民用飛機機載網(wǎng)絡仿真技術研究

摘 要：目前民機航空數(shù)據(jù)網(wǎng)絡系統(tǒng)，一方面逐步走向了高度綜合化，一方面由于飛機航電功能承擔飛機先進性要求，業(yè)務量也在逐步增大，因此導致了網(wǎng)絡系統(tǒng)愈加復雜，這就對網(wǎng)絡優(yōu)化設計提出了新的要求。針對于此，該文論證了網(wǎng)絡建模仿真手段，作為民機機載網(wǎng)絡的設計論證與確認工作手段的重要性，同時，針對目前常用的幾類網(wǎng)絡仿真技術的特點和適用性，進行了分析、比對和總結(jié)，并針對一種目前可行的網(wǎng)絡仿真的具體實施用例進行了詳細闡述。

關鍵詞：民機機載網(wǎng)絡 網(wǎng)絡仿真 建模 性能確認

中圖分類號：V271.1 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）08（b）-0093-02

1 背景

在民機航電技術迅速發(fā)展的背景下，機載網(wǎng)絡發(fā)展呈現(xiàn)了如下幾個特點：

（1）高度綜合化，從點到點式低速總線走向了共享式的高速總線，比如目前民機上用的AFDX總線，帶來了布線和重量的大幅度改進，同時也帶來了安全性與確定性設計難度的上升；

（2）整網(wǎng)結(jié)構(gòu)復雜化，為了實現(xiàn)價值最大化，由于目前民機系統(tǒng)分包模式復雜，需要兼容多家供應商成熟產(chǎn)品，包括很多遺留設備總線類型，各種不同類型的網(wǎng)絡通過集中式或分布式的網(wǎng)關轉(zhuǎn)換單元與高度綜合化的主干網(wǎng)絡進行了互聯(lián)，帶來了設計復雜性；

（3）業(yè)務量擴大化，由于目前飛機功能的增多，網(wǎng)絡負載日益繁重，所需帶寬占用量迅速增大，對確保網(wǎng)絡傳輸延時與共享式網(wǎng)絡的行為確定性保證帶來挑戰(zhàn)。

因此，目前研究人員一方面要不斷思考新的網(wǎng)絡協(xié)議和算法，為目前發(fā)展做出前瞻性的基礎研究，提供速度更快、容量更大、更安全與更加確定性的機載網(wǎng)絡；另一方面也要研究如何面對目前發(fā)展趨勢下的網(wǎng)絡構(gòu)型資源進行優(yōu)化配置，使在滿足頂層要求前提下的網(wǎng)絡承載能力最大化，滿足各飛機功能的需求。

網(wǎng)絡仿真能夠為網(wǎng)絡的規(guī)劃設計提供可靠的定量依據(jù)，對比與網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的獲得，是在網(wǎng)絡系統(tǒng)構(gòu)建與配置完成并運行后得到的實際數(shù)據(jù)，它是通過實際網(wǎng)絡測試系統(tǒng)得到，并且還需要對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析處理才能得到結(jié)果，如果此時發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)性問題，需要對網(wǎng)絡進行更改，代價將會比較大。而網(wǎng)絡仿真技術能夠迅速地建立網(wǎng)絡的模型，方便修改模型并進行仿真，得到特定的網(wǎng)絡性能參數(shù)，全面運用網(wǎng)絡仿真技術，進行快速的分析驗證與設計迭代，從而實現(xiàn)對網(wǎng)絡設計的性能需求的確認，使得網(wǎng)絡設計和規(guī)劃變的更為簡單方便，能在早期能夠發(fā)現(xiàn)并解決問題。

網(wǎng)絡仿真是一種利用數(shù)學建模和統(tǒng)計分析的方法模擬和計算網(wǎng)絡的行為，一般按照“建模-仿真計算-結(jié)果分析”三步方式進行，通過建立網(wǎng)絡設備和網(wǎng)絡鏈路的統(tǒng)計模型，模擬網(wǎng)絡流量的傳輸并統(tǒng)計相關特征或通過計算分析網(wǎng)絡系統(tǒng)的行為，從而獲取網(wǎng)絡設計及優(yōu)化所需要的網(wǎng)絡性能數(shù)據(jù)的技術。網(wǎng)絡仿真工具是為了進行仿真而開發(fā)的專用計算機軟件。從仿真工具目的性來看我們可以將其分為專用仿真工具和通用仿真工具，從仿真工作范圍的，可以分成部件級、設備級和全網(wǎng)級仿真，對應的確認驗證的范圍與目標各不相同。

