機載光纖總線拓撲結(jié)構(gòu)的性能研究*

伊小素，余楚璇，曾華菘

（北京航空航天大學 儀器科學與光電工程學院，北京 100191）

0 引 言

隨著航空機載網(wǎng)絡的不斷發(fā)展，系統(tǒng)設備間的連接形式從單一的點對點結(jié)構(gòu)發(fā)展為更多種類的拓撲結(jié)構(gòu)，如總線型、星型和環(huán)型等[1-2]。數(shù)據(jù)通信總線也引入更高速可靠的光纖通信技術(shù)，形成機載光纖總線通信系統(tǒng)，在以美制F22/F35、俄制T50為代表的第四代戰(zhàn)機中應用廣泛[3]。由于機載系統(tǒng)中信息的綜合程度不斷提高，為適應設備間傳輸數(shù)據(jù)量較大且交互頻繁的特點，機載光纖總線需滿足更高帶寬、更低時延和更高可靠性等性能要求[4-6]。對于不同功能的飛行器，它的機載系統(tǒng)的規(guī)模、結(jié)構(gòu)及容量均有差異，因此對總線系統(tǒng)的性能要求各有不同。而系統(tǒng)設備間物理連接的拓撲結(jié)構(gòu)不同，會導致數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂胶蜋C制有所不同，最終使總線網(wǎng)絡呈現(xiàn)不同的性能特點。因此，研究不同拓撲結(jié)構(gòu)對機載光纖總線關(guān)鍵性能參數(shù)的影響具有重要意義。

本文具體分析總線型、星型和環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)下機載光纖總線網(wǎng)絡時延、吞吐量和系統(tǒng)可靠性3 類性能參數(shù)，針對時延和吞吐量等傳輸特性，通過OPNET對總線網(wǎng)絡不同拓撲結(jié)構(gòu)進行建模和仿真。而系統(tǒng)可靠性的分析則是通過故障樹理論對3 類不同冗余情況的拓撲結(jié)構(gòu)進行失效模型建模計算、綜合仿真及計算結(jié)果，為拓撲結(jié)構(gòu)的選擇提供參考依據(jù)。

1 拓撲結(jié)構(gòu)分析

1.1 總線型結(jié)構(gòu)

在基于無源光網(wǎng)絡（Passive Optical Network，PON）的總線型結(jié)構(gòu)中，節(jié)點分為網(wǎng)絡控制器（Network Control，NC）和 網(wǎng) 絡 終 端（Network Terminal，NT）。NC 與NT 通過無源的集線器相連，所有NT地位平等[7-10]。圖1 是PON 總線型的結(jié)構(gòu)示意圖。數(shù)據(jù)傳輸過程中，下行數(shù)據(jù)由NC 廣播發(fā)出，所有NT 都會收到下行方向數(shù)據(jù)，但只有目標NT 會接收；上行的數(shù)據(jù)傳輸采用時分復用技術(shù)，NT 按指定時隙長度發(fā)送數(shù)據(jù)。由于結(jié)構(gòu)的特殊性，總線型中一次只能傳送一組數(shù)據(jù)。若同時傳輸多組數(shù)據(jù)，會發(fā)生沖突導致數(shù)據(jù)不完整甚至丟失。

圖1 PON 總線型拓撲

1.2 星型結(jié)構(gòu)

圖2 是星型結(jié)構(gòu)的示意圖。星型結(jié)構(gòu)以交換機為中心，節(jié)點間的通信均需借助交換機。發(fā)送端產(chǎn)生的數(shù)據(jù)經(jīng)由交換機，在交換機識別出目標地址后，直接將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至目標節(jié)點。交換機起數(shù)據(jù)過濾和轉(zhuǎn)發(fā)作用，能有效隔離廣播風暴，減少數(shù)據(jù)丟失和誤發(fā)情況[11]。但是，由于所有數(shù)據(jù)都需通過交換機，數(shù)據(jù)量較大時會導致交換機的負荷過重，此時信息處理轉(zhuǎn)發(fā)不及時會直接影響系統(tǒng)傳輸?shù)臅r延和吞吐量，降低系統(tǒng)整體的可靠性。

圖2 星型拓撲

1.3 環(huán)型結(jié)構(gòu)

