民用飛機(jī)航電數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)帶寬資源分配優(yōu)化設(shè)計(jì)

宋 智 黃勁松 葉軍暉 戴璧彥 孫世凡

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210)

0 引言

目前先進(jìn)的民用飛機(jī)航電數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通常是基于ARINC664協(xié)議來實(shí)現(xiàn)其主干網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和開發(fā)。ARINC664協(xié)議具有高可靠性、高安全性、低延遲性、實(shí)時(shí)確定性好等特點(diǎn)，已在包括波音787、A380以及中國商飛C919在內(nèi)的新型大型飛機(jī)的民用飛機(jī)航電數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用。基于ARINC664協(xié)議的民用飛機(jī)航電數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)(下稱ARINC664網(wǎng)絡(luò))為網(wǎng)絡(luò)成員系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)傳輸功能。其中網(wǎng)絡(luò)成員系統(tǒng)通過ARINC664端系統(tǒng)設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)載荷的發(fā)送和接收。ARINC664網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部通過ARINC664交換機(jī)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。

在ARINC664網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)過程中，通過分配網(wǎng)絡(luò)帶寬資源來滿足網(wǎng)絡(luò)成員系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸需求。理論上，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸過程中使用的帶寬，應(yīng)當(dāng)小于物理帶寬，否則將會出現(xiàn)大量的數(shù)據(jù)包排隊(duì)、丟失等異常，這對確定性的ARINC664網(wǎng)絡(luò)是不可接受的。而在實(shí)際情況中，不論是基于確定性和魯棒性的考慮，還是飛機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的擴(kuò)展性考慮，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸對帶寬資源的使用都應(yīng)確保一定余量。另一方面，在ARINC664網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)物理帶寬設(shè)計(jì)和設(shè)備選型時(shí)，會基于初步的網(wǎng)絡(luò)傳輸需求來預(yù)估所需的網(wǎng)絡(luò)帶寬，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)帶寬資源分配的一次設(shè)計(jì)。但是由于網(wǎng)絡(luò)帶寬需求分布存在非均性、設(shè)備就近連接、網(wǎng)絡(luò)鏈路設(shè)計(jì)和路由設(shè)計(jì)、以及其他限制性約束等因素，網(wǎng)絡(luò)帶寬資源一次分配的實(shí)際結(jié)果往往表現(xiàn)出顯著的非均性，從而可能存在局部帶寬資源不足的風(fēng)險(xiǎn)。因此有必要考慮網(wǎng)絡(luò)帶寬資源的實(shí)際使用情況，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)帶寬資源的二次分配優(yōu)化。

本文對典型網(wǎng)絡(luò)的帶寬需求分布和實(shí)際帶寬資源使用情況進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上提出了一種針對局部帶寬資源不足問題的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并通過網(wǎng)絡(luò)仿真試驗(yàn)進(jìn)行了具體的實(shí)例應(yīng)用分析。

1 網(wǎng)絡(luò)帶寬資源分析

ARINC664網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，可按物理鏈路連接的設(shè)備分為兩類：一是包含端系統(tǒng)與交換機(jī)之間的傳輸帶寬；S二是不同交換機(jī)之間的傳輸帶寬。以某典型ARINC664網(wǎng)絡(luò)為例，對端系統(tǒng)的帶寬需求分布進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，并通過網(wǎng)絡(luò)仿真對網(wǎng)絡(luò)中具體鏈路的實(shí)際帶寬資源使用進(jìn)行了分析，如圖1所示。

圖1 端系統(tǒng)的帶寬需求分布

圖1中，將網(wǎng)絡(luò)成員系統(tǒng)的端系統(tǒng)設(shè)備按照所需帶寬大小進(jìn)行區(qū)間分組(橫坐標(biāo))，統(tǒng)計(jì)每個(gè)區(qū)間內(nèi)的端系統(tǒng)數(shù)量(左縱坐標(biāo)，紅色柱狀)和該區(qū)間內(nèi)所有端系統(tǒng)的帶寬需求總和(右縱坐標(biāo)，綠色折線)。圖中紅色柱狀主要集中在左側(cè)，表明大多數(shù)的端系統(tǒng)的帶寬需求較少，只有少數(shù)端系統(tǒng)有較大的傳輸帶寬需求。圖中綠色折線表示了整網(wǎng)帶寬需求的分布，注意到端系統(tǒng)數(shù)量較少的區(qū)間也出現(xiàn)了較大峰值，這表明網(wǎng)絡(luò)帶寬分布的不均勻性。這種不均勻性將導(dǎo)致這些大帶寬需求的端系統(tǒng)所在的鏈路存在局部的帶寬資源不足風(fēng)險(xiǎn)。

