基于國產網絡設備的火箭地面測發控網絡平臺設計

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(北京宇航系統工程研究所,北京 100076)

基于國產網絡設備的火箭地面測發控網絡平臺設計

呂明,司群英,侯彥嬌,汪東洋,廖友萍

(北京宇航系統工程研究所,北京100076)

高可靠的測試網絡作為運載火箭遠距離測發控的基礎平臺，是實現運載火箭地面遠距離測試發控的重要技術保障;通過對運載火箭地面測發控網絡架構深入研究，采用國產商用網絡設備搭建原型平臺、開展原理性驗證試驗，經過反復試驗，不斷改進技術方案，解決了冗余熱備網絡協議選用、冗余故障切換、故障切換實時性、網絡可靠性等技術難題，提出了基于國產化設備的網絡架構設計方案;對網絡架構的工作原理、可靠性、實時性、安全性進行了詳細分析;建立的國產化高可靠網絡架構，不僅能夠應對復雜的火箭測試現場，使網絡平臺具有更好的可靠性、實時性、擴展性和靈活性，更進一步提高了網絡的安全性；設計的國產化網絡平臺架構可用于運載火箭地面測發控網絡使用。

運載火箭；網絡設計；拓撲結構

0 引言

遠距離地面測控技術已經在運載火箭型號中得到普遍應用，運載火箭地面測試網絡作為地面遠控測試技術的基礎平臺，為各分系統地面測試提供高可靠的實時數據傳輸。運載火箭測試網絡采用標準千兆以太網技術，通過架構冗余、設備冗余、線路冗余、端口冗余等設計，基本實現高可靠、低延時、無差錯的數據傳輸。通過歷次測試、發射任務對該網絡基礎平臺的檢驗，充分證明網絡整體架構設計合理、工作穩定[1-2]。

隨著我國運載火箭的發展，地面測試任務的復雜程度也不斷提高，為了滿足運載火箭地面遠控測試技術的新的需求，網絡平臺在保持高可靠、低延時、無差錯數據傳輸的基礎上亟待提高其擴展性和靈活性。為此，以現有成熟的網絡基礎平臺和商用通信設備為契機，針對運載火箭地面遠控測試在可靠性、擴展性、靈活性等方面的更高需求，提出了3種網絡架構，并選用國產網絡設備實現3種架構的網絡平臺[3-4]。

1 二級基礎架構網絡設計

二級架構網絡平臺為運載火箭遠距離測發控提供了基礎網絡平臺，在充分利用商用互聯網設備的基礎上，采用成熟、通用的IEEE-802.3系列標準千兆以太網技術，綜合架構冗余、設備冗余、線路冗余、端口冗余等技術，設計實現具有高可靠、低延時、無差錯的數據傳輸系統，從而滿足運載火箭地面遠控測試過程對網絡基礎平臺的功能、性能需求。

運載火箭測試網絡二級架構平臺如圖1所示，分別為“前端”和“后端”。前端網絡設備安裝于發射塔地下控制間，主要實現各分系統前端終端設備的網絡接入；后端網絡設備安裝于指揮控制大廳，主要實現各分系統后端終端設備的網絡接入。地面測發控的測試設備均通過以太網鏈路接入運載火箭測試網絡的前端和后端，前、后端之間的數據傳輸、指令通信均通過網絡基礎平臺實現；各分系統后端的數據傳輸、指令通信同樣也通過網絡基礎平臺實現。因此，具備高可靠、低延時、無差錯數據傳輸特性的網絡基礎平臺對實現運載火箭地面遠控測試具有非常重要的意義。

運載火箭測試網絡在論證、設計階段充分考慮單機可靠性與系統可靠性之間的關聯關系，在滿足網絡基礎平臺整體高可靠性的前提下，創新采用通用、商業網絡設備，并綜合運用多種冗余、備份技術，最終構建具有高度可靠性和穩定性的網絡基礎平臺。

