一种高速FC光纤网络架构的设计方法.pdf

信息通信一种高速FC光纤网络架构的设计方法刘宇，胡晓青，杨军祥，贺沁涵？（1.航空工业计算所，陕西西安7 10 0 6 8；2.西安电子科技大学，陕西西安7 10 12 6）摘要：文章描述了一种FC光纤网络架构的设计方法，综合核心处理机采用了高速FC光纤的网络互连系统设计，系统内外通过统一的FC光纤进行了网络互连，从而使整个航电系统的主要设备之间都通过系统的FC光纤信号互连，使航电系统具有了相应的对抗恶劣环境能力，并在综合核心处理机架构基础上结合余度及分布式架构拓展出一种具备可扩展升级的网络架构。关键词：光纤；网络；余度中图分类号：TP391A design method for high-speed FC optical fiber network architecture(1.ACTRI,Shannxi Xian 710068;2.Xian University of Electronic Technology;Shannxi Xian 710126)Abstract:This paper describes a design method of FC optical fiber network architecture,the integrated core processor adoptsthe high-speed FC optical fiber network interconnection system design,and the network interconnection is carried out throughthe unified FC optical fiber inside and outside the system,so that the main equipment of the entire avionics system are intercon-nected through the FC optical fiber signal of the system,so that the avionics system has the corresponding ability to resist harshenvironments,On the basis of the integrated core processor,combined with redundancy and distributed architecture,a networkarchitecture with scalable upgrades is expanded.Key words:fiber;network;redundancy1引言由于综合核心处理机综合化水平的提升，对系统的处理能力以及FC网络带宽都有了更高的要求，这就提出了新型的高速的高带宽的大型交换网络的设计需求。传统光电传输模式和光电混传模式中，光电混传模式设计复杂，而电信号传输衰减过大需要采用中继器保证通信质量，提高了系统设计的成本，降低了系统网络通信的可靠性；而且机箱外部电磁环境复杂，电信号易受外部电磁信号的干扰，传输质量受到很大的影响，无法满足高速、高带宽、大型通信网络架构的设计需求。为解决目前FC网络架构的不足之处，本文提出了一个实现简便、安全性好、可制造性强的FC光纤网络架构系统，并同时具有对抗恶劣环境的能力，能够满足机载产品的使用环境，同时又对余度光纤网络进行分析，并基于双余度建构进行进行延伸拓展，形成一个具备可扩展升级的分布式TTFC网络架构。2概述综合核心处理机系统内外采用统一的FC通信标准进行信息交换，并制定统一的光纤传输介质的要求，确保了光信号的无缝接入，从而实现了FC网络中少延时、高带宽的数据通信要求；由于整合了系统内外网络中互连的所有传输介质，大大改善了整个系统的网络互连设计，从而减少了互连复杂度，增加了系统可靠性、可检测性和可维修性，也降低了生产工艺复杂度，从而提高了系统生产可制造性。综合核心处理机通过统一的高速FC光纤网络结构，在整个系统设备之间实现了高速FC光纤的统一通信，整个系统设备全部都通过FC信号传送实现数据交换，从而大大提高了整收稿日期：2 0 2 3-0 1-11作者简介：刘宇（19 8 7-），男，黑龙江绥棱人，学士，工程师，主要研究方向为计算机及应用。