基于多網融合的測發網絡架構研究

韓雨桐,穆 暉,岳 瑋,王曉鵬

(北京宇航系統工程研究所,北京 100076)

0 引言

隨著網絡技術、計算機技術及微電子技術的飛速發展，運載火箭通信設備也向智能化、模塊化和集成化前進，隨著網絡系統拓撲結構更為復雜，現役型號中應用的網絡架構在節點數量、傳輸速率和實時性、安全性等方面已經不能滿足于當前數據通信需求。因此，有必要開展多網融合架構設計，將有線與無線網絡有機結合，充分發揮各自的優勢，優化設計全網架構，并在實時性、安全性等方面進行深入研究，以解決箭上及地面等各個復雜電氣系統之間高可靠性、高效率、高實時性、建立復雜數據集成網絡的需要，進而為全箭飛行試驗成功奠定技術基礎。

對于地面測發控網絡，現階段仍是基于以太網的冗余交換機模式，隨著智能終端大規模運用及發展，有必要采取多網融合的方式進行地面測發控網絡架構優化設計。有線網采用實時以太網和非實時以太網相結合，部分測試網絡采用基于SDN的無線傳感網絡進行拓撲控制，兩者通過交換機進行通信交互，保證全網架構具有高實時性、強自適應能力、抗毀頑存等特點。

1 傳統網絡架構設計

1.1 集中式標準以太網網絡方案

采用集中式標準以太網的測發網絡系統架構與我國現役運載火箭地面測發控網絡架構相同，由四臺標準以太網交換機構成主干網，交換機F、G互為冗余，交換機H、I互為冗余，前端、后端參與測控的設備通過雙冗余方式連在主干網上。系統架構如圖1所示。

圖1 集中式標準以太網網絡系統架構

為使各設備連接到交換機后不會發生互相干擾，又方便管理，需要在交換機配置中給各設備分配特定的端口：端口命名、端口IP、VLAN劃分、靜態路由、各系統間的控制訪問限制等。

本方案優缺點：現有的運載火箭地面測發控網絡均是基于標準以太網技術實現的，以太網交換機技術成熟，網絡交換機接口較多、可靠性高。但是其利用CSMA/CD(載波監聽多路訪問及沖突檢測)的機理實現數據傳輸，這種基于以太網的傳輸網絡不是實時性、確定性的網絡，對于數據傳輸量大、網絡傳輸可靠性、實時性要求高的場合存在一定隱患。此外，前后端設備必須連接在主干交換機上，對于分布在發射平臺不同位置的設備需要較長的線纜連接，不利于布線和維護。

1.2 實時以太網網絡方案

目前，重型運載火箭箭上通信總線擬選用實時以太網方案，因此地面測發控網絡選用實時以太網可與箭上網絡無縫對接，構建箭地一體的測控網絡。測發網絡系統采用TTE實時網絡平臺的設計架構，與普通以太網架構的主要區別為采用TTE實時網絡交換機代替商用以太網交換機。基于該架構采用雙冗余四臺TTE交換機網絡規模搭建設計，系統架構如圖2。

圖2 實時以太網網絡系統架構

本方案優缺點：實時以太網網絡方案信息傳輸具備實時性，具備最高等級的安全性、可靠性及確定性的網絡。但是實時網絡系統的搭建，必須使用TTE交換機，入網設備必須使用網絡TTE接口卡，降低了系統的靈活性，而且目前TTE交換機的網絡接口數量受限，不能滿足測發網絡系統接入設備數量的需求，且TTE交換機和網絡接口卡成本較高。

2 多網融合架構設計

2.1 總體設計思路

2.1.1 簡化架構，整合實時網和傳統以太網

通常情況根據數據業務類型不同，重要的實時數據和非關鍵的非實時數據進行網絡隔離。因此在進行網絡架構設計時，網絡將含不同用途、且相互分離的多種網絡。鑒于TTE時間觸發網絡從原理上能夠兼容以太網協議，支持普通以太網設備接入及數據發送，解決了不同業務數據需要兩套網絡的局限性。因此可以整合實時網和傳統以太網，統一用TTE交換機代替，簡化網絡架構。

2.1.2 融入無線，增加網絡靈活性擴展性

目前靶場前端有部分溫度、壓力、溫濕度等參數測點已經不適應現有有線模式，包括可能會臨時增加、靶場現有系統難以迅速配置的測點，安裝拆卸困難的測量參數等。如新增的地面安控管控制壓力、整流罩溫濕度測量參數等。因此前端地面測發網絡融合無線通信網絡，將網絡末梢觸及發射塔架的各個所需位置，實現關于溫度、壓力以及圖像等參數采集，并通過無線網關及安全設備接入到核心網中，便于統一數據分析和處理。

