基于EoRPR技术的潜艇信息系统高生存性组网研究

司广宇，杨大伟

(江苏自动化研究所，江苏 连云港 222006)

0 引言

随着技术的发展，网络的带宽越来越高，信息传输量也越来越大，不仅是商业网络，潜艇信息网络也在发生着相同的变化。但是，由于潜艇的特殊战斗使命，决定了其在追求网络带宽的同时，对网络可靠性和安全性的要求比商业网络更高。在执行作战任务时，如果网络发生故障，必须能够保证在不丢失报文的情况下，实现短时间内故障自愈。

以太网技术的灵活性、低成本、易用性以及对传送分组数据时带宽的有效利用，再加上它优良的可扩充升级性和简便的业务配置能力都非常具有吸引力。但是，对于以太网来说，网络级别的可靠性主要采用RSTP技术，该算法的特性决定了网络的收敛时间最低不少于15 s，难以满足潜艇信息系统对网络可靠性的要求;另外在可管理性方面，这种方式缺乏故障发现和定位手段。

基于弹性分组数据环的以太网(EoRPR)技术集IP的智能化、以太网的经济性和光纤环网的高带宽效率、可靠性于一体，充分考虑了可靠性和可管理性等因素，使IP网络可以达到电信级的要求，为潜艇信息系统提供了一个良好的组网方案。

1 RPR和EoRPR技术简介

1.1 RPR 技术

RPR(弹性分组环)是一种MAC层访问控制协议，是集SDH的快速自愈能力和以太网的经济、高效性于一身的新型网络技术。

RPR为互逆双环拓扑结构，环上的每段光路工作在同一速率上，RPR的双环都能够传送数据，两个环被分别称为0环(Ringlet 0)和1环(Ringlet 1)。

RPR 0环的数据传送方向为顺时针方向，1环的数据传送方向为逆时针方向，如图1所示［1］。

图1 RPR网络原理示意图Fig.1 Working principle of RPR

1.2 EoRPR 技术

所谓的EoRPR技术，指的是支持物理层为千兆以太网的RPR环网应用。工作在桥模式下的RPR交换机具有MAC地址的学习能力，当RPR接收端接收到用户的信息帧后，自动记录源MAC地址、VLAN信息、源RPR节点信息。当RPR节点需要发送数据时，就会根据MAC地址表查询到RPR节点的信息，并根据目的RPR节点进行数据的封装和选环发送。

2 潜艇信息网络基于EoRPR技术组网应用

2.1 功能划分

根据潜艇信息系统各功能子系统的使用特点，可划分为指控系统、声纳系统、导航系统、武器系统、通信系统、平台系统等功能子系统，如图2所示。

图2 潜艇信息系统功能划分Fig.2 Function partition of submarine information system

指控系统作为潜艇实施作战指挥控制的核心，担负着情报综合处理、战术指挥决策、武器综合控制等重要职责;声纳系统和导航系统作为作战系统的信息来源，向全系统提供本艇、环境、目标等各类信息;武器系统则主要承担鱼雷、导弹、声抗器材等各类艇载武器的发射管状态检查、射前准备、射中状态监控以及射后恢复［2］;通信系统主要承担外部长短波信息的管理、接收、发送以及内部通信信息的控制功能;平台系统主要承担全艇操控、舱室监视、液压控制、消防监控等的管理功能。

2.2 基于EoRPR技术的潜艇信息网络高可靠性组网方案

2.2.1 网络拓扑结构根据潜艇信息网络的功能体系结构特点，综合考虑系统功能分布、通信安全性、可靠性、网络容量和可扩充性等因素，将潜艇信息网络物理结构划分为:1)指挥决策层(子网VLAN 1);2)传感器层(子网VLAN 2);3)武器控制层(子网VLAN 3);4)通信层(子网VLAN 4);5)平台管理层(子网VLAN 5)。潜艇信息网络拓扑结构如图3所示。

图3 信息系统组网示意图Fig.3 Networking of the information system

图3中，设备 E1、E2、E3、E4、E5 分属各自的 5 个子网 VLAN 1、VLAN 2、VLAN 3、VLAN 4、VLAN 5。在Ethernet端，E1通过设备内部的双冗余以太网卡分别连接交换机 S1和 S1’，E2、E3、E4、E5则同理分别连接交换机 S2和 S2’、S3 和 S3’、S4 和 S4’、S5 和 S5’，构成子网内的以太网链路;在RPR端，5个子网通过交换机 S1’、S2’、S3’、S4’和 S5’两两相切，外环则通过交换机S1、S2、S3、S4和 S5相连，以 RPR环路的基本原理为基础，外环和5个子环构成了相对复杂的光纤主干环路网络。以上Ethernet和RPR两部分，就构成了基于EoRPR技术的潜艇信息系统网络。

