魏勝杰 秦 克 譚顯春

中國艦船研究設(shè)計中心，湖北武漢 430064

艦載雙冗余以太網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測技術(shù)及實現(xiàn)

魏勝杰 秦 克 譚顯春

中國艦船研究設(shè)計中心，湖北武漢 430064

現(xiàn)代新型艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)普遍采用雙冗余以太網(wǎng)技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)正常運行是發(fā)揮作戰(zhàn)系統(tǒng)效能的基礎(chǔ)，而網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)監(jiān)測采集則是維護網(wǎng)絡(luò)正常運行的重要手段。結(jié)合艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)雙冗余以太網(wǎng)環(huán)境，討論在Vx-Works下利用雙I ntel系列網(wǎng)卡完成數(shù)據(jù)監(jiān)測的方法，并以此實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)監(jiān)測采集系統(tǒng)。經(jīng)測試及實際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)具備良好的性能和可靠的特性。

作戰(zhàn)系統(tǒng)；雙冗余以太網(wǎng)；網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)監(jiān)測；船舶

1 引 言

現(xiàn)代艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)普遍采用了以太網(wǎng)技術(shù)。作戰(zhàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的正常運行是發(fā)揮作戰(zhàn)系統(tǒng)效能的重要保證。為維護網(wǎng)絡(luò)的正常運行，管理人員需要監(jiān)測、分析網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，及時了解、評估網(wǎng)絡(luò)運行環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)性能。

網(wǎng)絡(luò)嗅探技術(shù)［1］作為一種常見的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集方式，能有效截獲通信數(shù)據(jù)包，迅速找出問題。在W indows環(huán)境下，有多種方法可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的截獲。文獻［2］給出了在VC6.0環(huán)境下利用W insock實現(xiàn)的一種方法，利用WinpCap軟件開發(fā)包也可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的截獲［3］，同時對VxWorks環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)通信方法進行了研究［4－5］。 此外，針對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集的規(guī)范方法［6］、雙處理器進行數(shù)據(jù)采集和實時處理的方法［7］及集群方法進行討論［8］。

但是，這些方法在艦載雙冗余網(wǎng)絡(luò)實時環(huán)境下，都存在應(yīng)用局限，難以滿足數(shù)據(jù)采集的需要。

本文結(jié)合艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特征，分析實時操作系統(tǒng)VxWorks下利用雙網(wǎng)卡同時監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的技術(shù)，并依此開發(fā)了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)監(jiān)測采集系統(tǒng)NetMonitor。

2 VxWorks下網(wǎng)絡(luò)環(huán)境配置

VxWorks是由美國Wind River公司推出的一種嵌入式實時操作系統(tǒng)。自20世紀80年代問世以來，以其高性能、高實時性、高可靠性等特點成為實時操作系統(tǒng)中最具特色的產(chǎn)品，主要應(yīng)用于航空、航天、導彈武器系統(tǒng)等，近來在船舶領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用。在VxWorks系統(tǒng)下進行網(wǎng)絡(luò)配置，主要是針對增強型網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動的配置。

2.1 增強型網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序開發(fā)

VxWorks支持兩種類型的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序——VxWorks BSD 4.3網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序和可裁剪的增強型網(wǎng)絡(luò)堆棧（SENS）。前者符合BSD4.3標準，提供了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序與IP協(xié)議的緊密結(jié)合；后者提供了可替換的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序，一般也稱為“增強型網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序”（END）。本文主要討論END的開發(fā)。

VxWorks的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型如圖1所示，包括三個部分：協(xié)議驅(qū)動程序、多元接口層（MUX）和END驅(qū)動程序。SENS模型獨立于硬件設(shè)備接口，它將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序細化，使開發(fā)人員可以專心于END本身的開發(fā)。設(shè)備驅(qū)動程序位于底層硬件與上層應(yīng)用程序之間，它為硬件和應(yīng)用程序提供一個雙向的接口。協(xié)議驅(qū)動程序屏蔽了上層協(xié)議（如IP）與驅(qū)動程序之間的差異。在協(xié)議驅(qū)動程序與END驅(qū)動程序之間SENS又提供了MUX。MUX層直接與END驅(qū)動程序交互，其應(yīng)用程序接口提供了獨立于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的驅(qū)動程序接口，可與多個獨立的END驅(qū)動程序同時交互［9］。利用這一特性，可以方便實現(xiàn)VxWorks下多網(wǎng)卡驅(qū)動。

