機(jī)載航空電子時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)計(jì)概述

石 林, 王躍峰, 李佳慶

(1.中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司成都飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所,成都 610000; 2.中航光電科技股份有限公司,河南 洛陽(yáng) 471000;3.光電控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 洛陽(yáng) 471000; 4.中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司洛陽(yáng)電光設(shè)備研究所,河南 洛陽(yáng) 471000)

0 引言

未來(lái)空戰(zhàn)的戰(zhàn)場(chǎng)呈現(xiàn)信息化、分布式、智能化的發(fā)展趨勢(shì)。先進(jìn)技術(shù)在跨代戰(zhàn)斗機(jī)上不是為了應(yīng)用而應(yīng)用,而是源于作戰(zhàn)需求的牽引[1]。下一代作戰(zhàn)飛行器平臺(tái)將從專注于武器功能性應(yīng)用轉(zhuǎn)向多任務(wù)、多形態(tài)、大縱深、強(qiáng)協(xié)同的應(yīng)用發(fā)展。服務(wù)于未來(lái)戰(zhàn)斗機(jī)平臺(tái)的新一代航空電子網(wǎng)絡(luò)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)與機(jī)載系統(tǒng)設(shè)備的控制解耦,具備開(kāi)放兼容、柔性接入、動(dòng)態(tài)路由和可靠傳輸?shù)确?wù)功能,具有靈活的軟件定義和自主控制能力[2]。

時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)(Time-Sensitive Network,TSN)以傳統(tǒng)以太網(wǎng)協(xié)議為基礎(chǔ),對(duì)網(wǎng)絡(luò)鏈路層協(xié)議進(jìn)行增強(qiáng)設(shè)計(jì)。在以太網(wǎng)鏈路上提供安全關(guān)鍵信息數(shù)據(jù)的確定性和時(shí)間同步的通信[3]。機(jī)載航空電子時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)(Avionics Time-Sensitive Network,ATSN)是在TSN協(xié)議的基礎(chǔ)上,為進(jìn)一步解決TSN向航空電子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)用轉(zhuǎn)化過(guò)程中面臨的多個(gè)具體技術(shù)問(wèn)題,形成的一種新型交換網(wǎng)絡(luò),使其具備為未來(lái)機(jī)載系統(tǒng)構(gòu)建新一代航空電子網(wǎng)絡(luò)的能力。ATSN支持實(shí)現(xiàn)航空電子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)自主運(yùn)行,網(wǎng)絡(luò)控制與管理的功能分離,具備提供可靠網(wǎng)絡(luò)終端應(yīng)用的動(dòng)態(tài)接入管理和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的確定性通信控制能力,滿足機(jī)載系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用要求。

1 機(jī)載交換網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

ATSN是機(jī)載系統(tǒng)各個(gè)功能設(shè)備間的信息連接橋梁,是系統(tǒng)數(shù)據(jù)的生成方和使用方之間實(shí)現(xiàn)高效數(shù)據(jù)共享服務(wù),完成數(shù)據(jù)交換與傳輸控制的平臺(tái)。在目前普遍采用的集中式綜合化架構(gòu)(IMA)、分布式綜合化架構(gòu)(DIMA)形式的機(jī)載系統(tǒng)中起著極其重要的作用,將支撐開(kāi)放式機(jī)載系統(tǒng)架構(gòu)技術(shù)的應(yīng)用。

ATSN的5層控制協(xié)議分布如圖1所示。

圖1 ATSN的5層控制協(xié)議分布

ATSN在邏輯結(jié)構(gòu)上包含有自上而下的5層協(xié)議控制特征,即應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層、物理層。

2 航空電子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運(yùn)行管理

在未來(lái)機(jī)載系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)中,ATSN具備完全自主的系統(tǒng)運(yùn)行和通信控制能力。網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行控制管理職能由網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)的服務(wù)層承擔(dān),實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)行控制管理。其主要能力體現(xiàn)在以下4個(gè)方面。

1) 網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行管理。網(wǎng)絡(luò)初始化、通信鏈路維護(hù)、系統(tǒng)時(shí)鐘同步。

2) 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾怼Ｏ到y(tǒng)終端安全接入管理、連接管理、重構(gòu)管理。

3) 網(wǎng)絡(luò)通信管理。通信方案管理、消息路由方案管理、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)監(jiān)視方案管理。

