基于AFDX的潛用水聲傳感器信息傳輸網(wǎng)絡

王 偉，林恒清

(中國船舶工業(yè)集團公司船舶系統(tǒng)工程部水聲對抗技術重點實驗室，北京 100036)

0 引言

隨著潛艇靜音技術的飛速發(fā)展，單一的水聲傳感器難以捕捉到靜音潛艇的行蹤，為此，需要對多個水聲傳感器的探測信息進行多傳感器信息融合，才能綜合判斷出靜音潛艇。然而每個水聲傳感器的探測數(shù)據(jù)量相當龐大，所有傳感器的探測數(shù)據(jù)完全上網(wǎng)，勢必會影響到整個作戰(zhàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡的實時性和可靠性，最終影響到潛艇的作戰(zhàn)效能。

為了解決系統(tǒng)網(wǎng)絡的實時性問題，需要對現(xiàn)有的以工業(yè)以太網(wǎng)為基礎的作戰(zhàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡進行升級，即升級為AFDX網(wǎng)絡。

1 AFDX

航空電子全雙工交換式以太網(wǎng)(Avionics Fullduplex Switched Ethernet Network，AFDX)是由工業(yè)標準以太網(wǎng)經(jīng)過對航電系統(tǒng)適應性改造而成，除了可靠性和抗惡劣環(huán)境設計之外，適用性改造主要集中在實時性能的保證機制上。目前，AFDX已經(jīng)被融入ARINC公司的飛機數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(Aircraft Data Network，ADN)工作組的標準化進程，并被采納為由ARINC 664 part 7規(guī)范定義的標準。

AFDX網(wǎng)絡采用虛擬鏈路(Virtual Link，VL)技術，并根據(jù)每個水聲傳感器數(shù)據(jù)流量分配專門的通信信道，克服了傳統(tǒng)以太網(wǎng)由于傳輸鏈路共享造成信道沖突，既保證任一傳感器數(shù)據(jù)傳遞的實時性，又不影響網(wǎng)絡整體對作戰(zhàn)系統(tǒng)命令等關鍵數(shù)據(jù)的實時傳輸。即AFDX能做到使每個網(wǎng)絡傳輸請求必須得到服務，且最大的網(wǎng)絡傳輸延遲(也被稱為“端到端時延”)必須得到保證。該保證服務提供一種穩(wěn)固的、數(shù)學可證明的幀端到端傳輸延遲的上界，有界延遲的保證意味著鏈路層次上保證一定量的帶寬。

2 虛擬鏈路

2.1 虛擬鏈路(VL)的定義

AFDX是所謂的確定性網(wǎng)絡，確定性主要是指時間的確定性，即實時性。AFDX由端系統(tǒng)，交換機和連接鏈路組成，實時性的性能保證機制主要右端系統(tǒng)實現(xiàn)，引進虛擬鏈路的概念，對帶寬資源進行有效的分隔，實現(xiàn)邏輯大的流量隔離。

虛擬鏈路是從數(shù)據(jù)源通過多播地址發(fā)布的一路數(shù)據(jù)包流量，它在邏輯上類似于ARINC 429的單雙工一對多鏈路，但物理上很多路VL共用1條以太網(wǎng)鏈路，并通過交換機進行交換和多播。

虛擬鏈路是1個概念化的通信對象，被定義了1個邏輯上的單向連接，從1個源到1個或多個目的端系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 1個虛擬鏈路等于1個路徑Fig.1 One virtual link equal to one path

每個虛擬鏈路都被指定1個最大帶寬，該帶寬由系統(tǒng)集成者分配。

在ES支持的虛擬鏈路中，ES利用可用帶寬提供邏輯隔離，不論某個分區(qū)試圖在1條VL上得到怎樣的帶寬利用率，其他任何的VL的可用帶寬不受影響。虛擬鏈路的處理通過一種流量控制機制獲得的，這種機制將屬于這個ES的不同的數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)流進行規(guī)整，流量整形使得把各個幀分開(如圖2所示)，用以限制虛擬鏈路上瞬時的幀速率。對于每條虛擬鏈路，不論其他虛擬鏈路是如何使用帶寬的，端系統(tǒng)的通信協(xié)議棧應該保證它所分配的帶寬。

圖2 虛擬鏈路流的規(guī)整Fig.2 Virtual link rate shaping

在發(fā)送端采用流量整形機制在VLs間分配通信資源。流量整形同時限制VL的突發(fā)度，決定了聚合流量的最壞條件下的排隊延遲界限。

對每條VL定義:

1)最大幀長度為Lmax;

2)帶寬分配間隔BAG為Tg。

其中Tg為給定的VL上前后2個數(shù)據(jù)包之間的最小間隔。

表1 帶寬分配間隔的允許取值Tab.1 Permitted value of BAG(Bandwidth Allocation Gap)