圖1 二級基礎架構網絡基礎平臺拓撲

針對二級架構網絡基礎平臺所采用的冗余、備份技術大致可歸納為以下幾種方式：

1)CSS(Cluser Switch System)集群交換系統；

2)Floating Static Routes 浮動靜態路由技術；

3)GEC(Gigabit-EtherChannel)千兆以太網鏈路捆綁協議；

4)RSTP(Rapid Spanning-Tree Protocol)快速生成樹協議；

5)NIC Team 網卡鏈路捆綁技術。

針對現有二級架構網絡基礎平臺，前端網絡設備之間(SWA和SWB)、后端網絡設備之間(SWC和SWD)分別配置“集群交換系統”，構成具有高可靠性的設備級互備、冗余系統；前端網絡設備與后端網絡設備之間利用“千兆以太網鏈路捆綁協議”和“浮動靜態路由技術”，并通過多路備份光纖連接構成具有高可靠性的數據傳輸鏈路；各分系統的終端設備通過“網卡鏈路捆綁技術”和“快速生成樹協議”分別配置網卡捆綁，實現工作網卡及鏈路、備份網卡及鏈路的冗余保護和自愈切換。網絡基礎平臺綜合運用以上標準的互聯網技術和協議，完整地實現了對架構、設備、線路、端口等全面、有效的備份，同時通過網絡設備配置的不斷優化，進而能夠實現主、備系統間在三秒鐘內的快速工作狀態切換，滿足運載火箭測試網絡在任何一度故障發生的情況下均應具備快速自愈功能的設計要求。

為了全面、準確掌握現有二級架構網絡基礎平臺的性能，通過搭建網絡平臺，對二級架構網絡的關鍵性能(吞吐率、丟包率、轉發時延等)進行全面測試，其結果均滿足GB/T 21671-2008《基于以太網技術的局域網系統驗收測評規范》的要求。二級架構網絡基礎平臺的“轉發時延”指標更是明顯低于國標要求(長度為1518-Byte的數據幀，轉發時延小于1毫秒)，其數據轉發實時性完全滿足測試過程中數據、指令傳輸的低時延需求。相關測試數據如表1所示。

表1 二級架構網絡時延測試數據對比

注:UDP單播、 UDP組播、TCP單播均為20%吞吐量，實際帶寬占用200 M。

通過在測試和發射階段對二級架構網絡基礎平臺的長時間運行監測，架構設計具有以下優勢和不足：

1)二級架構拓撲網絡設計相對簡潔，具有良好的系統擴展性和靈活性；

2)各分系統以VLAN技術隔離，數據流可控性好，便于指定傳輸路徑；

3)基于IP的浮動靜態路由自愈能力強，具有較高的數據業務承載能力；

4)二級架構網絡前端網絡設備與測試終端間的傳輸距離受雙絞線100M限制；

5)由于前、后端各分測試系統終端設備增加，二級架構網絡缺乏接入靈活性。

二級架構能夠滿足火箭地面測試基本使用要求。針對二級架構網絡基礎平臺在有效傳輸距離、終端接入靈活性等方面的不足，同時為適應運載火箭地面遠控測試技術的發展，在保持高可靠、低延時、無差錯數據傳輸基礎上，對網絡基礎平臺的設計持續改進和優化。為此，在二級架構網絡基礎平臺設計的基礎上，優化并發展了三級架構網絡基礎平臺設計。

2 三級架構網絡設計

2.1 三級架構網絡設計概述

三級架構是在二級基礎架構基礎上擴充的新型網絡架構，能夠更好地解決雙絞線傳輸距離的限制，以改善二級架構在有效傳輸距離、終端接入靈活性等方面的不足。運載火箭測試網絡三級架構設計，充分利用現有網絡所具有的擴展性和靈活性特點，形成“上端”、“前端”、“后端”冗余、串接的三級架構網絡基礎平臺,如圖2所示。

圖2 三級架構網絡基礎平臺拓撲

三級架構網絡基礎平臺的上端由SWP-SWQ、SWX-SWY等多臺網絡設備組成，在不改變前端、后端二級架構的前提下，上端網絡設備與前端網絡設備形成環形冗余連接(SWA-SWP-SWQ-SWB-SWA冗余環、SWA-SWX-SWY-SWB-SWA冗余環)，借助“快速生成樹協議”構建基于數據鏈路層的高可靠性網絡，實現架構、設備、線路、端口的主、備冗余工作模式。

三級架構網絡基礎平臺在正常工作狀態下，前端網絡設備SWA負責與上端網絡設備SWP和SWX之間的數據交換，并負責將上端測試數據實時轉發至后端網絡設備SWC；前端網絡設備SWA在SWA-SWP-SWQ-SWB-SWA冗余環和SWA-SWX-SWY-SWB-SWA冗余環中均擔當“快速生成樹協議”的“根節點”，實時監控兩個RSTP冗余環的運行狀態，當環路中任意線路或設備發生故障時，“快速生成樹協議”能夠瞬時切換數據傳輸路徑，實現三級架構網絡基礎平臺的快速故障切換和自愈恢復。

