基于EoRPR技術(shù)的潛艇信息系統(tǒng)高生存性組網(wǎng)研究

司廣宇，楊大偉

(江蘇自動(dòng)化研究所，江蘇 連云港 222006)

0 引言

隨著技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)的帶寬越來(lái)越高，信息傳輸量也越來(lái)越大，不僅是商業(yè)網(wǎng)絡(luò)，潛艇信息網(wǎng)絡(luò)也在發(fā)生著相同的變化。但是，由于潛艇的特殊戰(zhàn)斗使命，決定了其在追求網(wǎng)絡(luò)帶寬的同時(shí)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)可靠性和安全性的要求比商業(yè)網(wǎng)絡(luò)更高。在執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)時(shí)，如果網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障，必須能夠保證在不丟失報(bào)文的情況下，實(shí)現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)故障自愈。

以太網(wǎng)技術(shù)的靈活性、低成本、易用性以及對(duì)傳送分組數(shù)據(jù)時(shí)帶寬的有效利用，再加上它優(yōu)良的可擴(kuò)充升級(jí)性和簡(jiǎn)便的業(yè)務(wù)配置能力都非常具有吸引力。但是，對(duì)于以太網(wǎng)來(lái)說(shuō)，網(wǎng)絡(luò)級(jí)別的可靠性主要采用RSTP技術(shù)，該算法的特性決定了網(wǎng)絡(luò)的收斂時(shí)間最低不少于15 s，難以滿足潛艇信息系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)可靠性的要求;另外在可管理性方面，這種方式缺乏故障發(fā)現(xiàn)和定位手段。

基于彈性分組數(shù)據(jù)環(huán)的以太網(wǎng)(EoRPR)技術(shù)集IP的智能化、以太網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性和光纖環(huán)網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)可以達(dá)到電信級(jí)的要求，為潛艇信息系統(tǒng)提供了一個(gè)良好的組網(wǎng)方案。

1 RPR和EoRPR技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 RPR 技術(shù)

RPR(彈性分組環(huán))是一種MAC層訪問(wèn)控制協(xié)議，是集SDH的快速自愈能力和以太網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)、高效性于一身的新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

RPR為互逆雙環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，環(huán)上的每段光路工作在同一速率上，RPR的雙環(huán)都能夠傳送數(shù)據(jù)，兩個(gè)環(huán)被分別稱為0環(huán)(Ringlet 0)和1環(huán)(Ringlet 1)。

RPR 0環(huán)的數(shù)據(jù)傳送方向?yàn)轫槙r(shí)針?lè)较颍?環(huán)的數(shù)據(jù)傳送方向?yàn)槟鏁r(shí)針?lè)较?，如圖1所示［1］。

圖1 RPR網(wǎng)絡(luò)原理示意圖Fig.1 Working principle of RPR

1.2 EoRPR 技術(shù)

所謂的EoRPR技術(shù)，指的是支持物理層為千兆以太網(wǎng)的RPR環(huán)網(wǎng)應(yīng)用。工作在橋模式下的RPR交換機(jī)具有MAC地址的學(xué)習(xí)能力，當(dāng)RPR接收端接收到用戶的信息幀后，自動(dòng)記錄源MAC地址、VLAN信息、源RPR節(jié)點(diǎn)信息。當(dāng)RPR節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，就會(huì)根據(jù)MAC地址表查詢到RPR節(jié)點(diǎn)的信息，并根據(jù)目的RPR節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的封裝和選環(huán)發(fā)送。

2 潛艇信息網(wǎng)絡(luò)基于EoRPR技術(shù)組網(wǎng)應(yīng)用

2.1 功能劃分

根據(jù)潛艇信息系統(tǒng)各功能子系統(tǒng)的使用特點(diǎn)，可劃分為指控系統(tǒng)、聲納系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、武器系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、平臺(tái)系統(tǒng)等功能子系統(tǒng)，如圖2所示。

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

指控系統(tǒng)作為潛艇實(shí)施作戰(zhàn)指揮控制的核心，擔(dān)負(fù)著情報(bào)綜合處理、戰(zhàn)術(shù)指揮決策、武器綜合控制等重要職責(zé);聲納系統(tǒng)和導(dǎo)航系統(tǒng)作為作戰(zhàn)系統(tǒng)的信息來(lái)源，向全系統(tǒng)提供本艇、環(huán)境、目標(biāo)等各類信息;武器系統(tǒng)則主要承擔(dān)魚雷、導(dǎo)彈、聲抗器材等各類艇載武器的發(fā)射管狀態(tài)檢查、射前準(zhǔn)備、射中狀態(tài)監(jiān)控以及射后恢復(fù)［2］;通信系統(tǒng)主要承擔(dān)外部長(zhǎng)短波信息的管理、接收、發(fā)送以及內(nèi)部通信信息的控制功能;平臺(tái)系統(tǒng)主要承擔(dān)全艇操控、艙室監(jiān)視、液壓控制、消防監(jiān)控等的管理功能。