4) 傳輸可靠性管理。交換機(jī)端口信用值預(yù)警、優(yōu)先級(jí)隊(duì)列信用量管理。

3 ATSN的設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)設(shè)備與應(yīng)用APP的開(kāi)放式管理

3.1.1 管理要求

新一代機(jī)載系統(tǒng)將支撐飛行器平臺(tái)實(shí)現(xiàn)多任務(wù)、多形態(tài)、大縱深、強(qiáng)協(xié)同?；谀Ｐ偷南到y(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)放式架構(gòu)理念為機(jī)載系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)敏捷開(kāi)發(fā)、快速升級(jí)擴(kuò)展提供了條件。

ATSN適應(yīng)開(kāi)放式系統(tǒng)架構(gòu),系統(tǒng)物理設(shè)備基于設(shè)備MAC地址,按需接入網(wǎng)絡(luò)。

新一代機(jī)載系統(tǒng)資源包含系統(tǒng)物理設(shè)備和應(yīng)用APP兩種資源形態(tài),機(jī)載系統(tǒng)的資源管理向網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)控制管理功能提出了構(gòu)建對(duì)機(jī)載系統(tǒng)設(shè)備和應(yīng)用APP拓?fù)錉顟B(tài)的動(dòng)態(tài)管理維護(hù)能力以及提供開(kāi)放、靈活、可靠的網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)的要求,網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)控制管理還需要具備對(duì)機(jī)載系統(tǒng)資源的動(dòng)態(tài)接入控制、配置管理和應(yīng)用功能重構(gòu)進(jìn)行自主控制和管理的能力。

3.1.2 管理方式設(shè)計(jì)

與現(xiàn)有航空電子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為機(jī)載系統(tǒng)提供的基于設(shè)備連接的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾矸?wù)方式不同,新一代機(jī)載系統(tǒng)將支持系統(tǒng)設(shè)備與應(yīng)用功能軟件的動(dòng)態(tài)異構(gòu)組合,ATSN系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)設(shè)備與應(yīng)用APP的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)管理。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)軟件模塊將完成機(jī)載系統(tǒng)設(shè)備的以下控制與管理:

1) 系統(tǒng)終端設(shè)備的連接管理與安全接入;

2) 系統(tǒng)終端設(shè)備、應(yīng)用APP的動(dòng)態(tài)部署、邏輯接入管理與重構(gòu)控制。

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口接入指令數(shù)據(jù)通信邏輯控制和網(wǎng)絡(luò)接口的接入安全碼識(shí)別處理管理控制實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的安全接入。

圖2為網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)操作控制邏輯示意圖。

機(jī)載系統(tǒng)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)接口安全接入航空電子網(wǎng)絡(luò),僅表示機(jī)載系統(tǒng)設(shè)備接受了ATSN的靜態(tài)物理連接管理,支持網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的管理和維護(hù),可以與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的其他接入設(shè)備共享網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供的包括系統(tǒng)時(shí)鐘同步、網(wǎng)絡(luò)通信周期控制、通信鏈路連接維護(hù)、消息路由控制、網(wǎng)絡(luò)資源信用值預(yù)警等功能在內(nèi)的通用服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的應(yīng)用數(shù)據(jù)通信服務(wù)由面向機(jī)載系統(tǒng)設(shè)備功能應(yīng)用和嵌入在系統(tǒng)設(shè)備之中的應(yīng)用APP提供。為此,ATSN系統(tǒng)需要完成應(yīng)用功能/應(yīng)用APP在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的部署狀態(tài)和接入路徑管理操作。

機(jī)載系統(tǒng)終端設(shè)備功能應(yīng)用或系統(tǒng)應(yīng)用APP的網(wǎng)絡(luò)邏輯連接管理功能通過(guò)對(duì)設(shè)備功能應(yīng)用或系統(tǒng)應(yīng)用APP的應(yīng)用ID接收與識(shí)別處理實(shí)現(xiàn),由網(wǎng)絡(luò)分布式運(yùn)行服務(wù)平臺(tái)的連接管理服務(wù)完成包括設(shè)備功能IP或應(yīng)用APP ID、設(shè)備MAC地址等信息的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用部署映射表的管理和維護(hù)。邏輯接入管理操作的目的在于建立基于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)互連的機(jī)載系統(tǒng)應(yīng)用節(jié)點(diǎn)間的邏輯連接拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)系。

