基于以太環(huán)網(wǎng)的艦載網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)技術(shù)

晏光華，張永勝，高曉軍

(1.海軍司令部信息化部，北京 100841;2.江蘇自動(dòng)化研究所，江蘇 連云港 222061)

2010年6月，40G和100G以太網(wǎng)技術(shù)被IEEE接納為以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，以太網(wǎng)顯現(xiàn)了強(qiáng)大的生命力;以太網(wǎng)在工業(yè)控制以及航空航天等領(lǐng)域的大量應(yīng)用［1-2］也表明以太網(wǎng)將在更為苛刻的環(huán)境中得到廣泛的應(yīng)用。隨著“平臺(tái)中心戰(zhàn)”向“網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)”的不斷發(fā)展，美軍提出了開放式體系結(jié)構(gòu)(OA)［3］的模型，艦船信息網(wǎng)絡(luò)采用交換式網(wǎng)絡(luò)，逐步從原來結(jié)構(gòu)復(fù)雜、接口繁多、系統(tǒng)緊密集成、可擴(kuò)展能力差、重復(fù)建設(shè)與投資、緊耦合向支撐全分布、構(gòu)件化、服務(wù)化、開放式的方向發(fā)展。軍隊(duì)艦載網(wǎng)絡(luò)的一體化也已迫在眉睫，為了支持全艦公共計(jì)算、存儲(chǔ)、應(yīng)用中心的建設(shè)，提升軍隊(duì)艦船信息化水平，本文將探討基于以太環(huán)網(wǎng)的艦載可靠組網(wǎng)、多業(yè)務(wù)接入等相關(guān)技術(shù)。

1 國外艦載網(wǎng)絡(luò)發(fā)展分析

隨著各種信息系統(tǒng)在艦上的大量裝備，控制艦上數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的種類和數(shù)量成為國外海軍艦艇設(shè)計(jì)建造的關(guān)注點(diǎn)之一。

20世紀(jì)80年代中期，光纖分布數(shù)據(jù)接口(FDDI)出現(xiàn)了，一經(jīng)推出即被美海軍選用并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了自適應(yīng)光纖嵌入網(wǎng)絡(luò)，如用于宙斯盾系統(tǒng)中的光纖數(shù)據(jù)多路復(fù)用系統(tǒng)。90年代初出現(xiàn)了異步傳輸模式(ATM)，ATM支持話音、數(shù)據(jù)、視頻等信息承載傳輸，曾被認(rèn)為是最終的網(wǎng)絡(luò)解決方案。1997年，美海軍用支持ATM-Sonet技術(shù)替代標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)和FDDI作為網(wǎng)絡(luò)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并陸續(xù)裝備了航母、兩棲艦、巡洋艦和潛艇。

由于以太網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，其對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)承載效率高、技術(shù)簡(jiǎn)單、效費(fèi)比高的特點(diǎn)得到了不斷完善和廣泛應(yīng)用。美軍通過對(duì)ATM、快速以太網(wǎng)、千兆以太網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的比較研究，于2000年底將支持千兆以太網(wǎng)和網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作為海軍的標(biāo)準(zhǔn)艦載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，其目標(biāo)是采用開放式體系結(jié)構(gòu)，改變?cè)瓉砼炤d網(wǎng)絡(luò)的集成方式，利用艦載一體化網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各部分互連。最具代表性的是DDG-1000上用萬兆以太網(wǎng)構(gòu)成全艦骨干網(wǎng)絡(luò)［4］，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建立“全艦計(jì)算環(huán)境”，支持所有作戰(zhàn)和平時(shí)業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)化集成。

由美軍艦載網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展可知，基于以太網(wǎng)技術(shù)的艦載網(wǎng)絡(luò)集成是打破艦載網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)、多網(wǎng)并存、各系統(tǒng)煙囪式發(fā)展模式的重要途徑，代表了艦載網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)。

2 高可靠的艦載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

艦艇由傳感器、指揮控制、情報(bào)、通信、導(dǎo)航、武器、動(dòng)力及損管等多個(gè)系統(tǒng)組成，各種上網(wǎng)節(jié)點(diǎn)分布在不同的艙室，傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)包含了實(shí)時(shí)/非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、話音、視頻等。目前，業(yè)務(wù)的承載方式主要有基于電路交換和分組交換兩種，即Everything Over SDH和Everything Over IP。其中，電路交換以SDH、MSTP技術(shù)為代表，能使網(wǎng)絡(luò)自愈時(shí)間達(dá)到50ms，由于采用虛電路的方式，服務(wù)質(zhì)量能得到較好的保障。但以SDH方式承載業(yè)務(wù)也存在配置復(fù)雜、帶寬浪費(fèi)等諸多不足。隨著IP交換速度從百兆、千兆到萬兆的不斷躍升，以及 MPLS/VPN、軟交換和IPv6等技術(shù)的出現(xiàn)，IP交換的服務(wù)質(zhì)量和移動(dòng)性都得到了很好的支持，多網(wǎng)向IP融合成為一種趨勢(shì)［5-6］，艦載網(wǎng)絡(luò)也必然朝著全I(xiàn)P化的方向發(fā)展，但分組交換“盡力而為”的特點(diǎn)決定了以分組交換替代傳統(tǒng)的電路交換仍然存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。因此，如何構(gòu)建基于IP的高可靠網(wǎng)絡(luò)是艦載網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)首先必須解決的問題。