1852023年第0 5期(总第2 45期)文献标识码：A文章编号：2 0 9 6-9 7 59(2 0 2 3)0 5-0 18 5-0 4LIU Yu,HU Xiaoqing,YANG Junxiang,HE Xinhan?个系统的通讯效能，减少了整个系统工程设计的复杂性，同时通过FC信号进行数据传递，也降低了电磁干扰对设备正常运行的影响，及设备对外部环境的电磁辐射，从而提高了系统设备的可靠性，也降低了商品颜值生产成本。综合核心处理机调度FC光纤统一网络互连的设计关键技术，该技术通过统一的FC光纤网络实现综合核心处理机内、外部设备的统一互连，通式采用FC光纤实现所有的设备数据交换，大大简化了统一网络互连系统的方案设计，降低了网络互连的故障率，提高了网络互连的可靠性。其特征在于：(a)航电系统网络采用光纤作为传输介质，系统内各个设备间采用FC信号进行数据传输；(b)综合核心处理机系统内部的所有模块均通过光背板连接到网络交换模块上；(c)综合核心处理机系统外部所有设备均通过光背板、光纤连接器连接到网络交换模块上；(d)所有FC节点均通过光组件(光背板、MT光纤带、光连接器、光缆)连接，便于操作。3FC网络架构研究3.1统一的FC光信号网络结构综合核心处理机采用了综合化、模块化、统一网络的设计理念，通过不同的标准模块组合实现系统功能。采用FC光纤交换网络实现系统的数据通信。如图1所示，综合核心处理机主要由通用处理标准模块、信息处理标准模块、大容量存储模组、带I/O通用处理标准模块、网络交换标准模块构成，所有标准功能模块之间通过网络交换标准模块实现数据通信，而综合核心处理机内部通过二块网络交换标准模块级联，构成星形网络拓扑来实现综合核Changjiang Information&Communications心处理机内部的FC通信功能。同时支持综合核心处理机与外部设备之间的光信号互联，实现整个航电系统的统一的FC网络。仅这一处设计使用光纤互联系统控制真速电佰艺通用处理功能部件信号处理功能形件系统控制通用处理功能部件怡处理功能部件储功能部件图1综合处理系统光互连设计示意图综合核心处理机的所有模组均采用光电混合一体连接器，并完成了模块的通用处理系统和FC光纤的网络设计功能，提高了模块的综合化程度。对光电混合一体连接器及FC光纤接头提出了加固、定位等要求，以提高光接头的定位精度和“无缝连接：，以提高光信息的传递质量，从而大大提高了FC光纤通信品质和系统的安全性。综合核心处理机内部光纤连接采用灵活的分段设计，通过统一内部安装接口降低系统互连的复杂度，同时光纤连接避免了机架内电磁辐射的影响，大大的提高产品的可靠性、测试性和维修性。高速FC光纤统一网络互连如图2 所示。综合核心处理器内部的所有光端口都通过光背板链接在网络交换模块(NSM)上，内部模组按照功能要求进行了设计与扩充，如通用处理功能模块、大容量存储功能模块、信号处理功能模块、图像处理功能模块等。综合核心处理机上的设备首先通过FC光纤链接在机箱的FC光纤连接器上，再通过机箱内的FC光纤带、光背板等链接在NSM上；整个系统设备通讯使用统一的高速FC光纤网络，全部要设备全部通过FC信号进行通讯，根据固化的FC网络配置表，通过NSM实现数据交换，大大提高了设备的通讯质量，减少了网络使用的复杂性，采用光信号传输能有效减少了设备运行时产生的的电磁干扰，增加了设备的稳定性，减少了服务成本。刘宇等：一种高速FC光纤网络架构的设计方法综合核心处理机母板供供供供供电电电电信电信子光接口免楼口NSMIGPIO1GPPIGPP2GPP3GPP4GPP5GPPoMMMGP102投备NSM2网络交换功能部件设备2母板X高蓬电售号网络交换功能部件高建电信号综合处理平台网络交换功能部件网络交换功能部件光骨板供供电电电信电信号布电信子电信号光接口无口光接可设备光背板设设备司设备设备代光纤高通电信号系统内外所有节点约采用光纤互联一别航电设备的光纤+到内高功能模快的光纤光背板内部光纤互联校备设备设备桂1设备设备设备6设备供电网络布线区电信中电信号电电光楼口光楼口光纤光纤连接器！