圖1 VxWorks網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型

2.2 END驅(qū)動設(shè)備裝載過程

在VxWorks中END驅(qū)動的裝載分為三步，即指定END設(shè)備、裝載END設(shè)備和啟動END設(shè)備。這三步主要是通過修改BSP中有關(guān)驅(qū)動程序代碼來實現(xiàn)的，這與加載其它非網(wǎng)絡(luò)類型設(shè)備的驅(qū)動程序不同。以下作簡要闡述。

1）指定END設(shè)備

BSP中有一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) END＿TBL＿ENTRY記錄著END設(shè)備驅(qū)動程序入口表，在BSP的configNet.h 中定義了該結(jié)構(gòu)的數(shù)組 endDevTbl［］，描述了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備裝載函數(shù)入口點及參數(shù)。在指定END設(shè)備時，需要將該設(shè)備的END驅(qū)動入口加入該數(shù)組。

2）裝載及啟動END設(shè)備

指定END設(shè)備驅(qū)動后，就可通過相應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)完成END設(shè)備的裝載和啟動，主要是muxDevLoad（）和 muxDevStart（）。 VxWorks系統(tǒng)啟動時，通過執(zhí)行一系列的動作完成網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備等初始化工作，并通過相應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用激活驅(qū)動程序和注冊中斷服務(wù)程序ISR，完成設(shè)備裝載和啟動。

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 應(yīng)用需求

本項目主要針對新型艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)測、分析需求展開研究的。新型艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)采用了分布雙冗余以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，各分系統(tǒng)、設(shè)備同時與兩路網(wǎng)絡(luò)連通。為了監(jiān)測作戰(zhàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的運行狀態(tài)，同時也為了對作戰(zhàn)系統(tǒng)效能進行定性分析、評估，必須采取措施來監(jiān)測采集雙冗余網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)。一般而言，要實現(xiàn)這樣的目的，數(shù)據(jù)監(jiān)測采集系統(tǒng)必須解決以下這些問題：

1）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能確保雙冗余網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的采集；

2）應(yīng)對采集的數(shù)據(jù)進行在線／離線處理，并能在線顯示數(shù)據(jù)內(nèi)容；

3）采集系統(tǒng)應(yīng)保證與作戰(zhàn)系統(tǒng)時間的高度統(tǒng)一，并給每幀報文附上時戳；

4）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不應(yīng)干擾作戰(zhàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的正常通信，即不會因為該采集系統(tǒng)死機或掉電等意外故障而導致系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)受到干擾。

以往的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集手段無論在實時性、應(yīng)用性上，都無法滿足上述要求。因此，有必要開發(fā)對雙冗余網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在總結(jié)以往數(shù)據(jù)監(jiān)測采集經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，并針對新的應(yīng)用需求，開發(fā)了新的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測采集系統(tǒng)NetMonitor。

3.2 設(shè)計實現(xiàn)

3.2.1 系統(tǒng)組成

NetMonitor系統(tǒng)功能組成如圖2所示。從功能上分為雙網(wǎng)卡接口、數(shù)據(jù)錄取、數(shù)據(jù)過濾存儲、數(shù)據(jù)解析處理等5個功能模塊。

3.2.2 雙網(wǎng)卡接口部件

該部件負責與雙冗余交換式以太網(wǎng)的互連互通。在本系統(tǒng)中，利用了Intel 82559系列的雙網(wǎng)卡，對外提供兩路網(wǎng)絡(luò)的接口，分別與系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的交換機匯聚口相連接，可對交換機轉(zhuǎn)發(fā)的所有數(shù)據(jù)進行監(jiān)控。

根據(jù)前述討論很容易在VxWorks下實現(xiàn)I ntel 82559系列雙網(wǎng)卡驅(qū)動。具體做法如下：首先在BSP安裝目錄下的配置文件configNet.h中，指定網(wǎng)卡設(shè)備入口，雙網(wǎng)卡需指定兩個設(shè)備入口。

