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关于航空电子系统FC交换式网络的可靠性研究论文
1FC交换式网络模型
1.1FC基本模型
光纤通道(FC)是美国国家标准委员会(ANSI)的X3T11小组于1988年开始制定的一种高速串行传输协议,采用通道技术控制信号传输,在共享介质时采用基于仲裁或交换的信道共享冲突解决机制和基于信用的流量控制策略。FC的传输速率已经由最初的1Gbps改进到2Gbps和4Gbps,并正在向10Gbps发展。FC支持很多上层协议,包括IP,SCSI,1553等;支持多种物理介质,如光纤和铜缆等。FC能够实现全双工、半双工和单工的通信模式,以及称作服务等级的5个发送选项,可以提供不同交付水平和传输速率的通信服务。FC主要用来实现了大容量、高速度的数据传输。
FC定义了3种基本的拓扑结构:点到点、仲裁环和交换式网络。FC面向的连接单元称为端口(Port),端口具备FC标准的基本通信功能,并根据可以实现的拓扑结构不同分为多种类型。点到点是通过双向链路直接连接2个设备端口(N_Port),提供最大带宽的专用连接。仲裁环是一种单向环形数据通路,在2个仲裁环端口(L_Port)间提供逻辑上双向的,点对点的服务。交换式网络是FC提供的功能最强大的拓扑结构,可以连接多达1600万个设备,而且允许多个设备在同一时刻进行高速通信。交换式网络的核心是由一个或者多个FC交换机组成的交换组织(fabric),多个设备端口(N_Port)连接到交换组织形成FC交换式网络拓扑结构。
1.2FC交换式网络通信模型
如图2所示,fabric上与N_Port连接的端口叫做F_Port;fabric上与仲裁环连接的端口叫做FL_Port;fabric内部各个交换机之间的连接端口叫做E_Port。在实际使用中,FC交换机的端口往往设计为复合端口(F/FL/E_Port),可以实现多种端口的功能。交换机间的连接叫做内部交换链路(ISL)。交换式网络在N_Port和F_Port之间建立双向连接,并通过fabric上F_Port间数据帧的路由来提供传送服务。
FC交换机由交换机端口、交换结构、路径选择器、路由器、交换组织控制器和地址管理器组成。交换机端口可以是N_Port,E_Port或FL_Port;交换结构可采用电路交换、帧复用交换,也可以二者同时存在,FC标准对于交换结构没有规定;地址管理器负责标识和管理交换式网络的地址;路径选择器从逻辑上建立FC帧的路由地址;路由器负责执行各种FC帧到最后目的地的路由;交换组织控制器负责交换机的管理。一个交换机中的交换结构、路径选择器、路由器、交换组织控制器和地址管理器一起被称为一个交换要素。交换要素是交换式网络中的一种重要的元素单元。
交换式网络内部采用F类服务帧进行通信,采用最短路径优先协议进行数据帧传输的路径选择。交换式网络的数据传输、路径选择、路由和内部通信都采用分布式管理,即所有相关信息是分布到各个交换机上的,由各个交换要素分别完成。采用分布式管理避免了全局性的部件,可以提高交换式网络的可靠性,当一个交换要素出现问题时,不会影响到其他交换要素的正常执行。
2可靠性模型
2.1系统任务描述
(1)任务的定义在FC网络互连中,定义任务为系统中任意两个端口之间的单向信息传输过程。任务t用三元组[S,D,T]表示,其中:S为任务的源端口;D为任务的目的端口;T为任务在什么拓扑结构中执行。在后面的讨论中,以tS,D,T表示在拓扑结构为T的互连系统中从源端口S到目的端口D传输信息的任务。
(2)任务集互连系统中所有的任务组成了系统的任务集,系统中的任务数为m,则系统的任务集为
Γ={tjS,D,Tj=1,2,…,m}(1)
2.2任务的路径集
任务tS,D,T的路径由完成从端口S到端口D信息传输任务所需的端口单元、交换要素和链路组成,用rS,D,T表示[7]。端口单元包括可能的各类端口(N_Port,FL_Port,F_Port,E_Port),链路定义为相邻两个端口之间的通信线路。在FC交换式网络结构中,任务的路径可能有多条,其数目设为kS,D,T。则任务tS,D,T的路径集为
RS,D,T={riS,D,T|i=1,2,…,kS,D,T}(2)
式中:任务tS,D,T的第i条路径riS,D,T由端口单元集、交换要素单元集和链路单元集组成,分别为
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)
因此任务tS,T,D的端口单元集为
PtS,D,T=∪kS,D,Ti=1PirS,D,T(6)
任务tS,T,D的交换要素单元集为StS,D,T=∪kS,D,Ti=1SirS,D,T(7)
任务tS,T,D的链路单元集为LtS,D,T=∪kS,D,Ti=1LirS,D,T(8)
2.3前提和假设
对于FC互连系统,假设:
(1)系统中的端口单元、交换要素单元和链路单元都只有正常工作和失效两种状态,端口单元、交换要素单元和链路单元的失效相互统计独立,失效概率可以不同。
(2)pport,pswich,plink分别为端口、交换要素和链路单元可靠性的概率度量,即可靠度。
