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關(guān)于光纖通道航空電子系統(tǒng)容錯拓?fù)淇煽啃匝芯空撐?/p>
0引言
![關(guān)于光纖通道航空電子系統(tǒng)容錯拓?fù)淇煽啃匝芯空撐?/></p><p> FC的高速率、低延遲、低位錯率、靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、開放的標(biāo)準(zhǔn)和廣泛的商業(yè)支持,使得它能夠很好的滿足未來航空電子系統(tǒng)互連的要求,成為未來航空電子系統(tǒng)互連的首選標(biāo)準(zhǔn),并已經(jīng)在美國多個飛機型號的改進(jìn)和下一代主戰(zhàn)飛機上使用。航空電子系統(tǒng)的可靠性關(guān)系到系統(tǒng)中任務(wù)的順利實現(xiàn),更關(guān)系到飛行體本身的安全與否。因此,航空電子系統(tǒng)一般采用具有容錯功能的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來保證系統(tǒng)的高可靠性。由于FC標(biāo)準(zhǔn)具有靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),所以FC用于航空電子系統(tǒng)互連時也有多種容錯網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇梢赃x擇,對于各種FC容錯網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞目煽啃赃M(jìn)行研究是十分必要的。對于網(wǎng)絡(luò)可靠性的研究往往采用可靠性建模的方法,現(xiàn)有的研究網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠性建模的文獻(xiàn)不少,文獻(xiàn)假設(shè)節(jié)點和通信鏈路均存在不可靠的情況,從連通性這一最基本的要求出發(fā)建立網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性模型;文獻(xiàn)提出并定義了基于任務(wù)的可靠度,將網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠性與系統(tǒng)的功能聯(lián)系起來,但是該可靠度沒有考慮通信鏈路失效的情況,因而難以全面反映系統(tǒng)的可靠性;文獻(xiàn)在文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上綜合考慮系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、任務(wù)集、通信鏈路集和處理單元(節(jié)點)集對系統(tǒng)可靠性的影響,提出了分布式系統(tǒng)的可靠性模型;文獻(xiàn)對航空電子實時網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行了可靠性建模研究,并具體給出了FC網(wǎng)絡(luò)的可靠性模型。</p><p> 本文在上述可靠性建模研究的基礎(chǔ)上,提出了使用系統(tǒng)平均可靠度來衡量系統(tǒng)可靠性的方法,針對FC三種容錯網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分別建立了基于任務(wù)的系統(tǒng)平均可靠度模型,并分析了不同容錯拓?fù)淇煽啃缘奶攸c。</p><p><strong> 1FC互連系統(tǒng)模型</strong></p><p> FC是美國國家標(biāo)準(zhǔn)委員會(ANSI)的X3T11小組于1988年開始制定的一種高速串行傳輸協(xié)議,采用通道技術(shù)控制信號傳輸,在共享介質(zhì)時采用基于仲裁或交換的信道共享沖突解決機制和基于信用的流量控制策略。FC的傳輸速率已經(jīng)由最初的1Gbps改進(jìn)到2Gbps和4Gbps,并正在向10Gbps發(fā)展。FC支持很多上層協(xié)議,包括IP、SCSI、1553等;支持多種物理介質(zhì),如光纖和銅纜等。FC能夠?qū)崿F(xiàn)全雙工、半雙工和單工的通信模式,以及稱作服務(wù)等級的5個發(fā)送選項,可以提供不同交付水平和傳輸速率的通信服務(wù)。FC主要用來實現(xiàn)了大容量、高速度的數(shù)據(jù)傳輸。</p><p> FC定義了三種基本的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu):點對點、仲裁環(huán)和交換式。FC面向的連接單元稱為端口(Port),端口具備FC標(biāo)準(zhǔn)的基本通信功能,并根據(jù)可以實現(xiàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同分為多種類型。</p><p> 點到點是通過雙向鏈路直接連接兩個設(shè)備端口(N_Port),提供最大帶寬的專用連接。