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作者简介:

宋智,男,博士,工程师。主要研究方向:民用飞机数据网络。E-mail:songzhi@comac.cc;

黄劲松,男,硕士,高级工程师。主要研究方向:航电核心处理系统。E-mail:huangjinsong@comac.cc;

叶军晖,男,硕士,研究员。主要研究方向:航电系统设计与集成。E-mail:yejunhui@comac.cc;

戴璧彦,女,本科,工程师。主要研究方向:航电核心处理系统。E-mail:daibiyan@comac.cc;

孙世凡,男,硕士,工程师。主要研究方向:航电核心处理系统。E-mail:sunshifan@comac.cc

通讯作者:

宋智,E-mail:songzhi@comac.cc

中图分类号:V243.1

文献标识码:A

DOI:10.19416/j.cnki.1674-9804.2021.02.004

参考文献 1
熊华钢,周贵荣,李峭.机载总线网络及其发展[J].航空学报,2006,27(6):1135-1144.
参考文献 2
熊华钢,李峭,黄永葵.航空电子全双工交换式以太网标准研究(续)[J].航空标准化与质量,2008(2):20-23.
参考文献 3
赵永库,李贞,唐来胜.AFDX网络协议研究[J].计算机测量与控制,2011,19(12):3137-3139;3142.
参考文献 4
FARRICKER J T,HERZBERG G G,STOUT P S,et al.Router for establishing connectivity between a client device and on-board systems of an airplane:US20080075090[P].2008-03-27.
参考文献 5
WILBER G F,BROSSARD R K.Scalable on-board open data network architecture:US20070127460[P].2007-06-07.
参考文献 6
RANG J R,MOLLING H,BERLAND D N,et al.Avionics data network:US10270567B1[P].2019-04-23.
参考文献 7
埃里克·菲特雷,斯特凡纳·莫尼耶,阿诺·西特邦,等.ARINC 664 P7和具有预定路由的以太网类型的混合航空电子通信系统:CN111385184A[P].2020-07-07.
参考文献 8
CHANG X J.Network simulations with OPNET[C].Simulation Conference Proceedings.[S.l.:s.n.],1999:307-314.
参考文献 9
陈敏.OPNET网络仿真[M].北京:清华大学出版社,2004.
参考文献 10
伍俊洪,杨洋,李惠杰,等.网络仿真方法和OPNET仿真技术[J].计算机工程,2004,30(5):106-108.
参考文献 11
中国商用飞机有限责任公司.飞机数据网络拓扑设置方法和装置:CN111800300A[P].2020-10-20.
目录contents

    摘要

    民用飞机航电数据网络在设计过程中,通过对带宽资源的合理分配,来满足网络成员系统的数据传输需求。而在设计过程中,存在因网络带宽需求分布的非均匀性等因素造成的局部带宽资源不足的问题,因此需要在初步带宽资源分配结果上进行局部优化设计。提出一种通过网络带宽资源使用率最高的链路和端系统进行识别,以及进行针对性物理链路连接关系调整,从而实现降低交换机之间链路带宽资源使用率的方法。通过网络仿真对该方法的优化效果进行了分析,发现这种方法能够降低网络局部链路的较高带宽资源使用率,单轮优化的有效降幅超过15%。该网络带宽资源分配优化设计方法,一方面能够有效解决因飞机网络局部带宽不足问题,降低由此导致的网络拥堵、排队、丢包等风险,确保网络确定性;另一方面还能尽量保持当前分配结果,减少设计优化变更对网络时延性能和网络布线方面的影响。

    Abstract

    In the design process of civil aircraft avionics data network, bandwidth resources is allocated reasonably to meet the data transmission requirements of network member systems. Due to the nonuniformity of network bandwidth requirements distribution and other factors, there may be local bandwidth resources insufficiency in the design process, so it is necessary to carry out a local optimization design based on the preliminary bandwidth resource allocation results is necessary. This paper proposes a method to reduce the utilization rate of link bandwidth resources between switches by identifying the link and end system with the highest utilization rate of network bandwidth resources, and adjusting the connection relationship of physical links. Taking a typical ARINC664 network as an example, the reduction of single-round optimization is over 15%. On the one hand, the optimization design method of network bandwidth resource allocation can effectively solve the problem of insufficient local bandwidth of aircraft network, reduce the risk of network congestion, queuing and packet loss, and ensure the network certainty; On the other hand, the current distribution results can keep the current allocation results as much as possible and minimize the impact of design optimization changes on network delay performance and network routing.