節(jié)點通過點到點鏈路按順序連接構(gòu)成環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)，如圖3 所示。數(shù)據(jù)信息的流動在閉環(huán)中遵循某一固定方向。由于網(wǎng)絡中的節(jié)點只與相鄰兩節(jié)點直接互聯(lián)，兩節(jié)點間僅有一條通路，因此環(huán)型結(jié)構(gòu)的工作機制簡單、實時性強且最大時延固定[12]。但是，環(huán)路有多個節(jié)點時，數(shù)據(jù)傳輸速率將受到影響，網(wǎng)絡響應時間延長。若一個節(jié)點出現(xiàn)故障，可能會導致全網(wǎng)的終止或癱瘓，影響系統(tǒng)的可靠性。

圖3 環(huán)型拓撲

2 總線網(wǎng)絡建模與仿真

為準確評估機載光纖總線系統(tǒng)的時延、吞吐量等傳輸特性，采用仿真模擬的方案，根據(jù)總線型、星型和環(huán)型拓撲的結(jié)構(gòu)特點，在OPNET 中分別建立3 類結(jié)構(gòu)的仿真模型。圖4 為星型結(jié)構(gòu)的仿真模型，模型中含6 個節(jié)點，其中包含1 個服務器和5個客戶機，虛線為流量傳輸方向。

圖4 仿真模型

具體仿真參數(shù)的設定如表1 所示。由于顯式流量模型通過對流量源產(chǎn)生報文的完整生命周期建模，可為流量行為提供準確描述[13]。因此，仿真采用顯示報文的流量源模型，數(shù)據(jù)由各個客戶機傳輸流向服務器，設置網(wǎng)絡總帶寬為16 Mb/s。為對比相同組網(wǎng)條件下各結(jié)構(gòu)的傳輸特性，分別為各結(jié)構(gòu)的仿真網(wǎng)絡配置相同的節(jié)點模型、鏈路模型和流量源模型，仿真中通過不斷改變節(jié)點產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量來改變網(wǎng)絡負載，仿真結(jié)束后收集和統(tǒng)計仿真過程中時延和吞吐量的參數(shù)值。

表1 仿真參數(shù)的設定

3 總線可靠性建模與計算

總線網(wǎng)絡可靠性是保障信息可靠傳輸?shù)闹匾笜?，由鏈路傳輸固有誤碼率和拓撲結(jié)構(gòu)中各設備的性能共同決定[14]。本文引入故障樹分析法對總線型、星型和環(huán)型網(wǎng)絡系統(tǒng)的有效度進行計算，從而對通信網(wǎng)絡系統(tǒng)的可靠性進行分析評估。它的基本思想是從可能發(fā)生的事件開始，自上而下尋找事故的原因，確定最基本的原因事件后，繪制事件間“與”“或”等邏輯關(guān)系，形成樹狀邏輯因果關(guān)系圖[15-16]。評估參數(shù)主要有平均無故障工作時間（Mean Time Between Failure，MTBF）、平均修復時間（Mean Time To Repair，MTTR）、有效度和失效度。

定義機載網(wǎng)絡系統(tǒng)失效為故障樹“頂事件”，假設各系統(tǒng)故障樹的“底事件”間均互為獨立事件，分別計算在系統(tǒng)無冗余、雙冗余和三冗余條件下3類結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)有效度。

3.1 無冗余系統(tǒng)

總線型結(jié)構(gòu)由集線器、服務器以及若干客戶機和鏈路構(gòu)成。在無冗余設計條件下，總線型中任一設備或鏈路發(fā)生故障，整個系統(tǒng)都會失效。此外，總線型數(shù)據(jù)傳輸時廣播風暴帶來的故障也會導致整個系統(tǒng)失效，由此得到總線型結(jié)構(gòu)無冗余系統(tǒng)失效的故障樹如圖5 所示。

圖5 總線型結(jié)構(gòu)無冗余系統(tǒng)故障樹

由圖5 可知，每個底事件的發(fā)生均能直接導致整個系統(tǒng)的失效，因此該系統(tǒng)的失效模型為串聯(lián)系統(tǒng)，底事件的失效度之和即為通信系統(tǒng)整體失效度F1值。MTTR 設為24 h，根據(jù)設備廠商提供的MTBF，計算出相應設備的失效度如表2 所示。