ATSN系統(tǒng)通過(guò)端口連接設(shè)備映射表、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用部署映射表可以準(zhǔn)確地了解和掌握與網(wǎng)絡(luò)建立物理連接的機(jī)載系統(tǒng)設(shè)備,以及部署在設(shè)備中的功能應(yīng)用與系統(tǒng)應(yīng)用的情況,保證機(jī)載系統(tǒng)可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用通信數(shù)據(jù)的訂閱與發(fā)布路由進(jìn)行控制與管理,并為ATSN系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)載設(shè)備及設(shè)備功能應(yīng)用與系統(tǒng)應(yīng)用APP的動(dòng)態(tài)部署與重構(gòu)控制創(chuàng)造條件。

機(jī)載系統(tǒng)終端設(shè)備的應(yīng)用APP網(wǎng)絡(luò)邏輯連接管理操作過(guò)程如圖3所示,圖中,ti(i=1,2,…,m,m+1)為各操作過(guò)程的執(zhí)行時(shí)間。

機(jī)載設(shè)備及設(shè)備功能應(yīng)用與系統(tǒng)應(yīng)用APP的動(dòng)態(tài)部署與重構(gòu)控制執(zhí)行過(guò)程如下:

1) 網(wǎng)絡(luò)分布式運(yùn)行服務(wù)平臺(tái)通過(guò)接收和處理來(lái)自機(jī)載系統(tǒng)終端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)接口接入申請(qǐng)指令數(shù)據(jù),建立航空電子網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)端口與機(jī)載系統(tǒng)終端設(shè)備的連接狀態(tài)信息,形成機(jī)載系統(tǒng)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)連接拓?fù)?

2) 網(wǎng)絡(luò)分布式運(yùn)行服務(wù)平臺(tái)通過(guò)接收和處理來(lái)自設(shè)備功能應(yīng)用或系統(tǒng)應(yīng)用APP的攜帶有應(yīng)用ID的接入指令數(shù)據(jù),建立設(shè)備功能應(yīng)用和系統(tǒng)應(yīng)用APP在由網(wǎng)絡(luò)連接的機(jī)載系統(tǒng)終端設(shè)備中的分布部署狀態(tài)方案;

3) 利用設(shè)備功能應(yīng)用和系統(tǒng)應(yīng)用APP在由網(wǎng)絡(luò)連接的機(jī)載系統(tǒng)終端設(shè)備中的分布部署狀態(tài)方案,結(jié)合設(shè)備功能應(yīng)用和系統(tǒng)應(yīng)用APP發(fā)布與訂閱網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用消息;

4) 利用網(wǎng)絡(luò)分布式運(yùn)行服務(wù)平臺(tái)提供的通信方案管理服務(wù),制定出完整的由機(jī)載系統(tǒng)終端設(shè)備網(wǎng)絡(luò)接口獨(dú)立執(zhí)行的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用消息發(fā)送分發(fā)通信控制方案;

5) 利用網(wǎng)絡(luò)分布式運(yùn)行服務(wù)平臺(tái)提供的路由管理服務(wù),制定出完整的由網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)獨(dú)立執(zhí)行的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用消息傳輸路由控制方案。

3.2 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)高精度時(shí)間同步

ATSN系統(tǒng)具備高精度時(shí)基同步能力,其時(shí)間同步操作特點(diǎn)如下:

1) 在IEEE802.1AS廣義集中主從式精準(zhǔn)時(shí)間同步協(xié)議基礎(chǔ)上,由網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)集中發(fā)起控制,實(shí)現(xiàn)各個(gè)網(wǎng)絡(luò)終端與網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)之間的統(tǒng)一時(shí)間基準(zhǔn)控制;

2) 以系統(tǒng)設(shè)備終端接口的網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘為從時(shí)鐘,以網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘為主時(shí)鐘,通過(guò)周期性交換同步報(bào)文實(shí)現(xiàn)從時(shí)鐘校準(zhǔn);

3) 所有系統(tǒng)設(shè)備通過(guò)終端接口完成與網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘的時(shí)鐘校準(zhǔn)后,各自計(jì)算并保留與主時(shí)鐘的時(shí)鐘偏差值;

4) 系統(tǒng)設(shè)備終端接口利用上述時(shí)鐘偏差值即可實(shí)現(xiàn)機(jī)載系統(tǒng)的同步時(shí)間恢復(fù);

5) ATSN在網(wǎng)絡(luò)接入層利用TSN的這種網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步協(xié)議方式,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)時(shí)間同步控制操作。