2.1.3 減少設備數量，集中管控系統資源

目前大部分傳統型號的各系統設備仍然是獨立的，這樣既導致地面測發網絡系統設備繁多，過于龐大，又會導致資源浪費。通過采用云平臺技術對服務器系統與存儲系統的改造，將火箭各分系統業務整合到多臺一體化的服務器中。實現對虛擬資源的使用，這樣不僅能夠實現系統資源的集中管控，并且各系統可根據實際需求對系統資源的申領和使用，對各系統的維護和升級將更加便利。

2.2 多網融合系統構成

多網融合的地面測發控網絡技術在可靠性、實時性、冗余、動態組網、信息安全等要求方面，按照一體化的技術方向，開展地面網絡平臺框架、業務流程、硬件接口等設計。基于多網融合的地面測發控網絡架構通過研究國內外工業以太網和實時網絡飛現狀，選取了時間觸發實時以太網技術作為突破口，研制實現多網融合的地面測發控網絡原型系統，在此基礎上，對技術指標進行進一步驗證，地面高可靠動態組網設計總體架構如圖3所示。

圖3 基于多網融合的地面測發網絡架構圖

地面測發網絡架構組成如下：

1)核心網包含TTE交換機和普通以太網交換機組成，能夠兼容普通以太網數據及實時網絡數據。測控設備中實時數據和非實時數據都能夠通過核心網傳輸，且能夠確保實時數據的有效傳輸，見圖4所示，多網融合實時以太網交換機通過實時性設計，使用專用硬件，實現實時協議棧，時鐘同步協議和實時調度算法，使得系統為實時數據留出了一條邏輯上的專用通道，保證了數據的實時性，確定性和可靠性；

圖4 時間觸發的以太網(TTEthernet)協議

2)前端地面測發網絡融合無線通信網絡，將網絡末梢觸及發射塔架的各個所需位置，實現關于溫度、壓力以及圖像等參數采集，特別是支持未來在需要前端上人的特殊情況下的移動式的靈活入網需求；

3)后端采用云平臺技術，包括兩部分。一部分是進行了運算資源一體化設計的核心運算資源區，另一部分是通過“桌面云”技術，通過瘦客戶進行接入訪問的各系統終端機。

3 多網融合網絡方案

采用多網融合網絡架構的地面測發網絡系統是將實時以太網、標準以太網和無線網絡進行混合組網的多網融合設計，網絡數據根據關鍵程度、實時性要求進行傳輸通路選擇，重要程度高、實時性高的數據通過實時以太網傳輸；實時性要求低的數據可通過標準以太網進行傳輸。并且不同于傳統集中式交換設計，地面測發控網絡前端采用分布式交換設計，即根據前端設備的不同部署位置，就近配置網絡交換設備進行網絡接入。

其中實時以太網和非實時以太網前端交換機均采用分布式架構，按照系統、設備地點等進行網絡設備劃分，不同系統、不同地點的設備按照就近原則連接到不同的網絡交換組中。前端測發控網絡將延伸到發射平臺、臍帶塔、勤務塔、地面加注系統等不同位置。各前端交換機組統一通過光纖連接到后端的核心交換機中，前端交換機互為冗余，后端交換機互為冗余，前端、后端非實時數據終端通過雙冗余方式連在主干網上。

實時以太網數據通過TTE交換機進行傳輸，前端交換機E、F互為冗余，后端交換機G、H互為冗余，實時數據TTE終端連接到前后端TTE交換機上。標準以太網交換機和TTE交換機互聯，可以實現實時數據終端和非實時數據終端的通信，但在標準以太網交換機和TTE交換機通信情況下，只能傳輸非實時數據。

前后端之間還將采用無線通信方式將前端整流罩環境監測數據、發射平臺環境監測數據等通過無線通信方式傳輸至后端。基于SDN的無線通信網絡中，普通節點可實現鄰居發現功能，將拓撲信息上傳到控制器節點，采集環境中的溫濕度信息和視頻信息并進行處理，并可根據控制器節點計算的全網路由將溫濕度信息及視頻信息傳輸到控制器節點。控制器節點可進行全網拓撲的匯總及定時更新，實現全網路由計算及流表下發功能，根據網絡環境變換及時調整全網路由，并實現控制器節點側的軟件定義路由功能。控制器端的網管系統可實現全網拓撲顯示、全網路由顯示、溫度信息實時顯示、溫度信息歷史顯示及多路視頻實時顯示功能。

