CN106788863A - 一种支持子网时间触发通信的航空电子wdm网络管理仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种支持子网时间触发通信的航空电子WDM网络管理仿真系统，该仿真系统包括终端应用节点模块(1)、光网络路由器模块(2)和网络管理模块(3)。终端应用节点模块(1)用于发送或接收机载WDM网络正常通信数据包和机载WDM网络管理通信数据包。光网络路由器模块(2)一方面用于转发终端应用节点模块(1)发送的信息，另一方面用于存储终端应用节点模块(1)发送的信息；网络管理模块(3)依据路由与波长分配表与时刻调度表对数据包进行控制转发。本发明仿真系统通过仿真的方法模拟WDM网络正常通信流量和网络管理通信流量的生成、转发和接收过程，实现机载光网络的仿真性能评估。

Description

一种支持子网时间触发通信的航空电子WDM网络管理仿真 系统

技术领域

本发明涉及一种机载网络仿真领域，具体涉及一种支持子网时间触发通信方式的航空电子WDM网络管理仿真系统。

背景技术

光纤通道以其高速率、容错性、确定性等特点在航空电子系统得到广泛的应用。为了进一步提高光纤的利用率，波分复用技术和光交换技术已经开始得到重视。波分复用技术是在一根光纤中承载多个波长的复用技术，其应用解决了大容量传输的问题；光交换技术则是用光交换设备代替传统光纤系统中的电交换设备，实现高效、快速交换。基于波分复用技术的光交换网络具有高带宽、透明传输、灵活的路由、强容错性和安全性等多种性能优点，能够满足未来航电系统互连网络的发展需求，成为航空电子网络新的选择。目前基于波分复用(Wavelength Division Multiplex，WDM)技术的机载光传网在机载环境下的应用为人们所关注。WDM通过使用不同波长的光在同一条光纤上传送信号，实现了大幅度增加传输带宽的目的。

航电WDM网络是典型的异步通信系统，网络上的所有活动都由外部或内部事件的出现来触发，由于事件的出现具有很强的异步性、随机性，因此网络通信具有很强的不确定性，对于严实时高可靠消息不提供时间确定性传输机制。如果已经对网络中各个子网节点进行功能分区，事先已知消息属性，如发送时间、消息大小等信息，对它们的传输进行预规划，按照设计好的时间窗口进行调度，就可以形成时间触发WDM子网，极大提高网络各功能分区中消息传输的确定性。

时间触发以太网(Time-Triggered Ethernet，TTE)定义了三类实时性要求不同的任务，包括时间触发消息(Time-Triggered，TT)，速率限制消息(Rate-Constrained，RC)和尽力传输消息(Best-Effort，BE)，其中时间触发消息TT拥有最高的优先级，在全网时间同步的基础上，在每个端系统和路由器上根据时刻调度表在预先设计的时间窗进行时间触发消息TT的发送和转发，使得时间触发消息TT具有完全严格的时间确定性。RC消息和BE消息相对TT消息优先级低，在不存在TT消息队列的情况下发送。

目前航空电子网络规模不断扩大，分布式网络成为机载网络的主要设计方案，机载网络上传输的信息越来越多，网络带宽也随之不断增大。如果为满足严格的实时性传输需求，在机载WDM网络中加入时间触发机制(Time-Triggered)，可能会造成网络管理开销流量的成倍增加。因此，对于网络管理的配置要求不断提高，如果没有合适的网络管理系统，不断扩大的网络管理开销流量可能会影响业务流量的正常传输，造成业务流量拥堵，对航电网络的实时性造成巨大影响。

发明内容

本发明提出了一种支持子网时间触发通信的航空电子WDM网络管理仿真系统，通过仿真的方法模拟WDM网络正常通信流量和网络管理通信流量的生成、转发和接收过程，实现机载光网络的仿真性能评估。该仿真系统为机载WDM网络引入了时间触发机制，能够更有效的利用网络带宽资源，实现保证机载WDM网络实时性的目的。在保证网络实时性的条件下，建立了一种分布式的机载WDM网络管理方案，主要用于提高航空电子WDM网络实时性，降低网络管理通信流量对正常通信流量的影响，并降低网络的平均延时。为了实现机载WDM网络的分层分区管理仿真，本系统中包含一种分层的WDM网络管理方案和一种基于时间触发子网的网络分区方案。