3.3 多種控制類型應(yīng)用數(shù)據(jù)的高效調(diào)度

3.3.1 高效調(diào)度要求

基于可滿足性模型理論(SMT)求解器和概念的優(yōu)化技術(shù)優(yōu)化模型理論(OMT)發(fā)展起來(lái)的針對(duì)預(yù)定流量的TSN增強(qiáng)技術(shù)[4],為T(mén)SN通信數(shù)據(jù)的高效調(diào)度提供了有益的設(shè)計(jì)手段。

ATSN可以為飛控系統(tǒng)、任務(wù)系統(tǒng)應(yīng)用數(shù)據(jù)提供傳輸控制服務(wù),系統(tǒng)應(yīng)用數(shù)據(jù)具有關(guān)鍵、重要、一般多種類型和緊急、適時(shí)等不同的傳輸控制方式要求。飛控系統(tǒng)數(shù)據(jù)具有相對(duì)確定時(shí)間周期調(diào)度特征,任務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)具有隨機(jī)事件調(diào)度特征和低延遲傳輸控制要求。ATSN提供的時(shí)間敏感(TS)數(shù)據(jù)流、預(yù)留資源(RT)數(shù)據(jù)流和盡力傳輸(BE)數(shù)據(jù)流3種數(shù)據(jù)流的調(diào)度控制,可以支持多種類型的網(wǎng)絡(luò)消息的傳輸。為了滿足不同類型網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的具體傳輸控制需要,在完成網(wǎng)絡(luò)消息優(yōu)先級(jí)隊(duì)列分配、通信控制周期和通信時(shí)槽的優(yōu)化設(shè)計(jì)的同時(shí),還需在網(wǎng)絡(luò)資源層強(qiáng)化航空電子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的周期同步控制、通信時(shí)槽分配、優(yōu)先級(jí)隊(duì)列管理、交換機(jī)內(nèi)部緩存數(shù)據(jù)分發(fā)、交換機(jī)端口與設(shè)備端系統(tǒng)接口調(diào)度控制設(shè)計(jì),嚴(yán)格控制網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸調(diào)度時(shí)間抖動(dòng)和傳輸延遲,綜合實(shí)現(xiàn)應(yīng)用數(shù)據(jù)的高效調(diào)度設(shè)計(jì)。

3.3.2 高效調(diào)度設(shè)計(jì)

為提升網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性,減小數(shù)據(jù)傳輸抖動(dòng),滿足不同類型流量的傳輸服務(wù)質(zhì)量要求,TSN在優(yōu)先級(jí)調(diào)度機(jī)制的基礎(chǔ)上引入了時(shí)間感知調(diào)度機(jī)制。

時(shí)間感知調(diào)度是時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)時(shí)間觸發(fā)通信的核心,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)隙劃分,實(shí)現(xiàn)不同控制類型數(shù)據(jù)流分時(shí)復(fù)用總線帶寬[5]。通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸鏈路的通信過(guò)程進(jìn)行周期定時(shí)控制,網(wǎng)絡(luò)通信調(diào)度被分割為連續(xù)的周期,每個(gè)周期被分割為固定的時(shí)隙(Tx),不同的時(shí)隙可以分配給一個(gè)或同時(shí)分配給多個(gè)不同優(yōu)先級(jí)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流。由于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流被分配到固定的時(shí)間窗口,數(shù)據(jù)流中的數(shù)據(jù)通信調(diào)度具有相對(duì)確定的時(shí)間點(diǎn)。周期控制時(shí)間感知調(diào)度機(jī)制如圖4所示。

在每個(gè)通信調(diào)度周期的兩個(gè)時(shí)隙T0,T1,優(yōu)先級(jí)為3的數(shù)據(jù)流被分配在T0中獨(dú)立調(diào)度,而優(yōu)先級(jí)為0,1,2,4,5,6,7的數(shù)據(jù)流被分配在T1中,當(dāng)同一時(shí)隙中存在多個(gè)數(shù)據(jù)流時(shí),網(wǎng)絡(luò)將嚴(yán)格按照優(yōu)先級(jí)或流量整形算法進(jìn)行輸出調(diào)度控制。

時(shí)間感知調(diào)度器的基本原理是在網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)端口或者網(wǎng)絡(luò)終端接口的輸出緩沖區(qū)隊(duì)列后端添加“門(mén)”結(jié)構(gòu),利用門(mén)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)控制隊(duì)列的數(shù)據(jù)幀輸出操作,時(shí)間感知調(diào)度隊(duì)列門(mén)控機(jī)制如圖5所示。