连接器2图2 FC光纤统一网络互连示意图所有光纤链路均采用加固、防护措施，确保FC光纤在各种恶劣环境下工作正常。3.2余度光纤网络架构随着航电系统越来越复杂，可靠性往往变得更低，光纤网络作为系统的主网络，其失效会往影响系统的任务执行能力，航电系统在进行系统设计时，需要根据执行任务的重要及关键程度，进行光纤网路余度设计，提高光纤网络的容错能力，保证系统功能的运行。综合化航电系统余度光纤网络架构方案主要包括双余度、多余度、混合双余度及混合多余度光纤网络的框架方案。余度方案的选在需要根据设备及任务等级进行选择，根据工程经验，除特别关键的任务外，航电系统主要使用双余度光纤网络架构。双余度光纤网络的框架方案具有结构简单，开发成本低等特点，同时相对于其他余度方案，采用的光纤网络交换设备最少，整体可靠性较高。光纤网络有光纤节点和光纤交换设备组成，光纤网络的双余度架构主要指通过两个相同的网络交换功能部件，组成两个相互独立、互为余度的光纤网络。光纤网络中的节点级设备具备双余度光纤通信功能，节点级设备的两个互为余度的接口分别鱼两个网络交换功能部件相连，共同组成综合化航电系统双余度光纤网络。在执行任务过程中，当一个光纤交换设备出现异常时，数据可以通过另一个光纤交换设备进行通信，保障任务继续执行，同时由于互为余度的光纤网络相互独立，可有效防止故障蔓延。一种双余度光纤网络架构如图3所示。subsystsubsys2电光纤连接器3综合核心处理机FC交换机1M1M2FC交换机2图3光纤网络双余度架构方案电信号光纤连接器4Mn线区光接口FC光井186Changjiang Information&Communications图中，双余度光纤网络架构由两个FC交换机组成，两个FC交换机要求功能相同，互为余度。综合核心处理机内部的模块和外部设备均具备双余度光纤接口，光纤接口分别连接两个FC交换机。当执行系统任务是，模块及外部设备可以通过FC交换机1或者FC交换机2 进行数据通信。当确定了工作网络，各个设备通过选定的工作网络为进行数据通信服务，当选定的工作网络失效时，光纤节点设备无缝接入余度网络，继续执行系统任务，保障航电系统功能正常进行，提高航电系统的任务执行成功率。3.3基于TTFC的光纤网络架构随着技术的更新迭代，航电系统对网络的需求也会越来越高，新型航电系统对网络带宽、高安全、强实时有着更高的要求，这就需要对FC网络进行TTFC网络综合改造，使其具备更高的带宽、高安全、强实时的特点，TTFC网络是一种拓扑结构为双星型网络结构，利用FC-AE-ASM网络传输协议的增强型交换式双余度FC网络。TTFC网络主要由网络交换机（T T)、T T FC 节点机和物理链路组成，可为未来新型航电系统提供高安全、强实时、高可靠的数据传输服务。依托于统一的FC光信号网络结构和余度光纤网络架构，以TTFC网络作为系统的统一的互联数据网络，构建了一种以TTFC网络为核心的分布式综合化处理系统架构，系统架构如图4所示。该架构包括1个具备高速安全能力的双余度TTFC网络系统、2 台综合处理机（IPC）、2 台综合任务处理机（IMP）和2 台远程数据接口单元（RDC)。包括若干外场可更换模块（LRM)，如通用处理模块（GPP）、通用I/O模块（GPIO）、图形及信号处理模块（SGPM)、大容量存储模块等，为系统提供系统管理、数据处理、图像及信号处理、数据记录等功能。RDCIRDC2GPP1IPC1GPnGPIOSGPMMM其他节点1该架构中两台的所有LRM模块、RDC及其他系统节点，通过以TTFC交换机为中心的网络连接，形成一个去双余度星型网络拓扑架构。IPC用于为系统提供数据处理，GPP模块及IPC的数量根据系统计算能力的需求进行扩展。IMP用提供数据处理以外的功能，如图像、信号、存储等。RDC用于将系统外部的非FC信号转换为FC数据，接入网络中，提供给IPC和IMP进行数据、图像及信号处理。交换机（SW)用于为整个系统提供统一的TTFC网络,网络功能异常为导致整个系功能无法实现，为了提供系统任务的可靠性，保障系统任务能够正常的运行，对交换网络进行了余度设计，采用两个功能相同的187刘宇等：一种高速FC光纤网络架构的设计方法TTFC网络交换机，为系统提供互为余度的A网和B网，同时两个SW设备具备网络管理能力，能够监控网络上的节点和另一网络的状态。