航空電子系統FC交換式網絡的可靠性研究論文

關于航空電子系統FC交換式網絡的可靠性研究論文

　　1FC交換式網絡模型

　　1.1FC基本模型

　　光纖通道(FC)是美國國家標準委員會(ANSI)的X3T11小組于1988年開始制定的一種高速串行傳輸協議,采用通道技術控制信號傳輸,在共享介質時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的傳輸速率已經由最初的1Gbps改進到2Gbps和4Gbps,并正在向10Gbps發展。FC支持很多上層協議,包括IP,SCSI,1553等;支持多種物理介質,如光纖和銅纜等。FC能夠實現全雙工、半雙工和單工的通信模式,以及稱作服務等級的5個發送選項,可以提供不同交付水平和傳輸速率的通信服務。FC主要用來實現了大容量、高速度的數據傳輸。

　　FC定義了3種基本的拓撲結構:點到點、仲裁環和交換式網絡。FC面向的連接單元稱為端口(Port),端口具備FC標準的基本通信功能,并根據可以實現的拓撲結構不同分為多種類型。點到點是通過雙向鏈路直接連接2個設備端口(N_Port),提供最大帶寬的專用連接。仲裁環是一種單向環形數據通路,在2個仲裁環端口(L_Port)間提供邏輯上雙向的,點對點的服務。交換式網絡是FC提供的功能最強大的拓撲結構,可以連接多達1600萬個設備,而且允許多個設備在同一時刻進行高速通信。交換式網絡的核心是由一個或者多個FC交換機組成的交換組織(fabric),多個設備端口(N_Port)連接到交換組織形成FC交換式網絡拓撲結構。

　　1.2FC交換式網絡通信模型

　　如圖2所示,fabric上與N_Port連接的端口叫做F_Port;fabric上與仲裁環連接的端口叫做FL_Port;fabric內部各個交換機之間的連接端口叫做E_Port。在實際使用中,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)。交換式網絡在N_Port和F_Port之間建立雙向連接,并通過fabric上F_Port間數據幀的路由來提供傳送服務。

　　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,也可以二者同時存在,FC標準對于交換結構沒有規定;地址管理器負責標識和管理交換式網絡的地址;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為一個交換要素。交換要素是交換式網絡中的一種重要的元素單元。

　　交換式網絡內部采用F類服務幀進行通信,采用最短路徑優先協議進行數據幀傳輸的路徑選擇。交換式網絡的數據傳輸、路徑選擇、路由和內部通信都采用分布式管理,即所有相關信息是分布到各個交換機上的,由各個交換要素分別完成。采用分布式管理避免了全局性的部件,可以提高交換式網絡的可靠性,當一個交換要素出現問題時,不會影響到其他交換要素的正常執行。

　　2可靠性模型

　　2.1系統任務描述

　　(1)任務的定義在FC網絡互連中,定義任務為系統中任意兩個端口之間的單向信息傳輸過程。任務t用三元組[S,D,T]表示,其中:S為任務的源端口;D為任務的目的端口;T為任務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的互連系統中從源端口S到目的端口D傳輸信息的任務。

　　(2)任務集互連系統中所有的任務組成了系統的任務集,系統中的任務數為m,則系統的任務集為

　　Γ={tjS,D,Tj=1,2,…,m}(1)

　　2.2任務的路徑集

　　任務tS,D,T的路徑由完成從端口S到端口D信息傳輸任務所需的端口單元、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端口之間的通信線路。在FC交換式網絡結構中,任務的路徑可能有多條,其數目設為kS,D,T。則任務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tS,T,D的端口單元集為

　　PtS,D,T=∪kS,D,Ti=1PirS,D,T(6)

　　任務tS,T,D的交換要素單元集為StS,D,T=∪kS,D,Ti=1SirS,D,T(7)

　　任務tS,T,D的鏈路單元集為LtS,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,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單一任務的可靠度

　　任務tS,D,T的完成可以具有多條冗余路徑,任務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tS,D,T的可靠度RtS,D,T定義為任務的路徑集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)

　　當任務的路徑數kS,D,T較大時,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行計算求解。

　　2.5FC交換式網絡任務基本路徑

　　從圖2中可以看到,在FC交換式網絡結構中,一個任務的所有路徑都必須經過任務的源N_Port、與源N_Port相連的F_Port,以及連接兩個端口的鏈路;所有任務還必須經過任務的目的N_Port、與目點N_Port相連的F_Port,以及連接兩個端口的鏈路。一個任務可能有多條路徑,但是所有路徑都必須經過上述6個單元,把這6個單元稱為該任務的基本路徑(basicpath)。對于任務的每一條路徑,基本路徑之外的部分則全部包括在交換組織內部,稱為交換組織路徑(fabricpath)。根據可靠度的串并聯等效公式,FC交換式網絡基于任務的可靠度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,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而成,所以基本路徑對于可靠度的影響更為關鍵,是網絡結構冗余時首先要考慮的因素。

　　3FC交換式網絡冗余結構

　　航空電子系統為了實現容錯功能和提高系統可靠性,往往采用冗余的網絡結構。FC交換式網絡結構用于航空電子系統時,一般可以有兩種冗余方式:基本路徑冗余和全網絡冗余。

　　基本路徑冗余是一種只對交換式網絡基本路徑進行冗余的方法。基本路徑冗余成本較低,設計較為簡單,可以在一定程度上提高系統的可靠性。基本路徑冗余結構的可靠度為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全網絡冗余是一種對整個交換式網絡結構進行冗余的方法。

　　全網絡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。全網絡冗余結構的可靠度為RtS,D,F-F=2RtS,D,BPRtS,D,FP-(RtS,D,BPRtS,D,FP)

　　4實例分析

　　航空電子系統是典型的分布式實時系統,系統可靠性在航空電子系統總體設計中占有至關重要的地位。考慮未來航空電子系統FC交換式網絡結構互連時的一個實例。實例采用較為簡單的網絡結構和數據,主要目的是為了說明基于任務的可靠性計算方法,及比較網絡中各種單元失效概率對于3種拓撲結構的影響。

　　考查FC交換式網絡結構及其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反映部件在實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態范圍: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,3種結構中任務tN1,N7,F的可靠度,并繪出部件單元故障概率與任務不可靠度(任務不可靠度=1-任務可靠度)的關系圖。由圖7可以看出,無論基本路徑冗余結構還是全網絡冗余結構的不可靠度都明顯低于普通交換式網絡的不可靠度,說明任務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,說明基本路徑冗余結構雖然簡單,但是也有很好的效果。

　　不同部件單元的故障概率對任務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;而普通交換式網絡和全網絡冗余結構在交換要素單元故障率惡化的情況下任務可靠度變化不大,只有基本鏈路冗余結構較為敏感,說明基本鏈路冗余結構適合在交換要素故障概率較小時使用。

　　4結論

　　在基于任務的可靠性建模基礎上,建立了FC交換式網絡的可靠性模型,提出了基本路經冗余和全網絡冗余2種交換式網絡冗余結構,并通過實例分析了2種冗余結構可以大大提高任務傳輸的可靠度。考慮到采用冗余結構時,如果增加大量端口、鏈路和交換要素單元,將會增加成本,同時降低系統的可靠度,而基本路經冗余結構增加的單元遠遠少于全網絡冗余結構,所以更適合航空電子系統中應用。

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