摘要：为满足船舶综合平台管理系统对通信网络的要求，研究了提高综合平台网络可靠性的几种方法.在工业以太网平台上，采用虚拟局域网、IP组播以及服务质量控制等技术来提高网络性能及可靠性，为船舶综合平台管理网络系统的设计提供参考.
关键词：船舶；综合平台管理系统(IPMS)；通信网络；可靠性
中图分类号：U665.261 文献标志码：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
现代船舶正向网络化、信息化、智能化方向发展，通过计算机网络，将导航、驾驶、动力电力监控、损管等系统集成，形成有机整体，实现船舶各分系统的统一监控管理和信息共享，构成船舶综合平台管理系统(Integrated Platform Management System，IPMS).船舶各子系统均由各自的网络接口连接到平台网络，平台系统配备标准化的操作站或显控台，分布安装在全船的适当位置，在任何一台操作站上均可以对全船设备进行集中管理、监视和控制.IPMS实现了船舶可靠、高效、统一的管理和控制，已成为未来船舶监控系统的发展方向[1-4].
实现船舶综合平台管理系统的关键是稳定、高速、可靠的网络系统.本文就提高船舶综合平台网络可靠性的几种技术进行研究和探讨，旨在为船舶综合平台网络的设计提供参考.
1 船舶综合平台管理系统结构
船舶综合平台管理系统网络通常分为两层.系统底层是由各分系统的监控单元构成的监控网络，这些网络通常采用现场总线如CAN总线网络实现，包括分布于机舱的主推进监控系统、辅机监控系统、电站监控系统、损管监控系统、火灾报警系统等以及驾驶台上的导航系统、综合船桥系统等，这些系统负责采集和监视全船设备的运行状态数据，通过网络传送给顶层管理系统，同时接受和执行顶层管理系统的控制命令，实现设备控制.另外，视频监控、语音通信以及多媒体服务系统也可纳入平台网络构成一体化信息网络平台.系统顶层为综合平台管理网络，主要由标准化操作站(显控台)、服务器等构成，各分系统网络通过网关与顶层管理网络相连，从而实现了各系统间的数据传输与数据共享.通过标准化操作站，工作人员可以在船上任何位置对船舶设备状态进行监视或控制.船舶综合平台管理网络系统构成如图1所示.
2 船舶综合平台网络的可靠性设计
2.1 综合平台网络方案
综合平台主干网络的构成包括ATM、SDH、以太网等几种.ATM、SDH主要用于移动通信等大型城域网，其结构复杂、成本高，在船舶上应用时存在技术支持和维护困难等方面的问题.近年来，以太网的技术发展迅速，1 GHz以太网已经普及，10 GHz以太网的应用越来越多，其性能不断提高，技术不断成熟，以太网正逐步取代其他几种网络，应用于从办公自动化到大型城域网的各个领域，也成为船舶综合平台网络系统的首选方案.
2.2 应用工业以太网保证平台网络的可靠性
工业以太网是在商业以太网(IEEE802.3)的基础上，针对工业领域对可靠性和实时性的要求加以改进而形成的.工业以太网在网络可靠性、抗恶劣环境能力、信息传输的实时性与确定性等方面较普通商用以太网有了很大改进.工业以太网使用满足IP65防护等级的网络接头，交换机具有－45°C～75°C的宽工作温度范围，具备双冗余电源供电，具有抗振、耐腐蚀等抗恶劣环境能力，同时，工业以太网交换机还提供诸如虚拟局域网、组播、服务质量控制等必需的技术以满足工业及船舶环境对网络可靠性和实时性的要求.
工业以太网与商用以太网完全兼容，其设计和维护简单方便.船舶综合平台管理系统的主干网络采用工业以太网，可以保证系统具有高的可靠性.
2.3 采用冗余措施进一步提高网络可靠性
以太网可以采用多种拓扑结构，如总线形、星形和环形结构.办公及商业网络系统中一般采用星形结构，当需要冗余时采用双星形结构，利用生成树或快速生成树协议实现冗余链路管理和切换.该种冗余方案在网络发生故障时需要较长的恢复时间，约为1～2 s，无法满足船舶监控网络的需要.
