艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)冗余切換時(shí)間高精度測(cè)量研究及實(shí)現(xiàn)

盛建兵,程培星

(江蘇自動(dòng)化研究所,江蘇 連云港 222006)

為了在局部故障或受損時(shí),全系統(tǒng)不至于癱瘓失效,艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)主要是采用雙冗余交換式網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)[1]。典型艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 典型艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成示意圖

典型艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分為三層,核心層采用兩臺(tái)高密度端口交換機(jī)冗余互連,接入層的交換機(jī)采用冗余備份形式,同時(shí)與核心層交換機(jī)互連,各分系統(tǒng)或設(shè)備均利用雙冗余網(wǎng)卡就近接入到接入層交換機(jī)上。由于雙冗余網(wǎng)卡的特殊性,在同一時(shí)刻,雙冗余網(wǎng)卡僅一個(gè)網(wǎng)絡(luò)通道處于工作狀態(tài),另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)通道處于后備狀態(tài)。雙冗余網(wǎng)卡切換在底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中實(shí)現(xiàn),對(duì)網(wǎng)絡(luò)層及以上各層,冗余切換是完全透明的。而雙冗余網(wǎng)絡(luò)切換,則是在正常情況下,所有節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)部分在主用交換機(jī)上,部分業(yè)務(wù)在備用交換機(jī)上,一旦其中任何一臺(tái)交換機(jī)或交換機(jī)之間冗余線(xiàn)路出現(xiàn)故障,則故障節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)可以自動(dòng)切換到其它節(jié)點(diǎn)上。

隨著艦載網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)越來(lái)越多,應(yīng)用越來(lái)越復(fù)雜,艦載網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模越來(lái)越大,雙冗余網(wǎng)絡(luò)的可靠性成為艦載網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,而冗余切換時(shí)間則成為衡量艦載網(wǎng)絡(luò)性能的核心指標(biāo)。進(jìn)行冗余切換時(shí)間的測(cè)量,有利于掌握艦載網(wǎng)絡(luò)的性能,有利于對(duì)艦載網(wǎng)絡(luò)行為進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析,發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)瓶頸和故障,是建立高效、穩(wěn)定、可靠、可控的艦載網(wǎng)絡(luò)的重要保證;同時(shí)也是推進(jìn)高性能雙冗余網(wǎng)卡、雙冗余交換機(jī)發(fā)展的重要?jiǎng)恿?。為提高冗余切換時(shí)間的測(cè)量精度,本文首先分析了影響冗余切換時(shí)間測(cè)量誤差的因素,并針對(duì)這些因素提出了減小測(cè)量誤差的關(guān)鍵技術(shù),同時(shí)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證,結(jié)果表明本文提出的方法有效地提高了測(cè)量精度,可適用于目前的艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)冗余切換時(shí)間高精度測(cè)量。

1 冗余切換時(shí)間的定義及其測(cè)量誤差分析

冗余切換時(shí)間是指正在工作的主用通道發(fā)生故障自動(dòng)切換到另一路備用通道并且開(kāi)始正常工作的時(shí)間。

目前,冗余切換時(shí)間測(cè)量的一般方法是測(cè)量系統(tǒng)定時(shí)向被試設(shè)備或被試系統(tǒng)發(fā)送定長(zhǎng)報(bào)文,被試設(shè)備或被試系統(tǒng)收到該報(bào)文后立即向測(cè)量系統(tǒng)作出響應(yīng)。測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)測(cè)冗余切換過(guò)程中報(bào)文丟失的個(gè)數(shù) n,來(lái)獲知冗余切換時(shí)間。冗余切換時(shí)間為報(bào)文丟失數(shù)n與報(bào)文發(fā)送時(shí)間間隔tΔ的乘積。

從上述測(cè)量方法可以看出,冗余切換時(shí)間測(cè)量的關(guān)鍵就是求取時(shí)間間隔。時(shí)間間隔偏小,則可能在未發(fā)生冗余切換時(shí),已經(jīng)產(chǎn)生丟包;時(shí)間間隔偏大,則可能整個(gè)冗余切換過(guò)程都未產(chǎn)生丟包。因此,該時(shí)間間隔不是一個(gè)無(wú)限小的數(shù)值,而是一個(gè)確保被試設(shè)備或被試系統(tǒng)未發(fā)生切換時(shí)不產(chǎn)生丟包卻又足夠小的臨界值。