門(mén)的狀態(tài)決定了被控隊(duì)列里的數(shù)據(jù)幀能否被選擇傳輸,門(mén)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)由門(mén)控列表(GCL)控制。GCL的執(zhí)行周期與圖4中的周期控制對(duì)應(yīng),GCL每一個(gè)表項(xiàng)的執(zhí)行周期與傳輸周期內(nèi)的時(shí)隙(Tx)一一對(duì)應(yīng),x值的上限由系統(tǒng)應(yīng)用數(shù)據(jù)的調(diào)度需求確定。

TSN所具備的時(shí)間感知調(diào)度機(jī)制為ATSN實(shí)現(xiàn)對(duì)多種控制類型應(yīng)用數(shù)據(jù)的高效調(diào)度控制創(chuàng)造了基礎(chǔ)條件。使得航空電子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)傳輸形成了超低時(shí)間抖動(dòng)傳輸調(diào)度、優(yōu)先數(shù)據(jù)傳輸控制、非實(shí)時(shí)信息數(shù)據(jù)均衡傳輸?shù)瓤刂颇芰Α?/p>

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)消息傳輸控制要求對(duì)機(jī)載系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理分類和傳輸消息的優(yōu)先級(jí)類別定義。在網(wǎng)絡(luò)中,通過(guò)對(duì)具有時(shí)間觸發(fā)(TT)定時(shí)調(diào)度要求的應(yīng)用數(shù)據(jù)使用超低時(shí)間抖動(dòng)傳輸調(diào)度控制、對(duì)具有有限傳輸延遲控制要求的應(yīng)用數(shù)據(jù)使用優(yōu)先數(shù)據(jù)傳輸控制、對(duì)具有大容量數(shù)據(jù)傳輸需求的應(yīng)用數(shù)據(jù)使用非實(shí)時(shí)信息數(shù)據(jù)均衡傳輸控制等不同通信控制技術(shù)處理方案,保證航空電子網(wǎng)絡(luò)可以為機(jī)載系統(tǒng)應(yīng)用數(shù)據(jù)提供多樣性網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù),滿足多種控制類型應(yīng)用數(shù)據(jù)的高效調(diào)度控制要求。

3.4 網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程的可靠控制

3.4.1 可靠控制要求

TSN在以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上進(jìn)行了傳輸控制能力提升設(shè)計(jì),但是在保證網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中的確定性接收控制方面仍缺乏有效的技術(shù)手段以保證極端狀態(tài)下的數(shù)據(jù)通信安全可靠。

為解決機(jī)載系統(tǒng)關(guān)鍵應(yīng)用數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽靠刂埔?需要在鏈路層制定相應(yīng)控制策略,在不違背TSN協(xié)議和不過(guò)多增加網(wǎng)絡(luò)鏈路通信負(fù)載的條件下,ATSN設(shè)計(jì)采用應(yīng)答通信(RR)和信用管理(BB)控制技術(shù),有效避免網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)的丟失,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性接收控制。同時(shí),結(jié)合對(duì)應(yīng)用數(shù)據(jù)的高效調(diào)度設(shè)計(jì)方案,妥善解決網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的無(wú)損傳輸控制和無(wú)沖突交換問(wèn)題,避免由于多通道突發(fā)高流量網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)造成的網(wǎng)絡(luò)交換沖突故障事件,以及杜絕故障的拜占庭式蔓延。

3.4.2 可靠控制設(shè)計(jì)

ATSN通信數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程的可靠控制設(shè)計(jì)目的在于利用已知能力的物理光連接介質(zhì)進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸時(shí),制定合理可行的控制策略以提高網(wǎng)絡(luò)鏈路數(shù)據(jù)可靠傳送和接收端接收網(wǎng)絡(luò)鏈路傳送數(shù)據(jù)的有效性。

通常,為避免數(shù)據(jù)在鏈路傳輸過(guò)程中意外丟失,要求網(wǎng)絡(luò)鏈路必須保證數(shù)據(jù)傳送操作的可靠執(zhí)行。

