摘要：為滿足船舶綜合平臺管理系統(tǒng)對通信網(wǎng)絡(luò)的要求，研究了提高綜合平臺網(wǎng)絡(luò)可靠性的幾種方法.在工業(yè)以太網(wǎng)平臺上，采用虛擬局域網(wǎng)、IP組播以及服務(wù)質(zhì)量控制等技術(shù)來提高網(wǎng)絡(luò)性能及可靠性，為船舶綜合平臺管理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計提供參考.
關(guān)鍵詞：船舶；綜合平臺管理系統(tǒng)(IPMS)；通信網(wǎng)絡(luò)；可靠性
中圖分類號：U665.261 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
Reliability of ship integrated platform management system network
JIANG Li-jun，WANG Guang-rong，ZHAO Yong-sheng
（1.Representative Office of Armament Department of the PLA Navy in Dalian，Dalian 116001，China；2.Armament Department of the PLA Navy，Beijing 100841，China；3.Information Science and Technology College，
Dalian Maritime University，Dalian 116026，China)
Abstract: Some methods for improving network reliability of ship integrated management system were studied to meet the requirements of ship integrated management system for communication network. Based on the industrial Ethernet platform，technologies such as virtual local network，IP multicast and quality of service(QoS)，etc，were used to improve network performance and reliability，which can give reference to ship integrated management system design.
Key words: ship; integrated platform management system (IPMS); communication network; reliability
0 引 言
現(xiàn)代船舶正向網(wǎng)絡(luò)化、信息化、智能化方向發(fā)展，通過計算機網(wǎng)絡(luò)，將導(dǎo)航、駕駛、動力電力監(jiān)控、損管等系統(tǒng)集成，形成有機整體，實現(xiàn)船舶各分系統(tǒng)的統(tǒng)一監(jiān)控管理和信息共享，構(gòu)成船舶綜合平臺管理系統(tǒng)(Integrated Platform Management System，IPMS).船舶各子系統(tǒng)均由各自的網(wǎng)絡(luò)接口連接到平臺網(wǎng)絡(luò)，平臺系統(tǒng)配備標(biāo)準(zhǔn)化的操作站或顯控臺，分布安裝在全船的適當(dāng)位置，在任何一臺操作站上均可以對全船設(shè)備進(jìn)行集中管理、監(jiān)視和控制.IPMS實現(xiàn)了船舶可靠、高效、統(tǒng)一的管理和控制，已成為未來船舶監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展方向[1-4].
實現(xiàn)船舶綜合平臺管理系統(tǒng)的關(guān)鍵是穩(wěn)定、高速、可靠的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng).本文就提高船舶綜合平臺網(wǎng)絡(luò)可靠性的幾種技術(shù)進(jìn)行研究和探討，旨在為船舶綜合平臺網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計提供參考.
1 船舶綜合平臺管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
船舶綜合平臺管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通常分為兩層.系統(tǒng)底層是由各分系統(tǒng)的監(jiān)控單元構(gòu)成的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，這些網(wǎng)絡(luò)通常采用現(xiàn)場總線如CAN總線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)，包括分布于機艙的主推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)、輔機監(jiān)控系統(tǒng)、電站監(jiān)控系統(tǒng)、損管監(jiān)控系統(tǒng)、火災(zāi)報警系統(tǒng)等以及駕駛臺上的導(dǎo)航系統(tǒng)、綜合船橋系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集和監(jiān)視全船設(shè)備的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)傳送給頂層管理系統(tǒng)，同時接受和執(zhí)行頂層管理系統(tǒng)的控制命令，實現(xiàn)設(shè)備控制.另外，視頻監(jiān)控、語音通信以及多媒體服務(wù)系統(tǒng)也可納入平臺網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成一體化信息網(wǎng)絡(luò)平臺.系統(tǒng)頂層為綜合平臺管理網(wǎng)絡(luò)，主要由標(biāo)準(zhǔn)化操作站(顯控臺)、服務(wù)器等構(gòu)成，各分系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通過網(wǎng)關(guān)與頂層管理網(wǎng)絡(luò)相連，從而實現(xiàn)了各系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)共享.通過標(biāo)準(zhǔn)化操作站，工作人員可以在船上任何位置對船舶設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視或控制.船舶綜合平臺管理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示.