  • 0 引言

  • 目前先进的民用飞机航电数据网络通常是基于ARINC664协议来实现其主干网络的设计和开发。ARINC664协议具有高可靠性、高安全性、低延迟性、实时确定性好等特点,已在包括波音787、A380以及中国商飞C919在内的新型大型飞机的民用飞机航电数据网络中应用[1-7]。基于ARINC664协议的民用飞机航电数据网络(下称ARINC664网络)为网络成员系统提供了数据传输功能。其中网络成员系统通过ARINC664端系统设备接入网络,实现数据载荷的发送和接收。ARINC664网络内部通过ARINC664交换机实现网络数据的转发。

  • 在ARINC664网络设计过程中,通过分配网络带宽资源来满足网络成员系统的数据传输需求。理论上,网络数据传输过程中使用的带宽,应当小于物理带宽,否则将会出现大量的数据包排队、丢失等异常,这对确定性的ARINC664网络是不可接受的。而在实际情况中,不论是基于确定性和鲁棒性的考虑,还是飞机系统设计的扩展性考虑,网络数据传输对带宽资源的使用都应确保一定余量。另一方面,在ARINC664网络设计过程中进行网络物理带宽设计和设备选型时,会基于初步的网络传输需求来预估所需的网络带宽,进行网络带宽资源分配的一次设计。但是由于网络带宽需求分布存在非均性、设备就近连接、网络链路设计和路由设计、以及其他限制性约束等因素,网络带宽资源一次分配的实际结果往往表现出显著的非均性,从而可能存在局部带宽资源不足的风险。因此有必要考虑网络带宽资源的实际使用情况,进行网络带宽资源的二次分配优化。

  • 本文对典型网络的带宽需求分布和实际带宽资源使用情况进行分析,在此基础上提出了一种针对局部带宽资源不足问题的优化设计方法,并通过网络仿真试验进行了具体的实例应用分析。

  • 1 网络带宽资源分析

  • ARINC664网络带宽资源,可按物理链路连接的设备分为两类:一是包含端系统与交换机之间的传输带宽;S二是不同交换机之间的传输带宽。以某典型ARINC664网络为例,对端系统的带宽需求分布进行了统计分析,并通过网络仿真对网络中具体链路的实际带宽资源使用进行了分析,如图1所示。

  • 图1 端系统的带宽需求分布

  • 图1中,将网络成员系统的端系统设备按照所需带宽大小进行区间分组(横坐标),统计每个区间内的端系统数量(左纵坐标,红色柱状)和该区间内所有端系统的带宽需求总和(右纵坐标,绿色折线)。图中红色柱状主要集中在左侧,表明大多数的端系统的带宽需求较少,只有少数端系统有较大的传输带宽需求。图中绿色折线表示了整网带宽需求的分布,注意到端系统数量较少的区间也出现了较大峰值,这表明网络带宽分布的不均匀性。这种不均匀性将导致这些大带宽需求的端系统所在的链路存在局部的带宽资源不足风险。

  • 接下来,对以上典型ARINC664网络在初步带宽资源分配后的网络带宽资源使用情况进行了仿真分析。本文中网络仿真试验使用了OPNET仿真软件[8-10],以及标准ARINC664端系统和交换机模型。

  • 对仿真数据结果中的全网物理链路带宽资源使用率进行了统计,并列举了带宽使用率最高的5条链路,如表1所示。

  • 表1 部分链路带宽资源使用率

  • 由图1可见,带宽资源使用率最高的链路为交换机之间的链路,同时相关交换机与端系统之间的链路带宽使用率也较高。这说明网络端系统带宽需求的不均匀分布,加上大带宽需求的端系统集中挂载在特定交换机上,导致了局部交换机之间链路带宽资源的使用率偏高。出于短板效应考虑,整网带宽资源不足的风险点在于局部带宽资源使用率最高的链路。出于网络的确定性、鲁棒性和扩展性考虑,在设计过程中通常将最大的链路带宽资源使用率控制在75%以下。本文采用75%作为带宽资源使用率优化阈值进行分析说明,在实际使用中可以根据具体设计需求进行阈值自定义。

  • 在网络带宽资源初次分配时,往往会综合考虑设备之间的隔离和绑定等安全性约束限制、物理链路就近连接等线缆减重因素。而网络带宽资源使用情况,尤其是交换机之间链路的带宽使用率,往往是对综合设计结果的评价指标,难以在初次分配时进行充分考虑,而是通过设计迭代进行优化。因此有必要提出一种网络带宽资源的二次分配方法,能在初次分配的基础上进行局部调整,实现网络带宽资源不超过预设阈值的优化设计。

  • 2 带宽资源优化方法

  • 本文提出一种针对网络带宽资源使用率超过预设阈值的情况进行针对性调整的方法[10]。该方法通过识别带宽资源占用最多的链路和其中带宽资源占用最多的端系统,并将与该端系统进行数据传输占用带宽最多的端系统,调整至该端系统所在的交换机,使这对端系统能够在同一交换机内部进行数据传输,从而降低了交换机之间链路的带宽占用率。该方法的具体优化流程逻辑和调整效果示意图详见图2和图3所示。

  • 此方法中不仅聚焦于整网中带宽资源使用率最高的链路进行优化调整,还进一步聚焦于该链路中带宽资源使用最多的一对端系统,使得该方法能够将对整网其他端系统和链路的设计更改影响控制到较低水平,从而在实现优化目标的同时,降低设计成本,增加优化效率。