針對(duì)這一要求,在ATSN系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)終端發(fā)送端口和交換機(jī)接收端口之間以及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換機(jī)發(fā)送端口和終端接收端口之間,設(shè)計(jì)建立數(shù)據(jù)傳輸鏈路故障動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與傳輸容錯(cuò)機(jī)制。通過(guò)提供面向連接的消息接收應(yīng)答、故障消息重傳等控制服務(wù),提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。鏈路傳輸消息接收?yīng)答與重傳控制見(jiàn)圖6。圖中:tT為消息從發(fā)送端口發(fā)出所需時(shí)間;tR為消息從接收端口接入所需時(shí)間;tW為故障重發(fā)數(shù)據(jù)從重發(fā)緩存中取出直到從發(fā)送端口發(fā)出所需時(shí)間。

如圖6所示,發(fā)送端口的重發(fā)管理模塊將輸出隊(duì)列中具有可靠執(zhí)行要求的網(wǎng)絡(luò)消息放入重發(fā)緩存,啟動(dòng)消息響應(yīng)超時(shí)延遲計(jì)時(shí)器,并對(duì)消息數(shù)據(jù)接收端口的接收響應(yīng)信息進(jìn)行檢測(cè)。接收端口接收并識(shí)別到具有可靠執(zhí)行要求的網(wǎng)絡(luò)消息后,將實(shí)時(shí)產(chǎn)生接收響應(yīng)消息,并插入端口輸出隊(duì)列中當(dāng)前發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)消息之后即時(shí)發(fā)送。

為保證接收端接收網(wǎng)絡(luò)鏈路傳送數(shù)據(jù)的有效性,避免因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)交換機(jī)發(fā)送端口的數(shù)據(jù)接收緩存隊(duì)列的意外溢出,導(dǎo)致不可預(yù)見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)丟失故障,ATSN在TSN數(shù)據(jù)發(fā)送調(diào)度協(xié)議的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)增加交換機(jī)輸出端口數(shù)據(jù)接收緩存溢出預(yù)警與交換機(jī)輸入端口接收緩存隊(duì)列的接收信用管理(BB)機(jī)制。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸控制模型見(jiàn)圖7。

采用上述機(jī)制,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)消息傳輸鏈路的數(shù)據(jù)接收緩存信用反壓機(jī)制,對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信鏈路的數(shù)據(jù)流量進(jìn)行動(dòng)態(tài)均衡控制,可以避免網(wǎng)絡(luò)中多個(gè)網(wǎng)絡(luò)終端輸出端口在交換機(jī)的有限輸出端口上突發(fā)產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)風(fēng)暴,有效化解交換機(jī)輸出端口出現(xiàn)數(shù)據(jù)緩存溢出和丟失的故障蔓延幾率。

3.5 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的靈活訂閱與分發(fā)

3.5.1 訂閱分發(fā)要求

信息數(shù)據(jù)是開(kāi)放式架構(gòu)機(jī)載系統(tǒng)的“生產(chǎn)資料”,傳統(tǒng)的機(jī)載系統(tǒng)通過(guò)基于自標(biāo)識(shí)的相對(duì)固定的系統(tǒng)接口控制文件(Interface Control Document,ICD)訂閱手段實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)共享[6]。ATSN作為機(jī)載系統(tǒng)設(shè)備間的新型數(shù)據(jù)通信平臺(tái),向各個(gè)網(wǎng)絡(luò)用戶提供開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)訂閱和發(fā)布服務(wù),實(shí)現(xiàn)機(jī)載系統(tǒng)設(shè)備及應(yīng)用APP動(dòng)態(tài)協(xié)商、按需訂閱和分享系統(tǒng)信息資源。

3.5.2 訂閱分發(fā)設(shè)計(jì)

ATSN系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行,與連接在網(wǎng)絡(luò)上的系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行控制實(shí)現(xiàn)解耦,提供時(shí)間確定性、低延遲和高可靠性數(shù)據(jù)傳輸控制服務(wù)。機(jī)載系統(tǒng)設(shè)備和應(yīng)用按需接入網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)采用訂閱與分發(fā)控制機(jī)制,利用軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)、網(wǎng)絡(luò)終端邊緣處理等技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)消息的訂閱與分發(fā)路由動(dòng)態(tài)控制和管理。

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的訂閱操作以應(yīng)用APP為主體,通過(guò)其嵌入式硬件處理設(shè)備(即網(wǎng)絡(luò)終端)實(shí)施。網(wǎng)絡(luò)消息的訂閱控制流程見(jiàn)圖8。圖中,t1～t5為各個(gè)控制節(jié)點(diǎn)的執(zhí)行時(shí)間。

