摘要：為滿足船舶綜合平臺管理系統對通信網絡的要求，研究了提高綜合平臺網絡可靠性的幾種方法.在工業以太網平臺上，采用虛擬局域網、IP組播以及服務質量控制等技術來提高網絡性能及可靠性，為船舶綜合平臺管理網絡系統的設計提供參考.
關鍵詞：船舶；綜合平臺管理系統(IPMS)；通信網絡；可靠性
中圖分類號：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
現代船舶正向網絡化、信息化、智能化方向發展，通過計算機網絡，將導航、駕駛、動力電力監控、損管等系統集成，形成有機整體，實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絡接口連接到平臺網絡，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行集中管理、監視和控制.IPMS實現了船舶可靠、高效、統一的管理和控制，已成為未來船舶監控系統的發展方向[1-4].
實現船舶綜合平臺管理系統的關鍵是穩定、高速、可靠的網絡系統.本文就提高船舶綜合平臺網絡可靠性的幾種技術進行研究和探討，旨在為船舶綜合平臺網絡的設計提供參考.
1 船舶綜合平臺管理系統結構
船舶綜合平臺管理系統網絡通常分為兩層.系統底層是由各分系統的監控單元構成的監控網絡，這些網絡通常采用現場總線如CAN總線網絡實現，包括分布于機艙的主推進監控系統、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數據，通過網絡傳送給頂層管理系統，同時接受和執行頂層管理系統的控制命令，實現設備控制.另外，視頻監控、語音通信以及多媒體服務系統也可納入平臺網絡構成一體化信息網絡平臺.系統頂層為綜合平臺管理網絡，主要由標準化操作站(顯控臺)、服務器等構成，各分系統網絡通過網關與頂層管理網絡相連，從而實現了各系統間的數據傳輸與數據共享.通過標準化操作站，工作人員可以在船上任何位置對船舶設備狀態進行監視或控制.船舶綜合平臺管理網絡系統構成如圖1所示.
2 船舶綜合平臺網絡的可靠性設計
2.1 綜合平臺網絡方案
綜合平臺主干網絡的構成包括ATM、SDH、以太網等幾種.ATM、SDH主要用于移動通信等大型城域網，其結構復雜、成本高，在船舶上應用時存在技術支持和維護困難等方面的問題.近年來，以太網的技術發展迅速，1 GHz以太網已經普及，10 GHz以太網的應用越來越多，其性能不斷提高，技術不斷成熟，以太網正逐步取代其他幾種網絡，應用于從辦公自動化到大型城域網的各個領域，也成為船舶綜合平臺網絡系統的首選方案.
2.2 應用工業以太網保證平臺網絡的可靠性
工業以太網是在商業以太網(IEEE802.3)的基礎上，針對工業領域對可靠性和實時性的要求加以改進而形成的.工業以太網在網絡可靠性、抗惡劣環境能力、信息傳輸的實時性與確定性等方面較普通商用以太網有了很大改進.工業以太網使用滿足IP65防護等級的網絡接頭，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、耐腐蝕等抗惡劣環境能力，同時，工業以太網交換機還提供諸如虛擬局域網、組播、服務質量控制等必需的技術以滿足工業及船舶環境對網絡可靠性和實時性的要求.
工業以太網與商用以太網完全兼容，其設計和維護簡單方便.船舶綜合平臺管理系統的主干網絡采用工業以太網，可以保證系統具有高的可靠性.
2.3 采用冗余措施進一步提高網絡可靠性
以太網可以采用多種拓撲結構，如總線形、星形和環形結構.辦公及商業網絡系統中一般采用星形結構，當需要冗余時采用雙星形結構，利用生成樹或快速生成樹協議實現冗余鏈路管理和切換.該種冗余方案在網絡發生故障時需要較長的恢復時間，約為1～2 s，無法滿足船舶監控網絡的需要.