通過(guò)網(wǎng)絡(luò)工作原理和測(cè)量過(guò)程可知,在網(wǎng)絡(luò)流量穩(wěn)定情況下,以報(bào)文發(fā)送的端到端時(shí)間延遲為發(fā)送間隔來(lái)發(fā)送測(cè)試報(bào)文,系統(tǒng)不會(huì)丟包。而端到端時(shí)間延遲可分解為3個(gè)部分:

其中,t端到端表示端到端時(shí)間延遲,t發(fā)送延遲表示測(cè)量系統(tǒng)發(fā)送測(cè)試報(bào)文的處理時(shí)延,t總延遲表示測(cè)試報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸總延遲,t接收延遲表示被試設(shè)備或被試系統(tǒng)接收到測(cè)試報(bào)文的處理時(shí)延。

網(wǎng)絡(luò)傳輸總延遲又可分解為4個(gè)部分:

其中,tTRANS為傳輸延時(shí),tPROP為傳播延時(shí),tQD為交換機(jī)的排隊(duì)延遲,tPROC為交換機(jī)處理延時(shí)。傳輸延時(shí)是傳輸一個(gè)報(bào)文所需的時(shí)間,傳播延遲就是信號(hào)傳播時(shí)間,所以

電信號(hào)或光信號(hào)的速度為3.3～5μs/km,tQD是交換機(jī)的排隊(duì)延遲,當(dāng)流入交換機(jī)的通信量大于流出交換機(jī)的通信量時(shí),會(huì)出現(xiàn)排隊(duì)延遲,多出的比特在交換機(jī)緩沖區(qū)中排隊(duì)。根據(jù)粗略經(jīng)驗(yàn),假設(shè)每個(gè)進(jìn)入交換機(jī)的報(bào)文平均等待4個(gè)在它前面的報(bào)文后才被發(fā)送,則平均排隊(duì)延遲是傳輸延遲的 4倍,而tPROC是交換機(jī)的處理時(shí)間,一般假設(shè)可以忽略,因此報(bào)文的網(wǎng)絡(luò)傳輸總延遲故,t總延遲取決于傳輸速率、鏈路長(zhǎng)度和報(bào)文大小。因此,假設(shè)以tΔ為時(shí)間間隔發(fā)包,系統(tǒng)不產(chǎn)生丟包。則利用這種測(cè)量方法,切換時(shí)間的最大誤差出現(xiàn)在即將接收到一個(gè)返回報(bào)文時(shí)發(fā)生冗余切換,且切換完成前剛剛對(duì)外發(fā)送了一個(gè)報(bào)文的情況,結(jié)合公式(2)、(3)、(4)、(5),測(cè)量誤差為:

從冗余切換時(shí)間測(cè)量方法以及上述誤差分析,可以看出,在滿(mǎn)足假設(shè)條件的情況下,t誤差與tΔ、傳輸速率、鏈路長(zhǎng)度、報(bào)文大小、t發(fā)送延遲、t接收延遲密切相關(guān)。綜上,影響測(cè)量結(jié)果的關(guān)鍵因素有:

①時(shí)間片分辨率,決定了時(shí)間間隔tΔ的細(xì)分粒度,影響冗余切換時(shí)間的測(cè)量誤差;

②系統(tǒng)對(duì)測(cè)試報(bào)文的處理,決定處理時(shí)延t發(fā)送延遲、t接收延遲的大小;

③網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定情況,決定測(cè)量時(shí)機(jī),從而避免因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)原因造成的丟包而被誤認(rèn)為是冗余切換造成的丟包。

2 冗余切換時(shí)間高精度測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)

縱觀(guān)上述影響因素,解決高精度時(shí)間片分配技術(shù)、高速的報(bào)文處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)流量的自適應(yīng)探測(cè)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高精度的冗余切換時(shí)間測(cè)量的關(guān)鍵。