本发明的仿真系统包括有终端应用节点模块(1)、光网络路由器模块(2)和网络管理模块(3)。

终端应用节点模块(1)包括有终端节点发送单元(11)、终端节点接收单元(12)。

终端应用节点模块(1)作为源节点时，终端应用节点模块(1)通过终端节点发送单元(11)发送机载WDM网络正常通信数据包和机载WDM网络管理通信数据包。

终端应用节点模块(1)作为目的节点时，终端应用节点模块(1)通过终端节点接收单元(12)接收机载WDM网络正常通信数据包和机载WDM网络管理通信数据包。

光网络路由器模块(2)包括有光网络路由器转发单元(21)、数据包缓存单元(22)。光网络路由器转发单元(21)用于完成对机载WDM网络正常通信数据包和机载WDM网络管理通信数据包的转发。数据包缓存单元(22)用于临时对机载WDM网络正常通信数据包和机载WDM网络管理通信数据包进行保存。

网络管理模块(3)包括有路由与波长分配产生单元(31)、时刻调度单元(32)、数据包控制单元(33)。

路由与波长分配产生单元(31)用于计算网络路由表与波长分配表。

时刻调度单元(32)计算时间窗、生成时刻调度表。

数据包控制单元(33)按照路由表、波长分配表与时刻调度表对机载WDM网络正常通信数据包和机载WDM网络管理通信数据包进行控制。

所述的仿真系统中，机载WDM通信子网内采用时间触发通信方式。

所述的仿真系统中，机载WDM通信骨干网仍采用合适的路由与波长分配进行通信，但对于严格实时传输的消息并不提供确切的定时传输机制，因此所述的仿真系统中的机载WDM通信骨干网属于事件触发通信机制。

子网间机载WDM网络正常通信数据包和机载WDM网络管理通信数据包传送时，由于经过了事件触发的骨干网，无法为子网间机载WDM网络正常通信数据包和机载WDM网络管理通信数据包设计接收时间窗，因此，子网间消息的接受属于事件触发的方式。

所述的航空电子WDM网络采用分布式网络管理，各个节点均参与管理消息数据包的传送过程。

本发明也提出了一种分布式航空电子WDM分层分区网络管理模型，网络的各个子网功能分区内的单元通过数据通信网络传送网络管理数据包，每一个分区通过该分区的分区管理系统管理，分区管理系统通过数据通信网络与网络管理系统通信，而网络管理系统监视整个网络，管理不同分区的不同单元。

本发明包含时间触发子网的航空电子WDM网络管理流量仿真系统优点在于：

1、本发明对于传统的航空电子WDM网络，子网和骨干网分别采用时间触发和事件触发的方式，优化了网络结构，区分了子网内部数据包的交流和子网间数据包交流，实现网络功能分区，便于系统分布式集成。

2、由于时间触发机制的存在，本发明的仿真系统可以支持多种优先级的消息服务，同时也可以得到多种拓扑结构和消息类型下网络的延时性能。

3、本发明提供了机载WDM网络正常通信数据包和机载WDM网络管理通信数据包的仿真，通过调整网络消息配置，可以分析业务消息与管理消息不同占比与不同优先级时网络管理流量对网络正常通信流量传输造成的影响。

附图说明

图1是本发明一种支持子网时间触发通信的航空电子WDM网络管理仿真系统的结构框图。

图2是一种支持子网时间触发通信的航空电子WDM网络管理仿真系统中的基本网络结构。

图3是本发明中网络管理模型。

图4是本发明一种支持子网时间触发通信的航空电子WDM网络管理仿真系统的执行流程图。

图5是两条按照严格时间触发机制传输的消息延时结果图。

图6是非严格时间触发机制传输的消息延时结果图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明是为了实现在一个存在正常通信流量与网络管理消息的航空电子WDM网络中，为得到正常通信数据包(记为DP_CM)与网络管理数据包(记为DP_MN)从端到端传输时的传输时间T_时延进行仿真，通过所述T_时延来测定正常通信数据包DP_CM与网络管理数据包DP_MN的传输端到端延时，并分析网络管理消息的存在对网络正常通信消息传输造成的影响。