2 常用的網(wǎng)絡仿真方法

2.1 網(wǎng)絡仿真方法

廣義上的網(wǎng)絡仿真的方法一般有三類。

（1）第一種是使用網(wǎng)絡模擬方法，即狹義的網(wǎng)絡仿真的范圍。使用網(wǎng)絡模擬仿真的目的在于對常見的一些網(wǎng)絡中的情景進行真實再現(xiàn)，觀測一定的條件下網(wǎng)絡的性能指標。網(wǎng)絡模擬使用隊列和對象等結(jié)構(gòu)體來模擬仿真網(wǎng)絡實體，主要理論依據(jù)是網(wǎng)絡隊列理論模型。其中的最常見的網(wǎng)絡元素為鏈路、緩沖區(qū)、調(diào)度器和解復用器。

（2）第二種是網(wǎng)絡演算方法，這也屬于分析方法的范疇。該理論利用最大代數(shù)和微積分理論。由于建模簡單，計算方便且時間復雜度低，同時可以分析最差情況下的數(shù)據(jù)包端到端的延時，所以在計算機載網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流端到端最壞延遲這一重要指標時得到了廣泛的應用。

（3）第三種是模型檢測形式化方法，這也屬于分析方法的范疇。該方法主要使用形式化方法諸如時間自動機理論，對系統(tǒng)的所有可能的狀態(tài)進行有窮考察，因此可以得到了最精確的理論分析值，但對應系統(tǒng)建模難度大，在網(wǎng)絡規(guī)模上升后狀態(tài)較為復雜。

2.2 網(wǎng)絡模擬方法

網(wǎng)絡模擬方法是采用網(wǎng)絡模擬工具，設計對應的網(wǎng)絡系統(tǒng)的模擬模型，在工具環(huán)境中運行這個模型，模仿系統(tǒng)的行為和特征，并分析運行的輸出結(jié)果。

模擬方法很靈活，可以根據(jù)需要設計所需的網(wǎng)絡模型，以用相對很少的時間和費用了解網(wǎng)絡在不同條件下的各種特性，獲取網(wǎng)絡研究的豐富有效的數(shù)據(jù)。

針對模擬方法，有較多的特定的網(wǎng)絡仿真工具，目前使用廣泛的網(wǎng)絡模擬仿真軟件包括OPNET、QualNet、NS2、OMNet++等專用工具以及Matlab等通用工具。

根據(jù)網(wǎng)絡系統(tǒng)的組成，一般仿真模型包括：協(xié)議模型、網(wǎng)絡節(jié)點組件模型、拓撲模型、流量模型、故障注入模型、統(tǒng)計模型等。而目前主流的網(wǎng)絡模擬仿真軟件均能實現(xiàn)：豐富可重用的模型庫，大規(guī)模多節(jié)點集成仿真，基于事件系統(tǒng)同步驅(qū)動，可視化編輯、配置與演示能力及用戶模型可擴展化。

網(wǎng)絡模擬方法由于是對網(wǎng)絡行為的數(shù)字化模擬，因此其模型仿真所關注特征較為廣泛，根據(jù)所需特征和驗證目的，仿真與抽象化程度可靈活配置，但同時，網(wǎng)絡模擬方法受軟硬件資源的限制，無法同時展現(xiàn)現(xiàn)實網(wǎng)絡的全部特性，類似于時間受限的真實系統(tǒng)運行，很難獲得確定性特征，即在有限時間仿真獲得最壞情況的確認（包括最壞延遲、最大數(shù)據(jù)積壓、瞬時最大帶寬等）。

