但相同節(jié)點(diǎn)條件下總線型結(jié)構(gòu)的有效度始終最高，星型結(jié)構(gòu)次之，環(huán)型結(jié)構(gòu)的有效度最低。隨著冗余備份設(shè)備的增多，3 類結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)有效度差距逐漸縮小，雙冗余系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)有效度的提高效果最明顯。從可靠性和建網(wǎng)成本的角度綜合來(lái)看，在機(jī)載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)具有一套備份設(shè)備的雙冗余總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是最優(yōu)化的選擇。若建網(wǎng)成本不是主要考慮因素，則采用三冗余或更多重冗余設(shè)計(jì)去換取更高的可靠性。

圖11 不同冗余下不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的有效度對(duì)比

5 結(jié) 語(yǔ)

本文圍繞總線型、星型和環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的時(shí)延、吞吐量和系統(tǒng)可靠性3 個(gè)關(guān)鍵性能參數(shù)，探討了機(jī)載光纖總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中如何選取拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的問(wèn)題。運(yùn)用OPNET 建模仿真分析總線網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、吞吐量?jī)深悅鬏斕匦裕\(yùn)用故障樹(shù)理論建模計(jì)算系統(tǒng)可靠性。仿真結(jié)果表明，時(shí)延和吞吐量跟網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率密切相關(guān)，在相同負(fù)載條件下3 類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的吞吐量差別不大，但在負(fù)載率小于80%時(shí)總線型的時(shí)延特性優(yōu)于星型和環(huán)型，但當(dāng)負(fù)載率大于80%時(shí)，星型結(jié)構(gòu)更優(yōu)。計(jì)算結(jié)果表明，冗余系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能提高系統(tǒng)有效度，但雙冗余系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)有效度的提高效果最明顯，且在相同冗余條件下，總線型結(jié)構(gòu)的可靠性始終優(yōu)于其余二者。因此，可得以下結(jié)論：從可靠性和建網(wǎng)成本的角度考慮，雙冗余系統(tǒng)設(shè)計(jì)是最優(yōu)化的選擇，若忽略建網(wǎng)成本以追求更高可靠性，則可采用三冗余或更多重冗余設(shè)計(jì)；從時(shí)延和吞吐量等傳輸特性上考慮，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇還需參考網(wǎng)絡(luò)實(shí)際工作負(fù)荷。機(jī)載環(huán)境中正常工作下負(fù)載率一般不超過(guò)80%，因此綜合時(shí)延、吞吐量和系統(tǒng)可靠性3 類指標(biāo)考慮，總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更適用于機(jī)載光纖總線網(wǎng)絡(luò)。