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關(guān)于航空電子系統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)是美國國家標準委員會(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能夠實(shí)現全雙工、半雙工和單工的通信模式,以及稱(chēng)作服務(wù)等級的5個(gè)發(fā)送選項,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)現了大容量、高速度的數據傳輸。
FC定義了3種基本的拓撲結構: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(chēng)為端口(Port),端口具備FC標準的基本通信功能,并根據可以實(shí)現的拓撲結構不同分為多種類(lèi)型。點(diǎn)到點(diǎn)是通過(guò)雙向鏈路直接連接2個(gè)設備端口(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)形數據通路,在2個(gè)仲裁環(huán)端口(L_Port)間提供邏輯上雙向的,點(diǎn)對點(diǎn)的服務(wù)。交換式網(wǎng)絡(luò )是FC提供的功能最強大的拓撲結構,可以連接多達1600萬(wàn)個(gè)設備,而且允許多個(gè)設備在同一時(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交換機組成的交換組織(fabric),多個(gè)設備端口(N_Port)連接到交換組織形成FC交換式網(wǎng)絡(luò )拓撲結構。
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內部各個(gè)交換機之間的連接端口叫做E_Port。在實(shí)際使用中,FC交換機的端口往往設計為復合端口(F/FL/E_Port),可以實(shí)現多種端口的功能。交換機間的連接叫做內部交換鏈路(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(guò)fabric上F_Port間數據幀的路由來(lái)提供傳送服務(wù)。
FC交換機由交換機端口、交換結構、路徑選擇器、路由器、交換組織控制器和地址管理器組成。交換機端口可以是N_Port,E_Port或FL_Port;交換結構可采用電路交換、幀復用交換,也可以二者同時(shí)存在,FC標準對于交換結構沒(méi)有規定;地址管理器負責標識和管理交換式網(wǎng)絡(luò )的地址;路徑選擇器從邏輯上建立FC幀的路由地址;路由器負責執行各種FC幀到最后目的地的路由;交換組織控制器負責交換機的管理。一個(gè)交換機中的交換結構、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(chēng)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 )內部采用F類(lèi)服務(wù)幀進(jìn)行通信,采用最短路徑優(yōu)先協(xié)議進(jìn)行數據幀傳輸的路徑選擇。交換式網(wǎng)絡(luò )的數據傳輸、路徑選擇、路由和內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,當一個(gè)交換要素出現問(wèn)題時(shí),不會(huì )影響到其他交換要素的正常執行。
2可靠性模型
2.1系統任務(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:S為任務(wù)的源端口;D為任務(wù)的目的端口;T為任務(wù)在什么拓撲結構中執行。在后面的討論中,以tS,D,T表示在拓撲結構為T(mén)的互連系統中從源端口S到目的端口D傳輸信息的任務(wù)。
(2)任務(wù)集互連系統中所有的任務(wù)組成了系統的任務(wù)集,系統中的任務(wù)數為m,則系統的任務(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(lèi)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(xiàn)路。在FC交換式網(wǎng)絡(luò )結構中,任務(wù)的路徑可能有多條,其數目設為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(cháng)tS,D,T=∪kS,D,Ti=1LirS,D,T(8)
2.3前提和假設
對于FC互連系統,假設:
(1)系統中的端口單元、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計獨立,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)
當任務(wù)的路徑數kS,D,T較大時(shí),式(11)的直接計算將十分繁瑣,可以采用布爾代數中的不交化方法并結合計算機進(jìn)行計算求解。
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 )結構中,一個(gè)任務(wù)的所有路徑都必須經(jīng)過(guò)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(guò)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(guò)上述6個(gè)單元,把這6個(gè)單元稱(chēng)為該任務(wù)的基本路徑(basicpath)。對于任務(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部,稱(chēng)為交換組織路徑(fabricpath)。根據可靠度的串并聯(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,所以基本路徑對于可靠度的影響更為關(guān)鍵,是網(wǎng)絡(luò )結構冗余時(shí)首先要考慮的因素。
3FC交換式網(wǎng)絡(luò )冗余結構
航空電子系統為了實(shí)現容錯功能和提高系統可靠性,往往采用冗余的網(wǎng)絡(luò )結構。FC交換式網(wǎng)絡(luò )結構用于航空電子系統時(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交換式網(wǎng)絡(luò )基本路徑進(jìn)行冗余的方法�；韭窂饺哂喑杀据^低,設計較為簡(jiǎn)單,可以在一定程度上提高系統的可靠性�；韭窂饺哂嘟Y構的可靠度為RtS,D,B-B=(2RtS,D,BP-RtS,D,BPRtS,D,BP)RtS,D,FP圖4基本鏈路冗余結構Fig.4Structureofbasicpathredundancy全網(wǎng)絡(luò )冗余是一種對整個(gè)交換式網(wǎng)絡(luò )結構進(jìn)行冗余的方法。
全網(wǎng)絡(luò )冗余成本將大大提高,設計也較為復雜,系統可靠度可以大幅度提高。全網(wǎng)絡(luò )冗余結構的可靠度為RtS,D,F-F=2RtS,D,BPRtS,D,FP-(RtS,D,BPRtS,D,FP)
4實(shí)例分析
航空電子系統是典型的分布式實(shí)時(shí)系統,系統可靠性在航空電子系統總體設計中占有至關(guān)重要的地位�？紤]未來(lái)航空電子系統FC交換式網(wǎng)絡(luò )結構互連時(shí)的一個(gè)實(shí)例。實(shí)例采用較為簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò )結構和數據,主要目的是為了說(shuō)明基于任務(wù)的可靠性計算方法,及比較網(wǎng)絡(luò )中各種單元失效概率對于3種拓撲結構的影響。
考查FC交換式網(wǎng)絡(luò )結構及其2種冗余結構中各種部件單元的故障概率對于任務(wù)可靠度的影響,假設: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。這些數據不一定能夠真實(shí)反映部件在實(shí)際系統中的故障概率,但是作為分析部件對系統可靠性影響的參考點(diǎn)是可行的。
為了準確反映部件故障概率對系統可靠度的影響,將待考查部件單元故障概率設為較大的動(dòng)態(tài)范圍:10-6～10-2。根據本文中的可靠性建模方法,可以編制計算機程序,分別求得各種部件單元在上述故障概率的水平時(shí),3種結構中任務(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(wú)論基本路徑冗余結構還是全網(wǎng)絡(luò )冗余結構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(shuō)明任務(wù)傳輸的可靠度在采用冗余結構后明顯提高;而且2種冗余結構的不可靠度十分接近,說(shuō)明基本路徑冗余結構雖然簡(jiǎn)單,但是也有很好的效果。
不同部件單元的故障概率對任務(wù)的不可靠度影響是不同的。3種結構都對端口單元和鏈路單元的故障概率表現出較高的敏感性,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 )冗余結構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構較為敏感,說(shuō)明基本鏈路冗余結構適合在交換要素故障概率較小時(shí)使用。
4結論
在基于任務(wù)的可靠性建�；A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 )冗余結構,并通過(guò)實(shí)例分析了2種冗余結構可以大大提高任務(wù)傳輸的可靠度�？紤]到采用冗余結構時(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)降低系統的可靠度,而基本路經(jīng)冗余結構增加的單元遠遠少于全網(wǎng)絡(luò )冗余結構,所以更適合航空電子系統中應用。
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