本发明中，为实现网络功能分区采用了子网内部时间触发的机制，为航空电子网络中各个功能分区内部消息传输提供了时间确定性传输机制。

参见图1所示，本发明的仿真系统包括有终端应用节点模块(1)、光网络路由器模块(2)和网络管理模块(3)；

其中，终端应用节点模块(1)包括有终端节点发送单元(11)和终端节点接收单元(12)；

其中，光网络路由器模块(2)包括光网络路由器转发单元(21)和数据包缓存单元(22)；

其中，网络管理模块(3)包括有路由与波长分配产生单元(31)、时刻调度单元(32)和数据包控制单元(33)。

在本发明中，终端应用节点模块(1)一方面能够发送机载WDM网络正常通信流量和网络管理通信流量，成为源节点；另一方面能够用于接收机载WDM网络正常通信流量和网络管理通信流量，成为目的节点。

在仿真前，需对机载WDM网络正常通信数据包DP_CM进行消息配置，设计机载WDM网络正常通信数据包DP_CM的数据包包头head^CM，包头head^CM中包含有数据包类型type、数据包属性pro、数据包源节点地址src、数据包目的节点地址dest、数据包大小size、数据包的生产时刻

在仿真前，需对机载WDM网络管理通信数据包DP_MN进行消息配置，设计机载WDM网络管理通信数据包DP_MN的数据包包头head^MN，包头head^MN中包含有数据包类型type、数据包属性pro、数据包源节点地址src、数据包目的节点地址dest、数据包大小size、数据包的生产时刻

所述机载WDM网络正常通信数据包DP_CM和机载WDM网络管理通信数据包DP_MN是依据设定的数据包发送时间间隔T_间隔进行发送的。

网络管理模块(3)

在本发明中，网络管理模块(3)中的路由与波长分配产生单元(31)通过读取所有机载WDM网络正常通信数据包DP_CM和机载WDM网络管理通信数据包DP_MN的数据包包头，进行路由与波长分配计算，并生成路由与波长分配表r_table，然后将路由与波长分配表r_table发送到控制单元(33)。

路由与波长分配表r_table的表单格式为：

消息

节点地址

目的地址

波长频段

下一跳地址

时刻调度单元(32)产生同步时间码Time_code和时刻调度表t_table，然后将同步时间码Time_code和时刻调度表t_table发送到控制单元(33)。

时刻调度表t_table的表单格式为：

调度基本周期

节点地址

TT消息发送时刻

数据包控制单元(33)将路由与波长分配表r_table向全网络进行广播，以控制机载WDM网络正常通信数据包DP_CM和机载WDM网络管理通信数据包DP_MN的转发路径；并将同步时间码Time_code和时刻调度表t_table向机载WDM网络中进行广播，以控制整个网络的时间同步。

如图3所示是网络管理模块(3)的网络管理模型，子网功能分区中的各个元件通过分区数据通信网来进行子网内部机载WDM网络管理通信数据包DP_MN的传输，而每个分区数据通信网由分区管理系统进行网络管理，分区管理系统为该分区内部的光网络路由器模块(2)提供路由与波长分配表r_table，并为其中的终端应用节点模块(1)提供时刻调度表t_table。不同的分区管理系统间又通过骨干数据通信网来进行子网间机载WDM网络管理通信数据包DP_MN的传输，骨干数据通信网由网络管理系统进行网络管理，网络管理系统为整个网络提供同步时间码Time_code。在这里，需要明确的是，分区数据通信网和骨干数据通信网在物理上与机载WDM通信网是重叠的，仅在逻辑意义上加以区分。

终端应用节点模块(1)：

在本发明的仿真过程中，终端应用节点模块(1)在作为源节点或者目的节点时其中不同单元发挥作用。

当终端应用节点模块(1)作为源节点时，终端应用节点模块(1)依据其接收到的同步时间码Time_code来保证在仿真过程中，终端应用节点模块(1)在发送机载WDM网络正常通信数据包DP_CM和机载WDM网络管理通信数据包DP_MN时与全网时间同步。终端节点发送单元(11)一方面依据消息配置产生机载WDM网络正常通信数据包DP_CM，并将数据包产生时刻封装进数据包的包头head^CM，然后向目的节点发送所述DP_CM；终端节点发送单元(11)另一方面依据消息配置产生机载WDM网络管理通信数据包DP_MN，并将数据包产生时刻封装进数据包的包头head^MN，然后向目的节点发送所述DP_MN。