其中，F(xiàn)EI82557＿LOAD＿STRING 是其加載參數(shù)，需根據(jù)具體情況定義。

接著在BSP安裝目錄下config.h中，根據(jù)實際使用情況配置兩塊網(wǎng)卡的基地址，同時指定中斷向量的值。完成后，啟動程序即可發(fā)現(xiàn)網(wǎng)卡已正確加載可實現(xiàn)其功能。

3.2.3 數(shù)據(jù)錄取部件

數(shù)據(jù)錄取部件將雙網(wǎng)卡捕獲的數(shù)據(jù)提取出來，根據(jù)需要按預(yù)定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)格式做初步處理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的時間與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的時間保持一致是非常重要的。文獻［10］給出了一種網(wǎng)絡(luò)同步的方法。本系統(tǒng)為了保證作戰(zhàn)系統(tǒng)時間的統(tǒng)一，采用了高精度對時技術(shù)，即利用系統(tǒng)時間 （服務(wù)器）發(fā)送的秒脈沖和網(wǎng)絡(luò)接口（時碼報文）相結(jié)合的方式，這種方法能實現(xiàn)對報文的毫秒級定時。

3.2.4 數(shù)據(jù)過濾存儲部件

該部件實現(xiàn)兩大功能，首先根據(jù)用戶預(yù)先設(shè)置的過濾條件（如收發(fā)方地址等），實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的過濾；其次，將過濾后的數(shù)據(jù)根據(jù)需要以異步I／O方式直接存入硬盤，或?qū)崟r存入預(yù)定環(huán)形緩沖區(qū)。該部件存儲的數(shù)據(jù)是下個部件數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)，因此，必須保證數(shù)據(jù)的實時存盤記錄所需要的能力。

3.2.5 數(shù)據(jù)解析處理部件

該部件的功能同時包括兩個方面，其一是將暫存在緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)進行解析處理，在線顯示解析結(jié)構(gòu)，以輔助使用人員在現(xiàn)場對網(wǎng)絡(luò)狀況的監(jiān)測；另一方面是對存入硬盤的數(shù)據(jù)進行處理，如將其加載至緩沖區(qū)進行查看，也可下載到外部設(shè)備處理分析。

總體而言，整個NetMonitor數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)具備以下特點：

1）實時同步監(jiān)視雙冗余交換式以太網(wǎng)數(shù)據(jù)；

2）與全系統(tǒng)時間保持高精度同步，對所錄取數(shù)據(jù)精確定時到毫秒級；

3）網(wǎng)絡(luò)報文的在線即時處理功能，可按預(yù)定義的用戶協(xié)議解析報文內(nèi)容；

4）開放的用戶協(xié)議管理模式，屏蔽用戶協(xié)議改變對報文解析的影響；

5）設(shè)備對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的無干擾接入，不會對網(wǎng)上產(chǎn)生任何附加流量，不影響網(wǎng)絡(luò)通信。

4 測試分析

為定量分析測試NetMonitor的性能，構(gòu)建了測試平臺環(huán)境，如圖3所示。測試平臺包括4個模擬節(jié)點 （高性能商用PC機）、Agilent協(xié)議分析儀（可實現(xiàn)硬件捕獲報文并測算網(wǎng)絡(luò)負載和報文統(tǒng)計）、兩臺共享式集線器（HUB）、1 臺 10 M／100 M自適應(yīng)交換機和NetMonitor。其中：

圖3 測試環(huán)境示意圖

1）4個模擬節(jié)點使用10 M／100 M網(wǎng)卡與自適應(yīng)交換機連接，可模擬發(fā)送網(wǎng)絡(luò)報文；

2）NetMointor與兩臺共享式HUB連接，兩臺HUB又連接到交換機上（這樣做是為了模擬該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實際應(yīng)用環(huán)境），雙網(wǎng)卡同時捕獲數(shù)據(jù)，并將捕獲的數(shù)據(jù)和Agilent網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析儀捕獲數(shù)據(jù)作比較，測其捕包率；