按照ARINC664 part 7的規(guī)定，BAG的取值以ms為單位，呈2的冪次，如表1所示。主機上緊密相關的通信任務被稱為子VL(sub－VL)，AFDX的ES還可以將若干sub－VL合并為1條VL。

例如:3個sub－VL，它們的刷新頻率分別是10，20和40 Hz，則它們的總頻率是70 Hz(平均每秒有70條消息)，相當于平均周期為14.4 ms。為了保證它們充足的帶寬，VL的平均周期不能大于14.4 ms，經(jīng)查表1，選擇BAG=8 ms，刷新頻率為125 Hz，相當于每秒最多可以有125個位置，異步的sub-VLs中的數(shù)據(jù)包根據(jù)到達時間的先后選定自己的位置。

2.2 VL的最大帶寬

每條VL的特性都可以通過分析確定，設定確定的帶寬規(guī)整流量控制，見圖3所示。通過對每條VL同時規(guī)定帶寬和幀發(fā)送間隔的界限來實現(xiàn)。

分配給這個VL的最大帶寬是Lmax/Tg。

在任意時間，通過加大的幀間隔或使用更小的幀來減少使用的帶寬，通過限定每條VL的特性，就能分析整個網(wǎng)絡的確定性屬性。

圖3 虛擬鏈路的流量控制Fig.3 Virtual link flux controlling

3 AFDX使用實例分析

在工業(yè)交換式以太網(wǎng)中，由于沒有為每個數(shù)據(jù)通道劃分1個固定帶寬的虛擬鏈路(VL)，因此網(wǎng)絡中某一瞬間，各個設備的每個軟件模塊都可能發(fā)出網(wǎng)絡包，假設該時刻突發(fā)1 000個UDP包，又假設每個UDP包的包長度都為1 000 Byte，報文之間就會在網(wǎng)絡中與其他報文發(fā)生資源的爭用，從而導致每個數(shù)據(jù)包都有不同程度的時延。

又假設，最后被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包恰巧是武器發(fā)射命令“Z”，則該命令就被延遲了如下時間:

如果為網(wǎng)絡上每個設備的每個軟件模塊的數(shù)據(jù)通道分配了固定和恰當?shù)腣L，那么系統(tǒng)集成者可以為武器發(fā)射命令“Z”設計出1個恰當?shù)腣L，假如該武器發(fā)射命令在10 ms內(nèi)沒有送達目的地，則該發(fā)射命令無效，以此可以設計出該VL的要求帶寬:

即“Z”命令的VL需要分配1 Mbps的帶寬就可以滿足“Z”命令任何情況下的傳輸時延不會超過10 ms。

當然，在為“Z”命令分配1Mbps帶寬的VL通道時，按照AFDX的規(guī)范，需要對各種數(shù)據(jù)包進行特性判斷，給其分配1個恰當帶寬的VL，尤其水聲傳感器的VL分配，要在一定帶寬的網(wǎng)絡通信系統(tǒng)下，給各個傳感器的數(shù)據(jù)流分配合適的帶寬，使其滿足信息融合對原始探測數(shù)據(jù)信息的實時性和可靠性要求。

假如某水深傳感器數(shù)據(jù)源信息報文的長度為1 000字節(jié)，消息周期為50 ms，則為其分配的VL帶寬為:

即該傳感器網(wǎng)絡端口的帶寬258 kbps，就可以滿足其數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)囊蟆?/p>

在使用工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡時，該傳感器沒有安裝AFDX端系統(tǒng)，其發(fā)送探測信息數(shù)據(jù)包的速度為百兆以太網(wǎng)口的速度，即100 Mbps，如此高的數(shù)據(jù)包速度，就在某個時刻消耗了整個帶寬，然而在AFDX網(wǎng)絡下，該設備端口被限速為258 kbps，因此有效避免瞬間網(wǎng)絡超載，造成關鍵的發(fā)射控制命令被無邊界的延遲。

4 結(jié)語

通過對AFDX網(wǎng)絡及其VL(虛擬鏈路)等實時保證機制的介紹，又通過一個簡要的實例分析，可以保證將來在越來越多水聲傳感器加裝到潛艇平臺上后，整個艇用網(wǎng)絡通信系統(tǒng)不會因為傳輸越來越多的傳感器信息，造成某些時刻把重要的武器發(fā)射命令無邊界的不確定的延遲。在AFDX網(wǎng)絡下，只要為每個數(shù)據(jù)通道設計出合理帶寬的VL，就可以保證每個數(shù)據(jù)包有邊界的確定延遲時間內(nèi)被送達目的。

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