當前端“根節點”SWA發生故障時，前端網絡設備SWB負責與上端網絡設備SWQ和SWY之間的數據交換，并負責將上端測試數據實時轉發至后端網絡設備SWD；前端網絡設備SWB在SWA-SWP-SWQ-SWB-SWA冗余環和SWA-SWX-SWY-SWB-SWA冗余環中均擔當“備份根節點”，為“根節點”網絡設備SWA提供冗余、備份功能，同時也能夠實時監控兩個RSTP冗余環的運行狀態，當環路中SWA及其相關線路發生故障時，“快速生成樹協議”能夠瞬時切換數據傳輸路徑，實現三級架構網絡基礎平臺的快速故障切換和自愈恢復。

2.2 三級架構網絡設計分析

三級架構網絡基礎平臺的設計源于對二級架構網絡成功設計的擴展，在技術上具有良好的一致性與繼承性，因此在架構、設備、線路、端口等方面的冗余、備份技術與工作機制完全相同。以下針對三級架構網絡基礎平臺在各種故障模式下的自愈機制進行詳細說明：

2.2.1 三級架構網絡正常狀態下數據轉發模型

上端的終端測試設備的工作網卡分別連接SWP或SWX，備份網卡分別連接SWQ或SWY。正常狀態下，終端測試設備通過工作網卡收/發數據，傳輸路徑為(如圖3所示)：

PC-N工作網卡→上端SWP→P工作線路→前端SWA→后端SWC；

PC-M工作網卡→上端SWX→X工作線路→前端SWA→后端SWC。

圖3 三級架構網絡正常狀態下數據轉發模型

2.2.2 三級架構網絡PC-N或PC-M工作網卡/線路故障狀態下數據傳輸示意

上端的終端測試設備PC-N或PC-M的工作網卡/線路故障狀態下，PC-N和PC-M通過“網卡鏈路捆綁技術”快速自動切換至備份網卡，終端測試設備通過備份網卡正常收/發數據，傳輸路徑變化為(如圖4所示)：

PC-N備份網卡→上端SWQ→上端SWP→P工作線路→前端SWA→后端SWC

PC-M備份網卡→上端SWY→上端SWX→X工作線路→前端SWA→后端SWC

圖4 三級架構網絡PC-N或PC-M工作網卡/線路故障 狀態下數據傳輸示意

2.2.3 三級架構網絡上端網絡設備SWP或SWX故障狀態下數據傳輸示意

上端網絡設備SWP或SWX故障狀態下，PC-N和PC-M通過“網卡鏈路捆綁技術”快速自動切換至備份網卡，上端網絡設備通過“快速生成樹協議”瞬時切換至上端備份網絡設備(SWQ、SWY)，終端測試設備通過備份網卡正常收/發數據，傳輸路徑變化為(如圖5所示)：

PC-N備份網卡→上端SWQ→Q備份線路→前端SWB→前端SWA→后端SWC；

PC-M備份網卡→上端SWY→Y備份線路→前端SWB→前端SWA→后端SWC。

圖5 三級架構網絡上端網絡設備SWP或SWX故障 狀態下數據傳輸示意

2.2.4 三級架構網絡P工作線路或X工作線路故障狀態下數據傳輸示意

上端與前端之間的工作線路(P工作線路、X工作線路)故障狀態下，上端與前端之間的工作線路通過“快速生成樹協議”瞬時切換至備份線路(Q備份線路、Y備份線路)，終端測試設備通過工作網卡正常收/發數據，傳輸路徑變化為(如圖6所示)：

PC-N工作網卡→上端SWP→上端SWQ→Q備份線路→前端SWB→前端SWA→后端SWC；

PC-M工作網卡→上端SWX→上端SWY→Y備份線路→前端SWB→前端SWA→后端SWC。

圖6 三級架構網絡P工作線路或X工作線路故障 狀態下數據傳輸示意

2.2.5 三級架構網絡前端“根節點”SWA故障狀態下數據傳輸示意

冗余環“根節點”SWA故障狀態下，“備份根節點”SWB通過“CSS協議”接管SWA全部的交換、轉發功能，同時通過“快速生成樹協議”瞬間切換環路的線路狀態并恢復上端和前端之間的數據交換，終端測試設備通過工作網卡正常收/發數據，傳輸路徑變化為(如圖7所示)。

圖7 三級架構網絡前端“根節點”SWA故障 狀態下數據傳輸示意

PC-N工作網卡→上端SWP→上端SWQ→Q備份線路→前端SWB→后端SWD；

PC-M工作網卡→上端SWX→上端SWY→Y備份線路→前端SWB→后端SWD。

通過以上對三級架構網絡基礎平臺故障狀態下自愈機制進行的詳細分析，顯示三級架構網絡同樣具有很高的可靠性，并對原有二級架構網絡在傳輸距離和接入靈活性方面的不足進行了極大的優化，其整體設計思路完全可以適應運載火箭地面遠控測試技術目前及未來的使用。