2.2 基于EoRPR技術(shù)的潛艇信息網(wǎng)絡(luò)高可靠性組網(wǎng)方案

2.2.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)根據(jù)潛艇信息網(wǎng)絡(luò)的功能體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，綜合考慮系統(tǒng)功能分布、通信安全性、可靠性、網(wǎng)絡(luò)容量和可擴(kuò)充性等因素，將潛艇信息網(wǎng)絡(luò)物理結(jié)構(gòu)劃分為:1)指揮決策層(子網(wǎng)VLAN 1);2)傳感器層(子網(wǎng)VLAN 2);3)武器控制層(子網(wǎng)VLAN 3);4)通信層(子網(wǎng)VLAN 4);5)平臺(tái)管理層(子網(wǎng)VLAN 5)。潛艇信息網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 信息系統(tǒng)組網(wǎng)示意圖Fig.3 Networking of the information system

圖3中，設(shè)備 E1、E2、E3、E4、E5 分屬各自的 5 個(gè)子網(wǎng) VLAN 1、VLAN 2、VLAN 3、VLAN 4、VLAN 5。在Ethernet端，E1通過(guò)設(shè)備內(nèi)部的雙冗余以太網(wǎng)卡分別連接交換機(jī) S1和 S1’，E2、E3、E4、E5則同理分別連接交換機(jī) S2和 S2’、S3 和 S3’、S4 和 S4’、S5 和 S5’，構(gòu)成子網(wǎng)內(nèi)的以太網(wǎng)鏈路;在RPR端，5個(gè)子網(wǎng)通過(guò)交換機(jī) S1’、S2’、S3’、S4’和 S5’兩兩相切，外環(huán)則通過(guò)交換機(jī)S1、S2、S3、S4和 S5相連，以 RPR環(huán)路的基本原理為基礎(chǔ)，外環(huán)和5個(gè)子環(huán)構(gòu)成了相對(duì)復(fù)雜的光纖主干環(huán)路網(wǎng)絡(luò)。以上Ethernet和RPR兩部分，就構(gòu)成了基于EoRPR技術(shù)的潛艇信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。

2.2.2 工作流程

基于EoRPR技術(shù)的信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)在工作時(shí)，將在RPR節(jié)點(diǎn)端生成兩份MAC地址列表:一份是以太網(wǎng)MAC地址表，用來(lái)記錄設(shè)備信息流出的以太網(wǎng)端口號(hào)，該節(jié)點(diǎn)在作為目的RPR節(jié)點(diǎn)時(shí)，同時(shí)記錄發(fā)送設(shè)備回程信息的RPR上環(huán)端口，從而完成以太網(wǎng)端的數(shù)據(jù)傳輸;另一份是RPR環(huán)網(wǎng)MAC地址表，用來(lái)記錄設(shè)備所屬節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間的路徑，從而完成信息的上環(huán)和下環(huán)操作。

如圖3所示，當(dāng)設(shè)備E1向設(shè)備E3傳輸信息時(shí)，其首個(gè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)報(bào)文從S1上環(huán)，在S1的以太網(wǎng)MAC地址表中查詢到設(shè)備E1的源MAC地址，同時(shí)記錄設(shè)備E1在S1節(jié)點(diǎn)的以太網(wǎng)出端口。設(shè)備E1發(fā)出的信息在EoRPR外環(huán)上通過(guò)S2傳送到目的地S3時(shí)，在S3 EoRPR端的MAC地址表中查詢到設(shè)備E3的相關(guān)信息，即從S3到S1的路徑，然后信息幀被剝離RPR報(bào)頭后從S3節(jié)點(diǎn)下環(huán)，并通過(guò)S3節(jié)點(diǎn)的以太網(wǎng)端口傳輸至設(shè)備E3。同時(shí)，從S3節(jié)點(diǎn)的以太網(wǎng)MAC地址表中查詢到向設(shè)備E1發(fā)送回程報(bào)文的上環(huán)端口信息，回程信息根據(jù)同樣的信息傳輸方式完成信息回復(fù)，節(jié)點(diǎn)S1和S3的兩份MAC地址表最終學(xué)習(xí)完成。MAC地址表項(xiàng)內(nèi)容見(jiàn)表1。

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

3 設(shè)計(jì)方法

3.1 流量分層控制

潛艇信息系統(tǒng)劃分為指控系統(tǒng)、聲納系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、武器系統(tǒng)、通信系統(tǒng)及平臺(tái)系統(tǒng)6個(gè)功能子系統(tǒng)，各分系統(tǒng)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生大量的內(nèi)部信息，如果將這些信息全部發(fā)送至全局網(wǎng)絡(luò)，必然會(huì)對(duì)主干網(wǎng)的帶寬造成巨大壓力。因此，以分系統(tǒng)相對(duì)明確的功能劃分為基礎(chǔ)配置相應(yīng)的子網(wǎng)，同一子網(wǎng)內(nèi)的內(nèi)部信息直接通過(guò)交換機(jī)底板的交換模塊進(jìn)行Ethernet內(nèi)交互，對(duì)于需要跨子網(wǎng)的交互信息則通過(guò)RPR環(huán)網(wǎng)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，減輕了主干網(wǎng)的流量負(fù)載，避免了主干網(wǎng)的廣播風(fēng)暴和信息擁塞，保證網(wǎng)絡(luò)工作穩(wěn)定。