2.3 模型檢驗形式化方法

模型檢測是一種很重要的自動驗證技術。它最早由Clarke和Emerson以及Quielle和Sifakis在1981年分別提出的，主要通過顯式狀態(tài)搜索或隱式不動點計算來驗證有窮狀態(tài)并發(fā)系統(tǒng)的模態(tài)/命題性質(zhì)。由于模型檢測可以自動執(zhí)行，并能在系統(tǒng)不滿足性質(zhì)時提供反例路徑，因此在工業(yè)界比演繹證明更受推崇。盡管限制在有窮系統(tǒng)上是一個缺點，但模型檢查可以應用于許多非常重要的系統(tǒng)，如硬件控制器和通信協(xié)議都是有窮狀態(tài)系統(tǒng)。很多情況下，可以把模型檢測和各種抽象與歸納原則結(jié)合起來驗證非有窮狀態(tài)系統(tǒng)（如實時系統(tǒng)），模型檢測已被應用于計算機硬件、通信協(xié)議、控制系統(tǒng)、安全認證協(xié)議等方面的分析與驗證中。[1]

模型檢驗形式化方法，就是采用時間自動機等工具，進行分析和驗證實時系統(tǒng)的一種形式化驗證方法。實時系統(tǒng)的可靠性如果采用時間自動機來驗證的話，一般可以轉(zhuǎn)化為下面的問題：兩個時間自動機接受的時間正則語言能否相互包含，也可以看作是兩個時間正則語言的交集是不是空的判定問題。

采用模型驗證形式化方法將能通過證明的方法，形成可預測的精確的行為模型，但此方法具有時間計算復雜度高以及模型構(gòu)建方式復雜的缺陷，當網(wǎng)絡系統(tǒng)變得很復雜時，采用形式化規(guī)則對系統(tǒng)進行詳細描述將非常困難，所以并未得到廣泛的使用。

2.4 網(wǎng)絡演算方法

由于網(wǎng)絡模擬的方法不一定能夠把網(wǎng)絡中的所有可能的情形情景進行一一分析，所以得到的數(shù)據(jù)流端到端的延時僅僅能夠作為考察特定網(wǎng)絡特定情形下的結(jié)論，不一定能夠完全覆蓋所有的端到端的最大延時，所以在最壞延遲分析等確定性指標確認方面，僅僅具有一定的參考價值。

而確定性網(wǎng)絡演算方法，是一種基于最小加代數(shù)和最大加代數(shù)的網(wǎng)絡性能分析工具，網(wǎng)絡演算分為確定性網(wǎng)絡演算和隨機網(wǎng)絡演算。確定網(wǎng)絡演算只能求出網(wǎng)絡性能的邊界值，在機載網(wǎng)絡的最壞情況分析中起到了非常重要的作用。隨機網(wǎng)絡演算是在確定網(wǎng)絡演算基礎上演變而成的，旨在為網(wǎng)絡提供隨機服務質(zhì)量保障。

最小加代數(shù)是以離散事件為模型所建立起來的。該代數(shù)體系定義了一個由實數(shù)集和無窮大組成的集合，同時定義了在該集合上的最小值和加法運算。數(shù)據(jù)流可以使用累計函數(shù)（即該數(shù)據(jù)流在給定時間段內(nèi)發(fā)送的數(shù)據(jù)包流量的總和）來表示。如果該累計函數(shù)符合一定的約束限制條件，則稱該約束條件為該數(shù)據(jù)流的“到達曲線”。因此可以用到達曲線來表示數(shù)據(jù)流的屬性。對于網(wǎng)絡節(jié)點或者整個網(wǎng)絡，則可以用服務曲線來描述。通過這兩個基本的數(shù)學模型，就可以使用最小加代數(shù)理論的各種運算對復雜網(wǎng)絡進行量化分析。[2]

確定性網(wǎng)絡演算主要用于機載網(wǎng)絡中最壞情況分析中性能指標的確認，從而對網(wǎng)絡的確定性指標進行確認。[3]但對概率流量背景下，正常運行的仿真結(jié)果無法獲得，運用適用面比較專一化。

3 一種基于網(wǎng)絡模擬的機載網(wǎng)絡仿真實例

3.1 建模

網(wǎng)絡構(gòu)建包括：網(wǎng)絡節(jié)點構(gòu)建、全網(wǎng)模型構(gòu)建、網(wǎng)絡配置構(gòu)建、流量構(gòu)建和統(tǒng)計監(jiān)控模塊設置等。