表2 總線型結(jié)構(gòu)各設備的失效度

假設總線型結(jié)構(gòu)中共n 個節(jié)點，包含1 個服務器和n-1 個客戶機。數(shù)據(jù)從客戶機發(fā)送至服務器，則需要n 條通信鏈路將各個節(jié)點與集線器相連，即：

通信系統(tǒng)的失效度為：

故總線型無冗余通信系統(tǒng)的有效度為：

構(gòu)成星型和環(huán)型結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡設備種類相似，兩者的系統(tǒng)失效來源類似，故障樹結(jié)構(gòu)也相似，但兩者的失效度計算有所差別。星型和環(huán)型結(jié)構(gòu)的故障圖如圖6 所示。

圖6 星型和環(huán)型結(jié)構(gòu)無冗余系統(tǒng)故障樹

如圖6 所示，星型和環(huán)型結(jié)構(gòu)的故障模型也是串聯(lián)系統(tǒng)，系統(tǒng)失效度為各設備失效度之和。MTTR 為24 h 時，各數(shù)據(jù)如表3 所示，由于集線器是無源器件，而交換機是有源設備，相較而言，連接交換機的鏈路比連接集線器的鏈路更易發(fā)生故障，即星型和環(huán)型結(jié)構(gòu)中通信鏈路的MTBF 相較總線型結(jié)構(gòu)而言更短。

表3 星型和環(huán)型結(jié)構(gòu)各設備的失效度

同樣，假設星型結(jié)構(gòu)中包含有1 個服務器和n-1個客戶機，則需要n 條通信鏈路將各個節(jié)點與交換機相連，即：

故通信系統(tǒng)的失效度為：

有效度為：

對于環(huán)型結(jié)構(gòu)，有：

通信系統(tǒng)的失效度為：

故環(huán)型結(jié)構(gòu)無冗余系統(tǒng)的有效度為：

3.2 雙冗余系統(tǒng)

雙冗余系統(tǒng)是指機載系統(tǒng)配置2 套相同的網(wǎng)絡設備。在主系統(tǒng)失效后，備份系統(tǒng)可接替主系統(tǒng)的任務正常工作。只有當主系統(tǒng)和備份系統(tǒng)同時發(fā)生故障時，整個機載總線才失效。因此，主系統(tǒng)故障事件和備份系統(tǒng)故障事件是邏輯“與”的關(guān)系。

總線型結(jié)構(gòu)的雙冗余系統(tǒng)故障樹如圖7 所示，有：

故總線型結(jié)構(gòu)雙冗余系統(tǒng)的有效度為：

圖7 總線型結(jié)構(gòu)雙冗余系統(tǒng)故障樹

同理，星型結(jié)構(gòu)和環(huán)型結(jié)構(gòu)的故障樹如圖8所示。

圖8 星型和環(huán)型結(jié)構(gòu)雙冗余系統(tǒng)故障樹

對于星型拓撲結(jié)構(gòu)雙冗余系統(tǒng)，有：

故星型結(jié)構(gòu)雙冗余系統(tǒng)的有效度為：

對于環(huán)型結(jié)構(gòu)雙冗余系統(tǒng)，有：

故環(huán)型結(jié)構(gòu)雙冗余系統(tǒng)的有效度為：

3.3 三冗余系統(tǒng)

三冗余系統(tǒng)則是指機載系統(tǒng)配置有兩套相同的備用網(wǎng)絡設備，以防其中的備用系統(tǒng)也會失效，影響通信網(wǎng)絡的正常運行。三冗余通信系統(tǒng)中，只有當主系統(tǒng)及兩套備份系統(tǒng)均失效時，整個機載系統(tǒng)才會失效，因此主系統(tǒng)失效事件和備份系統(tǒng)失效事件間在故障樹中仍是“與”邏輯的關(guān)系。