终端应用节点模块(1)在发送机载WDM网络正常通信数据包DP_CM和机载WDM网络管理通信数据包DP_MN时严格遵守时间触发机制。对于TT消息严格按照时刻调度表t_table进行发送；对于RC消息，将它放在本时间窗口内空闲的发送时刻进行发送；对于BE消息，将它放在本时间窗口内无TT消息和RC消息的空闲发送时刻进行发送。

当终端应用节点模块(1)作为目的节点时，终端应用节点模块(1)一方面通过终端节点接收单元(12)来接收机载WDM网络正常通信数据包DP_CM，并记录所述DP_CM的接收时刻从而计算所述DP_CM的传输延时，即终端应用节点模块(1)另一方面通过终端节点接收单元(12)来接收机载WDM网络管理通信数据包DP_MN，并记录所述DP_MN的接收时刻从而计算所述DP_MN的传输延时，即

终端应用节点模块(1)对接收到的机载WDM网络正常通信数据包DP_CM和机载WDM网络管理通信数据包DP_MN，先提取各自的包头head中的信息，然后判断数据包来源与类型。

若收到的数据包同时满足来自目的节点所处的子网内部且为TT类型时，按照时刻调度表t_table进行TT消息的处理。

若收到的数据包不同时满足来自目的节点所处的子网内部且为TT类型时，则直接进行处理。

因此，终端应用节点模块(1)在接收机载WDM网络正常通信数据包DP_CM和机载WDM网络管理通信数据包DP_MN时，部分遵守时间触发机制。

光网络路由器模块(2)：

光网络路由器转发单元(21)提取机载WDM网络正常通信数据包DP_CM和机载WDM网络管理通信数据包DP_MN的包头head中的信息，判断数据包来源与类型，并依据收到的路由与波长分配表r_table为收到的所述DP_CM和所述DP_MN选择转发端口。转发方式有下面四种情况：

第一种，若收到的数据包满足源节点与目的节点均属于本路由器所在属子网时且消息类型为TT时，严格按照时刻调度表t_table进行发送；

第二种，若收到的数据包满足源节点与目的节点均属于本路由器所在属子网时且消息类型为RC时，将它放在本时间窗口内空闲的发送时刻进行发送；

第三种，若收到的数据包满足源节点与目的节点均属于本路由器所在属子网时且消息类型为BE时，将它放在本时间窗口内无TT消息和RC消息的空闲发送时刻进行发送；

第四种，若收到的数据包不满足前面三个条件，则按照事件触发的方式进行发送。

数据包缓存单元(22)用于对机载WDM网络正常通信数据包DP_CM和机载WDM网络管理通信数据包DP_MN进行临时保存。

参见图4所示，在本发明中，包含时间触发子网的航空电子WDM网络管理流量仿真流程为：

步骤一：基于机载网络需求将终端应用节点模块(1)、光网络路由器模块(2)和网络管理模块(3)构建一个机载WDM网络；设置已经构建的机载WDM网络波长通道数；

根据机载WDM网络常见结构，选取8个终端应用节点，4个光网络路由器与网络管理模块构建机载WDM网络。终端应用节点记为符号ES、光网络路由器记为符号OP、网络管理模块记为符号MN。

步骤二：配置机载WDM网络正常通信数据包DP_CM和机载WDM网络管理通信数据包DP_MN；

设置所述DP_CM和所述DP_MN各自的数据包类型type(TT、RC、BE)，数据包属性pro(正常通信数据包、网络管理通信数据包)，数据包的时刻间隔T_间隔，数据包的大小size，数据包的源节点地址src和目的节点地址dest。依照航空电子的惯例，网络管理数据包的优先级不应高于正常通信数据包的优先级，因此将正常通信数据包设置为TT和RC类型，将网络管理通信数据包设置为RC和BE类型