現(xiàn)階段艦載網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模不大，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟草^為簡(jiǎn)單。如果采用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)全艦所有上網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的信息接入，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模將成倍增長，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟蚕鄳?yīng)復(fù)雜，生成樹、快速生成樹技術(shù)顯然達(dá)不到傳統(tǒng)SDH方式的50ms故障恢復(fù)時(shí)間。因此，必須選擇合理的拓?fù)浞绞?，采用改進(jìn)的拓?fù)淙哂嗨惴?，提高網(wǎng)絡(luò)的自愈收斂時(shí)間。

艦艇按區(qū)域一般可劃分為左舷、右舷、艦艏、艦艉，因此，艦艇主干網(wǎng)絡(luò)可根據(jù)艇艇規(guī)模選用若干臺(tái)高可靠、高性能網(wǎng)絡(luò)設(shè)備作為主干網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，并將主干網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)為單環(huán)或多環(huán)拓?fù)?，主干網(wǎng)絡(luò)采用以太環(huán)網(wǎng)技術(shù)，通過改進(jìn)生成樹算法，將復(fù)雜的Dijkstra算法改為簡(jiǎn)單環(huán)路檢測(cè)判斷，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的快速恢復(fù)。

由于艦載計(jì)算中心或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心需要大量的端口及高吞吐量的網(wǎng)絡(luò)接入，可采用交換機(jī)集群技術(shù)，通過集群實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的虛擬化［7-8］，實(shí)現(xiàn)集群網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的統(tǒng)一配置、管理、維護(hù)以及升級(jí)。網(wǎng)絡(luò)虛擬化使得原來需要上聯(lián)到利用生成樹協(xié)議冗余互連的兩臺(tái)獨(dú)立交換機(jī)變成了上聯(lián)一臺(tái)虛擬交換機(jī)，端口的轉(zhuǎn)發(fā)不需要采用生成樹協(xié)議控制，保證了網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)具有較高的實(shí)時(shí)性。虛擬交換機(jī)采用選舉的方式選出主用和備用引擎，保證網(wǎng)絡(luò)的高可靠性。并且，通過虛擬交換機(jī)還可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)中接入層、匯聚層的合二為一，在擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)端口密度的同時(shí)，避免了增加交換節(jié)點(diǎn)所帶來的交互量成O(N2)增長的問題。

對(duì)于全艦相對(duì)獨(dú)立的業(yè)務(wù)，如監(jiān)控視頻、話音、電視錄播等獨(dú)立組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)接入，可以通過部署虛擬專用網(wǎng)(VPN)的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種業(yè)務(wù)的承載與隔離。具體實(shí)現(xiàn)方式為:在主干網(wǎng)絡(luò)部署OSPF路由作為IBGP路由，并啟用MPLS標(biāo)簽交換，通過構(gòu)建等價(jià)轉(zhuǎn)發(fā)類(FEC)實(shí)現(xiàn)上層業(yè)務(wù)的分類轉(zhuǎn)發(fā)控制，通過標(biāo)簽交換實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速轉(zhuǎn)發(fā)及細(xì)粒度的服務(wù)質(zhì)量控制;主干網(wǎng)絡(luò)的PE交換機(jī)利用虛擬轉(zhuǎn)發(fā)表(VRF)管理VPN內(nèi)部路由，利用MPBGP協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)VPN路由，并通過VPN的路由導(dǎo)入導(dǎo)出機(jī)制，實(shí)現(xiàn)VPN間的訪問控制。

對(duì)于傳統(tǒng)TDM業(yè)務(wù)，可利用TDM電路仿真方式接入，并通過MPLS L2VPN構(gòu)造偽線，構(gòu)建鏈路層的快速轉(zhuǎn)發(fā)通道，避免三層交換及路由收斂帶來的轉(zhuǎn)發(fā)及故障恢復(fù)延遲，保證傳統(tǒng)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的同步時(shí)鐘恢復(fù)性能。

對(duì)于音視頻等大量需要組播的應(yīng)用，利用自舉路由器(BSR)、匯聚點(diǎn)(RP)的選舉方法，保證匯聚點(diǎn)(RP)的可靠通告，并利用PIM-SM組播路由降低組播流量，提高組播應(yīng)用的可靠性。