總線型結(jié)構(gòu)三冗余系統(tǒng)的有效度為：

星型結(jié)構(gòu)三冗余系統(tǒng)的有效度為：

環(huán)型結(jié)構(gòu)三冗余系統(tǒng)的有效度為：

4 結(jié)果與分析

4.1 時 延

統(tǒng)計3 種拓撲結(jié)構(gòu)在各負載情況下的時延并計算其平均值，結(jié)果如圖9 所示。

圖9 時延仿真結(jié)果

由圖9 可知，3 類結(jié)構(gòu)的總體時延隨網(wǎng)絡負載的增加而增加，但增長速率有所差別。在負載率為100%時，系統(tǒng)時延劇增，且時延抖動較大。在負載率為80%及以下時，總線型結(jié)構(gòu)的時延特性優(yōu)于星型和環(huán)型結(jié)構(gòu)；但隨著數(shù)據(jù)量的不斷增大，尤其是當達到系統(tǒng)傳輸最大能力附近時，總線型結(jié)構(gòu)的時延急劇惡化，其穩(wěn)定性不及其余二者。

4.2 吞吐量

收集并統(tǒng)計各結(jié)構(gòu)在不同負載下的吞吐量，結(jié)果如圖10 所示。

由圖10 可得，具有相同負載率的3 類結(jié)構(gòu)的平均吞吐量保持一致，表明在各設備處于理想狀態(tài)且無任何附加誤碼率或丟包率的前提下，相同組網(wǎng)條件下的不同機載光纖拓撲系統(tǒng)具有相似的數(shù)據(jù)傳輸能力。負載率在10%～90%范圍內(nèi)時，系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)，平均吞吐量隨負載率增加而線性增加；而在負載率為100%時，平均吞吐量到達最大值，無法繼續(xù)增長，此時機載光纖系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸能力到達峰值。

圖10 吞吐量結(jié)果

4.3 可靠性

圖11 為各冗余系統(tǒng)中各拓撲結(jié)構(gòu)的有效度對比圖。隨著負載節(jié)點的增多，系統(tǒng)可靠性逐漸減小，但相同節(jié)點條件下總線型結(jié)構(gòu)的有效度始終最高，星型結(jié)構(gòu)次之，環(huán)型結(jié)構(gòu)的有效度最低。隨著冗余備份設備的增多，3 類結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)有效度差距逐漸縮小，雙冗余系統(tǒng)的設計對網(wǎng)絡有效度的提高效果最明顯。從可靠性和建網(wǎng)成本的角度綜合來看，在機載網(wǎng)絡系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)的設計中，設計具有一套備份設備的雙冗余總線型拓撲結(jié)構(gòu)是最優(yōu)化的選擇。若建網(wǎng)成本不是主要考慮因素，則采用三冗余或更多重冗余設計去換取更高的可靠性。

圖11 不同冗余下不同拓撲結(jié)構(gòu)的有效度對比

5 結(jié) 語

本文圍繞總線型、星型和環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)的時延、吞吐量和系統(tǒng)可靠性3 個關(guān)鍵性能參數(shù)，探討了機載光纖總線網(wǎng)絡設計中如何選取拓撲結(jié)構(gòu)的問題。運用OPNET 建模仿真分析總線網(wǎng)絡時延、吞吐量兩類傳輸特性，運用故障樹理論建模計算系統(tǒng)可靠性。仿真結(jié)果表明，時延和吞吐量跟網(wǎng)絡負載率密切相關(guān)，在相同負載條件下3 類拓撲結(jié)構(gòu)的吞吐量差別不大，但在負載率小于80%時總線型的時延特性優(yōu)于星型和環(huán)型，但當負載率大于80%時，星型結(jié)構(gòu)更優(yōu)。計算結(jié)果表明，冗余系統(tǒng)的設計能提高系統(tǒng)有效度，但雙冗余系統(tǒng)設計對網(wǎng)絡有效度的提高效果最明顯，且在相同冗余條件下，總線型結(jié)構(gòu)的可靠性始終優(yōu)于其余二者。因此，可得以下結(jié)論：從可靠性和建網(wǎng)成本的角度考慮，雙冗余系統(tǒng)設計是最優(yōu)化的選擇，若忽略建網(wǎng)成本以追求更高可靠性，則可采用三冗余或更多重冗余設計；從時延和吞吐量等傳輸特性上考慮，拓撲結(jié)構(gòu)的選擇還需參考網(wǎng)絡實際工作負荷。機載環(huán)境中正常工作下負載率一般不超過80%，因此綜合時延、吞吐量和系統(tǒng)可靠性3 類指標考慮，總線型拓撲結(jié)構(gòu)更適用于機載光纖總線網(wǎng)絡。