2 船舶綜合平臺網(wǎng)絡(luò)的可靠性設(shè)計
2.1 綜合平臺網(wǎng)絡(luò)方案
綜合平臺主干網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成包括ATM、SDH、以太網(wǎng)等幾種.ATM、SDH主要用于移動通信等大型城域網(wǎng)，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，在船舶上應(yīng)用時存在技術(shù)支持和維護(hù)困難等方面的問題.近年來，以太網(wǎng)的技術(shù)發(fā)展迅速，1 GHz以太網(wǎng)已經(jīng)普及，10 GHz以太網(wǎng)的應(yīng)用越來越多，其性能不斷提高，技術(shù)不斷成熟，以太網(wǎng)正逐步取代其他幾種網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用于從辦公自動化到大型城域網(wǎng)的各個領(lǐng)域，也成為船舶綜合平臺網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的首選方案.
2.2 應(yīng)用工業(yè)以太網(wǎng)保證平臺網(wǎng)絡(luò)的可靠性
工業(yè)以太網(wǎng)是在商業(yè)以太網(wǎng)(IEEE802.3)的基礎(chǔ)上，針對工業(yè)領(lǐng)域?qū)煽啃院蛯崟r性的要求加以改進(jìn)而形成的.工業(yè)以太網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)可靠性、抗惡劣環(huán)境能力、信息傳輸?shù)膶崟r性與確定性等方面較普通商用以太網(wǎng)有了很大改進(jìn).工業(yè)以太網(wǎng)使用滿足IP65防護(hù)等級的網(wǎng)絡(luò)接頭，交換機具有－45°C～75°C的寬工作溫度范圍，具備雙冗余電源供電，具有抗振、耐腐蝕等抗惡劣環(huán)境能力，同時，工業(yè)以太網(wǎng)交換機還提供諸如虛擬局域網(wǎng)、組播、服務(wù)質(zhì)量控制等必需的技術(shù)以滿足工業(yè)及船舶環(huán)境對網(wǎng)絡(luò)可靠性和實時性的要求.
工業(yè)以太網(wǎng)與商用以太網(wǎng)完全兼容，其設(shè)計和維護(hù)簡單方便.船舶綜合平臺管理系統(tǒng)的主干網(wǎng)絡(luò)采用工業(yè)以太網(wǎng)，可以保證系統(tǒng)具有高的可靠性.
2.3 采用冗余措施進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)可靠性
以太網(wǎng)可以采用多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如總線形、星形和環(huán)形結(jié)構(gòu).辦公及商業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中一般采用星形結(jié)構(gòu)，當(dāng)需要冗余時采用雙星形結(jié)構(gòu)，利用生成樹或快速生成樹協(xié)議實現(xiàn)冗余鏈路管理和切換.該種冗余方案在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時需要較長的恢復(fù)時間，約為1～2 s，無法滿足船舶監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的需要.
采用光纖環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以提供較星形網(wǎng)絡(luò)更高的可靠性.環(huán)形結(jié)構(gòu)本身就具有鏈路冗余功能，并且采用光纖作為傳輸介質(zhì)，傳輸速率高，不受電磁干擾的影響，圖2為采用光纖構(gòu)成的單環(huán)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖.
一般情況下，采用以太網(wǎng)構(gòu)成環(huán)路時，在網(wǎng)絡(luò)上一個節(jié)點發(fā)送的信息將通過環(huán)路傳回到該節(jié)點，并由該節(jié)點沿環(huán)路再次傳播，這種信息循環(huán)極易形成廣播風(fēng)暴，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓，因此環(huán)形網(wǎng)絡(luò)需要具有環(huán)網(wǎng)協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)交換機的支持.環(huán)網(wǎng)協(xié)議可以有效防止廣播風(fēng)暴的產(chǎn)生，同時為以太網(wǎng)提供鏈路冗余的功能.
