關(guān)于航空電子系統(tǒng)FC交換式網(wǎng)絡(luò)的可靠性研究論文
1FC交換式網(wǎng)絡(luò)模型
1.1FC基本模型
光纖通道(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主要用來實(shí)現(xiàn)了大容量、高速度的數(shù)據(jù)傳輸。
FC定義了3種基本的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu):點(diǎn)到點(diǎn)、仲裁環(huán)和交換式網(wǎng)絡(luò)。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(shí)現(xiàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同分為多種類型。點(diǎn)到點(diǎn)是通過雙向鏈路直接連接2個(gè)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2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)。交換式網(wǎng)絡(luò)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。交換式網(wǎng)絡(luò)的核心是由一個(gè)或者多個(gè)FC交換機(jī)組成的交換組織(fabric),多個(gè)設(shè)備端口(N_Port)連接到交換組織形成FC交換式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
1.2FC交換式網(wǎng)絡(luò)通信模型
如圖2所示,fabric上與N_Port連接的端口叫做F_Port;fabric上與仲裁環(huán)連接的端口叫做FL_Port;fabric內(nèi)部各個(gè)交換機(jī)之間的連接端口叫做E_Port。在實(shí)際使用中,FC交換機(jī)的端口往往設(shè)計(jì)為復(fù)合端口(F/FL/E_Port),可以實(shí)現(xiàn)多種端口的功能。交換機(jī)間的連接叫做內(nèi)部交換鏈路(ISL)。交換式網(wǎng)絡(luò)在N_Port和F_Port之間建立雙向連接,并通過fabric上F_Port間數(shù)據(jù)幀的路由來提供傳送服務(wù)。
FC交換機(jī)由交換機(jī)端口、交換結(jié)構(gòu)、路徑選擇器、路由器、交換組織控制器和地址管理器組成。交換機(jī)端口可以是N_Port,E_Port或FL_Port;交換結(jié)構(gòu)可采用電路交換、幀復(fù)用交換,也可以二者同時(shí)存在,FC標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于交換結(jié)構(gòu)沒有規(guī)定;地址管理器負(fù)責(zé)標(biāo)識(shí)和管理交換式網(wǎng)絡(luò)的地址;路徑選擇器從邏輯上建立FC幀的路由地址;路由器負(fù)責(zé)執(zhí)行各種FC幀到最后目的地的路由;交換組織控制器負(fù)責(zé)交換機(jī)的管理。一個(gè)交換機(jī)中的交換結(jié)構(gòu)、路徑選擇器、路由器、交換組織控制器和地址管理器一起被稱為一個(gè)交換要素。交換要素是交換式網(wǎng)絡(luò)中的一種重要的元素單元。
交換式網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部采用F類服務(wù)幀進(jìn)行通信,采用最短路徑優(yōu)先協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)穆窂竭x擇。交換式網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸、路徑選擇、路由和內(nèi)部通信都采用分布式管理,即所有相關(guān)信息是分布到各個(gè)交換機(jī)上的,由各個(gè)交換要素分別完成。采用分布式管理避免了全局性的部件,可以提高交換式網(wǎng)絡(luò)的可靠性,當(dāng)一個(gè)交換要素出現(xiàn)問題時(shí),不會(huì)影響到其他交換要素的正常執(zhí)行。
2可靠性模型
2.1系統(tǒng)任務(wù)描述
(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程。任務(wù)t用三元組[S,D,T]表示,其中:S為任務(wù)的源端口;D為任務(wù)的目的端口;T為任務(wù)在什么拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中執(zhí)行。在后面的討論中,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)。
(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)集為
