机载光纤总线拓扑结构的性能研究*

伊小素，余楚璇，曾华菘

（北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院，北京 100191）

0 引 言

随着航空机载网络的不断发展，系统设备间的连接形式从单一的点对点结构发展为更多种类的拓扑结构，如总线型、星型和环型等[1-2]。数据通信总线也引入更高速可靠的光纤通信技术，形成机载光纤总线通信系统，在以美制F22/F35、俄制T50为代表的第四代战机中应用广泛[3]。由于机载系统中信息的综合程度不断提高，为适应设备间传输数据量较大且交互频繁的特点，机载光纤总线需满足更高带宽、更低时延和更高可靠性等性能要求[4-6]。对于不同功能的飞行器，它的机载系统的规模、结构及容量均有差异，因此对总线系统的性能要求各有不同。而系统设备间物理连接的拓扑结构不同，会导致数据传输的路径和机制有所不同，最终使总线网络呈现不同的性能特点。因此，研究不同拓扑结构对机载光纤总线关键性能参数的影响具有重要意义。

本文具体分析总线型、星型和环型拓扑结构下机载光纤总线网络时延、吞吐量和系统可靠性3 类性能参数，针对时延和吞吐量等传输特性，通过OPNET对总线网络不同拓扑结构进行建模和仿真。而系统可靠性的分析则是通过故障树理论对3 类不同冗余情况的拓扑结构进行失效模型建模计算、综合仿真及计算结果，为拓扑结构的选择提供参考依据。

1 拓扑结构分析

1.1 总线型结构

在基于无源光网络（Passive Optical Network，PON）的总线型结构中，节点分为网络控制器（Network Control，NC）和 网 络 终 端（Network Terminal，NT）。NC 与NT 通过无源的集线器相连，所有NT地位平等[7-10]。图1 是PON 总线型的结构示意图。数据传输过程中，下行数据由NC 广播发出，所有NT 都会收到下行方向数据，但只有目标NT 会接收；上行的数据传输采用时分复用技术，NT 按指定时隙长度发送数据。由于结构的特殊性，总线型中一次只能传送一组数据。若同时传输多组数据，会发生冲突导致数据不完整甚至丢失。

图1 PON 总线型拓扑

1.2 星型结构

图2 是星型结构的示意图。星型结构以交换机为中心，节点间的通信均需借助交换机。发送端产生的数据经由交换机，在交换机识别出目标地址后，直接将数据转发至目标节点。交换机起数据过滤和转发作用，能有效隔离广播风暴，减少数据丢失和误发情况[11]。但是，由于所有数据都需通过交换机，数据量较大时会导致交换机的负荷过重，此时信息处理转发不及时会直接影响系统传输的时延和吞吐量，降低系统整体的可靠性。

图2 星型拓扑

1.3 环型结构

节点通过点到点链路按顺序连接构成环型拓扑结构，如图3 所示。数据信息的流动在闭环中遵循某一固定方向。由于网络中的节点只与相邻两节点直接互联，两节点间仅有一条通路，因此环型结构的工作机制简单、实时性强且最大时延固定[12]。但是，环路有多个节点时，数据传输速率将受到影响，网络响应时间延长。若一个节点出现故障，可能会导致全网的终止或瘫痪，影响系统的可靠性。

图3 环型拓扑

2 总线网络建模与仿真

为准确评估机载光纤总线系统的时延、吞吐量等传输特性，采用仿真模拟的方案，根据总线型、星型和环型拓扑的结构特点，在OPNET 中分别建立3 类结构的仿真模型。图4 为星型结构的仿真模型，模型中含6 个节点，其中包含1 个服务器和5个客户机，虚线为流量传输方向。

图4 仿真模型

具体仿真参数的设定如表1 所示。由于显式流量模型通过对流量源产生报文的完整生命周期建模，可为流量行为提供准确描述[13]。因此，仿真采用显示报文的流量源模型，数据由各个客户机传输流向服务器，设置网络总带宽为16 Mb/s。为对比相同组网条件下各结构的传输特性，分别为各结构的仿真网络配置相同的节点模型、链路模型和流量源模型，仿真中通过不断改变节点产生的数据量来改变网络负载，仿真结束后收集和统计仿真过程中时延和吞吐量的参数值。

表1 仿真参数的设定

3 总线可靠性建模与计算

总线网络可靠性是保障信息可靠传输的重要指标，由链路传输固有误码率和拓扑结构中各设备的性能共同决定[14]。本文引入故障树分析法对总线型、星型和环型网络系统的有效度进行计算，从而对通信网络系统的可靠性进行分析评估。它的基本思想是从可能发生的事件开始，自上而下寻找事故的原因，确定最基本的原因事件后，绘制事件间“与”“或”等逻辑关系，形成树状逻辑因果关系图[15-16]。评估参数主要有平均无故障工作时间（Mean Time Between Failure，MTBF）、平均修复时间（Mean Time To Repair，MTTR）、有效度和失效度。

定义机载网络系统失效为故障树“顶事件”，假设各系统故障树的“底事件”间均互为独立事件，分别计算在系统无冗余、双冗余和三冗余条件下3类结构的系统有效度。

3.1 无冗余系统

总线型结构由集线器、服务器以及若干客户机和链路构成。在无冗余设计条件下，总线型中任一设备或链路发生故障，整个系统都会失效。此外，总线型数据传输时广播风暴带来的故障也会导致整个系统失效，由此得到总线型结构无冗余系统失效的故障树如图5 所示。

图5 总线型结构无冗余系统故障树

由图5 可知，每个底事件的发生均能直接导致整个系统的失效，因此该系统的失效模型为串联系统，底事件的失效度之和即为通信系统整体失效度F1值。MTTR 设为24 h，根据设备厂商提供的MTBF，计算出相应设备的失效度如表2 所示。