在環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中，有一臺交換機被設(shè)定為環(huán)網(wǎng)管理者，實時監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)的工作狀態(tài).在網(wǎng)絡(luò)正常時，管理者將自身與環(huán)網(wǎng)連接的一個端口設(shè)置成工作狀態(tài)，可以正常地發(fā)送和接受信息而另一個端口則設(shè)置成阻塞狀態(tài)，不對收到信息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，通過該端口與環(huán)網(wǎng)連接的鏈路作為備用鏈路.工作時，交換機會通過這兩個端口發(fā)送網(wǎng)絡(luò)診斷數(shù)據(jù)包，如該包能夠被另一個端口收到，則環(huán)網(wǎng)為正常，否則預(yù)示環(huán)網(wǎng)出現(xiàn)故障.管理者可以根據(jù)該信息判斷出故障節(jié)點位置，使阻塞的端口恢復(fù)為工作狀態(tài)，以啟用備用鏈路恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸，使網(wǎng)絡(luò)保持暢通，這時網(wǎng)絡(luò)實際上轉(zhuǎn)變成了總線結(jié)構(gòu).根據(jù)不同廠家環(huán)網(wǎng)協(xié)議實現(xiàn)方式的不同，這一恢復(fù)時間在10～300 ms.這種單環(huán)網(wǎng)絡(luò)可以在網(wǎng)絡(luò)存在單點故障時保持網(wǎng)絡(luò)正常工作.
為進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)可靠性，可以采用雙環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，每個節(jié)點配置兩臺工業(yè)以太網(wǎng)交換機，構(gòu)成相同的兩個環(huán)形網(wǎng)絡(luò).船舶監(jiān)控系統(tǒng)的重要設(shè)備均配置雙網(wǎng)卡，分別連接到兩個環(huán)網(wǎng)交換機上，對船舶運行無影響的一般設(shè)備可僅接入環(huán)網(wǎng)中的一個.具有雙光纖環(huán)形冗余環(huán)網(wǎng)絡(luò)的船舶綜合平臺管理系統(tǒng)如圖3所示.雙環(huán)網(wǎng)絡(luò)在其中一個環(huán)路出現(xiàn)1個故障點，另一個環(huán)路出現(xiàn)任意多的故障點時，網(wǎng)絡(luò)可以正常工作，因此具有極高的可靠性.
3 應(yīng)用虛擬局域網(wǎng)(VLAN)技術(shù)實現(xiàn)信息隔離
船舶綜合平臺管理系統(tǒng)集成了船舶的多種應(yīng)用子系統(tǒng)，這些子系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集全船上萬個監(jiān)測點的數(shù)據(jù)，并周期性地向網(wǎng)絡(luò)傳輸.同時，平臺網(wǎng)絡(luò)還可承載視頻、語音等多媒體信息.如果不加以限制，由于以太網(wǎng)廣播式的傳輸特性，任何子系統(tǒng)向網(wǎng)上發(fā)送的數(shù)據(jù)將傳送到每一個終端，極易使網(wǎng)絡(luò)超載，從而造成通信阻塞，并且，由于各系統(tǒng)共享一個網(wǎng)絡(luò)，在任何終端上都可獲取網(wǎng)絡(luò)中的所有系統(tǒng)的信息，其安全性也不能得到保證.虛擬局域網(wǎng)技術(shù)是實現(xiàn)信息分離，降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，實現(xiàn)信息安全可靠傳播的一種有效途徑.
VLAN技術(shù)可以將網(wǎng)絡(luò)中工作性質(zhì)相關(guān)但處于不同物理位置的設(shè)備組織在一起，劃分成一個邏輯網(wǎng)段，稱為一個VLAN，每個VLAN構(gòu)成一個獨立的廣播域.在一個VLAN內(nèi)部主機發(fā)送的廣播信息被限制在VLAN內(nèi)傳播，不會影響該VLAN外的其他主機.即使兩臺主機位于同一交換機上的不同端口，如果不屬于同一個VLAN，則其中一臺發(fā)送的廣播數(shù)據(jù)不會傳輸?shù)搅硪慌_主機上，減少了網(wǎng)絡(luò)廣播數(shù)據(jù)流及阻塞的可能，提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性.不同VLAN間的主機交換信息需要通過路由器或者三層交換機.
虛擬局域網(wǎng)的劃分形式有3種：
(1)基于端口劃分VLAN
直接設(shè)置交換機的端口使其直接從屬于某個虛擬網(wǎng)，這些端口一直保持這些從屬性，除非重新設(shè)置.該劃分又稱為靜態(tài)虛擬網(wǎng)的劃分.其優(yōu)點是定義VLAN成員時非常簡單，只需將所有端口定義一次即可.其缺點是如果用戶離開原來端口，就必須重新定義.