2.4单一任务的可靠度
任务tS,D,T的完成可以具有多条冗余路径,任务tS,D,T的第i条路径riS,D,T的可靠度RriS,D,T定义为路径riS,D,T的端口单元集PirS,D,T、交换要素单元集SirS,D,T和链路单元集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)
任务tS,D,T的可靠度RtS,D,T定义为任务的路径集RS,D,T中至少有一条路径正常工作的概率,即
RtS,D,T=Pr∪kS,D,Ti=1riS,D,T(10)
根据相容事件的概率公式,式(10)可表示为
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)
当任务的路径数kS,D,T较大时,式(11)的直接计算将十分繁琐,可以采用布尔代数中的不交化方法并结合计算机进行计算求解。
2.5FC交换式网络任务基本路径
从图2中可以看到,在FC交换式网络结构中,一个任务的所有路径都必须经过任务的源N_Port、与源N_Port相连的F_Port,以及连接两个端口的链路;所有任务还必须经过任务的目的N_Port、与目点N_Port相连的F_Port,以及连接两个端口的链路。一个任务可能有多条路径,但是所有路径都必须经过上述6个单元,把这6个单元称为该任务的基本路径(basicpath)。对于任务的每一条路径,基本路径之外的部分则全部包括在交换组织内部,称为交换组织路径(fabricpath)。根据可靠度的串并联等效公式,FC交换式网络基于任务的可靠度RtS,D,F可以表示为基本路径的可靠度RtS,D,BP与交换组织路径可靠度RtS,D,FP的乘积:
RtS,D,F=RtS,D,BPRtS,D,FP(12)
对于某一任务,由于基本路径是惟一的,而交换组织路径通常由多条路径并联而成,所以基本路径对于可靠度的影响更为关键,是网络结构冗余时首先要考虑的因素。
3FC交换式网络冗余结构
航空电子系统为了实现容错功能和提高系统可靠性,往往采用冗余的网络结构。FC交换式网络结构用于航空电子系统时,一般可以有两种冗余方式:基本路径冗余和全网络冗余。
基本路径冗余是一种只对交换式网络基本路径进行冗余的方法。基本路径冗余成本较低,设计较为简单,可以在一定程度上提高系统的可靠性。基本路径冗余结构的可靠度为RtS,D,B-B=(2RtS,D,BP-RtS,D,BPRtS,D,BP)RtS,D,FP图4基本链路冗余结构Fig.4Structureofbasicpathredundancy全网络冗余是一种对整个交换式网络结构进行冗余的方法。
全网络冗余成本将大大提高,设计也较为复杂,系统可靠度可以大幅度提高。全网络冗余结构的可靠度为RtS,D,F-F=2RtS,D,BPRtS,D,FP-(RtS,D,BPRtS,D,FP)
4实例分析
航空电子系统是典型的分布式实时系统,系统可靠性在航空电子系统总体设计中占有至关重要的地位。考虑未来航空电子系统FC交换式网络结构互连时的一个实例。实例采用较为简单的网络结构和数据,主要目的是为了说明基于任务的可靠性计算方法,及比较网络中各种单元失效概率对于3种拓扑结构的影响。
考查FC交换式网络结构及其2种冗余结构中各种部件单元的故障概率对于任务可靠度的影响,假设:所有端口单元故障概率为10-3;所有交换要素故障概率为10-3;所有链路单元的故障概率为10-4。这些数据不一定能够真实反映部件在实际系统中的故障概率,但是作为分析部件对系统可靠性影响的参考点是可行的。
为了准确反映部件故障概率对系统可靠度的影响,将待考查部件单元故障概率设为较大的动态范围:10-6～10-2。根据本文中的可靠性建模方法,可以编制计算机程序,分别求得各种部件单元在上述故障概率的水平时,3种结构中任务tN1,N7,F的可靠度,并绘出部件单元故障概率与任务不可靠度(任务不可靠度=1-任务可靠度)的关系图。由图7可以看出,无论基本路径冗余结构还是全网络冗余结构的不可靠度都明显低于普通交换式网络的不可靠度,说明任务传输的可靠度在采用冗余结构后明显提高;而且2种冗余结构的不可靠度十分接近,说明基本路径冗余结构虽然简单,但是也有很好的效果。
不同部件单元的故障概率对任务的不可靠度影响是不同的。3种结构都对端口单元和链路单元的故障概率表现出较高的敏感性,任务不可靠度随端口和链路的故障率恶化而升高;而普通交换式网络和全网络冗余结构在交换要素单元故障率恶化的情况下任务可靠度变化不大,只有基本链路冗余结构较为敏感,说明基本链路冗余结构适合在交换要素故障概率较小时使用。
4结论
在基于任务的可靠性建模基础上,建立了FC交换式网络的可靠性模型,提出了基本路经冗余和全网络冗余2种交换式网络冗余结构,并通过实例分析了2种冗余结构可以大大提高任务传输的可靠度。考虑到采用冗余结构时,如果增加大量端口、链路和交换要素单元,将会增加成本,同时降低系统的可靠度,而基本路经冗余结构增加的单元远远少于全网络冗余结构,所以更适合航空电子系统中应用。
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