表2 总线型结构各设备的失效度

假设总线型结构中共n 个节点，包含1 个服务器和n-1 个客户机。数据从客户机发送至服务器，则需要n 条通信链路将各个节点与集线器相连，即：

通信系统的失效度为：

故总线型无冗余通信系统的有效度为：

构成星型和环型结构的网络设备种类相似，两者的系统失效来源类似，故障树结构也相似，但两者的失效度计算有所差别。星型和环型结构的故障图如图6 所示。

图6 星型和环型结构无冗余系统故障树

如图6 所示，星型和环型结构的故障模型也是串联系统，系统失效度为各设备失效度之和。MTTR 为24 h 时，各数据如表3 所示，由于集线器是无源器件，而交换机是有源设备，相较而言，连接交换机的链路比连接集线器的链路更易发生故障，即星型和环型结构中通信链路的MTBF 相较总线型结构而言更短。

表3 星型和环型结构各设备的失效度

同样，假设星型结构中包含有1 个服务器和n-1个客户机，则需要n 条通信链路将各个节点与交换机相连，即：

故通信系统的失效度为：

有效度为：

对于环型结构，有：

通信系统的失效度为：

故环型结构无冗余系统的有效度为：

3.2 双冗余系统

双冗余系统是指机载系统配置2 套相同的网络设备。在主系统失效后，备份系统可接替主系统的任务正常工作。只有当主系统和备份系统同时发生故障时，整个机载总线才失效。因此，主系统故障事件和备份系统故障事件是逻辑“与”的关系。

总线型结构的双冗余系统故障树如图7 所示，有：

故总线型结构双冗余系统的有效度为：

图7 总线型结构双冗余系统故障树

同理，星型结构和环型结构的故障树如图8所示。

图8 星型和环型结构双冗余系统故障树

对于星型拓扑结构双冗余系统，有：

故星型结构双冗余系统的有效度为：

对于环型结构双冗余系统，有：

故环型结构双冗余系统的有效度为：

3.3 三冗余系统

三冗余系统则是指机载系统配置有两套相同的备用网络设备，以防其中的备用系统也会失效，影响通信网络的正常运行。三冗余通信系统中，只有当主系统及两套备份系统均失效时，整个机载系统才会失效，因此主系统失效事件和备份系统失效事件间在故障树中仍是“与”逻辑的关系。

总线型结构三冗余系统的有效度为：

星型结构三冗余系统的有效度为：

环型结构三冗余系统的有效度为：

4 结果与分析

4.1 时 延

统计3 种拓扑结构在各负载情况下的时延并计算其平均值，结果如图9 所示。

图9 时延仿真结果

由图9 可知，3 类结构的总体时延随网络负载的增加而增加，但增长速率有所差别。在负载率为100%时，系统时延剧增，且时延抖动较大。在负载率为80%及以下时，总线型结构的时延特性优于星型和环型结构；但随着数据量的不断增大，尤其是当达到系统传输最大能力附近时，总线型结构的时延急剧恶化，其稳定性不及其余二者。

4.2 吞吐量

收集并统计各结构在不同负载下的吞吐量，结果如图10 所示。

由图10 可得，具有相同负载率的3 类结构的平均吞吐量保持一致，表明在各设备处于理想状态且无任何附加误码率或丢包率的前提下，相同组网条件下的不同机载光纤拓扑系统具有相似的数据传输能力。负载率在10%～90%范围内时，系统处于正常工作状态，平均吞吐量随负载率增加而线性增加；而在负载率为100%时，平均吞吐量到达最大值，无法继续增长，此时机载光纤系统的数据传输能力到达峰值。

图10 吞吐量结果

4.3 可靠性

图11 为各冗余系统中各拓扑结构的有效度对比图。随着负载节点的增多，系统可靠性逐渐减小，但相同节点条件下总线型结构的有效度始终最高，星型结构次之，环型结构的有效度最低。随着冗余备份设备的增多，3 类结构的系统有效度差距逐渐缩小，双冗余系统的设计对网络有效度的提高效果最明显。从可靠性和建网成本的角度综合来看，在机载网络系统拓扑结构的设计中，设计具有一套备份设备的双冗余总线型拓扑结构是最优化的选择。若建网成本不是主要考虑因素，则采用三冗余或更多重冗余设计去换取更高的可靠性。

图11 不同冗余下不同拓扑结构的有效度对比

5 结 语

本文围绕总线型、星型和环型拓扑结构的时延、吞吐量和系统可靠性3 个关键性能参数，探讨了机载光纤总线网络设计中如何选取拓扑结构的问题。运用OPNET 建模仿真分析总线网络时延、吞吐量两类传输特性，运用故障树理论建模计算系统可靠性。仿真结果表明，时延和吞吐量跟网络负载率密切相关，在相同负载条件下3 类拓扑结构的吞吐量差别不大，但在负载率小于80%时总线型的时延特性优于星型和环型，但当负载率大于80%时，星型结构更优。计算结果表明，冗余系统的设计能提高系统有效度，但双冗余系统设计对网络有效度的提高效果最明显，且在相同冗余条件下，总线型结构的可靠性始终优于其余二者。因此，可得以下结论：从可靠性和建网成本的角度考虑，双冗余系统设计是最优化的选择，若忽略建网成本以追求更高可靠性，则可采用三冗余或更多重冗余设计；从时延和吞吐量等传输特性上考虑，拓扑结构的选择还需参考网络实际工作负荷。机载环境中正常工作下负载率一般不超过80%，因此综合时延、吞吐量和系统可靠性3 类指标考虑，总线型拓扑结构更适用于机载光纤总线网络。