基于AFDX的潛用水聲傳感器信息傳輸網絡

王 偉，林恒清

(中國船舶工業集團公司船舶系統工程部水聲對抗技術重點實驗室，北京 100036)

0 引言

隨著潛艇靜音技術的飛速發展，單一的水聲傳感器難以捕捉到靜音潛艇的行蹤，為此，需要對多個水聲傳感器的探測信息進行多傳感器信息融合，才能綜合判斷出靜音潛艇。然而每個水聲傳感器的探測數據量相當龐大，所有傳感器的探測數據完全上網，勢必會影響到整個作戰系統網絡的實時性和可靠性，最終影響到潛艇的作戰效能。

為了解決系統網絡的實時性問題，需要對現有的以工業以太網為基礎的作戰系統網絡進行升級，即升級為AFDX網絡。

1 AFDX

航空電子全雙工交換式以太網(Avionics Fullduplex Switched Ethernet Network，AFDX)是由工業標準以太網經過對航電系統適應性改造而成，除了可靠性和抗惡劣環境設計之外，適用性改造主要集中在實時性能的保證機制上。目前，AFDX已經被融入ARINC公司的飛機數據網絡(Aircraft Data Network，ADN)工作組的標準化進程，并被采納為由ARINC 664 part 7規范定義的標準。

AFDX網絡采用虛擬鏈路(Virtual Link，VL)技術，并根據每個水聲傳感器數據流量分配專門的通信信道，克服了傳統以太網由于傳輸鏈路共享造成信道沖突，既保證任一傳感器數據傳遞的實時性，又不影響網絡整體對作戰系統命令等關鍵數據的實時傳輸。即AFDX能做到使每個網絡傳輸請求必須得到服務，且最大的網絡傳輸延遲(也被稱為“端到端時延”)必須得到保證。該保證服務提供一種穩固的、數學可證明的幀端到端傳輸延遲的上界，有界延遲的保證意味著鏈路層次上保證一定量的帶寬。

2 虛擬鏈路

2.1 虛擬鏈路(VL)的定義

AFDX是所謂的確定性網絡，確定性主要是指時間的確定性，即實時性。AFDX由端系統，交換機和連接鏈路組成，實時性的性能保證機制主要右端系統實現，引進虛擬鏈路的概念，對帶寬資源進行有效的分隔，實現邏輯大的流量隔離。

虛擬鏈路是從數據源通過多播地址發布的一路數據包流量，它在邏輯上類似于ARINC 429的單雙工一對多鏈路，但物理上很多路VL共用1條以太網鏈路，并通過交換機進行交換和多播。

虛擬鏈路是1個概念化的通信對象，被定義了1個邏輯上的單向連接，從1個源到1個或多個目的端系統，如圖1所示。

圖1 1個虛擬鏈路等于1個路徑Fig.1 One virtual link equal to one path

每個虛擬鏈路都被指定1個最大帶寬，該帶寬由系統集成者分配。

在ES支持的虛擬鏈路中，ES利用可用帶寬提供邏輯隔離，不論某個分區試圖在1條VL上得到怎樣的帶寬利用率，其他任何的VL的可用帶寬不受影響。虛擬鏈路的處理通過一種流量控制機制獲得的，這種機制將屬于這個ES的不同的數據源的數據流進行規整，流量整形使得把各個幀分開(如圖2所示)，用以限制虛擬鏈路上瞬時的幀速率。對于每條虛擬鏈路，不論其他虛擬鏈路是如何使用帶寬的，端系統的通信協議棧應該保證它所分配的帶寬。

圖2 虛擬鏈路流的規整Fig.2 Virtual link rate shaping

在發送端采用流量整形機制在VLs間分配通信資源。流量整形同時限制VL的突發度，決定了聚合流量的最壞條件下的排隊延遲界限。

對每條VL定義:

1)最大幀長度為Lmax;

2)帶寬分配間隔BAG為Tg。

其中Tg為給定的VL上前后2個數據包之間的最小間隔。

表1 帶寬分配間隔的允許取值Tab.1 Permitted value of BAG(Bandwidth Allocation Gap)

按照ARINC664 part 7的規定，BAG的取值以ms為單位，呈2的冪次，如表1所示。主機上緊密相關的通信任務被稱為子VL(sub－VL)，AFDX的ES還可以將若干sub－VL合并為1條VL。