  • 此方法中的设计优化变更,不仅不会降低网络性能,还有可能进一步降低时延、提升性能。这是由于该方法只改变了局部网络物理链路路径,未改变网络配置中虚拟链路和端口属性数值。而对于已出现因带宽资源不足而产生拥堵的网络,该方法能够通过改善网络带宽资源分配效率,显著降低网络时延,提高网络性能。

  • 图2 带宽资源优化流程逻辑

  • 图3 带宽资源优化调整示意图

  • 此方法中的设计优化变更,对网络线缆布线影响较小。主要是由于此方法只针对局部关键链路进行调整,每轮优化只更改一对线缆连接关系。此方法中的设计优化变更,对线缆长度与重量的影响是不具有倾向性的,可能造成增重也可能减重,取决于具体设备位置关系。若将造成线缆增重,则需要进一步进行飞机级综合权衡。

  • 接下来以某典型ARINC664网络为例,结合网络仿真进一步展示该方法的优化效果。

  • 3 实例分析

  • 以表1中所列某典型ARINC664网络为例,在OPNET软件中采用此方法进行了网络带宽资源分配优化,并进行了网络仿真试验和相关数据统计。优化前后的带宽使用率对比如表2所示。

  • 表2 带宽资源使用率优化对比

  • 表2中,“交换机_2”与“交换机_1”之间链路的带宽使用率,在优化后均降低到75%的预设阈值之下。其中优化前带宽使用率最高的链路,从84.23%下降到71.36%,降幅超过15%。同时仿真结果表明,网络平均端到端时延由3 092ms变为3 089ms,变化率仅为0.1%。

  • 在优化过程中,该方法识别到带宽使用率最高的交换机之间链路为“交换机_2”到“交换机_1”,其中“端系统_1”为该链路中使用带宽资源最多的端系统,以及与“端系统_1”进行数据传输占用带宽最多、且不在同一交换机上的端系统为“端系统_3”。通过将原本连接到“交换机_2”的“端系统_3”调整为连接到“交换机_1”,使得“端系统_3”与“端系统_1”之间的数据传输仅由“交换机_1”进行转发,从而实现了“交换机_2”与“交换机_1”之间链路带宽使用率的降低。需注意到,由于“端系统_3”重新连接到“交换机_1”,将使“交换机_1”与其他交换机之间的链路带宽使用率有所增加,但从整体上使得网络中所有链路的带宽资源使用率都降低到预设阈值以下。

  • 若经过一次优化调整后,未降低至预设阈值之下,可以进行多此优化迭代,但优化效果将会逐次降低。若多次优化后仍无法满足,则可以考虑增加链路物理带宽、调整网络架构等其他方案。以上方法仅从网络带宽资源占用率的角度提出优化调整建议,而相关更改还需额外考虑资源分配中的限制性约束,以及综合其他方面因素进行权衡。

  • 4 结论

  • 本文对典型网络的带宽需求分布和初步带宽资源分配结果进行分析,明确了网络带宽需求分布的不均匀性和局部带宽资源超过设计阈值的情况。本文针对性地提出了一种针对局部带宽资源不足问题的优化设计方法,并通过网络仿真分析表明该方法能够有效降低网络局部链路的较高带宽资源使用率,同时还具有设计优化变更影响较小等优点。

  • 参考文献

    • [1] 熊华钢,周贵荣,李峭.机载总线网络及其发展[J].航空学报,2006,27(6):1135-1144.

    • [2] 熊华钢,李峭,黄永葵.航空电子全双工交换式以太网标准研究(续)[J].航空标准化与质量,2008(2):20-23.

    • [3] 赵永库,李贞,唐来胜.AFDX网络协议研究[J].计算机测量与控制,2011,19(12):3137-3139;3142.

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    • [6] RANG J R,MOLLING H,BERLAND D N,et al.Avionics data network:US10270567B1[P].2019-04-23.

    • [7] 埃里克·菲特雷,斯特凡纳·莫尼耶,阿诺·西特邦,等.ARINC 664 P7和具有预定路由的以太网类型的混合航空电子通信系统:CN111385184A[P].2020-07-07.

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    • [11] 中国商用飞机有限责任公司.飞机数据网络拓扑设置方法和装置:CN111800300A[P].2020-10-20.

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    • [7] 埃里克·菲特雷,斯特凡纳·莫尼耶,阿诺·西特邦,等.ARINC 664 P7和具有预定路由的以太网类型的混合航空电子通信系统:CN111385184A[P].2020-07-07.

    • [8] CHANG X J.Network simulations with OPNET[C].Simulation Conference Proceedings.[S.l.:s.n.],1999:307-314.

    • [9] 陈敏.OPNET网络仿真[M].北京:清华大学出版社,2004.

    • [10] 伍俊洪,杨洋,李惠杰,等.网络仿真方法和OPNET仿真技术[J].计算机工程,2004,30(5):106-108.

    • [11] 中国商用飞机有限责任公司.飞机数据网络拓扑设置方法和装置:CN111800300A[P].2020-10-20.

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