具體說(shuō)明如下。

1) ES設(shè)備安全接入航空電子網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以其駐留的應(yīng)用APP為單位,根據(jù)自身運(yùn)行所需的外部數(shù)據(jù)條件要求,采用可靠傳輸控制方式向網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)分布式運(yùn)行服務(wù)平臺(tái)提出網(wǎng)絡(luò)消息數(shù)據(jù)訂閱申請(qǐng)。

2) 應(yīng)用APP發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)消息數(shù)據(jù)訂閱申請(qǐng)攜帶有應(yīng)用APP ID,可以作為應(yīng)用APP的邏輯接入申請(qǐng),網(wǎng)絡(luò)消息數(shù)據(jù)訂閱申請(qǐng)由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)分布式運(yùn)行服務(wù)平臺(tái)的相應(yīng)功能模塊進(jìn)行處理,并建立該應(yīng)用訂閱消息的輸入緩存管理方案。

3) 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)分布式運(yùn)行服務(wù)平臺(tái)的路由管理服務(wù)模塊接收來(lái)自ES設(shè)備應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)消息數(shù)據(jù)訂閱申請(qǐng),利用優(yōu)化的消息路由控制算法集中處理與該訂閱表中消息相關(guān)的,且是可接入網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)終端設(shè)備的發(fā)布消息路由控制信息,完成ES設(shè)備訂閱的網(wǎng)絡(luò)消息的識(shí)別、分解操作,定義網(wǎng)絡(luò)消息分發(fā)路由軟件控制方案。

4) 采用可靠傳輸控制方式向相關(guān)網(wǎng)絡(luò)終端發(fā)送網(wǎng)絡(luò)消息發(fā)布表更改指令,由相關(guān)網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備接收并完成發(fā)布消息路由控制信息更改。

5) 網(wǎng)絡(luò)消息輸入設(shè)備在接收到訂閱消息之后,將依據(jù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備建立該應(yīng)用訂閱消息的輸入緩存管理方案,將網(wǎng)絡(luò)消息數(shù)據(jù)分發(fā)至各個(gè)應(yīng)用獨(dú)占的輸入緩存,等待應(yīng)用適時(shí)讀取使用。

網(wǎng)絡(luò)終端輸出消息的分發(fā)與傳輸路由控制采用終端邊緣處理的方式,可以減輕交換數(shù)據(jù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的交換操作壓力并降低傳輸處理延遲,提升網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)交換控制時(shí)序的規(guī)整性和操作效率,避免終端輸出消息數(shù)據(jù)在交換機(jī)內(nèi)部緩存的無(wú)序積壓。

網(wǎng)絡(luò)終端對(duì)輸出消息的路由識(shí)別與分發(fā)處理的依據(jù)來(lái)自于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)服務(wù)軟件模塊的網(wǎng)絡(luò)終端輸出消息發(fā)布信息和網(wǎng)絡(luò)終端在線信息。終端輸出消息路由識(shí)別與分發(fā)處理流程見(jiàn)圖9。圖中:t1為消息經(jīng)分發(fā)處理所需時(shí)間;tsend為消息從優(yōu)先級(jí)隊(duì)列內(nèi)發(fā)出所需時(shí)間;N為發(fā)送控制隊(duì)列深度;n表示當(dāng)前狀態(tài)下發(fā)送控制隊(duì)列內(nèi)有n條消息等待分配到各個(gè)優(yōu)先級(jí)隊(duì)列。

圖9 終端輸出消息路由識(shí)別與分發(fā)處理流程

航空電子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中存在多個(gè)應(yīng)用APP同時(shí)訂閱同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的情況,被多個(gè)應(yīng)用APP同時(shí)訂閱的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)具備組播分發(fā)控制需求。為保證網(wǎng)絡(luò)消息被有效組播分發(fā),需要制定并遵循以下處理規(guī)則:

1) 網(wǎng)絡(luò)消息路由服務(wù)模塊按照終端訂閱順序以增量方式對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)加注分發(fā)路由信息;

2) 網(wǎng)絡(luò)消息輸出設(shè)備對(duì)應(yīng)用APP的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行分發(fā)處理時(shí),首先需要依次對(duì)與輸出數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)的終端訂閱信息進(jìn)行識(shí)別和處理并確認(rèn)接收終端處于在線工作狀態(tài);

3) 當(dāng)終端輸出數(shù)據(jù)的訂閱終端滿足消息接收條件時(shí),網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)將被按需組裝成為網(wǎng)絡(luò)消息并放入終端消息發(fā)送隊(duì)列,被多個(gè)應(yīng)用APP同時(shí)訂閱的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)將被多次組裝;

