摘要：為滿(mǎn)足船舶綜合平臺管理系統對通信網(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(lái)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 )系統的設計提供參考.
關(guān)鍵詞：船舶；綜合平臺管理系統(IPMS)；通信網(wǎng)絡(luò )；可靠性
中圖分類(lèi)號：U665.261 文獻標志碼：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
現代船舶正向網(wǎng)絡(luò )化、信息化、智能化方向發(fā)展，通過(guò)計算機網(wǎng)絡(luò )，將導航、駕駛、動(dòng)力電力監控、損管等系統集成，形成有機整體，實(shí)現船舶各分系統的統一監控管理和信息共享，構成船舶綜合平臺管理系統(Integrated Platform Management System，IPMS).船舶各子系統均由各自的網(wǎng)絡(luò )接口連接到平臺網(wǎng)絡(luò )，平臺系統配備標準化的操作站或顯控臺，分布安裝在全船的適當位置，在任何一臺操作站上均可以對全船設備進(jìn)行集中管理、監視和控制.IPMS實(shí)現了船舶可靠、高效、統一的管理和控制，已成為未來(lái)船舶監控系統的發(fā)展方向[1-4].
實(shí)現船舶綜合平臺管理系統的關(guān)鍵是穩定、高速、可靠的網(wǎng)絡(luò )系統.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 )的設計提供參考.
1 船舶綜合平臺管理系統結構
船舶綜合平臺管理系統網(wǎng)絡(luò )通常分為兩層.系統底層是由各分系統的監控單元構成的監控網(wǎng)絡(luò )，這些網(wǎng)絡(luò )通常采用現場(chǎng)總線(xiàn)如CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )實(shí)現，包括分布于機艙的主推進(jìn)監控系統、輔機監控系統、電站監控系統、損管監控系統、火災報警系統等以及駕駛臺上的導航系統、綜合船橋系統等，這些系統負責采集和監視全船設備的運行狀態(tài)數據，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳送給頂層管理系統，同時(shí)接受和執行頂層管理系統的控制命令，實(shí)現設備控制.另外，視頻監控、語(yǔ)音通信以及多媒體服務(wù)系統也可納入平臺網(wǎng)絡(luò )構成一體化信息網(wǎng)絡(luò )平臺.系統頂層為綜合平臺管理網(wǎng)絡(luò )，主要由標準化操作站(顯控臺)、服務(wù)器等構成，各分系統網(wǎng)絡(luò )通過(guò)網(wǎng)關(guān)與頂層管理網(wǎng)絡(luò )相連，從而實(shí)現了各系統間的數據傳輸與數據共享.通過(guò)標準化操作站，工作人員可以在船上任何位置對船舶設備狀態(tài)進(jìn)行監視或控制.船舶綜合平臺管理網(wǎng)絡(luò )系統構成如圖1所示.
2 船舶綜合平臺網(wǎng)絡(luò )的可靠性設計
2.1 綜合平臺網(wǎng)絡(luò )方案
綜合平臺主干網(wǎng)絡(luò )的構成包括ATM、SDH、以太網(wǎng)等幾種.ATM、SDH主要用于移動(dòng)通信等大型城域網(wǎng)，其結構復雜、成本高，在船舶上應用時(shí)存在技術(shù)支持和維護困難等方面的問(wèn)題.近年來(lái)，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)的應用越來(lái)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 )，應用于從辦公自動(dòng)化到大型城域網(wǎng)的各個(gè)領(lǐng)域，也成為船舶綜合平臺網(wǎng)絡(luò )系統的首選方案.
2.2 應用工業(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)的基礎上，針對工業(yè)領(lǐng)域對可靠性和實(shí)時(shí)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、信息傳輸的實(shí)時(shí)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(mǎn)足IP65防護等級的網(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(shí)，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(mǎn)足工業(yè)及船舶環(huán)境對網(wǎng)絡(luò )可靠性和實(shí)時(shí)性的要求.
工業(yè)以太網(wǎng)與商用以太網(wǎng)完全兼容，其設計和維護簡(jiǎn)單方便.船舶綜合平臺管理系統的主干網(wǎng)絡(luò )采用工業(yè)以太網(wǎng)，可以保證系統具有高的可靠性.