3.2 容錯(cuò)性設(shè)計(jì)

潛艇信息系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的高可靠性要求，可通過(guò)提高設(shè)備本身的可靠性水平和對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)來(lái)滿足。本網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了兩級(jí)容錯(cuò)性設(shè)計(jì)，如圖3所示。

1)一級(jí):鏈路級(jí)。

當(dāng)環(huán)網(wǎng)的光纖電纜出現(xiàn)故障時(shí)，EoRPR技術(shù)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(shí)現(xiàn)最佳的故障保護(hù)和帶寬充分利用效果。

2)二級(jí):電路級(jí)。

①在設(shè)備內(nèi)部配備雙冗余以太網(wǎng)卡，當(dāng)主端口出現(xiàn)故障時(shí)，備用端口可在50 ms內(nèi)完成自動(dòng)切換，保證信息的正常傳輸。

②由于環(huán)網(wǎng)內(nèi)的各個(gè)子網(wǎng)是通過(guò)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)相切連接的，發(fā)送節(jié)點(diǎn)至接收節(jié)點(diǎn)直接的信息傳輸鏈路并非是唯一的，當(dāng)任一交換機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，網(wǎng)絡(luò)可通過(guò)路徑算法重新計(jì)算另一條最佳路徑，實(shí)現(xiàn)信息的無(wú)間隙傳輸。

3.3 擴(kuò)展性設(shè)計(jì)

基于EoRPR技術(shù)的潛艇信息系統(tǒng)組網(wǎng)方案，因?yàn)檫^(guò)環(huán)業(yè)務(wù)透明傳送，以太網(wǎng)幀對(duì)過(guò)環(huán)節(jié)點(diǎn)透明，無(wú)需在過(guò)環(huán)節(jié)點(diǎn)上配置任何和用戶相關(guān)的信息，如VLAN信息，在環(huán)上插入新節(jié)點(diǎn)，無(wú)需添加任何與已有業(yè)務(wù)相關(guān)的配置，可以做到即插即用，新增節(jié)點(diǎn)對(duì)已有業(yè)務(wù)的沖擊小。以上文中的網(wǎng)絡(luò)為例，如需新增一個(gè)子網(wǎng)，只需對(duì)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫螤钸M(jìn)行簡(jiǎn)單的修改即可。如圖4所示。

圖4 擴(kuò)展性設(shè)計(jì)Fig.4 Expansibility design

4 EoRPR與交換式以太網(wǎng)的性能對(duì)比

EoRPR與交互式以太網(wǎng)的性能對(duì)比見(jiàn)表2。從表2的比較來(lái)看，EoRPR技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)帶寬、傳輸體制等方面較交換式以太網(wǎng)均有一定程度的優(yōu)勢(shì)，尤其在保護(hù)倒換時(shí)間和自愈恢復(fù)方式方面，其采用steering或wrapping環(huán)保護(hù)倒換機(jī)制，在50 ms內(nèi)可實(shí)現(xiàn)保護(hù)倒換，較交換式以太網(wǎng)有了大幅度的提升。

表2 EoRPR與交互式以太網(wǎng)的性能對(duì)比表Table 2 Performance of EoRPR and interactive Ethernet

5 結(jié)束語(yǔ)

潛艇信息系統(tǒng)是潛艇內(nèi)、外信息交互的平臺(tái)和樞紐，承擔(dān)了全艇信息傳輸?shù)闹匾姑?，信息種類主要包括各類戰(zhàn)術(shù)信息、命令信息、視頻圖像信息以及語(yǔ)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(zhàn)術(shù)使命特點(diǎn)，決定了其對(duì)網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)性和實(shí)時(shí)性的高要求，為保證系統(tǒng)能夠正常完成作戰(zhàn)任務(wù)，網(wǎng)絡(luò)必須在作戰(zhàn)時(shí)能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)，一旦出現(xiàn)故障，也必須能夠在較短時(shí)間內(nèi)完成故障自愈且不能丟失任何報(bào)文。本文所提出的組網(wǎng)方案，著重在可靠性和實(shí)時(shí)性方面進(jìn)行了一些研究，EoRPR技術(shù)作為一種改進(jìn)的以太網(wǎng)解決方案，應(yīng)用于潛艇信息系統(tǒng)，可較好地滿足潛艇的使用需求，具備一定的工程實(shí)用價(jià)值。

［1］華為技術(shù)有限公司.RPR技術(shù)白皮書［R］.深圳:華為技術(shù)有限公司，2007.

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

［3］歐陽(yáng)芹峰，敖發(fā)良.高生存性RPR網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)［J］.光通信技術(shù)，2006(5):13-15.

［4］昌俊，敖發(fā)良.基于一種高生存性RPR網(wǎng)絡(luò)的路由研究［J］.光學(xué)與光電技術(shù)，2008(2):36-39.

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