例如:3個sub－VL，它們的刷新頻率分別是10，20和40 Hz，則它們的總頻率是70 Hz(平均每秒有70條消息)，相當于平均周期為14.4 ms。為了保證它們充足的帶寬，VL的平均周期不能大于14.4 ms，經查表1，選擇BAG=8 ms，刷新頻率為125 Hz，相當于每秒最多可以有125個位置，異步的sub-VLs中的數據包根據到達時間的先后選定自己的位置。

2.2 VL的最大帶寬

每條VL的特性都可以通過分析確定，設定確定的帶寬規整流量控制，見圖3所示。通過對每條VL同時規定帶寬和幀發送間隔的界限來實現。

分配給這個VL的最大帶寬是Lmax/Tg。

在任意時間，通過加大的幀間隔或使用更小的幀來減少使用的帶寬，通過限定每條VL的特性，就能分析整個網絡的確定性屬性。

圖3 虛擬鏈路的流量控制Fig.3 Virtual link flux controlling

3 AFDX使用實例分析

在工業交換式以太網中，由于沒有為每個數據通道劃分1個固定帶寬的虛擬鏈路(VL)，因此網絡中某一瞬間，各個設備的每個軟件模塊都可能發出網絡包，假設該時刻突發1 000個UDP包，又假設每個UDP包的包長度都為1 000 Byte，報文之間就會在網絡中與其他報文發生資源的爭用，從而導致每個數據包都有不同程度的時延。

又假設，最后被傳輸的數據包恰巧是武器發射命令“Z”，則該命令就被延遲了如下時間:

如果為網絡上每個設備的每個軟件模塊的數據通道分配了固定和恰當的VL，那么系統集成者可以為武器發射命令“Z”設計出1個恰當的VL，假如該武器發射命令在10 ms內沒有送達目的地，則該發射命令無效，以此可以設計出該VL的要求帶寬:

即“Z”命令的VL需要分配1 Mbps的帶寬就可以滿足“Z”命令任何情況下的傳輸時延不會超過10 ms。

當然，在為“Z”命令分配1Mbps帶寬的VL通道時，按照AFDX的規范，需要對各種數據包進行特性判斷，給其分配1個恰當帶寬的VL，尤其水聲傳感器的VL分配，要在一定帶寬的網絡通信系統下，給各個傳感器的數據流分配合適的帶寬，使其滿足信息融合對原始探測數據信息的實時性和可靠性要求。

假如某水深傳感器數據源信息報文的長度為1 000字節，消息周期為50 ms，則為其分配的VL帶寬為:

即該傳感器網絡端口的帶寬258 kbps，就可以滿足其數據信息傳輸的要求。

在使用工業以太網網絡時，該傳感器沒有安裝AFDX端系統，其發送探測信息數據包的速度為百兆以太網口的速度，即100 Mbps，如此高的數據包速度，就在某個時刻消耗了整個帶寬，然而在AFDX網絡下，該設備端口被限速為258 kbps，因此有效避免瞬間網絡超載，造成關鍵的發射控制命令被無邊界的延遲。

4 結語

通過對AFDX網絡及其VL(虛擬鏈路)等實時保證機制的介紹，又通過一個簡要的實例分析，可以保證將來在越來越多水聲傳感器加裝到潛艇平臺上后，整個艇用網絡通信系統不會因為傳輸越來越多的傳感器信息，造成某些時刻把重要的武器發射命令無邊界的不確定的延遲。在AFDX網絡下，只要為每個數據通道設計出合理帶寬的VL，就可以保證每個數據包有邊界的確定延遲時間內被送達目的。

［1］熊華剛，李峭，黃永葵.航空電子全雙工交換式以太網標準研究［J］.航空標準化與質量，2008，223(1):25 －28.

［2］沈青，桂衛華，楊鐵軍.基于工業以太網的實時控制性能分析［J］.計算機工程，2007，33(1):233 －235.SHEN Qing，GUI Wei-hua，YANG Tie-jun.Real-time control performance analysis based on industrial Ethernet［J］.Computer Engineering，2007，33(1):233 －235.

［3］胡凌燕，彭杰，張鳳登，等.交換式工業以太網實時性實驗研究［J］.微計算機信息，2008，24(15):130 －131.HU Ling-yan，PENG Jie，ZHANG Feng-deng，etal.Experimental research for real-time behavior of switched industrial Ethernet［J］.Microcomputer Information，2008，24(15):130－131.