仲裁環(huán)是一種單向環(huán)形數(shù)據(jù)通路,在兩個仲裁環(huán)端口(L_Port)間提供邏輯上雙向的,點對點的服務(wù)。只有當(dāng)端口檢測到環(huán)路處于空閑狀態(tài),才能通過仲裁獲得仲裁權(quán)同其他端口進(jìn)行通信。交換式是FC提供的功能最強大的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),可以連接多達(dá)1600萬個設(shè)備,而且允許多個設(shè)備在同一時刻進(jìn)行高速通信。交換式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的核心是交換機(Switch),多個設(shè)備端口(N_Port)連接到交換機組成交換式結(jié)構(gòu)。交換機上與N_Port連接的端口叫做F_Port。交換式結(jié)構(gòu)在N_Port和F_Port之間建立雙向連接,并通過交換機上F_Port間數(shù)據(jù)幀的路由來提供傳送服務(wù)。在實際使用中,FC的端口往往設(shè)計為復(fù)合端口(N/NL/F),可以實現(xiàn)多種端口的功能。</p><p> 在上述三種基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,FC允許將各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行組合。FC應(yīng)用于航空電子系統(tǒng)互連時,為了保證系統(tǒng)更高的可靠性,往往采用具有容錯功能的組合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。FC互聯(lián)系統(tǒng)常用的容錯拓?fù)溆幸韵氯N;雙環(huán)結(jié)構(gòu)、雙交換機結(jié)構(gòu)和交換機仲裁環(huán)組合結(jié)構(gòu)。</p><p><strong> 2可靠性模型</strong></p><p> 2.1系統(tǒng)任務(wù)描述</p><p> (1)任務(wù)的定義:在FC網(wǎng)絡(luò)互連中,定義任務(wù)為系統(tǒng)中任意兩個端口之間的單向信息傳輸過程。任務(wù)t用三元組[S,D,T]表示,其中</p><p> S:代表任務(wù)的源端口;</p><p> D:代表任務(wù)的目的端口;</p><p> T:代表任務(wù)在什么拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中執(zhí)行;</p><p> 后面的討論中,以tS,D,T表示在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為T的互連系統(tǒng)中從源端口S到目的端口D傳輸信息的任務(wù)。</p><p> (2)任務(wù)集:互連系統(tǒng)中所有的任務(wù)組成了系統(tǒng)的任務(wù)集,系統(tǒng)中的任務(wù)數(shù)為m,則系統(tǒng)的任務(wù)集表示為Γ={tjS,D,T|j=1,2,…,m}(1)</p><p> 2.2任務(wù)的路徑集</p><p> 任務(wù)tS,D,T的路徑由完成從端口S到端口D信息傳輸任務(wù)所需的端口單元、交換機和鏈路組成,用rS,D,T表示。端口單元包括可能的各類端口(N_Port、L_Port、F_Port),鏈路定義為相鄰兩個端口之間的通信線路。在復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,任務(wù)的路徑可能有多條,其數(shù)目設(shè)為kS,D,T。則任務(wù)tS,D,T的路徑集</p><p> RS,D,T為RS,D,T={riS,D,T|i=1,2,…,kS,D,T}(2)</p><p> 其中,任務(wù)tS,D,T的第i條路徑riS,D,T由端口單元集、交換機單元集和鏈路單元集組成,分別以PirS,D,T、SirS,D,T和LirS,D,T表示。</p><p> PirS,D,T={pirS,D,T|pirS,D,T∈riS,D,T}(3)</p><p> SirS,D,T={sirS,D,T|sirS,D,T∈riS,D,T}(4)</p><p> LirS,D,T={lirS,D,T|lirS,D,T∈riS,D,T}(5)</p><p> 則任務(wù)tS,T,D的端口單元集表示為</p><p> PtS,D,T=∪kS,D,Ti=1PirS,D,T(6)</p><p> 任務(wù)tS,T,D的交換機單元集表示為</p><p> StS,D,T=∪kS,D,Ti=1SirS,D,T(7)</p><p> 任務(wù)tS,T,D的鏈路單元集表示為LtS,D,T=∪kS,D,Ti=1LirS,D,T(8)</p><p> 2.3前提和假設(shè)</p><p> 對于FC互連系統(tǒng),本文假設(shè)</p><p> (1)系統(tǒng)中的端口單元、交換機單元和鏈路單元都只有正常工作和失效兩種狀態(tài),端口單元、交換單元和鏈路單元的失效相互統(tǒng)計獨立,失效概率可以不同。</p><p> (2)pport、pswich和plink分別表示端口單元、交換機單元和鏈路單元可靠性的概率度量,即可靠度。