2.1 高精度時(shí)間片分配技術(shù)

在測(cè)量系統(tǒng)中可以通過(guò)軟件和硬件兩種方法提高時(shí)間片精度。

軟件方法是可通過(guò)在 WindowsXP系統(tǒng)上利用RTX實(shí)時(shí)擴(kuò)展模塊對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展。RTX實(shí)時(shí)擴(kuò)展模塊以一系列庫(kù)的形式完成,它在不影響WindowsXP系統(tǒng)原有功能的基礎(chǔ)上增強(qiáng)了實(shí)時(shí)性。RTX實(shí)時(shí)擴(kuò)展模塊具有獨(dú)立的時(shí)鐘和定時(shí)器,分辨率高,時(shí)間片精度可達(dá) 1μs。因此,在 WindowsXP系統(tǒng)上利用 RTX實(shí)時(shí)擴(kuò)展模塊對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展,大大提高了WindowsXP系統(tǒng)的時(shí)間片分配精度,降低測(cè)量誤差。

硬件方法是可將測(cè)量系統(tǒng)與GPS設(shè)備互連。在測(cè)量系統(tǒng)上開(kāi)發(fā)軟件獲取 GPS時(shí)間,進(jìn)而劃分精確的時(shí)間間隔,并以該時(shí)間間隔周期發(fā)送測(cè)試報(bào)文,降低測(cè)量誤差。該方法時(shí)間片精度可達(dá)1μs。

通過(guò)比較,兩種方法的時(shí)間精確性都能達(dá)到1μs,但硬件方法在測(cè)試報(bào)文的發(fā)送和接收實(shí)時(shí)性上不能與軟件方法相比,且軟件方法簡(jiǎn)化了測(cè)量系統(tǒng),簡(jiǎn)單有效,經(jīng)濟(jì)實(shí)用,方便應(yīng)用,靈活性強(qiáng)。因此,本文采用軟件方法提高時(shí)間片精度,在 WindowsXP系統(tǒng)上嵌入RTX實(shí)時(shí)擴(kuò)展模塊,是一種既能簡(jiǎn)化系統(tǒng)模型,又能達(dá)到系統(tǒng)需求的較優(yōu)實(shí)現(xiàn)途徑。

2.2 高速的報(bào)文處理技術(shù)

要實(shí)現(xiàn)報(bào)文的高速處理,降低處理時(shí)延,一方面要求系統(tǒng)對(duì)報(bào)文進(jìn)行實(shí)時(shí)處理,另一方面還可通過(guò)提高TCP/IP協(xié)議的處理效率來(lái)實(shí)現(xiàn)。

要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)報(bào)文的實(shí)時(shí)處理,可以通過(guò)在WindowsXP系統(tǒng)上利用RTX實(shí)時(shí)擴(kuò)展模塊進(jìn)行擴(kuò)展來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于WindowsXP系統(tǒng)不是一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),具有不確定的中斷響應(yīng)時(shí)間,因此基于WindowsXP系統(tǒng)的報(bào)文處理具有不可預(yù)測(cè)的執(zhí)行時(shí)間,極大可能每次的處理時(shí)延都不一樣。而在WindowsXP系統(tǒng)上利用RTX實(shí)時(shí)擴(kuò)展模塊進(jìn)行擴(kuò)展就可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。RTX實(shí)時(shí)系統(tǒng)是Windows系統(tǒng)內(nèi)核體系的延伸,它修改并擴(kuò)展了整個(gè)硬件抽象層(HAL),實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立的內(nèi)核驅(qū)動(dòng)模式。它的線(xiàn)程調(diào)度采用基于優(yōu)先級(jí)的搶占調(diào)度策略,實(shí)現(xiàn)了高速調(diào)度;RTX內(nèi)存管理是采用WindowsXP非分頁(yè)池來(lái)滿(mǎn)足其存儲(chǔ)需要,避免使用虛擬內(nèi)存因缺頁(yè)而產(chǎn)生延遲;RTX提供 128個(gè)線(xiàn)程優(yōu)先級(jí),滿(mǎn)足實(shí)時(shí)系統(tǒng)需要;RTX應(yīng)用高速的 IPC信息和同步機(jī)制實(shí)現(xiàn)與 Windows之間的數(shù)據(jù)通訊;還采用自己中斷管理模式,完全消除來(lái)自 WindowsXP系統(tǒng)的 IRQL造成的延遲[3-5],多種優(yōu)點(diǎn)表明采取RTX實(shí)時(shí)擴(kuò)展模塊能夠?qū)崟r(shí)收發(fā)測(cè)試報(bào)文,減少測(cè)試系統(tǒng)的處理時(shí)延,降低測(cè)量誤差,提高測(cè)量精度。