第一步需要進行網(wǎng)絡系統(tǒng)的整體靜態(tài)模型構(gòu)建，網(wǎng)絡系統(tǒng)模型構(gòu)建內(nèi)容包括三層：

（1）網(wǎng)絡域模型構(gòu)建，包括全網(wǎng)拓撲、配置參數(shù)和網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包發(fā)生模型的建模。

（2）網(wǎng)絡節(jié)點域構(gòu)建，根據(jù)節(jié)點類型，進行不同節(jié)點的協(xié)議模型搭建，包括參考7層模型對網(wǎng)絡收發(fā)節(jié)點的建立，對網(wǎng)絡中樞交換和網(wǎng)關轉(zhuǎn)換節(jié)點的建立等。

（3）網(wǎng)絡節(jié)點內(nèi)部進程模型構(gòu)建，根據(jù)節(jié)點中不同層不同網(wǎng)絡協(xié)議的定義，進行進程模型的構(gòu)建，包括進行流程和狀態(tài)機構(gòu)建。

網(wǎng)絡基本單元構(gòu)建

網(wǎng)絡基本單元主要構(gòu)建網(wǎng)絡的各類節(jié)點及其進行模型的設計，包括：應用、終端節(jié)點、交換機、遠程數(shù)據(jù)集中器等。

在網(wǎng)絡基本單元構(gòu)建中，需要把節(jié)點中的網(wǎng)絡協(xié)議進行實現(xiàn)與構(gòu)建，包括如下節(jié)點順序和協(xié)議配置：

（1）終端節(jié)點模型，包括傳輸速率、冗余管理、尋址、復用調(diào)度器、緩沖策略、應用等。

（2）交換機節(jié)點模型，包括交換模型、緩沖策略、過濾管制、流量整形等。

（3）遠程數(shù)據(jù)集中器節(jié)點模型，包括：網(wǎng)關轉(zhuǎn)換協(xié)議、交換模型、終端節(jié)點模型等。

（4）應用節(jié)點模型，包括：采用標準節(jié)點模型擴展的自定義模型，可以配置一些標準業(yè)務，比如上層網(wǎng)絡協(xié)議定義包括TFTP，維護協(xié)議等，并可以配置節(jié)點的功能仿真模型。

數(shù)據(jù)包發(fā)生模型構(gòu)建

基于包的通信仿真將用于來模擬實際物理網(wǎng)絡中包的流動，包括在網(wǎng)絡設備間的流動和網(wǎng)絡設備內(nèi)部的處理過程。每種有格式的包都含有一些稱作包域的存儲信息的區(qū)域，通過包域的名字可以對其包含的數(shù)據(jù)進行訪問。

可以存儲不同類型的包信息，如整形、雙精度浮點型、結(jié)構(gòu)體甚至是另一個數(shù)據(jù)包。在仿真的過程中，仿真實體可以根據(jù)實際情況創(chuàng)建、修改、檢查、復制、發(fā)送、接收以及銷毀數(shù)據(jù)包。對應的數(shù)據(jù)包格式需要按照預定的接口數(shù)據(jù)載荷格式，進行參數(shù)的排布。

對于需要應用層產(chǎn)生瞬時隨機流量的需求，可以建立蒙特卡洛的流量模型，進行隨機數(shù)據(jù)量的生成。

通用仿真設置

對于的網(wǎng)絡節(jié)點類型，具有通用的仿真屬性設置，可以基于網(wǎng)絡編輯器，對需要設定參數(shù)的節(jié)點編輯屬性，方便的設定其網(wǎng)絡參數(shù)。通用仿真設置參數(shù)舉例包括：

（1）網(wǎng)絡拓撲配置文件。

（2）仿真啟動時間。

（3）仿真持續(xù)時間。

（4）業(yè)務參數(shù)。

3.2 確定評測統(tǒng)計量

評測的統(tǒng)計量主要是基于性能需求，包括：

（1）網(wǎng)絡接收數(shù)據(jù)幀延遲：測試網(wǎng)絡中一個應用發(fā)送數(shù)據(jù)到通過發(fā)送數(shù)據(jù)幀，經(jīng)過多級交換機交換數(shù)據(jù)幀，再到一個終端網(wǎng)卡接收數(shù)據(jù)幀，最后到接收應用接收到該數(shù)據(jù)，通過仿真數(shù)據(jù)統(tǒng)計和計算，獲得整個過程的數(shù)據(jù)傳輸延遲，并基于多次延遲，獲得抖動等參數(shù)值。