采用光纖環形網絡拓撲結構，可以提供較星形網絡更高的可靠性.環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，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網絡結構示意圖.
一般情況下，采用以太網構成環路時，在網絡上一個節點發送的信息將通過環路傳回到該節點，并由該節點沿環路再次傳播，這種信息循環極易形成廣播風暴，導致網絡癱瘓，因此環形網絡需要具有環網協議的工業以太網交換機的支持.環網協議可以有效防止廣播風暴的產生，同時為以太網提供鏈路冗余的功能.
在環形網絡中，有一臺交換機被設定為環網管理者，實時監視網絡的工作狀態.在網絡正常時，管理者將自身與環網連接的一個端口設置成工作狀態，可以正常地發送和接受信息而另一個端口則設置成阻塞狀態，不對收到信息進行轉發，通過該端口與環網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送網絡診斷數據包，如該包能夠被另一個端口收到，則環網為正常，否則預示環網出現故障.管理者可以根據該信息判斷出故障節點位置，使阻塞的端口恢復為工作狀態，以啟用備用鏈路恢復網絡的信息傳輸，使網絡保持暢通，這時網絡實際上轉變成了總線結構.根據不同廠家環網協議實現方式的不同，這一恢復時間在10～300 ms.這種單環網絡可以在網絡存在單點故障時保持網絡正常工作.
為進一步提高網絡可靠性，可以采用雙環形網絡，每個節點配置兩臺工業以太網交換機，構成相同的兩個環形網絡.船舶監控系統的重要設備均配置雙網卡，分別連接到兩個環網交換機上，對船舶運行無影響的一般設備可僅接入環網中的一個.具有雙光纖環形冗余環網絡的船舶綜合平臺管理系統如圖3所示.雙環網絡在其中一個環路出現1個故障點，另一個環路出現任意多的故障點時，網絡可以正常工作，因此具有極高的可靠性.
3 應用虛擬局域網(VLAN)技術實現信息隔離
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個監測點的數據，并周期性地向網絡傳輸.同時，平臺網絡還可承載視頻、語音等多媒體信息.如果不加以限制，由于以太網廣播式的傳輸特性，任何子系統向網上發送的數據將傳送到每一個終端，極易使網絡超載，從而造成通信阻塞，并且，由于各系統共享一個網絡，在任何終端上都可獲取網絡中的所有系統的信息，其安全性也不能得到保證.虛擬局域網技術是實現信息分離，降低網絡負荷，實現信息安全可靠傳播的一種有效途徑.
VLAN技術可以將網絡中工作性質相關但處于不同物理位置的設備組織在一起，劃分成一個邏輯網段，稱為一個VLAN，每個VLAN構成一個獨立的廣播域.在一個VLAN內部主機發送的廣播信息被限制在VLAN內傳播，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，則其中一臺發送的廣播數據不會傳輸到另一臺主機上，減少了網絡廣播數據流及阻塞的可能，提高了網絡的可靠性.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虛擬網，這些端口一直保持這些從屬性，除非重新設置.該劃分又稱為靜態虛擬網的劃分.其優點是定義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.當網絡節點連接入網時，交換機通過讀取網絡節點MAC地址動態地將該端口劃入某個虛擬網.該劃分方法的優點是當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)基于網絡層協議劃分VLAN
VLAN按網絡層協議來劃分可分為IP、IPX、DECnet、AppleTalk、Banyan等VLAN網絡.該種方法的優點是當用戶的物理位置改變時，不需要重新配置所屬VLAN，而且可以根據協議類型來劃分VLAN，這對網絡管理者來說很重要.另外，該種方法不需要附加幀標簽來識別VLAN，可以減少網絡通信量.該方法的缺點是效率較低.