對(duì)于如何提高 TCP/IP協(xié)議處理效率,國(guó)際上提出很多方法,包括增加協(xié)議處理器,由專(zhuān)門(mén)的 CPU處理 TCP/IP協(xié)議和重新設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)內(nèi)核結(jié)構(gòu),減少數(shù)據(jù)搬移次數(shù),以及優(yōu)化 TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)等[6]。對(duì)于冗余切換時(shí)間測(cè)量最有效的方法主要是通過(guò)減少數(shù)據(jù)搬移來(lái)降低處理時(shí)延。例如將測(cè)試報(bào)文進(jìn)行原始封包,并利用協(xié)議驅(qū)動(dòng)直接將原始封包發(fā)往鏈路層[7],這樣就繞開(kāi)了WindowsXP系統(tǒng)自身的TCP協(xié)議處理模塊,避免網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議對(duì)報(bào)文的拷貝處理,減少數(shù)據(jù)的搬移次數(shù),提高測(cè)試報(bào)文處理速度,降低測(cè)試系統(tǒng)對(duì)測(cè)試報(bào)文的處理時(shí)延。另外,還可在進(jìn)行校驗(yàn)和的計(jì)算時(shí),限制協(xié)議去讀取整個(gè)報(bào)文,通過(guò)傳遞指針而不是復(fù)制報(bào)文來(lái)減少實(shí)際報(bào)文的傳輸量,從而降低處理時(shí)延,提高協(xié)議的處理執(zhí)行效率[1]。

2.3 網(wǎng)絡(luò)流量的自適應(yīng)探測(cè)技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)是否穩(wěn)定的具體體現(xiàn)就是網(wǎng)絡(luò)流量的變化。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)流量突然變大,超出網(wǎng)絡(luò)負(fù)載,網(wǎng)絡(luò)將產(chǎn)生丟包。因此,如果網(wǎng)絡(luò)流量發(fā)生變化,在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)冗余切換時(shí)間測(cè)量時(shí),不能保證測(cè)量過(guò)程中產(chǎn)生的丟包全部是因?yàn)槿哂嗲袚Q而產(chǎn)生的丟包,測(cè)量結(jié)果容易產(chǎn)生較大偏差。因此,必須確保整個(gè)測(cè)量時(shí)間內(nèi),網(wǎng)絡(luò)流量是相對(duì)平穩(wěn)的。

網(wǎng)絡(luò)流量是否平穩(wěn)可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量與報(bào)文傳輸時(shí)延密切相關(guān)的原則來(lái)確定。報(bào)文傳輸時(shí)延突然變大,說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)突然變得擁擠,流量變大。因此,可以利用往返時(shí)延的變化計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差,當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)差太大或超過(guò)閾值,則可以認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定。具體實(shí)現(xiàn)就是:測(cè)量系統(tǒng)在發(fā)送測(cè)試報(bào)文時(shí)記錄發(fā)送時(shí)間t發(fā),被試系統(tǒng)收到該測(cè)試報(bào)文后,立即發(fā)還給測(cè)試端,測(cè)試端接收到該報(bào)文后記錄接收時(shí)間t收,根據(jù)發(fā)送時(shí)間和接收時(shí)間計(jì)算往返時(shí)延it,利用該往返時(shí)延計(jì)算n個(gè)測(cè)試報(bào)文的時(shí)延均值t,同時(shí)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差s。其中:

計(jì)算出t和s后,如果s很大,或超過(guò)閾值,則網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定,此時(shí)將最先得到的往返時(shí)延去掉,將此往返時(shí)延納入計(jì)算范圍,重新計(jì)算 t和 s。一旦計(jì)算出 s小于閾值,且t也在限定范圍內(nèi),則可以認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)是穩(wěn)定的。此時(shí)適合的時(shí)間間隔就是平均時(shí)延的1/2。

3 冗余切換時(shí)間高精度測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鑒于上述分析,冗余切換時(shí)間高精度測(cè)量系統(tǒng)是在 WindowsXP系統(tǒng)上嵌入 RTX實(shí)時(shí)擴(kuò)展模塊,進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

3.1 RT-TCP/IP協(xié)議

RTX實(shí)時(shí)擴(kuò)展模塊被實(shí)現(xiàn)為一整套庫(kù)的集合(動(dòng)態(tài)庫(kù)與靜態(tài)庫(kù)),實(shí)時(shí)子系統(tǒng)(RTSS)作為一種windows內(nèi)核驅(qū)動(dòng)程序和擴(kuò)展的 HAL實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性,提供了一套R(shí)tWinAPI的實(shí)時(shí)API庫(kù)用于對(duì)實(shí)時(shí)對(duì)象的訪(fǎng)問(wèn)方法。其中,RTX擴(kuò)展下的 TCP/IP協(xié)議——RT-TCP/IP協(xié)議提供的應(yīng)用程序編程接口與最新版的WindowsSocket2.0規(guī)范一致,使得RTSS環(huán)境中的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)編程更簡(jiǎn)單方便。

3.2 硬件配置

RT-TCP/IP需要專(zhuān)門(mén)的網(wǎng)卡支持和對(duì)應(yīng)的網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)。本系統(tǒng)采用Rtl-8139型號(hào)網(wǎng)卡,同時(shí)安裝RTX提供的網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng),并對(duì)網(wǎng)卡進(jìn)行配置。設(shè)置動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配單元 MemoryInk=1024,網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)文件 Driver=RtRtl81x9。設(shè)置 RtWinAPI定時(shí)器優(yōu)先級(jí)TimerPriority=127,保證應(yīng)用程序中的實(shí)時(shí) API能得到最快執(zhí)行。還需配置網(wǎng)卡IP地址及掩碼。根據(jù)需要,還可配置堆棧最大可用線(xiàn)程數(shù)、中斷優(yōu)先級(jí)、接收優(yōu)先級(jí)等。本系統(tǒng)采用默認(rèn)值。當(dāng)然,系統(tǒng)還可選擇其它RTX支持的網(wǎng)卡,并進(jìn)行配置。

3.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用程序?yàn)閷?shí)時(shí)軟件,運(yùn)行于RTSS環(huán)境中。

測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)流程如圖2所示。實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)體系如圖3所示。

圖3 測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)體系

首先,檢測(cè)用戶(hù)輸入的有效性。輸入有效后,使用RT-TCP/IP協(xié)議編程接口創(chuàng)建實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)套接字,套接字類(lèi)型為SOCK_RAW,IP地址族為PF_INET。

然后,測(cè)量系統(tǒng)使用RT-TCP/IP協(xié)議編程接口進(jìn)行測(cè)量報(bào)文的實(shí)時(shí)發(fā)送和接收。由于套接字為原始套接字類(lèi)型,因此,需自行填充測(cè)試報(bào)文的IP頭、UDP頭以及數(shù)據(jù),包含校驗(yàn)和。在發(fā)送測(cè)試報(bào)文時(shí),采用RTX時(shí)鐘編程接口獲取實(shí)時(shí) HAL時(shí)鐘 CLOCK_FASTEST的當(dāng)前時(shí)間,并記錄下來(lái);發(fā)送完畢后,主線(xiàn)程阻塞于報(bào)文接收;被試系統(tǒng)在收到該報(bào)文后立即向測(cè)量系統(tǒng)發(fā)送;測(cè)量系統(tǒng)接收到該報(bào)文時(shí)再次采用 RTX時(shí)鐘編程接口獲取接收時(shí)間,并計(jì)算出該次報(bào)文發(fā)送的端到端傳輸時(shí)延。這樣,接收到n個(gè)報(bào)文后,計(jì)算出平均時(shí)延 t和標(biāo)準(zhǔn)差 s,從而確定當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定度。若檢測(cè)到當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定,則丟掉最先接收的報(bào)文,等待下一次接收?qǐng)?bào)文的端到端傳輸時(shí)延,重新計(jì)算,直到確定當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)是平穩(wěn)的。最終確定報(bào)文發(fā)送的時(shí)間間隔tΔ。