同时，系统中的连接到TTFC网络上的节点均具备余度功能，同时接入A网和B网，当A网络异常或者节点接入A网的接口异常时，可无缝通过B网进行通信，保障系统任务正常运行。该系统架构中A网和B网用2 台交换机（SW）实现，形成天然隔离的物理通道，同时架构中IPC1和IPC2、I M P1和IMP2、R D C1和RDC2等又互为备份，大大提高了系统的任务可靠度。该架构可根据未来航电系统的需求变化进行能力扩展。这种星型网络互联拓扑架构可以很大程度提高系统的故障容错、网络通信、数据共享及处理等能力，同时该系统架构采用了物理隔离的余度设计，具备从硬件到资源、到应用3个层面的余度隔离能力，能很大程度提高系统的安全度和可靠度。该系统架构基于分布式架构、星型交换设计，可通过增加网络上的ICP或IMP或外置节点设备及交换机（SW）的数量提高系统规模，同时IPC及IMP中的LRM模块采用标准架构设计，可根据不同系统的需求，更换不同功能的模块，使系统能够根据未来航电系统的应用需求变化进行灵活配置，以满足不断变化的系统需求。另外采用光纤作为主网络通信介质，距离长度不在是设备物理分布的限制，使得系统功能模块可以根据具体的功能和结构特征进行最优的物理分布，以适应部分前端控制器和传感器就近处理的需求。4优点采用统一的高速FC光纤网络作为系统的主网络，使系统中的各个设备通过FC光纤网路进行互联，具备以下优点：综合核心处理机内外改通过统一的FC光纤接口实现FC网络互连，实现了了2.12 5/4.2 5Gbps高速FC接口通讯传输速率的设计要求。大大提高了FC节点的通讯带宽和数据信息处理性能。综合核心处理机和其它外部设备之间，通过光信号进行GPP1的FC数据通信。基于光信号低衰减的特性，可以进行较远距IPC2离的传播，减少了使用大量中继台，增加了系统的可靠性，降低了设备生产成本。GPPn通过FC光纤进行数据传输，可以将光信号和电信号从物SW1SW2IMP1双余度TTFC网络图4网络架构图理上彻底分离，机架内电磁辐射对FC光信息传递的影响直接减至零，从而对外提供了高可靠的通信质量，减少了系统可靠GPIO性、安全性和可维护性。SGPM1MP2MM其他节点2综合核心处理机通过使用统一标准的光纤传输介质，大大优化了整个FC网络架构与互连方式，简化了FC数据传送通道的互连，提高了光信号的通信质量，提高了FC网络通讯的可靠性。系统设计中，光纤接口及链路均具备防护、加固的能力，确保设备具备抗恶劣环境的能力。综合核心处理机内部采用标准模块设计，根据功能需要，具备一定程度的扩展能力。采用分布式综合化、模块化设计方式，通过扩展节点设备数量，使系统具备可扩展升级的能力。5结语本文介绍了一种采用统一的高速FC光信号的综合化航电系统网络架构，并基于双余度网络进行拓展，形成一种基于TTFC的分布式光纤网络架构，系统架构中各个设备间通过高速FC光纤网络进行数据交换，从而大大提高了整个系统的通讯，信息通信应用纵向五维法实现城域网网络结构优化的研究图雅,刘宇（中国移动通信集团内蒙古有限公司，内蒙古呼和浩特0 10 0 9 0）摘要：网络强国是国家的核心战略之一，为推动网络强国、数字中国战略，国家发布了数字化转型工作通知、提速降费等一系列政策法规要求。城域网作为中国移动承载互联网业务的重要网络，提升带宽能力、保证业务疏导一直是网络建设的重点。如何更好地提升网络服务能力，降低业务接入造价，也是需要不断思考的问题。文章对城域网优化网络结构进行了研究，提出纵向五维法并在现网进行了实践应用，有效节省基础资源，提升用户感知，提升投资效益。关键词：纵向五维法；网络结构优化;OLT;BRAS中图分类号：TP393.1文献标识码：A2023年第0 5期(总第 2 45 期)文章编号：2 0 9 6-9 7 59(2 0 2 3)0 5-0 18 8-0 40引言网络强国是国家的核心战略之一，从十二五开始开展的宽带中国专项行动，到十四五规划中提出的“坚定不移建设制造强国、质量强国、网络强国、数字中国，以及提高经济质量效益和核心竞争力”的战略要求，明确了运营商未来应按照有关工作要求，为加快网络强国、数字中国建设做出更大贡献。