Γ={tjS,D,Tj=1,2,…,m}(1)
2.2任務(wù)的路徑集
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、交換要素和鏈路組成,用rS,D,T表示[7]。端口單元包括可能的各類端口(N_Port,FL_Port,F_Port,E_Port),鏈路定義為相鄰兩個(gè)端口之間的通信線路。在FC交換式網(wǎng)絡(luò)結(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的路徑集為
RS,D,T={riS,D,T|i=1,2,…,kS,D,T}(2)
式中:任務(wù)tS,D,T的第i條路徑riS,D,T由端口單元集、交換要素單元集和鏈路單元集組成,分別為
PirS,D,T={pirS,D,T|pirS,D,T∈riS,D,T}(3)
SirS,D,T={sirS,D,T|sirS,D,T∈riS,D,T}(4)
LirS,D,F={lirS,D,T|lirS,D,T∈riS,D,T}(5)
因此任務(wù)tS,T,D的端口單元集為
PtS,D,T=∪kS,D,Ti=1PirS,D,T(6)
任務(wù)tS,T,D的交換要素單元集為StS,D,T=∪kS,D,Ti=1SirS,D,T(7)
任務(wù)tS,T,D的鏈路單元集為L(zhǎng)tS,D,T=∪kS,D,Ti=1LirS,D,T(8)
2.3前提和假設(shè)
對(duì)于FC互連系統(tǒng),假設(shè):
(1)系統(tǒng)中的端口單元、交換要素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、交換要素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。
(2)pport,pswich,plink分別為端口、交換要素和鏈路單元可靠性的概率度量,即可靠度。
2.4單一任務(wù)的可靠度
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、交換要素單元集SirS,D,T和鏈路單元集LirS,D,T正常工作的概率,即
RriS,D,T=Pr{riS,D,T}=Pr{PirS,D,TSirS,D,TLirS,D,T}(9)
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
RtS,D,T=Pr∪kS,D,Ti=1riS,D,T(10)
根據(jù)相容事件的概率公式,式(10)可表示為
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)
當(dāng)任務(wù)的路徑數(shù)kS,D,T較大時(shí),式(11)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。
2.5FC交換式網(wǎng)絡(luò)任務(wù)基本路徑
從圖2中可以看到,在FC交換式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中,一個(gè)任務(wù)的所有路徑都必須經(jīng)過任務(wù)的源N_Port、與源N_Port相連的F_Port,以及連接兩個(gè)端口的鏈路;所有任務(wù)還必須經(jīng)過任務(wù)的目的N_Port、與目點(diǎn)N_Port相連的F_Port,以及連接兩個(gè)端口的鏈路。一個(gè)任務(wù)可能有多條路徑,但是所有路徑都必須經(jīng)過上述6個(gè)單元,把這6個(gè)單元稱為該任務(wù)的基本路徑(basicpath)。對(duì)于任務(wù)的每一條路徑,基本路徑之外的部分則全部包括在交換組織內(nèi)部,稱為交換組織路徑(fabricpath)。根據(jù)可靠度的串并聯(lián)等效公式,FC交換式網(wǎng)絡(luò)基于任務(wù)的可靠度RtS,D,F可以表示為基本路徑的可靠度RtS,D,BP與交換組織路徑可靠度RtS,D,FP的乘積:
RtS,D,F=RtS,D,BPRtS,D,FP(12)
對(duì)于某一任務(wù),由于基本路徑是惟一的,而交換組織路徑通常由多條路徑并聯(lián)而成,所以基本路徑對(duì)于可靠度的影響更為關(guān)鍵,是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)冗余時(shí)首先要考慮的因素。
3FC交換式網(wǎng)絡(luò)冗余結(jié)構(gòu)
航空電子系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)功能和提高系統(tǒng)可靠性,往往采用冗余的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。FC交換式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)用于航空電子系統(tǒng)時(shí),一般可以有兩種冗余方式:基本路徑冗余和全網(wǎng)絡(luò)冗余。