(2)基于MAC地址劃分VLAN
根據(jù)每個主機的MAC地址來劃分，即對每個MAC地址的主機均配置其所屬.當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點連接入網(wǎng)時，交換機通過讀取網(wǎng)絡(luò)節(jié)點MAC地址動態(tài)地將該端口劃入某個虛擬網(wǎng).該劃分方法的優(yōu)點是當(dāng)用戶物理位置移動時，即從一個交換機換到其他交換機時，VLAN不用重新配置.
(3)基于網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議劃分VLAN
VLAN按網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議來劃分可分為IP、IPX、DECnet、AppleTalk、Banyan等VLAN網(wǎng)絡(luò).該種方法的優(yōu)點是當(dāng)用戶的物理位置改變時，不需要重新配置所屬VLAN，而且可以根據(jù)協(xié)議類型來劃分VLAN，這對網(wǎng)絡(luò)管理者來說很重要.另外，該種方法不需要附加幀標(biāo)簽來識別VLAN，可以減少網(wǎng)絡(luò)通信量.該方法的缺點是效率較低.
船舶網(wǎng)絡(luò)中主機的安裝地點是不變的，因此一般按第一種方法，即基于交換機端口劃分的方法.
4 應(yīng)用組播技術(shù)降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷
采用虛擬網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以將廣播數(shù)據(jù)流限制在不同廣播域之內(nèi)，從而減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，提高可靠性和實時性.VLAN在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時已規(guī)劃好，修改VLAN配置時，需要對交換機重新設(shè)置，運行時不能改變.船舶綜合監(jiān)控系統(tǒng)中，多臺操作站分布于全船，不同操作站負(fù)責(zé)不同設(shè)備的監(jiān)控，每臺操作站上所需要的數(shù)據(jù)也有所差別，因此將所有數(shù)據(jù)發(fā)送到所有操作站顯然會浪費網(wǎng)絡(luò)帶寬.如果只發(fā)送操作站需要的信息，將使網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷大幅度降低，從而提高網(wǎng)絡(luò)的可用性，尤其對于視頻及多媒體，該技術(shù)可以大幅度降低網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量.
4.1 數(shù)據(jù)傳輸方式
實時通信系統(tǒng)軟件中對實時數(shù)據(jù)的傳輸一般選擇TCP/IP協(xié)議族中的UDP協(xié)議，UDP支持3種數(shù)據(jù)通信方式，即單播、多播(組播)和廣播.
單播是點對點的單一目的數(shù)據(jù)包傳遞.當(dāng)網(wǎng)上多臺設(shè)備需要同一組數(shù)據(jù)時，需要給每臺設(shè)備發(fā)送一次，因此會使網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷大幅度增加.
廣播是同時給同一子網(wǎng)的所有主機發(fā)送數(shù)據(jù)包，因此用廣播發(fā)送的數(shù)據(jù)將傳送給廣播域中的所有主機.船舶綜合監(jiān)控系統(tǒng)中，每個監(jiān)控子系統(tǒng)都以廣播方式發(fā)送數(shù)據(jù)易引起網(wǎng)絡(luò)擁塞.組播允許同時給處在不同子網(wǎng)中的不同目的地址的主機發(fā)送相同的數(shù)據(jù)包，一次發(fā)送，多點傳輸，只給需要數(shù)據(jù)者發(fā)送數(shù)據(jù)，而且只需發(fā)送一次，從而節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)帶寬.
要實現(xiàn)組播，首先應(yīng)在網(wǎng)絡(luò)中建立組播組，等待需要接收組播數(shù)據(jù)的終端發(fā)出加入組的申請，成功加入該組播組后就可收到組內(nèi)主機發(fā)送的組播數(shù)據(jù).當(dāng)不再需要接收數(shù)據(jù)時，可向組播組發(fā)送退出申請，則該主機斷開與組的連接，組播數(shù)據(jù)不會再發(fā)送給該主機.終端設(shè)備可以動態(tài)加入和退出組播組，該特性恰好符合船舶綜合監(jiān)控系統(tǒng)的需求.