3）Agilent網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析儀直接與其中一HUB連接，可進行單網(wǎng)卡上的流量定量檢測及報文統(tǒng)計對比。

在測試過程中，對模擬節(jié)點發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)報文進行了組織，以使網(wǎng)絡(luò)負載流量達到一定指標。通過調(diào)整發(fā)送報文的長度和報文發(fā)送時間間隔，測試了在典型網(wǎng)絡(luò)負載下的系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的抓包能力。主要有以下幾種情況：

① 模擬節(jié)點發(fā)送長報文幀（1 000 byte，指應(yīng)用層數(shù)據(jù)，下同），系統(tǒng)雙網(wǎng)卡同時工作；

② 模擬節(jié)點發(fā)送短報文幀（100 byte），系統(tǒng)雙網(wǎng)卡同時工作；

③ 模擬節(jié)點1發(fā)送長報文幀 （1 000 byte），其它模擬節(jié)點發(fā)送短報文幀（100 byte），系統(tǒng)雙網(wǎng)卡同時工作。

完成上述情況的測試，在相同的報文長度下，系統(tǒng)以單網(wǎng)卡方式工作，即以單網(wǎng)卡方式捕獲交換機轉(zhuǎn)發(fā)給該網(wǎng)卡的所有報文，并對系統(tǒng)工作性能進行對比。

測試結(jié)果表明，對長報文，在網(wǎng)絡(luò)負載為12%的情況下（此時網(wǎng)絡(luò)報文的流速達1 450幀／s），能100%捕獲數(shù)據(jù)；對短報文，在網(wǎng)絡(luò)負載達到10%，流速8 000幀／s的情況下100%捕獲數(shù)據(jù)。如圖4、圖5所示（圖6中速率表示幀／s）。

同時測試發(fā)現(xiàn)，在單網(wǎng)卡方式下，網(wǎng)絡(luò)負載分別為 23%（長報文，流速 2 798 幀／s）、12%（短報文，流速 9 400 幀／s），均可 100%捕包。 如圖 6、圖7所示。

圖4 長報文截獲率與速率關(guān)系

圖5 長報文截獲率與利用率關(guān)系

圖6 短報文截獲率與速率關(guān)系

5 結(jié)束語

圖7 短報文截獲率與利用率關(guān)系

本文討論分析在VxWorks操作系統(tǒng)下利用Intel 82559雙網(wǎng)卡實現(xiàn)雙通道網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)監(jiān)測采集系統(tǒng)技術(shù)。利用該技術(shù)實現(xiàn)了雙冗余網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，對網(wǎng)絡(luò)無干擾監(jiān)測和數(shù)據(jù)實時錄取、分析的作戰(zhàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)。應(yīng)用表明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，完全滿足海軍新型艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測、數(shù)據(jù)錄取分析的使用需求。隨著1 000 M網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，如何滿足新環(huán)境下的使用需求是該系統(tǒng)面臨的新的技術(shù)難題。

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Technology and Im plement ation of Data Monitoring System for Shipboard Dual Redundant Ethernet Network

Wei Sheng－jie Qin Ke Tan Xian－chun
China Ship Developmentand Design Center，Wuhan 430064，China

Dual redundant Ethernet technology is widely applied in modern shipboard combat system s.The well running networks are the basis for getting high efficiency of the shipboard combat system s.So it’s important tomaintain the network bymonitoring the network data.In this paper，the way to drive two intel NICs wa s given on VxWorks system，and the network datamonitoring＆ capturing system wa s also carried out.By testing， it proves that the system workswell and has a high reliability.

combat system；dual redundant ethernet network；network datamonitoring；ship

TP393.11

A

1673－3185（2010）03－59－04

10.3969/j.issn.1673-3185.2010.03.014

2009－10-14

海軍“十一五”預(yù)研項目（010306010101）

魏勝杰（1975－），男，碩士。研究方向：艦船信息系統(tǒng)。E-mail：wei136@21cn.com

秦 克（1963－），男，研究員。研究方向：作戰(zhàn)系統(tǒng)總體技術(shù)