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關(guān)于光纖通道航空電子系統(tǒng)容錯(cuò)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(cuò)拓?fù)淇煽啃匝芯空撐?/></p><p> FC的高速率、低延遲、低位錯(cuò)率、靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、開(kāi)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(lái)航空電子系統(tǒng)互連的要求,成為未來(lái)航空電子系統(tǒng)互連的首選標(biāo)準(zhǔn),并已經(jīng)在美國(guó)多個(gè)飛機(jī)型號(hào)的改進(jìn)和下一代主戰(zhàn)飛機(jī)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(shí)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(cuò)功能的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)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(shí)也有多種容錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇梢赃x擇,對(duì)于各種FC容錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞目煽啃赃M(jìn)行研究是十分必要的。對(duì)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(diǎn)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(lái),但是該可靠度沒(méi)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(diǎn))集對(duì)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(duì)航空電子實(shí)時(shí)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(lái)衡量系統(tǒng)可靠性的方法,針對(duì)FC三種容錯(cuò)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(cuò)拓?fù)淇煽啃缘奶攸c(diǎn)。</p><p><strong> 1FC互連系統(tǒng)模型</strong></p><p> FC是美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)(ANSI)的X3T11小組于1988年開(kāi)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(hào)傳輸,在共享介質(zhì)時(shí)采用基于仲裁或交換的信道共享沖突解決機(jī)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(chēng)作服務(wù)等級(jí)的5個(gè)發(fā)送選項(xiàng),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(lái)實(shí)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)、仲裁環(huán)和交換式。FC面向的連接單元稱(chēng)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(shí)現(xiàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同分為多種類(lèi)型。</p><p> 點(diǎn)到點(diǎn)是通過(guò)雙向鏈路直接連接兩個(gè)設(shè)備端口(N_Port),提供最大帶寬的專(zhuān)用連接。仲裁環(huán)是一種單向環(huán)形數(shù)據(jù)通路,在兩個(gè)仲裁環(huán)端口(L_Port)間提供邏輯上雙向的,點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的服務(wù)。只有當(dāng)端口檢測(cè)到環(huán)路處于空閑狀態(tài),才能通過(guò)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(qiáng)大的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),可以連接多達(dá)1600萬(wàn)個(gè)設(shè)備,而且允許多個(gè)設(shè)備在同一時(shí)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(jī)(Switch),多個(gè)設(shè)備端口(N_Port)連接到交換機(jī)組成交換式結(jié)構(gòu)。交換機(jī)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(guò)交換機(jī)上F_Port間數(shù)據(jù)幀的路由來(lái)提供傳送服務(wù)。在實(shí)際使用中,FC的端口往往設(shè)計(jì)為復(fù)合端口(N/NL/F),可以實(shí)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(shí),為了保證系統(tǒng)更高的可靠性,往往采用具有容錯(cuò)功能的組合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。FC互聯(lián)系統(tǒng)常用的容錯(cuò)拓?fù)溆幸韵氯N;雙環(huán)結(jié)構(gòu)、雙交換機(jī)結(jié)構(gòu)和交換機(jī)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(gè)端口之間的單向信息傳輸過(guò)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(mén)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(jī)和鏈路組成,用rS,D,T表示。端口單元包括可能的各類(lèi)端口(N_Port、L_Port、F_Port),鏈路定義為相鄰兩個(gè)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(jī)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(jī)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L(zhǎng)tS,D,T=∪kS,D,Ti=1LirS,D,T(8)</p><p> 2.3前提和假設(shè)</p><p> 對(duì)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(jī)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(jì)獨(dú)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(jī)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(jī)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(shí),上式的直接計(jì)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(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)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(duì)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(píng)價(jià)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(gè)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(gè)元素,其中有m個(gè)S=D的元素沒(méi)有物理意義,為無(wú)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(duì)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(duì)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(cuò)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞南到y(tǒng)平均可靠度計(jì)算</p><p> 根據(jù)式(9)、(10)和(13),可得到FC三種容錯(cuò)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(gè)環(huán)上,包括了源端口,目的端口以及之間通過(guò)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(jī)結(jié)構(gòu)(Switch-Switch),完成任務(wù)可以有兩條路徑,分別通過(guò)兩個(gè)交換機(jī),路徑上包括了源端口、目的端口、交換機(jī)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(jī)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(guò)交換機(jī)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(shí)例分析</strong></p><p> 航空電子系統(tǒng)是典型的分布式實(shí)時(shí)控制系統(tǒng),系統(tǒng)可靠性在航空電子系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)中占有至關(guān)重要的地位。考慮未來(lái)航空電子系統(tǒng)FC互連時(shí)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(jī)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(jì)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(jī)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(duì)于給定的失效概率,可以根據(jù)通信節(jié)點(diǎn)數(shù)m的不同分別計(jì)算三種容錯(cuò)拓?fù)錂C(jī)構(gòu)的系統(tǒng)平均可靠度。圖3所示為m從3到20時(shí)三種容錯(cuò)拓?fù)錂C(jī)構(gòu)的系統(tǒng)平均可靠度的變化曲線。圖3三種容錯(cuò)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(diǎn)規(guī)律</p><p> (1)隨著通信節(jié)點(diǎn)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(duì)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(diǎn)很少的情況(本例中應(yīng)小于10);</p><p> (2)雙交換機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的系統(tǒng)平均可靠度與通信節(jié)點(diǎn)數(shù)無(wú)關(guān),但是因?yàn)槌杀据^高,在通信節(jié)點(diǎn)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(jī)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(diǎn)數(shù)的增加下降較緩,所以在通信節(jié)點(diǎn)較少的情況下(本例中應(yīng)小于20,大于10),能夠很好的對(duì)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(yǔ)</strong></p><p> 航空電子系統(tǒng)的容錯(cuò)有多種方法,通過(guò)空間上的冗余拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行容錯(cuò)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(cuò)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(jì)算系統(tǒng)平均可靠度的方法來(lái)衡量FC三種常用容錯(cuò)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(diǎn)數(shù)的關(guān)系,可以作為未來(lái)FC航空電子系統(tǒng)容錯(cuò)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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