4) 進(jìn)入終端消息發(fā)送隊(duì)列的網(wǎng)絡(luò)消息將按照消息的優(yōu)先級(jí)被分發(fā)到相應(yīng)的優(yōu)先級(jí)隊(duì)列,等待發(fā)送終端網(wǎng)絡(luò)接口調(diào)度發(fā)送。

3.6 網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)與系統(tǒng)狀態(tài)動(dòng)態(tài)監(jiān)視

3.6.1 動(dòng)態(tài)監(jiān)視要求

新一代機(jī)載系統(tǒng)利用ATSN系統(tǒng)能力實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備的互聯(lián)、互通、互操作和構(gòu)建分布式作戰(zhàn)系統(tǒng)。航空電子網(wǎng)絡(luò)承擔(dān)著為系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)提供可靠傳輸與控制的重任,同時(shí)也是機(jī)載系統(tǒng)設(shè)備及應(yīng)用數(shù)據(jù)連接匯集的平臺(tái)樞紐[7]。

ATS具有對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)與系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)動(dòng)態(tài)監(jiān)視與評(píng)估能力,是實(shí)現(xiàn)機(jī)載系統(tǒng)智能運(yùn)維和模塊綜合調(diào)試的前提條件。

3.6.2 動(dòng)態(tài)監(jiān)視設(shè)計(jì)

ATSN是多數(shù)據(jù)通道并發(fā)運(yùn)行的高速交換網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)數(shù)據(jù)流速可超過(guò)100 Gibit/s,采用傳統(tǒng)的技術(shù)手段已難以實(shí)現(xiàn)對(duì)全網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)的有效在線提取。

綜合考慮機(jī)載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和使用各個(gè)階段對(duì)航空電子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)的監(jiān)視、提取和系統(tǒng)維護(hù)需求,新一代機(jī)載系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用通信數(shù)據(jù)的前向訂閱和在線偵聽(tīng)控制機(jī)制,面向網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)輸出終端按需訂閱網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視數(shù)據(jù)。充分利用網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)作為ATSN終端連接的樞紐作用,動(dòng)態(tài)監(jiān)視和提取網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)信息和系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)。

網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)與系統(tǒng)狀態(tài)動(dòng)態(tài)監(jiān)視控制流程見(jiàn)圖10。

圖10 網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)與系統(tǒng)狀態(tài)動(dòng)態(tài)監(jiān)視控制流程

采用訂閱方式實(shí)現(xiàn)對(duì)航空電子網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)的監(jiān)視,來(lái)自航空電子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)多個(gè)終端設(shè)備的監(jiān)視數(shù)據(jù)將匯聚到網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的有限監(jiān)視端口分時(shí)輸出,在特定條件下監(jiān)視端口突發(fā)形成網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視數(shù)據(jù)聚合,造成監(jiān)視端口數(shù)據(jù)輸出緩存控制壓力,為避免數(shù)據(jù)緩存溢出故障,需要加大網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)監(jiān)視數(shù)據(jù)輸出端口數(shù)據(jù)緩存容量及數(shù)據(jù)輸出速率,增強(qiáng)監(jiān)視端口的監(jiān)視數(shù)據(jù)緩存和輸出控制能力。

4 結(jié)束語(yǔ)

新一代航空電子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)面對(duì)的機(jī)載系統(tǒng)的綜合化技術(shù)水平已大幅提高,系統(tǒng)運(yùn)行平臺(tái)及系統(tǒng)資源也由封閉式逐步向分布式開(kāi)放型系統(tǒng)架構(gòu)方向發(fā)展。原有的具有高度統(tǒng)一技術(shù)特征的運(yùn)行維護(hù)及通信控制管理以及高帶寬、高容量特點(diǎn)的專業(yè)航空電子網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)已難以滿足新型機(jī)載綜合化系統(tǒng)的多種應(yīng)用需要。

ATSN結(jié)合機(jī)載系統(tǒng)應(yīng)用需求,面向開(kāi)放架構(gòu)服務(wù)的技術(shù)理念,基于TSN標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā),在滿足航空航天應(yīng)用需求的同時(shí)還具備經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)。ATSN通過(guò)能力增強(qiáng)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有航空電子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的功能覆蓋,能夠提升機(jī)載系統(tǒng)的綜合性能。