</p><p> 2.4單一任務(wù)的可靠度</p><p> 任務(wù)tS,D,T的完成可以具有多條冗余路徑,任務(wù)tS,D,T的第i條路徑riS,D,T的可靠度RriS,D,T定義為路徑riS,D,T的端口單元集PirS,D,T、交換機單元集SirS,D,T和鏈路單元集LirS,D,T正常工作的概率,即</p><p> RriS,D,T=Pr{riS,D,T}=Pr{PirS,D,TSirS,D,TLirS,D,T}(9)</p><p> 任務(wù)tS,D,T的可靠度RtS,D,T定義為任務(wù)的路徑集RS,D,T中至少有一條路徑正常工作的概率,即</p><p> RtS,D,T=Pr∪kS,D,Ti=1riS,D,T(10)</p><p> 根據(jù)相容事件的概率公式,上式可表示為</p><p> RtS,D,T=Pr∪kS,D,Ti=1riS,D,T=∑kS,D,Ti=1Pr{riS,D,T}-i∑≠jPr{riS,D,TrjS,D,T}+i≠∑j≠kPr{riS,D,TrjS,D,TrkS,D,T}+…+(-1)kS,D,T+1PrkS,D,Ti=1riS,D,T(11)</p><p> 當(dāng)任務(wù)的路徑數(shù)kS,D,T較大時,上式的直接計算將十分繁瑣,可以采用布爾代數(shù)中的不交化方法并結(jié)合計算機進(jìn)行計算求解。</p><p> 2.5系統(tǒng)可靠度矩陣與系統(tǒng)平均可靠度</p><p> 在基于任務(wù)的可靠性建模中,FC互連系統(tǒng)的可靠度與系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜腿蝿?wù)集密切相關(guān)。對于確定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?通常采用可靠度矩陣的方法從任務(wù)的角度評價FC互連系統(tǒng)的可靠度。系統(tǒng)可靠度矩陣中,行坐標(biāo)代表任務(wù)的源端口,列坐標(biāo)代表任務(wù)的目的端口。可靠度矩陣RD中行坐標(biāo)為S,列坐標(biāo)為D的元素代表任務(wù)tS,D,T的可靠度,即</p><p> RT=Pr[RtS,D,T],S=1,2,…,m;D=1,2,…,m(12)</p><p> 式中:m———通信端口個數(shù)</p><p> 從而以矩陣的形式給出FC互連系統(tǒng)任務(wù)可靠度與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲g的關(guān)系。可靠度矩陣共有m*m個元素,其中有m個S=D的元素沒有物理意義,為無效元素,其他為可靠度矩陣的有效元素。</p><p> 為了更好的比較不同網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銯C互連系統(tǒng)的可靠性,對可靠度矩陣中的所有有效元素求平均值定義為系統(tǒng)平均可靠度Rsystem=∑mS=1∑mD=1,S≠DRtS,D,Tm(m-1)(13)</p><p> 在不針對確定任務(wù)集的情況下,系統(tǒng)平均可靠度反映了所有該系統(tǒng)可能執(zhí)行任務(wù)的可靠度。</p><p> 2.6容錯網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞南到y(tǒng)平均可靠度計算</p><p> 根據(jù)式(9)、(10)和(13),可得到FC三種容錯網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞南到y(tǒng)平均可靠度Rsystem的具體表達(dá)形式。</p><p> 雙環(huán)結(jié)構(gòu)(Loop-Loop),完成任務(wù)可以有兩條路徑,分別在互為反向的兩個環(huán)上,包括了源端口,目的端口以及之間通過的端口和鏈路</p><p> RtS,D,L-L=Pr{r1S,D,L-L∪r2S,D,L-L}=Pr{r1S,D,L-L}+Pr{r2S,D,L-L}-Pr{r1S,D,L-Lr2S,D,L-L}=Pr{P1rS,D,L-LL1rS,D,L-L}+Pr{P2rS,D,L-LL2rS,D,L-L}-Pr{P1rS,D,L-LL1rS,D,L-LP2rS,D,L-LL2rS,D,L-L}(14)</p><p> RL-L,system=∑mS=1∑mD=1,S≠DRtS,D,L-Lm(m-1)(15)</p><p> 雙交換機結(jié)構(gòu)(Switch-Switch),完成任務(wù)可以有兩條路徑,分別通過兩個交換機,路徑上包括了源端口、目的端口、交換機和相應(yīng)的鏈路單元</p><p> RtS,D,S-S=Pr{r1S,D,S-S∪r2S,D,S-S}=Pr{r1S,D,S-S}+Pr{r2S,D,S-S}-Pr{r1S,D,S-Sr2S,D,S-S}=Pr{P1rS,D,S-SL1rS,D,S-Ss1}+Pr{P2rS,D,S-SL2rS,D,S-Ss2}-Pr{P1rS,D,S-SL1rS,D,S-SP2rS,D,S-SL2rS,D,S-SS}(16)</p><p> RS-S,system=∑mS=1∑mD=1,S≠DRtS,D,S-Sm(m-1)(17)</p><p> 