3.1 實時網絡設計架構

實現實時數據和非實時數據的一體化傳輸，同時保證實時數據的可靠性、實時性和確定性。實時數據在網絡中使用冗余熱備傳輸(采用兩條獨立的鏈路傳輸)來保證數據傳輸的可靠性。實時數據采用基于時間觸發技術，實現數據傳輸的確定性和實時性。數據在進入模塊后，按照其類型被分為3類：實時數據、時統數據和非實時數據，分別交由實時數據處理模塊、時統數據處理模塊和非實時數據處理模塊。時統數據處理模塊用于完成時間同步，以使網絡中的所有實時以太網交換機具有相同的時間(在一定誤差內)。非實時數據處理模塊完成對非實時數據的處理和交換，實現對傳統以太網數據傳輸的兼容性。

1)實時數據通路：調度表格是實時數據的核心，所有實時數據需按照調度表格的規定進行收發操作。調度表格定義了實時數據的接收時間窗口和發送時間點(接收時間窗口指明了該數據應該在該區間內到達，發送時間點指明該數據應該在該時間點被發出)。實時數據幀在進入通路后，首先被檢查是否按照規定時間窗口內到達，如果是則繼續處理，否則丟棄。基于調度表格規定的發送時間點，該數據幀在實時數據通路內緩存，并在發送時間點到達后被發出；

2)時統數據通路：為保證不同交換機實時數據通路步調一致，需要對所有參與實時數據傳輸的交換機進行時間同步。該模塊在接收到時統數據幀后，將對本機時間進行同步，并轉發時統數據幀。該模塊為實時數據通路提供時間信息；

3)非實時數據通路：非實時數據通路完成傳統二層交換等功能，例如，基于MAC地址的轉發；

4)仲裁模塊為保證數據以“實時數據>時統數據>非實時數據”的優先級進行數據調度，確保實時數據的發送不受其他數據的干擾，以保證其實時性和確定性。

3.2 基于SDN的無線通信網絡架構

軟件定義網絡—SDN網絡架構以通用、可編程網絡硬件為基礎設施。以南北向接口協議將網絡控制平面與轉發平面有效分離。控制層通過南向接口(控制基礎設施層網絡硬件)。用戶編寫應用程序經北向接口(調用網絡操作系統)。從而使整個網絡可管可控成為可能。

由軟件定義的無線傳感網絡架構可分為兩個層面:1)數據轉發層面：由終端傳感節點構成；2)控制層面：由控制器構成。控制器一般選擇大存儲空間、強計算能力的計算機或控制器，用以存儲全網的拓撲信息(節點信息和鏈路信息)，并集中地處理和運算獲取的全網拓撲信息，通過相關算法計算出最優路由策略、節能策略和負載均衡策略等，并生成相應的流表，分配給各個傳感節點，同時維護全網信息，監控流量，實時動態調整計算策略；功能越簡化則傳感節點體積越小，故終端節點任務簡單，只需執行控制節點下發轉發、丟棄等操作。

圖5表述了SDN的分層解耦合概念，SDN架構中的數據轉發層面，包括通用的基礎硬件層、硬件抽象層；控制層面包括網絡操作系統、上層應用。數據轉發層面與控制層面通過一種標準的交互協議來解耦合，表明網絡操作系統及網絡應用(如路由控制協議等) 也可以運行在外部系統(如X86架構的服務器)內，非必須在物理設備上，進而達到網絡控制靈活可編程的目的。

圖5 SDN的分層架構

3.3 技術創新點

采用多網融合網絡架構的地面測發網絡系統將實時以太網和標準以太網進行混合組網的多網融合設計，網絡數據根據關鍵程度、實時性要求進行傳輸通路選擇，重要程度高、實時性高的數據通過實時以太網傳輸；實時性要求低的數據可通過標準以太網進行傳輸。

推廣無線通信、無線傳感方式，實現箭地測控系統的“物聯網”式網絡架構，增強地面測發控的末端感知能力，更為未來實現異構冗余、動態重構提供必要的技術基礎。無線方式還有部署靈活方便，避免出現因走線不方便而不能部署的優勢，方便設備部署撤收，縮短設備恢復時間，減少射前的工作。

4 結束語

本文研究的基于多網融合的測發網絡架構,大力推動了運載火箭多網融合實時性的發展，促進了無線通信網絡移動性、大規模、高帶寬、低時延的發展趨勢，推進了未來運載火箭測發控一體化，進而提升我國火箭測發流程效率，降低發射成本，對我國運載火箭通信系統的智能化發展具有重要的應用價值和長遠意義。