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)可以采用多種拓撲結構，如總線(xiàn)形、星形和環(huán)形結構.辦公及商業(yè)網(wǎng)絡(luò )系統中一般采用星形結構，當需要冗余時(shí)采用雙星形結構，利用生成樹(shù)或快速生成樹(shù)協(xié)議實(shí)現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(shí)需要較長(cháng)的恢復時(shí)間，約為1～2 s，無(wú)法滿(mǎn)足船舶監控網(wǎng)絡(luò )的需要.
采用光纖環(huán)形網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，可以提供較星形網(wǎng)絡(luò )更高的可靠性.環(huán)形結構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為采用光纖構成的單環(huán)網(wǎng)絡(luò )結構示意圖.
一般情況下，采用以太網(wǎng)構成環(huán)路時(shí)，在網(wǎng)絡(luò )上一個(gè)節點(diǎn)發(fā)送的信息將通過(guò)環(huán)路傳回到該節點(diǎn)，并由該節點(diǎn)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(shí)為以太網(wǎng)提供鏈路冗余的功能.
在環(huán)形網(wǎng)絡(luò )中，有一臺交換機被設定為環(huán)網(wǎng)管理者，實(shí)時(shí)監視網(wǎng)絡(luò )的工作狀態(tài).在網(wǎng)絡(luò )正常時(shí)，管理者將自身與環(huán)網(wǎng)連接的一個(gè)端口設置成工作狀態(tài)，可以正常地發(fā)送和接受信息而另一個(gè)端口則設置成阻塞狀態(tài)，不對收到信息進(jìn)行轉發(fā)，通過(guò)該端口與環(huán)網(wǎng)連接的鏈路作為備用鏈路.工作時(shí)，交換機會(huì )通過(guò)這兩個(gè)端口發(fā)送網(wǎng)絡(luò )診斷數據包，如該包能夠被另一個(gè)端口收到，則環(huán)網(wǎng)為正常，否則預示環(huán)網(wǎng)出現故障.管理者可以根據該信息判斷出故障節點(diǎn)位置，使阻塞的端口恢復為工作狀態(tài)，以啟用備用鏈路恢復網(wǎng)絡(luò )的信息傳輸，使網(wǎng)絡(luò )保持暢通，這時(shí)網(wǎng)絡(luò )實(shí)際上轉變成了總線(xiàn)結構.根據不同廠(chǎng)家環(huán)網(wǎng)協(xié)議實(shí)現方式的不同，這一恢復時(shí)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(diǎn)故障時(shí)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(gè)節點(diǎn)配置兩臺工業(yè)以太網(wǎng)交換機，構成相同的兩個(gè)環(huán)形網(wǎng)絡(luò ).船舶監控系統的重要設備均配置雙網(wǎng)卡，分別連接到兩個(gè)環(huán)網(wǎng)交換機上，對船舶運行無(wú)影響的一般設備可僅接入環(huán)網(wǎng)中的一個(gè).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如圖3所示.雙環(huán)網(wǎng)絡(luò )在其中一個(gè)環(huán)路出現1個(gè)故障點(diǎn)，另一個(gè)環(huán)路出現任意多的故障點(diǎn)時(shí)，網(wǎng)絡(luò )可以正常工作，因此具有極高的可靠性.