接下來，對以上典型ARINC664網(wǎng)絡(luò)在初步帶寬資源分配后的網(wǎng)絡(luò)帶寬資源使用情況進(jìn)行了仿真分析。本文中網(wǎng)絡(luò)仿真試驗(yàn)使用了OPNET仿真軟件，以及標(biāo)準(zhǔn)ARINC664端系統(tǒng)和交換機(jī)模型。

對仿真數(shù)據(jù)結(jié)果中的全網(wǎng)物理鏈路帶寬資源使用率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，并列舉了帶寬使用率最高的5條鏈路，如表1所示。

表1 部分鏈路帶寬資源使用率

由圖1可見，帶寬資源使用率最高的鏈路為交換機(jī)之間的鏈路，同時(shí)相關(guān)交換機(jī)與端系統(tǒng)之間的鏈路帶寬使用率也較高。這說明網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)帶寬需求的不均勻分布，加上大帶寬需求的端系統(tǒng)集中掛載在特定交換機(jī)上，導(dǎo)致了局部交換機(jī)之間鏈路帶寬資源的使用率偏高。出于短板效應(yīng)考慮，整網(wǎng)帶寬資源不足的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)在于局部帶寬資源使用率最高的鏈路。出于網(wǎng)絡(luò)的確定性、魯棒性和擴(kuò)展性考慮，在設(shè)計(jì)過程中通常將最大的鏈路帶寬資源使用率控制在75%以下。本文采用75%作為帶寬資源使用率優(yōu)化閾值進(jìn)行分析說明，在實(shí)際使用中可以根據(jù)具體設(shè)計(jì)需求進(jìn)行閾值自定義。

在網(wǎng)絡(luò)帶寬資源初次分配時(shí)，往往會綜合考慮設(shè)備之間的隔離和綁定等安全性約束限制、物理鏈路就近連接等線纜減重因素。而網(wǎng)絡(luò)帶寬資源使用情況，尤其是交換機(jī)之間鏈路的帶寬使用率，往往是對綜合設(shè)計(jì)結(jié)果的評價(jià)指標(biāo)，難以在初次分配時(shí)進(jìn)行充分考慮，而是通過設(shè)計(jì)迭代進(jìn)行優(yōu)化。因此有必要提出一種網(wǎng)絡(luò)帶寬資源的二次分配方法，能在初次分配的基礎(chǔ)上進(jìn)行局部調(diào)整，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)帶寬資源不超過預(yù)設(shè)閾值的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 帶寬資源優(yōu)化方法

本文提出一種針對網(wǎng)絡(luò)帶寬資源使用率超過預(yù)設(shè)閾值的情況進(jìn)行針對性調(diào)整的方法。該方法通過識別帶寬資源占用最多的鏈路和其中帶寬資源占用最多的端系統(tǒng)，并將與該端系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸占用帶寬最多的端系統(tǒng)，調(diào)整至該端系統(tǒng)所在的交換機(jī)，使這對端系統(tǒng)能夠在同一交換機(jī)內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，從而降低了交換機(jī)之間鏈路的帶寬占用率。該方法的具體優(yōu)化流程邏輯和調(diào)整效果示意圖詳見圖2和圖3所示。

圖2 帶寬資源優(yōu)化流程邏輯

(a) 優(yōu)化前

(b) 優(yōu)化后圖3 帶寬資源優(yōu)化調(diào)整示意圖

此方法中不僅聚焦于整網(wǎng)中帶寬資源使用率最高的鏈路進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，還進(jìn)一步聚焦于該鏈路中帶寬資源使用最多的一對端系統(tǒng)，使得該方法能夠?qū)φW(wǎng)其他端系統(tǒng)和鏈路的設(shè)計(jì)更改影響控制到較低水平，從而在實(shí)現(xiàn)優(yōu)化目標(biāo)的同時(shí)，降低設(shè)計(jì)成本，增加優(yōu)化效率。