在以太網(wǎng)上實現(xiàn)組播需要網(wǎng)上所有交換機、路由器以及主機網(wǎng)卡支持組播功能，同時通過應(yīng)用軟件對組播組的動態(tài)加入和退出進(jìn)行管理支持.交換機需要支持組管理協(xié)議用于主機創(chuàng)建、加入和退出組，典型的組管理協(xié)議如Internet組管理協(xié)議IGMP Snooping.船舶綜合監(jiān)控系統(tǒng)需要選擇支持組播的工業(yè)以太網(wǎng)交換機.
4.2 組播地址
組播IP地址用于標(biāo)志一個IP組播組，IANA把D類地址空間分配給IP組播，其范圍從224.0.0.0到239.255.255.255.D類地址的最高4位固定為“1110”，余下的28位稱為“組播組ID”，也稱為組地址(GDA)，其中某些組播地址是專用的.從224.0.0.1到224.0.0.255組播地址塊被用于路由協(xié)議以及某些低層拓?fù)鋮f(xié)議.從239.0.0.0到239.255.255.255的地址被用于本地可管理域.
5 采用QoS技術(shù)保證關(guān)鍵數(shù)據(jù)的可靠傳輸
服務(wù)質(zhì)量(QoS)是網(wǎng)絡(luò)的一種安全機制，用來解決網(wǎng)絡(luò)延遲和阻塞等問題，其目的是向用戶提供端到端的服務(wù)質(zhì)量保證.在工業(yè)以太網(wǎng)中采用QoS技術(shù)，可以為控制數(shù)據(jù)的實時通信提供一種保障機制.當(dāng)網(wǎng)絡(luò)過載或擁塞時，QoS能確保重要控制數(shù)據(jù)傳輸不受延遲或丟棄，同時保證網(wǎng)絡(luò)的高效運行，滿足對管理信息層直接訪問現(xiàn)場設(shè)備能力需求.在交換機同時接收到多種數(shù)據(jù)包時，控制類等關(guān)鍵數(shù)據(jù)較其他數(shù)據(jù)類型獲得優(yōu)先服務(wù)，保證了關(guān)鍵數(shù)據(jù)的實時性.具有QoS的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)包含3個過程：
(1)分類
具有QoS的網(wǎng)絡(luò)能夠識別哪種應(yīng)用產(chǎn)生哪種數(shù)據(jù)包.網(wǎng)絡(luò)需根據(jù)數(shù)據(jù)包分類決定是否進(jìn)行特殊的處理.常見的分類方法為TCP和UDP端口號碼、源IP地址、物理端口號碼.
(2)標(biāo)注化
識別分組應(yīng)用后就必須對其分組進(jìn)行標(biāo)記處理，確保網(wǎng)絡(luò)上的交換機可以對該應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)先級處理.通過采納對數(shù)據(jù)標(biāo)注的兩種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)之一IEEE802.1P或(DSCP)，可以確保網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能夠?qū)υ摌I(yè)務(wù)進(jìn)行優(yōu)先級處理.應(yīng)確保選擇的交換機支持所使用的協(xié)議.
(3)優(yōu)先級處理
在LAN交換機中，多種業(yè)務(wù)隊列允許分組優(yōu)先級存在.較高優(yōu)先級的業(yè)務(wù)可以在不受較低優(yōu)先級業(yè)務(wù)的影響下通過交換機，減少對控制實時數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)的延遲事故.較高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)總能在無任何延遲的情況下超越所有其他業(yè)務(wù).
船舶監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用軟件設(shè)計中，應(yīng)對不同類型的數(shù)據(jù)包給予不同的類別定義，規(guī)劃不同優(yōu)先級的端口號，以保證關(guān)鍵數(shù)據(jù)得到及時處理.
6 結(jié) 語
本文討論了幾種保證船舶綜合平臺管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)可靠性的方法和技術(shù).充分利用這些技術(shù)，可以保證所設(shè)計網(wǎng)絡(luò)具有較高的可靠性，滿足船舶環(huán)境對通信系統(tǒng)的要求.
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作者：江立軍，王光榮，趙永生 來源：大連海事大學(xué)學(xué)報