確定出報(bào)文發(fā)送的時(shí)間間隔后,創(chuàng)建RTX線(xiàn)程,該線(xiàn)程使用RT-TCP/IP協(xié)議編程接口完成報(bào)文的接收,同時(shí)將該線(xiàn)程的優(yōu)先級(jí)設(shè)定為 RT_PRIORITY_MAX-1,并啟動(dòng)線(xiàn)程。在主線(xiàn)程中,創(chuàng)建RTX定時(shí)器,該定時(shí)器使用RT-TCP/IP協(xié)議編程接口實(shí)現(xiàn)報(bào)文的發(fā)送,定時(shí)器優(yōu)先級(jí)設(shè)置為 RT_PRIORITY_MAX,時(shí)鐘采用實(shí)時(shí)HAL時(shí)鐘CLOCK_FASTEST,保證定時(shí)時(shí)間一到,以最快速度將測(cè)試報(bào)文發(fā)送出去。創(chuàng)建完畢后,用RTX定時(shí)器編程接口設(shè)置RTX定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間和重復(fù)間隔,并啟動(dòng) RTX定時(shí)器。當(dāng)達(dá)到用戶(hù)要求的測(cè)量總時(shí)間后,取消并刪除 RTX定時(shí)器。等待一定時(shí)間后,終止RTX線(xiàn)程。

最后,針對(duì)測(cè)試過(guò)程中發(fā)送的總報(bào)文數(shù)和接收到的報(bào)文數(shù)計(jì)算丟掉的報(bào)文數(shù),與時(shí)間間隔的乘積即為網(wǎng)絡(luò)冗余切換時(shí)間,并顯示到RTX 控制臺(tái)上。

被試系統(tǒng)不改變系統(tǒng)環(huán)境,僅安裝配試程序。配試程序利用winsock應(yīng)用程序編程接口,創(chuàng)建套接字類(lèi)型為 SOCK_DGRAM 的套接字,直接在應(yīng)用層進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。配試程序在接收到UDP數(shù)據(jù)包后立即將該數(shù)據(jù)包返還回去。

4 試驗(yàn)與驗(yàn)證

搭建如圖4所示的模擬測(cè)試環(huán)境進(jìn)行冗余網(wǎng)絡(luò)切換時(shí)間測(cè)量。圖4中,某型號(hào)交換機(jī)為10M/100M自適應(yīng)的全雙工冗余以太網(wǎng)交換機(jī),冗余切換時(shí)間在50ms內(nèi)。為驗(yàn)證需要,兩臺(tái)交換機(jī)以?xún)蓷l10Mbps速率線(xiàn)路互連構(gòu)建局域網(wǎng),測(cè)量系統(tǒng)、被試系統(tǒng)、PC1、PC2則以100Mbps速率接入到交換機(jī)。