基本路徑冗余是一種只對(duì)交換式網(wǎng)絡(luò)基本路徑進(jìn)行冗余的方法。基本路徑冗余成本較低,設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單,可以在一定程度上提高系統(tǒng)的可靠性。基本路徑冗余結(jié)構(gòu)的可靠度為RtS,D,B-B=(2RtS,D,BP-RtS,D,BPRtS,D,BP)RtS,D,FP圖4基本鏈路冗余結(jié)構(gòu)Fig.4Structureofbasicpathredundancy全網(wǎng)絡(luò)冗余是一種對(duì)整個(gè)交換式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行冗余的方法。
全網(wǎng)絡(luò)冗余成本將大大提高,設(shè)計(jì)也較為復(fù)雜,系統(tǒng)可靠度可以大幅度提高。全網(wǎng)絡(luò)冗余結(jié)構(gòu)的可靠度為RtS,D,F-F=2RtS,D,BPRtS,D,FP-(RtS,D,BPRtS,D,FP)
4實(shí)例分析
航空電子系統(tǒng)是典型的分布式實(shí)時(shí)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。考慮未來航空電子系統(tǒng)FC交換式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)互連時(shí)的一個(gè)實(shí)例。實(shí)例采用較為簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù),主要目的是為了說明基于任務(wù)的可靠性計(jì)算方法,及比較網(wǎng)絡(luò)中各種單元失效概率對(duì)于3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的影響。
考查FC交換式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其2種冗余結(jié)構(gòu)中各種部件單元的故障概率對(duì)于任務(wù)可靠度的影響,假設(shè):所有端口單元故障概率為10-3;所有交換要素故障概率為10-3;所有鏈路單元的故障概率為10-4。這些數(shù)據(jù)不一定能夠真實(shí)反映部件在實(shí)際系統(tǒng)中的故障概率,但是作為分析部件對(duì)系統(tǒng)可靠性影響的參考點(diǎn)是可行的。
為了準(zhǔn)確反映部件故障概率對(duì)系統(tǒng)可靠度的影響,將待考查部件單元故障概率設(shè)為較大的動(dòng)態(tài)范圍:10-6～10-2。根據(jù)本文中的可靠性建模方法,可以編制計(jì)算機(jī)程序,分別求得各種部件單元在上述故障概率的水平時(shí),3種結(jié)構(gòu)中任務(wù)tN1,N7,F的可靠度,并繪出部件單元故障概率與任務(wù)不可靠度(任務(wù)不可靠度=1-任務(wù)可靠度)的關(guān)系圖。由圖7可以看出,無論基本路徑冗余結(jié)構(gòu)還是全網(wǎng)絡(luò)冗余結(jié)構(gòu)的不可靠度都明顯低于普通交換式網(wǎng)絡(luò)的不可靠度,說明任務(wù)傳輸?shù)目煽慷仍诓捎萌哂嘟Y(jié)構(gòu)后明顯提高;而且2種冗余結(jié)構(gòu)的不可靠度十分接近,說明基本路徑冗余結(jié)構(gòu)雖然簡(jiǎn)單,但是也有很好的效果。
不同部件單元的故障概率對(duì)任務(wù)的不可靠度影響是不同的。3種結(jié)構(gòu)都對(duì)端口單元和鏈路單元的故障概率表現(xiàn)出較高的敏感性,任務(wù)不可靠度隨端口和鏈路的故障率惡化而升高;而普通交換式網(wǎng)絡(luò)和全網(wǎng)絡(luò)冗余結(jié)構(gòu)在交換要素單元故障率惡化的情況下任務(wù)可靠度變化不大,只有基本鏈路冗余結(jié)構(gòu)較為敏感,說明基本鏈路冗余結(jié)構(gòu)適合在交換要素故障概率較小時(shí)使用。
4結(jié)論
在基于任務(wù)的可靠性建模基礎(chǔ)上,建立了FC交換式網(wǎng)絡(luò)的可靠性模型,提出了基本路經(jīng)冗余和全網(wǎng)絡(luò)冗余2種交換式網(wǎng)絡(luò)冗余結(jié)構(gòu),并通過實(shí)例分析了2種冗余結(jié)構(gòu)可以大大提高任務(wù)傳輸?shù)目煽慷取？紤]到采用冗余結(jié)構(gòu)時(shí),如果增加大量端口、鏈路和交換要素單元,將會(huì)增加成本,同時(shí)降低系統(tǒng)的可靠度,而基本路經(jīng)冗余結(jié)構(gòu)增加的單元遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于全網(wǎng)絡(luò)冗余結(jié)構(gòu),所以更適合航空電子系統(tǒng)中應(yīng)用。
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