（2）吞吐量：測試網(wǎng)絡工作在數(shù)據(jù)交換吞吐量。

（3）丟幀率：測試網(wǎng)絡工作不同速度和負載下的丟幀率。

3.3 評估場景構(gòu)建

利用已有建立的基本網(wǎng)絡模型，并對相關測評統(tǒng)計量進行分析，包括：

（1）實時確定性測試：建立冗余網(wǎng)絡，在多個終端系統(tǒng)上建立多個發(fā)送數(shù)據(jù)應用，同時在多個終端系統(tǒng)上建立多個接收數(shù)據(jù)應用。仿真接收到統(tǒng)計每個應用傳輸數(shù)據(jù)的最大延遲、最小延遲和平均延遲。

（2）終端容量測試：建立示例的交換網(wǎng)絡。在多個終端系統(tǒng)上建立多個發(fā)送數(shù)據(jù)應用，同時在多個終端系統(tǒng)上建立多個接收數(shù)據(jù)應用。在仿真過程實施過程中增加一個大數(shù)據(jù)量的傳輸應用，待仿真結(jié)束后統(tǒng)計在增加傳輸應用前后其他應用傳輸數(shù)據(jù)的延遲變化情況。

（3）全網(wǎng)容量測試：建立示例的交換網(wǎng)絡，在多個終端系統(tǒng)上建立多個發(fā)送數(shù)據(jù)應用，同時在多個終端系統(tǒng)上建立多個接收數(shù)據(jù)應用。在仿真過程中在交換機一個通信端口上突然增加數(shù)據(jù)幀流量，待仿真結(jié)束后統(tǒng)計在增加交換機流量前后其他應用傳輸數(shù)據(jù)的延遲變化情況。

（4）安全性測試：建立示例的冗余交換網(wǎng)絡。在多個終端系統(tǒng)上建立多個發(fā)送數(shù)據(jù)應用，同時在多個終端系統(tǒng)上建立多個接收數(shù)據(jù)應用。在仿真過程中在交換機空余端口上加入一個新的終端系統(tǒng)，之后該終端開始發(fā)送數(shù)據(jù)幀，判斷該終端發(fā)送的數(shù)據(jù)幀能否被其他終端設備接收并解析。

（5）冗余性測試示例：建立示例的冗余交換網(wǎng)絡，并且在把終端設置在冗余工作模式下，在一個終端系統(tǒng)上建立一個發(fā)生數(shù)據(jù)應用。在另一個通信終端上建立接收數(shù)據(jù)應用，在網(wǎng)絡仿真過程中，斷開終端網(wǎng)絡一條物理通信線路。在仿真完成之后統(tǒng)計接收和發(fā)生數(shù)據(jù)個數(shù)，判斷接收和發(fā)生數(shù)據(jù)是否一致。

（6）流量控制測試：建立交換機在經(jīng)歷瞬時大流量數(shù)據(jù)時的反映。

（7）錯誤幀過濾測試：通過故障數(shù)據(jù)幀的，錯誤幀過濾測試的目的是為了確定設備在錯誤或反常幀情況下的行為。

（8）擁塞測試：通過已建立的交換網(wǎng)絡，通過交換機數(shù)據(jù)發(fā)生器的設置，確定設備是如何處理擁塞，設備是否執(zhí)行擁塞控制，一個擁塞的端口是否會影響到其他不擁塞的端口。

4 結(jié)語

該文首先對目前不同的網(wǎng)絡仿真手段用于民機機載網(wǎng)絡的適用性進行了詳細闡述和對比分析，針對其中的網(wǎng)絡模擬方法，通過實例介紹了一種有效的方法。對民機機載網(wǎng)絡的建模仿真工作有所借鑒。

參考文獻

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[2]Cruz.R.A calculus for network Delay， Part I IEEE Transactions on Information Theory， University of York，Department of Computer Science，1999.

[3]Scharbarg J，L，Ridouard F， Fraboul C A probabilistic analysis of end-to-end delays on an AFDX avionics network[J] IEEE Transactions on Industrial Informatics，2009，5（1）：38-49.