船舶網絡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 應用組播技術降低網絡負荷
采用虛擬網絡技術可以將廣播數據流限制在不同廣播域之內，從而減輕網絡負荷，提高可靠性和實時性.VLAN在網絡設計時已規劃好，修改VLAN配置時，需要對交換機重新設置，運行時不能改變.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，因此將所有數據發送到所有操作站顯然會浪費網絡帶寬.如果只發送操作站需要的信息，將使網絡負荷大幅度降低，從而提高網絡的可用性，尤其對于視頻及多媒體，該技術可以大幅度降低網絡數據流量.
4.1 數據傳輸方式
實時通信系統軟件中對實時數據的傳輸一般選擇TCP/IP協議族中的UDP協議，UDP支持3種數據通信方式，即單播、多播(組播)和廣播.
單播是點對點的單一目的數據包傳遞.當網上多臺設備需要同一組數據時，需要給每臺設備發送一次，因此會使網絡負荷大幅度增加.
廣播是同時給同一子網的所有主機發送數據包，因此用廣播發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，每個監控子系統都以廣播方式發送數據易引起網絡擁塞.組播允許同時給處在不同子網中的不同目的地址的主機發送相同的數據包，一次發送，多點傳輸，只給需要數據者發送數據，而且只需發送一次，從而節省了網絡帶寬.
要實現組播，首先應在網絡中建立組播組，等待需要接收組播數據的終端發出加入組的申請，成功加入該組播組后就可收到組內主機發送的組播數據.當不再需要接收數據時，可向組播組發送退出申請，則該主機斷開與組的連接，組播數據不會再發送給該主機.終端設備可以動態加入和退出組播組，該特性恰好符合船舶綜合監控系統的需求.
在以太網上實現組播需要網上所有交換機、路由器以及主機網卡支持組播功能，同時通過應用軟件對組播組的動態加入和退出進行管理支持.交換機需要支持組管理協議用于主機創建、加入和退出組，典型的組管理協議如Internet組管理協議IGMP Snooping.船舶綜合監控系統需要選擇支持組播的工業以太網交換機.
4.2 組播地址
組播IP地址用于標志一個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議以及某些低層拓撲協議.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技術保證關鍵數據的可靠傳輸
服務質量(QoS)是網絡的一種安全機制，用來解決網絡延遲和阻塞等問題，其目的是向用戶提供端到端的服務質量保證.在工業以太網中采用QoS技術，可以為控制數據的實時通信提供一種保障機制.當網絡過載或擁塞時，QoS能確保重要控制數據傳輸不受延遲或丟棄，同時保證網絡的高效運行，滿足對管理信息層直接訪問現場設備能力需求.在交換機同時接收到多種數據包時，控制類等關鍵數據較其他數據類型獲得優先服務，保證了關鍵數據的實時性.具有QoS的網絡應包含3個過程：
(1)分類
具有QoS的網絡能夠識別哪種應用產生哪種數據包.網絡需根據數據包分類決定是否進行特殊的處理.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)標注化
識別分組應用后就必須對其分組進行標記處理，確保網絡上的交換機可以對該應用進行優先級處理.通過采納對數據標注的兩種行業標準之一IEEE802.1P或(DSCP)，可以確保網絡設備能夠對該業務進行優先級處理.應確保選擇的交換機支持所使用的協議.
(3)優先級處理
在LAN交換機中，多種業務隊列允許分組優先級存在.較高優先級的業務可以在不受較低優先級業務的影響下通過交換機，減少對控制實時數據等業務的延遲事故.較高優先級的數據總能在無任何延遲的情況下超越所有其他業務.
船舶監控系統的應用軟件設計中，應對不同類型的數據包給予不同的類別定義，規劃不同優先級的端口號，以保證關鍵數據得到及時處理.
6 結 語
本文討論了幾種保證船舶綜合平臺管理系統網絡可靠性的方法和技術.充分利用這些技術，可以保證所設計網絡具有較高的可靠性，滿足船舶環境對通信系統的要求.
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作者：江立軍，王光榮，趙永生 來源：大連海事大學學報