測(cè)量時(shí),一方面利用本測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量,另一方面利用 Agilent(安捷倫)公司的 J3446D型局域網(wǎng)分析儀進(jìn)行測(cè)量。J3446D型局域網(wǎng)分析儀具備全雙工百兆線(xiàn)速捕獲能力,能設(shè)定時(shí)間間隔自主發(fā)送網(wǎng)絡(luò)報(bào)文,時(shí)間精度可達(dá) 1ns。首先進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)平穩(wěn)狀態(tài)下的測(cè)量。測(cè)量時(shí)先確保測(cè)量系統(tǒng)與被試系統(tǒng)通過(guò)A線(xiàn)路互通,并開(kāi)始進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量開(kāi)始后,等待幾秒鐘,拔去線(xiàn)纜 A,此時(shí)測(cè)量系統(tǒng)與被試系統(tǒng)將自動(dòng)切換至B線(xiàn)路上互通,完成冗余切換。然后進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)不平穩(wěn)狀態(tài)下的測(cè)量。測(cè)量時(shí),首先確保測(cè)量系統(tǒng)與被試系統(tǒng)通過(guò)A線(xiàn)路互通,并開(kāi)始進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量開(kāi)始后,PC1向 PC2以 1ms為間隔,連續(xù)發(fā)送 200包 500字節(jié)大小的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文,發(fā)送完畢后,自動(dòng)停止發(fā)送,以此引入網(wǎng)絡(luò)突發(fā)流量,幾秒鐘后,拔去線(xiàn)纜 A,此時(shí)測(cè)量系統(tǒng)與被試系統(tǒng)將自動(dòng)切換至 B線(xiàn)路上互通,完成冗余切換。測(cè)量結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表1。

圖4 模擬測(cè)試環(huán)境互連關(guān)系

表1 測(cè)試結(jié)果表

該型號(hào)交換機(jī)的冗余網(wǎng)絡(luò)切換時(shí)間不大于50ms。測(cè)量結(jié)果中,第 1～5組為平穩(wěn)狀態(tài)下的測(cè)量結(jié)果,第6～8組為引入網(wǎng)絡(luò)突發(fā)流量后的測(cè)量結(jié)果。從第1～5組測(cè)量結(jié)果可以看出,本文設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果有效。從第6～8組測(cè)量結(jié)果可以看出,在引入網(wǎng)絡(luò)突發(fā)流量后,由于網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)未進(jìn)行探測(cè),仍然采取原時(shí)間間隔進(jìn)行測(cè)量報(bào)文發(fā)送,并將其進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),因此,其測(cè)量結(jié)果超出該型號(hào)交換機(jī)的冗余網(wǎng)絡(luò)切換時(shí)間指標(biāo),偏差較大。而本文實(shí)現(xiàn)的測(cè)量系統(tǒng)采用了網(wǎng)絡(luò)流量的自適應(yīng)探測(cè)技術(shù),其測(cè)量結(jié)果與平穩(wěn)情況下的測(cè)量結(jié)果基本相符,降低了網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。測(cè)量結(jié)果說(shuō)明,本文實(shí)現(xiàn)的測(cè)量系統(tǒng)減小了測(cè)量誤差,提高了測(cè)量精度,能滿(mǎn)足高精度冗余切換時(shí)間的測(cè)量要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前,雙冗余網(wǎng)絡(luò)在軍事上應(yīng)用廣泛,冗余切換時(shí)間的測(cè)量意義重大。本文分析了冗余切換時(shí)間的測(cè)量方法,從減小測(cè)量誤差,提高測(cè)量精度,確保測(cè)量結(jié)果的有效性方面,提出了解決方案和具體實(shí)現(xiàn),對(duì)于檢測(cè)、評(píng)估艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)性能具有重要意義。實(shí)踐證明,采用本文提出的解決方案是切實(shí)可行的,實(shí)現(xiàn)的測(cè)量系統(tǒng)部署方便、應(yīng)用靈活,便于推廣,具有廣泛的應(yīng)用前景。

[1]潘冠華,等.艦艇綜合指揮控制系統(tǒng)原理[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2010.

[2]Jean Walrand,Pravin Varaiya.高性能通信網(wǎng)絡(luò)[M].張艷,等譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

[3]RTX7.0 Documentation.

[4]李宏科.一種基于 RTX 的實(shí)時(shí)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].裝備制造技術(shù),2006,33(3):55-56.

[5]劉曉川,樊子明.Windows2000(XP)+RTX的實(shí)時(shí)性分析與測(cè)試[J].艦船電子工程,2007,27(6):135-137.

[6]王佳瑋,田斌,裴昌幸,等.分布式網(wǎng)絡(luò)測(cè)量探針關(guān)鍵技術(shù)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2007,30(11):65-67.

[7]張?jiān)?等.Visual C++網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)實(shí)例詳解[M].北京:人民郵電出版社,2006.