城域网与CMNet承载着中国移动互联网业务，为应对互联网业务发展需求，相关承载能力快速提升，在“十三五”期间我公司省网出口带宽增长了14倍，城域网出口带宽增长了37倍。支撑数字中国发展需求，“十四五”规划期间，CMNet的带宽能力仍在提升。规划城域出口带宽从12.6 2 Tbps增长至50.52Tbps，省网出口能力从4.52 Tbps增长至6.12 Tbps。不仅网络能力在增加，从网络结构和功能方面我公司十四五规划提出按照“大容量、简结构、低时延、智能化、高可靠”的原则构建网络。城域网网络自身建设原则在规划中已经明确，但是如何更好地提升用户感知，同时能够降本增效，也是一直在努力的方向。如何打破传输网、承载网建设中的网络壁垒，做好融合优化，是提升承载网服务能力的主要突破点。OLT与BRAS作为城域网重要的接入节点，是协同优化的关键环节，如何优化业务接入方式，缩短用户传输接入距离，从而提升用户感知，做好网络对于互联网业务的服务，是支撑好网络强国战略的基础工作。同时，随着承载网络的不断发展，城域网的结构优化及其能力提升还需结合多种新技术来实现，如EVPN、SR v 6、FlexE、T e l e m e t r y、SA 质差分析等。收稿日期：2 0 2 3-0 1-2 8作者简介：图雅（19 7 6-），女，内蒙古呼和浩特人，高级工程师，现任职于中国移动通信集团内蒙古有限公司计划部，学士，主要从事传输网、数据承载网、政企业务承载等领域网络规划及项目管理工作；刘宇（19 9 1-），男，内蒙古呼和浩特人，中级工程师，现任职于吉林吉大通信设计院股份有限公司，学士学位，主要从事通信设计、咨询工作。iiiiiii.质量，减少了系统结构的复杂性，同时利用光信号进行数据通信研究与分析J.信息通信，2 0 17 年.0 1期.能够避免电磁干扰带来的影响，进而增加了整个系统的安全性，2】米宁,周海涛,朱纪洪.基于光纤通道的光传飞行控制系统通也减少了产品科研生产投入。基于分布式系统架构，使系统具信方案M.清华大学学报（自然科学版),2 0 0 5.45(7):1340备可扩展的能力，以满足未来不断变化的系统需求。-1344.目前，该设计已成功运用到众多的工程项目中，在经过了环境3 引张磊，李鹏,冯晓东.基于光纤通道的网关模块设计与实现测试、可靠性摸底测试以及对各种抗恶劣环境试验的综合检验J.微电子学与计算机,2 0 0 7.2 4(6):56-6 3.后，该工程设计将可推广应用于民机、造船、汽车等领域。4杨军祥,韩强,王纯委,杨涛.基于TTFC网络的分布式综合化处理系统平台研究J.航空计算技术,2 0 18-0 5-0 8 3.参考文献：5王国庆,谷青范,王淼,等.新一代综合化航空电子系统构架1杜建华,万菁昱,瞿海娜.综合化航电系统余度光纤网络的技术研究J.航空学报,2 0 14,35(6):147 3-148 6.1纵向五维法1.1纵向五维要素根据CMNet业务承载的纵向网络结构，使用纵向五维分析法对结构优化方案进行评定。选取的维度从平衡BRAS资源整体利用效率、缩短传输引接距离、降低接入造价等方面综合考虑，确定用户数、BRAS带宽利用率、接入造价、传输接入距离、基础资源五个维度。（1)用户数：BRAS承载家宽用户数；(2)BRAS带宽利用率：BRAS上行链路带宽利用率；(3）接入造价：OLT接入BRAS所需设备、光缆、管道、机房等投资；(4)传输接入距离：OLT接入BRAS的传输距离；(5)基础资源：光缆、管道等现有基础资源。纵向五维法基于以上五类要素，涵盖CMNet与传输网对接过程中的核心影响因素，充分有效地揭示了网络建设中的要点。1.2五维优先级分值与权重基于五维要素，依据其影响OLT接入BRAS的优先级，赋予其优先级分值以及每一个维度的权重。每一个维度的优先级分值区间为0 10 0 分，按各维度要素取值不同阶梯递减，五个纬度要素的优先级分值如下。(1)用户数优先级分值pi用户数在（0，0.3万户区间时，优先级分值为10 0；用户数在（0.3，1.5万户区间时，优先级分值为8 0；用户数在（1.5，2.5)万户区间时，优先级分值为6 0；用户数在（2.5，3.5万户区间时，优先级分值为40；用户数在（3.5，41万户区间时，优先级分值为i188