通過搭建網絡平臺，對三級架構網絡進行全面測試，三級架構網絡基礎平臺在可靠性、實時性等方面與二級架構網絡基本相同，同樣可以滿足在任何一度故障發生的情況下，能夠實現主、備系統間在三秒鐘內的快速工作狀態切換，從而完整的繼承了二級架構網絡基礎平臺所具備的高可靠、低延時、無差錯數據傳輸特性。針對三級架構網絡的關鍵性能(吞吐率、丟包率、轉發時延等)所進行的測試，同樣滿足GB/T 21671-2008所規定全部指標要求，其中上端至后端的數據傳輸時延較二級架構網絡略有增加，但依然明顯低于國標1毫秒的要求。相關測試數據如表2所示。

表2 三級架構網絡時延測試數據對比

注: 注:UDP單播、 UDP組播、TCP單播均為20%吞吐量，實際帶寬占用200 M。

3 四級架構網絡設計

四級架構網絡設計是在三級架構“上端”、“前端”、“后端”的基礎上增加“遠端”的四級拓撲架構，“遠端”相對于發射場為總裝廠和試驗室。四級架構網絡可實現發射場、總裝廠、試驗室的網絡互連，實現異地信息共享。伴隨測試、發射過程的測發控數據逐步累積與豐富，四級架構網絡將能為今后開發自動化判讀、大數據分析等高級應用提供有力的基礎平臺支撐。

四級架構網絡架構中，“后端”、“遠端”之間設計采用點對點數據傳輸模式(暫不提供設備或線路的冗余、備份機制)，并以“遠端”為中心構建星型拓撲結構，各路HT專線中均串聯防火墻(兩臺)并根據保密要求增設加密機配置。通過以上規劃實現數據共享、遠程異地數據瀏覽等功能，并增加遠程數據通信的安全性和保密性，如圖8所示。

其中“遠端”主要提供遠程、異地數據瀏覽和多地、多網的數據共享服務。“多地”是指發射場、總裝廠和試驗室等，分布在不同地域，“多網”是指發射場多個工位網絡、總裝廠多個工位網絡及試驗室等多個網絡。

針對遠程數據傳輸專網的建設，需要對多地多網的IP地址進行全新規劃，并為HT專線部署防火墻、加密機等必要的安全、加密設備，以增加全網的安全性和可靠性。考慮到多地多網之間大量非時延敏感共享數據的交換，以及少量時延敏感VDI數據的傳輸，帶寬可設計為10 Mb至155 Mb。

4 結束語

上述二級網絡架構、三級網絡架構技術已經在火箭地面測試中成功應用，隨著我國運載火箭技術的發展，測試任務的復雜程度不斷提高。四級網絡架構可作為今后地面遠控測試的基礎平臺，在保證高可靠、低延時、無差錯數據傳輸的基礎上，提升了擴展性、靈活性和經濟性等，并努力向集成化、通用化、模塊化方向發展，為運載火箭測試技術的發展提供成熟、先進、可靠的網絡基礎平臺。

圖8 四級架構網絡基礎平臺拓撲

[1]Doyle J,Routing TCP/IP Volume I[Z].1998.

[2]Doyle J, Caroll J D,Routing TCP/IP Volume II[Z].2001.

[3]Oppenheimer P.Top-Down Network design Second Edition[Z].2004.

[4]GB/T 21617-2008.基于以太網技術的局域網系統驗收評測規范[S].2008.

DesignofRocketMeasure-Launch-ControlPlatformonGroundBasedonDomesticNetworkEquipments

Lv Ming, Si Qunying, Hou Yanjiao, Wang Dongyang,Liao Youping

(Beijing Institute Of Astronautical System Engineering，Beijing 100076, China)

High available network is the basic platform for the rocket remote measure-launch-control, it is an important technology to guarantee measure, launch and control for launching rocket remotely. By deeply researching the network architecture of rocket measure-launch-control on ground, building prototype network platform using domestic commercial network equipment, carrying out many tests for proof of concept. Solve problems such as redundant hot standby protocol selection, instant redundant fault fail-over, real-time data transmission, network platform reliability improvement and so on. Finally, designed the new generation measure-launch-control network architecture based on domestic network equipment, and analyzed the principle, reliability, real-time and security of the network in detail. The established network architecture can not only cope with complex rocket test sites, but also improve the scalability and flexibility of the network platform, and further improve the network security. The design of the new network architecture based on domestic equipment can be used for rocket remote measure-launch-control on ground.

launch vehicle; network design; network topology

2017-08-07；

2017-08-19。

呂 明(1965-)，男，北京市人，大學，高級工程師，主要從事計算機網絡應用技術方向的研究。

1671-4598(2017)10-0054-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.10.015

V554

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