交換機仲裁環(huán)組合結(jié)構(gòu)(Switch-Loop),完成任務(wù)可以有兩條路徑,分別通過交換機和環(huán)路</p><p> RtS,D,S-L=Pr{r1S,D,S-L∪r2S,D,S-L}=Pr{r1S,D,S-L}+Pr{r2S,D,S-L}-Pr{r1S,D,S-Lr2S,D,S-L}=Pr{P1rS,D,S-LL1rS,D,S-Ls}+Pr{P2rS,D,S-LL2rS,D,S-L}-Pr{P1rS,D,S-LL1rS,D,S-LP2rS,D,S-LL2rS,D,S-Ls}(18)</p><p> RS-L,system=∑mS=1∑mD=1,S≠DRtS,D,S-Lm(m-1)(19)</p><p><strong> 3實例分析</strong></p><p> 航空電子系統(tǒng)是典型的分布式實時控制系統(tǒng),系統(tǒng)可靠性在航空電子系統(tǒng)總體設(shè)計中占有至關(guān)重要的地位。考慮未來航空電子系統(tǒng)FC互連時可能的一種失效概率情況,即所有端口單元失效概率同為1%,所有交換機失效概率同為2%,所有鏈路單元的失效概率同為0.5%情況下,利用本文提到的可靠性建模方法計算系統(tǒng)平均可靠度。</p><p> 根據(jù)失效概率,定義</p><p> 所有端口單元的可靠度表示為p=99%;</p><p> 所有交換機的可靠度表示為s=98%;</p><p> 所有鏈路單元的可靠度表示為l=99.5%。</p><p> 根據(jù)式(14),(15)可得</p><p> RtS,D,L-L=p|D-S|+1l|D-S|+pm-|D-S|+1lm-|D-S|-pm+2lmRL-L,system=2m∑m-1i=1pi+1li-m(m-1)pm+2lmm(m-1)=2m-1∑m-1i=1pi+1li-pm+2lm</p><p> 根據(jù)公式(16),(17)可得</p><p> RtS,D,S-S=2p2sl2-p4s2l4RS-S,system=2p2sl2-p4s2l4根據(jù)公式(18),(19)可得RtS,D,S-L=p2sl2+p|D-S|+1l|D-S|-p2sl2p|D-S|+1l|D-S|RS-L,system=p2sl2+1m-1∑m-1i=1pi+1li-sm-1∑m-1i=1pi+3li+2</p><p> 對于給定的失效概率,可以根據(jù)通信節(jié)點數(shù)m的不同分別計算三種容錯拓?fù)錂C構(gòu)的系統(tǒng)平均可靠度。圖3所示為m從3到20時三種容錯拓?fù)錂C構(gòu)的系統(tǒng)平均可靠度的變化曲線。圖3三種容錯拓?fù)涞南到y(tǒng)平均可靠度曲線圖3直觀的反映出以下三點規(guī)律</p><p> (1)隨著通信節(jié)點數(shù)的增加,雙環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的系統(tǒng)平均可靠度下降十分明顯,所以對于成本較低的雙環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),比較適用于通信節(jié)點很少的情況(本例中應(yīng)小于10);</p><p> (2)雙交換機拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的系統(tǒng)平均可靠度與通信節(jié)點數(shù)無關(guān),但是因為成本較高,在通信節(jié)點數(shù)較多的情況比較適用(本例中應(yīng)大于20);</p><p> (3)交換機仲裁環(huán)組合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的系統(tǒng)平均可靠度隨通信節(jié)點數(shù)的增加下降較緩,所以在通信節(jié)點較少的情況下(本例中應(yīng)小于20,大于10),能夠很好的對成本因素和系統(tǒng)平均可靠度進(jìn)行折衷。</p><p><strong> 4結(jié)束語</strong></p><p> 航空電子系統(tǒng)的容錯有多種方法,通過空間上的冗余拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行容錯是普遍采用的方法。采用FC互連的航空電子系統(tǒng)則需要在多種可能的容錯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中進(jìn)行選擇。本文在基于任務(wù)的可靠性建模基礎(chǔ)上,使用計算系統(tǒng)平均可靠度的方法來衡量FC三種常用容錯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可靠性,并給出了三種結(jié)構(gòu)可靠性與通信節(jié)點數(shù)的關(guān)系,可以作為未來FC航空電子系統(tǒng)容錯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇的重要依據(jù)。</p><script>s(](https://p.9136.com/00/l/c2dbcec404.jpg)
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