此方法中的設(shè)計(jì)優(yōu)化變更，不僅不會降低網(wǎng)絡(luò)性能，還有可能進(jìn)一步降低時(shí)延、提升性能。這是由于該方法只改變了局部網(wǎng)絡(luò)物理鏈路路徑，未改變網(wǎng)絡(luò)配置中虛擬鏈路和端口屬性數(shù)值。而對于已出現(xiàn)因帶寬資源不足而產(chǎn)生擁堵的網(wǎng)絡(luò)，該方法能夠通過改善網(wǎng)絡(luò)帶寬資源分配效率，顯著降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，提高網(wǎng)絡(luò)性能。

此方法中的設(shè)計(jì)優(yōu)化變更，對網(wǎng)絡(luò)線纜布線影響較小。主要是由于此方法只針對局部關(guān)鍵鏈路進(jìn)行調(diào)整，每輪優(yōu)化只更改一對線纜連接關(guān)系。此方法中的設(shè)計(jì)優(yōu)化變更，對線纜長度與重量的影響是不具有傾向性的，可能造成增重也可能減重，取決于具體設(shè)備位置關(guān)系。若將造成線纜增重，則需要進(jìn)一步進(jìn)行飛機(jī)級綜合權(quán)衡。

接下來以某典型ARINC664網(wǎng)絡(luò)為例，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)仿真進(jìn)一步展示該方法的優(yōu)化效果。

3 實(shí)例分析

以表1中所列某典型ARINC664網(wǎng)絡(luò)為例，在OPNET軟件中采用此方法進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)帶寬資源分配優(yōu)化，并進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)仿真試驗(yàn)和相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。優(yōu)化前后的帶寬使用率對比如表2所示。

表2 帶寬資源使用率優(yōu)化對比

表2中，“交換機(jī)_2”與“交換機(jī)_1”之間鏈路的帶寬使用率，在優(yōu)化后均降低到75%的預(yù)設(shè)閾值之下。其中優(yōu)化前帶寬使用率最高的鏈路，從84.23%下降到71.36%，降幅超過15%。同時(shí)仿真結(jié)果表明，網(wǎng)絡(luò)平均端到端時(shí)延由3 092 ms變?yōu)? 089 ms，變化率僅為0.1%。

在優(yōu)化過程中，該方法識別到帶寬使用率最高的交換機(jī)之間鏈路為“交換機(jī)_2”到“交換機(jī)_1”，其中“端系統(tǒng)_1”為該鏈路中使用帶寬資源最多的端系統(tǒng),以及與“端系統(tǒng)_1”進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸占用帶寬最多、且不在同一交換機(jī)上的端系統(tǒng)為“端系統(tǒng)_3”。通過將原本連接到“交換機(jī)_2”的“端系統(tǒng)_3”調(diào)整為連接到“交換機(jī)_1”，使得“端系統(tǒng)_3”與“端系統(tǒng)_1”之間的數(shù)據(jù)傳輸僅由“交換機(jī)_1”進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)了“交換機(jī)_2”與“交換機(jī)_1”之間鏈路帶寬使用率的降低。需注意到，由于“端系統(tǒng)_3”重新連接到“交換機(jī)_1”，將使“交換機(jī)_1”與其他交換機(jī)之間的鏈路帶寬使用率有所增加，但從整體上使得網(wǎng)絡(luò)中所有鏈路的帶寬資源使用率都降低到預(yù)設(shè)閾值以下。

若經(jīng)過一次優(yōu)化調(diào)整后，未降低至預(yù)設(shè)閾值之下，可以進(jìn)行多此優(yōu)化迭代，但優(yōu)化效果將會逐次降低。若多次優(yōu)化后仍無法滿足，則可以考慮增加鏈路物理帶寬、調(diào)整網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等其他方案。以上方法僅從網(wǎng)絡(luò)帶寬資源占用率的角度提出優(yōu)化調(diào)整建議，而相關(guān)更改還需額外考慮資源分配中的限制性約束，以及綜合其他方面因素進(jìn)行權(quán)衡。

4 結(jié)論

本文對典型網(wǎng)絡(luò)的帶寬需求分布和初步帶寬資源分配結(jié)果進(jìn)行分析，明確了網(wǎng)絡(luò)帶寬需求分布的不均勻性和局部帶寬資源超過設(shè)計(jì)閾值的情況。本文針對性地提出了一種針對局部帶寬資源不足問題的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并通過網(wǎng)絡(luò)仿真分析表明該方法能夠有效降低網(wǎng)絡(luò)局部鏈路的較高帶寬資源使用率，同時(shí)還具有設(shè)計(jì)優(yōu)化變更影響較小等優(yōu)點(diǎn)。