3 應用虛擬局域網(wǎng)(VLAN)技術(shù)實(shí)現信息隔離
船舶綜合平臺管理系統集成了船舶的多種應用子系統，這些子系統負責采集全船上萬(wàn)個(gè)監測點(diǎn)的數據，并周期性地向網(wǎng)絡(luò )傳輸.同時(shí)，平臺網(wǎng)絡(luò )還可承載視頻、語(yǔ)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，任何子系統向網(wǎng)上發(fā)送的數據將傳送到每一個(gè)終端，極易使網(wǎng)絡(luò )超載，從而造成通信阻塞，并且，由于各系統共享一個(gè)網(wǎng)絡(luò )，在任何終端上都可獲取網(wǎng)絡(luò )中的所有系統的信息，其安全性也不能得到保證.虛擬局域網(wǎng)技術(shù)是實(shí)現信息分離，降低網(wǎng)絡(luò )負荷，實(shí)現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備組織在一起，劃分成一個(gè)邏輯網(wǎng)段，稱(chēng)為一個(gè)VLAN，每個(gè)VLAN構成一個(gè)獨立的廣播域.在一個(gè)VLAN內部主機發(fā)送的廣播信息被限制在VLAN內傳播，不會(huì )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(gè)VLAN，則其中一臺發(fā)送的廣播數據不會(huì )傳輸到另一臺主機上，減少了網(wǎng)絡(luò )廣播數據流及阻塞的可能，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(guò)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
直接設置交換機的端口使其直接從屬于某個(gè)虛擬網(wǎng)，這些端口一直保持這些從屬性，除非重新設置.該劃分又稱(chēng)為靜態(tài)虛擬網(wǎng)的劃分.其優(yōu)點(diǎn)是定義VLAN成員時(shí)非常簡(jiǎn)單，只需將所有端口定義一次即可.其缺點(diǎn)是如果用戶(hù)離開(kāi)原來(lái)端口，就必須重新定義.
(2)基于MAC地址劃分VLAN
根據每個(gè)主機的MAC地址來(lái)劃分，即對每個(gè)MAC地址的主機均配置其所屬.當網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)連接入網(wǎng)時(shí)，交換機通過(guò)讀取網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)MAC地址動(dòng)態(tài)地將該端口劃入某個(gè)虛擬網(wǎng).該劃分方法的優(yōu)點(diǎn)是當用戶(hù)物理位置移動(dòng)時(shí)，即從一個(gè)交換機換到其他交換機時(shí)，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(lái)劃分可分為IP、IPX、DECnet、AppleTalk、Banyan等VLAN網(wǎng)絡(luò ).該種方法的優(yōu)點(diǎn)是當用戶(hù)的物理位置改變時(shí)，不需要重新配置所屬VLAN，而且可以根據協(xié)議類(lèi)型來(lái)劃分VLAN，這對網(wǎng)絡(luò )管理者來(lái)說(shuō)很重要.另外，該種方法不需要附加幀標簽來(lái)識別VLAN，可以減少網(wǎng)絡(luò )通信量.該方法的缺點(diǎn)是效率較低.
船舶網(wǎng)絡(luò )中主機的安裝地點(diǎn)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 應用組播技術(shù)降低網(wǎng)絡(luò )負荷
采用虛擬網(wǎng)絡(luò )技術(shù)可以將廣播數據流限制在不同廣播域之內，從而減輕網(wǎng)絡(luò )負荷，提高可靠性和實(shí)時(shí)性.VLAN在網(wǎng)絡(luò )設計時(shí)已規劃好，修改VLAN配置時(shí)，需要對交換機重新設置，運行時(shí)不能改變.船舶綜合監控系統中，多臺操作站分布于全船，不同操作站負責不同設備的監控，每臺操作站上所需要的數據也有所差別，因此將所有數據發(fā)送到所有操作站顯然會(huì )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 )數據流量.
4.1 數據傳輸方式
實(shí)時(shí)通信系統軟件中對實(shí)時(shí)數據的傳輸一般選擇TCP/IP協(xié)議族中的UDP協(xié)議，UDP支持3種數據通信方式，即單播、多播(組播)和廣播.
單播是點(diǎn)對點(diǎn)的單一目的數據包傳遞.當網(wǎng)上多臺設備需要同一組數據時(shí)，需要給每臺設備發(fā)送一次，因此會(huì )使網(wǎng)絡(luò )負荷大幅度增加.
廣播是同時(shí)給同一子網(wǎng)的所有主機發(fā)送數據包，因此用廣播發(fā)送的數據將傳送給廣播域中的所有主機.船舶綜合監控系統中，每個(gè)監控子系統都以廣播方式發(fā)送數據易引起網(wǎng)絡(luò )擁塞.組播允許同時(shí)給處在不同子網(wǎng)中的不同目的地址的主機發(fā)送相同的數據包，一次發(fā)送，多點(diǎn)傳輸，只給需要數據者發(fā)送數據，而且只需發(fā)送一次，從而節省了網(wǎng)絡(luò )帶寬.