步骤三、配置初始同步时间码Time_code；

同步时间码Time_code在机载WDM网络中进行广播，以控制全网的时间同步。

步骤四、仿真运行；

仿真开始后，网络管理模块(3)依据数据包配置计算路由与波长分配表r_table，并广播到各个光网络路由器；网络管理模块(3)也依据数据包配置计算时刻调度表t_table，并将时刻调度表t_table广播到全网各个模块。

作为源节点的终端应用节点模块(1)依据消息配置、时刻调度表t_table生成并发送机载WDM网络正常通信数据包DP_CM和机载WDM网络管理通信数据包DP_MN。

光网络路由器模块(2)依据消息配置、路由与波长分配表r_table、时刻调度表t_table按照规则对数据包进行转发，并对存在光-电-光转换的数据包增加延时。

作为目的节点的终端应用节点模块(1)依据消息配置、时刻调度表t_table接收并处理数据包，计算数据包传输时延。

步骤五、通过仿真时间、数据包传输时延、数据包个数得到仿真结果。

实施例1

如图2中，是一种支持子网时间触发通信的航空电子WDM网络管理仿真系统中的基本网络结构。此网络由终端应用节点ES₁₁、ES₁₂、ES₂₁、ES₂₂、ES₃₁、ES₃₂、ES₄₁、ES₄₂和光网络路由器OP₁、OP₂、OP₃、OP₄组成。其中光网络路由器OP₁与直接连接在它上面的终端应用节点ES₁₁和ES₁₂组成一个子网功能分区SEC1；光网络路由器OP₂与直接连接在它上面的终端应用节点ES₂₁和ES₂₂组成一个子网功能分区SEC2；光网络路由器OP₃与直接连接在它上面的终端应用节点ES₃₁和ES₃₂组成一个子网功能分区SEC3；光网络路由器OP₄与直接连接在它上面的终端应用节点ES₄₁和ES₄₂组成一个子网功能分区SEC4。每个子网功能分区负责机载网络中不同的作业功能。

光网络路由器的处理速率均为1Gbit/s，端系统的处理速率均为128kbit/s。

表1消息配置：

源地址

目的地址

消息长度

消息类型

周期/ms

消息属性

消息1

ES11

ES21

64

TT

1

正常通信

消息2

ES12

ES11

64

TT

1

正常通信

消息3

ES12

ES21

64

RC

1

正常通信

消息4

ES12

ES22

64

TT

1

正常通信

消息5

ES11

ES31

64

RC

1

正常通信

消息6

ES11

ES32

64

TT

1

正常通信

消息8

ES12

ES32

64

TT

1

正常通信

消息9

ES21

ES31

64

RC

1

网络管理

消息10

ES31

ES32

64

TT

1

网络管理

消息11

ES32

ES42

64

BE

1

网络管理

由表1中可见消息2与消息10同时满足来自目的节点所处的子网内部且为TT类型时，按照时刻调度表t_table进行TT消息的处理。因此消息2与消息10按照严格时间触发机制传输。由图5可知由于时间触发机制，消息2与消息10完全按照时刻调度表进行传输和转发，因此它的延迟基本确定。由图6可知其余非严格时间触发的消息，在消息2与消息10的发送空闲时刻传输，它们的延迟有明显抖动。

Claims (8)

1.一种支持子网时间触发通信的航空电子WDM网络管理仿真系统，其特征在于：该仿真系统包括终端应用节点模块(1)、光网络路由器模块(2)和网络管理模块(3)；

终端应用节点模块(1)包括有终端节点发送单元(11)、终端节点接收单元(12)；

终端应用节点模块(1)作为源节点时，终端应用节点模块(1)通过终端节点发送单元(11)发送机载WDM网络正常通信数据包和机载WDM网络管理通信数据包。

终端应用节点模块(1)作为目的节点时，终端应用节点模块(1)通过终端节点接收单元(12)接收机载WDM网络正常通信数据包和机载WDM网络管理通信数据包。

光网络路由器模块(2)包括有光网络路由器转发单元(21)、数据包缓存单元(22)；光网络路由器转发单元(21)用于完成对机载WDM网络正常通信数据包和机载WDM网络管理通信数据包的转发。数据包缓存单元(22)用于临时对机载WDM网络正常通信数据包和机载WDM网络管理通信数据包进行保存。