2.2.2 工作流程

基于EoRPR技术的信息系统网络在工作时，将在RPR节点端生成两份MAC地址列表:一份是以太网MAC地址表，用来记录设备信息流出的以太网端口号，该节点在作为目的RPR节点时，同时记录发送设备回程信息的RPR上环端口，从而完成以太网端的数据传输;另一份是RPR环网MAC地址表，用来记录设备所属节点与目的节点之间的路径，从而完成信息的上环和下环操作。

如图3所示，当设备E1向设备E3传输信息时，其首个以太网数据报文从S1上环，在S1的以太网MAC地址表中查询到设备E1的源MAC地址，同时记录设备E1在S1节点的以太网出端口。设备E1发出的信息在EoRPR外环上通过S2传送到目的地S3时，在S3 EoRPR端的MAC地址表中查询到设备E3的相关信息，即从S3到S1的路径，然后信息帧被剥离RPR报头后从S3节点下环，并通过S3节点的以太网端口传输至设备E3。同时，从S3节点的以太网MAC地址表中查询到向设备E1发送回程报文的上环端口信息，回程信息根据同样的信息传输方式完成信息回复，节点S1和S3的两份MAC地址表最终学习完成。MAC地址表项内容见表1。

表1 信息传输MAC地址表示例Table 1 MAC addresses for information transmission

3 设计方法

3.1 流量分层控制

潜艇信息系统划分为指控系统、声纳系统、导航系统、武器系统、通信系统及平台系统6个功能子系统，各分系统内部会产生大量的内部信息，如果将这些信息全部发送至全局网络，必然会对主干网的带宽造成巨大压力。因此，以分系统相对明确的功能划分为基础配置相应的子网，同一子网内的内部信息直接通过交换机底板的交换模块进行Ethernet内交互，对于需要跨子网的交互信息则通过RPR环网进行转发，减轻了主干网的流量负载，避免了主干网的广播风暴和信息拥塞，保证网络工作稳定。

3.2 容错性设计

潜艇信息系统对网络的高可靠性要求，可通过提高设备本身的可靠性水平和对网络进行冗余设计来满足。本网络进行了两级容错性设计，如图3所示。

1)一级:链路级。

当环网的光纤电缆出现故障时，EoRPR技术支持Wrap(迂回)和Steering(抄近)两种故障自愈方式，具备50 ms的故障自愈能力，实现最佳的故障保护和带宽充分利用效果。

2)二级:电路级。

①在设备内部配备双冗余以太网卡，当主端口出现故障时，备用端口可在50 ms内完成自动切换，保证信息的正常传输。

②由于环网内的各个子网是通过交换机实现相切连接的，发送节点至接收节点直接的信息传输链路并非是唯一的，当任一交换机出现故障时，网络可通过路径算法重新计算另一条最佳路径，实现信息的无间隙传输。

3.3 扩展性设计

基于EoRPR技术的潜艇信息系统组网方案，因为过环业务透明传送，以太网帧对过环节点透明，无需在过环节点上配置任何和用户相关的信息，如VLAN信息，在环上插入新节点，无需添加任何与已有业务相关的配置，可以做到即插即用，新增节点对已有业务的冲击小。以上文中的网络为例，如需新增一个子网，只需对网络的拓扑形状进行简单的修改即可。如图4所示。

图4 扩展性设计Fig.4 Expansibility design

4 EoRPR与交换式以太网的性能对比

EoRPR与交互式以太网的性能对比见表2。从表2的比较来看，EoRPR技术在网络带宽、传输体制等方面较交换式以太网均有一定程度的优势，尤其在保护倒换时间和自愈恢复方式方面，其采用steering或wrapping环保护倒换机制，在50 ms内可实现保护倒换，较交换式以太网有了大幅度的提升。

表2 EoRPR与交互式以太网的性能对比表Table 2 Performance of EoRPR and interactive Ethernet

5 结束语

潜艇信息系统是潜艇内、外信息交互的平台和枢纽，承担了全艇信息传输的重要使命，信息种类主要包括各类战术信息、命令信息、视频图像信息以及语音信息等，传输方式主要分为广播、组播和单播。由于潜艇的战术使命特点，决定了其对网络容错性和实时性的高要求，为保证系统能够正常完成作战任务，网络必须在作战时能够正常运转，一旦出现故障，也必须能够在较短时间内完成故障自愈且不能丢失任何报文。本文所提出的组网方案，着重在可靠性和实时性方面进行了一些研究，EoRPR技术作为一种改进的以太网解决方案，应用于潜艇信息系统，可较好地满足潜艇的使用需求，具备一定的工程实用价值。

［1］华为技术有限公司.RPR技术白皮书［R］.深圳:华为技术有限公司，2007.

［2］赵祖铭.潜艇指控系统技术和发展分析［J］.指挥控制与仿真，2007(2):1-8.

［3］欧阳芹峰，敖发良.高生存性RPR网络数据传输实现［J］.光通信技术，2006(5):13-15.

［4］昌俊，敖发良.基于一种高生存性RPR网络的路由研究［J］.光学与光电技术，2008(2):36-39.

［5］高志英，张治中.RPR网络中公平性算法的研究［J］.光通信技术，2007(6):25-28.