要實(shí)現組播，首先應在網(wǎng)絡(luò )中建立組播組，等待需要接收組播數據的終端發(fā)出加入組的申請，成功加入該組播組后就可收到組內主機發(fā)送的組播數據.當不再需要接收數據時(shí)，可向組播組發(fā)送退出申請，則該主機斷開(kāi)與組的連接，組播數據不會(huì )再發(fā)送給該主機.終端設備可以動(dòng)態(tài)加入和退出組播組，該特性恰好符合船舶綜合監控系統的需求.
在以太網(wǎng)上實(shí)現組播需要網(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(shí)通過(guò)應用軟件對組播組的動(dòng)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.船舶綜合監控系統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地址用于標志一個(gè)IP組播組，IANA把D類(lèi)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(lèi)地址的最高4位固定為“1110”，余下的28位稱(chēng)為“組播組ID”，也稱(chēng)為組地址(GDA)，其中某些組播地址是專(zhuān)用的.從224.0.0.1到224.0.0.255組播地址塊被用于路由協(xié)議以及某些低層拓撲協(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)鍵數據的可靠傳輸
服務(wù)質(zhì)量(QoS)是網(wǎng)絡(luò )的一種安全機制，用來(lái)解決網(wǎng)絡(luò )延遲和阻塞等問(wèn)題，其目的是向用戶(hù)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)，可以為控制數據的實(shí)時(shí)通信提供一種保障機制.當網(wǎng)絡(luò )過(guò)載或擁塞時(shí)，QoS能確保重要控制數據傳輸不受延遲或丟棄，同時(shí)保證網(wǎng)絡(luò )的高效運行，滿(mǎn)足對管理信息層直接訪(fǎng)問(wèn)現場(chǎng)設備能力需求.在交換機同時(shí)接收到多種數據包時(shí)，控制類(lèi)等關(guān)鍵數據較其他數據類(lèi)型獲得優(yōu)先服務(wù)，保證了關(guān)鍵數據的實(shí)時(shí)性.具有QoS的網(wǎng)絡(luò )應包含3個(gè)過(guò)程：
(1)分類(lèi)
具有QoS的網(wǎng)絡(luò )能夠識別哪種應用產(chǎn)生哪種數據包.網(wǎng)絡(luò )需根據數據包分類(lèi)決定是否進(jìn)行特殊的處理.常見(jiàn)的分類(lèi)方法為TCP和UDP端口號碼、源IP地址、物理端口號碼.
(2)標注化
識別分組應用后就必須對其分組進(jìn)行標記處理，確保網(wǎng)絡(luò )上的交換機可以對該應用進(jìn)行優(yōu)先級處理.通過(guò)采納對數據標注的兩種行業(yè)標準之一IEEE802.1P或(DSCP)，可以確保網(wǎng)絡(luò )設備能夠對該業(yè)務(wù)進(jìn)行優(yōu)先級處理.應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(guò)交換機，減少對控制實(shí)時(shí)數據等業(yè)務(wù)的延遲事故.較高優(yōu)先級的數據總能在無(wú)任何延遲的情況下超越所有其他業(yè)務(wù).
船舶監控系統的應用軟件設計中，應對不同類(lèi)型的數據包給予不同的類(lèi)別定義，規劃不同優(yōu)先級的端口號，以保證關(guān)鍵數據得到及時(shí)處理.
6 結 語(yǔ)
本文討論了幾種保證船舶綜合平臺管理系統網(wǎng)絡(luò )可靠性的方法和技術(shù).充分利用這些技術(shù)，可以保證所設計網(wǎng)絡(luò )具有較高的可靠性，滿(mǎn)足船舶環(huán)境對通信系統的要求.
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作者：江立軍，王光榮，趙永生 來(lái)源：大連海事大學(xué)學(xué)報