基于以太環(huán)網(wǎng)的高可靠艦載網(wǎng)絡(luò)框架如圖1所示。

圖1 基于以太環(huán)網(wǎng)的高可靠艦載網(wǎng)絡(luò)框架示意圖

3 艦載以太環(huán)網(wǎng)設(shè)計(jì)

3.1 以太環(huán)網(wǎng)原理分析

以太環(huán)網(wǎng)在環(huán)中定義了主節(jié)點(diǎn)與從節(jié)點(diǎn)、主端口與從端口，以太環(huán)網(wǎng)要求每個(gè)環(huán)上有唯一的一個(gè)主節(jié)點(diǎn)，所有其它的節(jié)點(diǎn)稱為從節(jié)點(diǎn)。環(huán)上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有兩個(gè)端口來連接成環(huán)。節(jié)點(diǎn)的兩個(gè)端口中，其中一個(gè)被指定為主端口，另一個(gè)被指定為從端口。協(xié)議的運(yùn)行流程為:正常工作時(shí)，主節(jié)點(diǎn)將從端口置為阻塞狀態(tài)，不讓數(shù)據(jù)幀通過，以避免以太網(wǎng)幀在網(wǎng)中環(huán)回形成廣播風(fēng)暴;如果某節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到故障，迅速利用斷路告警幀通知主節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)在接收到斷路告警幀后迅速將其從端口解阻塞，清空MAC地址表，將從端口打開，并允許數(shù)據(jù)幀從此通過，并給傳輸節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制幀，通知它們清空自己的MAC地址表，此后的地址學(xué)習(xí)過程按普通方式重新開始，以保證環(huán)的連通性，從而實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的環(huán)網(wǎng)保護(hù)。此后，主節(jié)點(diǎn)仍定時(shí)發(fā)送診斷幀，如果該幀被從端口收到，則認(rèn)為環(huán)路恢復(fù)，然后清空MAC地址表，重新阻塞從端口，并給所有傳輸節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制幀，通知它們清空自己的MAC地址表，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)網(wǎng)恢復(fù)。在此過程中，從節(jié)點(diǎn)在發(fā)現(xiàn)相鄰鏈路恢復(fù)時(shí)，并不會(huì)立即啟用相應(yīng)端口，而是將轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)機(jī)遷移到預(yù)轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。當(dāng)處于預(yù)轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)的傳輸節(jié)點(diǎn)收到一個(gè)指示清空MAC地址表的控制幀時(shí)，傳輸節(jié)點(diǎn)將清空MAC地址表，打開先前處于臨時(shí)阻塞狀態(tài)的端口，轉(zhuǎn)入正常狀態(tài)。

圖2 三個(gè)主干網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成單環(huán)或雙環(huán)拓?fù)涞沫h(huán)網(wǎng)保護(hù)示意圖

根據(jù)上述的原理介紹，假設(shè)故障鏈路的節(jié)點(diǎn)檢測(cè)時(shí)間為tfailure－detect，節(jié)點(diǎn)接收環(huán)網(wǎng)控制信息的時(shí)間為trecv，節(jié)點(diǎn)處理環(huán)網(wǎng)控制信息時(shí)間為tprocess，節(jié)點(diǎn)發(fā)送環(huán)網(wǎng)控制信息的時(shí)間tsend，節(jié)點(diǎn)打開或關(guān)閉端口的時(shí)間為tport，網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點(diǎn)更新MAC地址表的時(shí)間為tMAC，假設(shè)艦體大小S=L·W=500m×100m，假定以太環(huán)網(wǎng)直徑D=2R=50km，主干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量N=50個(gè)，根據(jù)目前交換機(jī)的性能水平，上述參數(shù)的典型值為:tfailure－detect=10ms，tsend=5us，trecv=5us，tprocess=10us，tMAC=20ms，因此鏈路中斷，環(huán)網(wǎng)保護(hù)的流程為:鏈路故障→節(jié)點(diǎn)檢測(cè)故障→故障端口關(guān)閉→故障節(jié)點(diǎn)發(fā)送鏈路中斷信息給所有節(jié)點(diǎn)→從端口打開→主節(jié)點(diǎn)發(fā)送清MAC消息給所有節(jié)點(diǎn)→節(jié)點(diǎn)更新MAC，另外考慮到環(huán)網(wǎng)的傳輸延時(shí)ttrans=π·D/c(其中c=3.0×108m/s)，則環(huán)網(wǎng)的保護(hù)時(shí)間為:

根據(jù)交換機(jī)的典型值，可計(jì)算得到艦體大小S=L·W=500m×100m的環(huán)網(wǎng)保護(hù)時(shí)間為:

同樣可分析艦載以太環(huán)網(wǎng)的恢復(fù)時(shí)間，環(huán)網(wǎng)恢復(fù)的流程為:鏈路恢復(fù)→節(jié)點(diǎn)恢復(fù)診斷幀轉(zhuǎn)發(fā)→診斷幀發(fā)送→從端口關(guān)閉→主節(jié)點(diǎn)發(fā)送清MAC消息給所有節(jié)點(diǎn)→節(jié)點(diǎn)更新MAC，同樣考慮到環(huán)網(wǎng)的傳輸延時(shí)ttrans，則環(huán)網(wǎng)的恢復(fù)時(shí)間為:

根據(jù)交換機(jī)的典型值，可計(jì)算得到艦體大小S=L·W=500m×100m的環(huán)網(wǎng)恢復(fù)時(shí)間為:

由上述分析可見 t保護(hù)＜50ms，t恢復(fù)＜50ms，因此艦載以太環(huán)網(wǎng)的保護(hù)時(shí)間及恢復(fù)時(shí)間均小于SDH 50ms的倒換保護(hù)時(shí)間。因此，采用以太環(huán)網(wǎng)作為艦載主干網(wǎng)絡(luò)滿足艦載網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)使用要求。

3.2 典型的艦載環(huán)網(wǎng)設(shè)計(jì)

根據(jù)艦艇規(guī)模，一般噸位的驅(qū)逐艦及護(hù)衛(wèi)艦可采用三或四臺(tái)高可靠、高性能網(wǎng)絡(luò)設(shè)備作為主干網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，主干網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)盡量采用左右舷、艦艏艉對(duì)稱部署，通過構(gòu)建單環(huán)或多環(huán)的以太環(huán)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的快速恢復(fù)。采用三臺(tái)主干網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D2所示。

4 艦載網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試分析

本文為了測(cè)試基于以太環(huán)網(wǎng)的艦載網(wǎng)絡(luò)性能，利用三臺(tái)萬兆交換機(jī)搭建了如圖2所示的單環(huán)網(wǎng)絡(luò)測(cè)試平臺(tái)，主交換機(jī)之間采用萬兆以太網(wǎng)光口方式互連，測(cè)試時(shí)發(fā)送端按照ΔT的時(shí)間間隔發(fā)包，并在數(shù)據(jù)包中附帶報(bào)文序號(hào)及發(fā)送時(shí)刻信息;接收端接收數(shù)據(jù)包，通過監(jiān)視接收端報(bào)文的連續(xù)性判斷網(wǎng)絡(luò)中斷，通過計(jì)算中斷前后報(bào)文的時(shí)戳之差t測(cè)量估算網(wǎng)絡(luò)的故障保護(hù)或恢復(fù)時(shí)間t保護(hù)、t恢復(fù)。測(cè)量方法如圖3所示。為了保證網(wǎng)絡(luò)切換恢復(fù)的時(shí)間測(cè)量具備較小的誤差，測(cè)試時(shí)利用0.5ms間隔發(fā)送數(shù)據(jù)包，通過物理插拔光纜或直接在接口shutdown/no shutdown的方式模擬故障及故障恢復(fù)，分別測(cè)試網(wǎng)絡(luò)保護(hù)及網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時(shí)間。三臺(tái)主干網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采用單環(huán)以太環(huán)網(wǎng)拓?fù)涞逆溌非袚Q時(shí)間測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖3 艦載網(wǎng)絡(luò)保護(hù)或恢復(fù)時(shí)間測(cè)量方法示意圖

圖4 三臺(tái)主干網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采用單環(huán)以太環(huán)網(wǎng)拓?fù)涞逆溌非袚Q時(shí)間測(cè)試結(jié)果

根據(jù)測(cè)試結(jié)果計(jì)算鏈路保護(hù)及恢復(fù)切換的均值時(shí)間為 E(t保護(hù))=28.3ms，E(t恢復(fù))=19.7ms與理論分析相符，并且測(cè)量20次結(jié)果無一次結(jié)果超過50ms。因此，基于以太環(huán)網(wǎng)的艦載高可靠網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)可行。

5 結(jié)束語

基于以太網(wǎng)的全艦網(wǎng)絡(luò)一體化集成，利用以太網(wǎng)作為統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，打破了艦船網(wǎng)絡(luò)煙囪設(shè)計(jì)帶來的高度互耦、信息共享能力弱、重復(fù)建設(shè)等問題，并利用以太環(huán)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)虛擬化以及TDM電路仿真等技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障的快速恢復(fù)、多業(yè)務(wù)的接入及集成應(yīng)用，從而保障各系統(tǒng)間充分的信息共享，達(dá)到信息流暢、流程優(yōu)化的目標(biāo)，并最終通過網(wǎng)絡(luò)的一體化推動(dòng)全艦的集成優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升軍隊(duì)的艦艇信息化水平。

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