网络管理模块(3)包括有路由与波长分配产生单元(31)、时刻调度单元(32)、数据包控制单元(33)。

路由与波长分配产生单元(31)用于计算网络路由表与波长分配表。

时刻调度单元(32)计算时间窗、生成时刻调度表。

数据包控制单元(33)按照路由表、波长分配表与时刻调度表对机载WDM网络正常通信数据包和机载WDM网络管理通信数据包进行控制。

所述的仿真系统中，机载WDM通信子网内采用时间触发通信方式。

所述的仿真系统中，机载WDM通信骨干网属于事件触发通信机制。

子网间机载WDM网络正常通信数据包和机载WDM网络管理通信数据包传送时，子网间消息的接受属于事件触发的方式。

所述的航空电子WDM网络采用分布式网络管理，各个节点均参与管理消息数据包的传送过程。

2.根据权利要求1所述的一种支持子网时间触发通信的航空电子WDM网络管理仿真系统，其特征在于：在仿真前，需对机载WDM网络正常通信数据包DP_CM进行消息配置，设计机载WDM网络正常通信数据包DP_CM的数据包包头head^CM，包头head^CM中包含有数据包类型type、数据包属性pro、数据包源节点地址src、数据包目的节点地址dest、数据包大小size、数据包的生产时刻

3.根据权利要求1所述的一种支持子网时间触发通信的航空电子WDM网络管理仿真系统，其特征在于：在仿真前，需对机载WDM网络管理通信数据包DP_MN进行消息配置，设计机载WDM网络管理通信数据包DP_MN的数据包包头head^MN，包头head^MN中包含有数据包类型type、数据包属性pro、数据包源节点地址src、数据包目的节点地址dest、数据包大小size、数据包的生产时刻

4.根据权利要求1所述的一种支持子网时间触发通信的航空电子WDM网络管理仿真系统，其特征在于：路由与波长分配表r_table的表单格式为：

消息 节点地址 目的地址 波长频段 下一跳地址

5.根据权利要求1所述的一种支持子网时间触发通信的航空电子WDM网络管理仿真系统，其特征在于：时刻调度表t_table的表单格式为：

调度基本周期 节点地址 TT消息发送时刻

6.根据权利要求1所述的一种支持子网时间触发通信的航空电子WDM网络管理仿真系统，其特征在于：当终端应用节点模块(1)作为目的节点时，终端应用节点模块(1)一方面通过终端节点接收单元(12)来接收机载WDM网络正常通信数据包DP_CM，并记录所述DP_CM的接收时刻从而计算所述DP_CM的传输延时，即终端应用节点模块(1)另一方面通过终端节点接收单元(12)来接收机载WDM网络管理通信数据包DP_MN，并记录所述DP_MN的接收时刻从而计算所述DP_MN的传输延时，即

7.根据权利要求1所述的一种支持子网时间触发通信的航空电子WDM网络管理仿真系统，其特征在于：光网络路由器转发单元(21)提取机载WDM网络正常通信数据包DP_CM和机载WDM网络管理通信数据包DP_MN的包头head中的信息，判断数据包来源与类型，并依据收到的路由与波长分配表r_table为收到的所述DP_CM和所述DP_MN选择转发端口；转发方式有下面四种情况：

第一种，若收到的数据包满足源节点与目的节点均属于本路由器所在属子网时且消息类型为TT时，严格按照时刻调度表t_table进行发送；

第二种，若收到的数据包满足源节点与目的节点均属于本路由器所在属子网时且消息类型为RC时，将它放在本时间窗口内空闲的发送时刻进行发送；

第三种，若收到的数据包满足源节点与目的节点均属于本路由器所在属子网时且消息类型为BE时，将它放在本时间窗口内无TT消息和RC消息的空闲发送时刻进行发送；

第四种，若收到的数据包不满足前面三个条件，则按照事件触发的方式进行进行发送。

8.根据权利要求1所述的一种支持子网时间触发通信的航空电子WDM网络管理仿真系统，其特征在于：仿真系统通过仿真时间、数据包传输时延、数据包个数得到仿真结果。