采用光纤环形网络拓扑结构，可以提供较星形网络更高的可靠性.环形结构本身就具有链路冗余功能，并且采用光纤作为传输介质，传输速率高，不受电磁干扰的影响，图2为采用光纤构成的单环网络结构示意图.
一般情况下，采用以太网构成环路时，在网络上一个节点发送的信息将通过环路传回到该节点，并由该节点沿环路再次传播，这种信息循环极易形成广播风暴，导致网络瘫痪，因此环形网络需要具有环网协议的工业以太网交换机的支持.环网协议可以有效防止广播风暴的产生，同时为以太网提供链路冗余的功能.
在环形网络中，有一台交换机被设定为环网管理者，实时监视网络的工作状态.在网络正常时，管理者将自身与环网连接的一个端口设置成工作状态，可以正常地发送和接受信息而另一个端口则设置成阻塞状态，不对收到信息进行转发，通过该端口与环网连接的链路作为备用链路.工作时，交换机会通过这两个端口发送网络诊断数据包，如该包能够被另一个端口收到，则环网为正常，否则预示环网出现故障.管理者可以根据该信息判断出故障节点位置，使阻塞的端口恢复为工作状态，以启用备用链路恢复网络的信息传输，使网络保持畅通，这时网络实际上转变成了总线结构.根据不同厂家环网协议实现方式的不同，这一恢复时间在10～300 ms.这种单环网络可以在网络存在单点故障时保持网络正常工作.
为进一步提高网络可靠性，可以采用双环形网络，每个节点配置两台工业以太网交换机，构成相同的两个环形网络.船舶监控系统的重要设备均配置双网卡，分别连接到两个环网交换机上，对船舶运行无影响的一般设备可仅接入环网中的一个.具有双光纤环形冗余环网络的船舶综合平台管理系统如图3所示.双环网络在其中一个环路出现1个故障点，另一个环路出现任意多的故障点时，网络可以正常工作，因此具有极高的可靠性.
3 应用虚拟局域网(VLAN)技术实现信息隔离
船舶综合平台管理系统集成了船舶的多种应用子系统，这些子系统负责采集全船上万个监测点的数据，并周期性地向网络传输.同时，平台网络还可承载视频、语音等多媒体信息.如果不加以限制，由于以太网广播式的传输特性，任何子系统向网上发送的数据将传送到每一个终端，极易使网络超载，从而造成通信阻塞，并且，由于各系统共享一个网络，在任何终端上都可获取网络中的所有系统的信息，其安全性也不能得到保证.虚拟局域网技术是实现信息分离，降低网络负荷，实现信息安全可靠传播的一种有效途径.
VLAN技术可以将网络中工作性质相关但处于不同物理位置的设备组织在一起，划分成一个逻辑网段，称为一个VLAN，每个VLAN构成一个独立的广播域.在一个VLAN内部主机发送的广播信息被限制在VLAN内传播，不会影响该VLAN外的其他主机.即使两台主机位于同一交换机上的不同端口，如果不属于同一个VLAN，则其中一台发送的广播数据不会传输到另一台主机上，减少了网络广播数据流及阻塞的可能，提高了网络的可靠性.不同VLAN间的主机交换信息需要通过路由器或者三层交换机.
虚拟局域网的划分形式有3种：
(1)基于端口划分VLAN
直接设置交换机的端口使其直接从属于某个虚拟网，这些端口一直保持这些从属性，除非重新设置.该划分又称为静态虚拟网的划分.其优点是定义VLAN成员时非常简单，只需将所有端口定义一次即可.其缺点是如果用户离开原来端口，就必须重新定义.
(2)基于MAC地址划分VLAN
根据每个主机的MAC地址来划分，即对每个MAC地址的主机均配置其所属.当网络节点连接入网时，交换机通过读取网络节点MAC地址动态地将该端口划入某个虚拟网.该划分方法的优点是当用户物理位置移动时，即从一个交换机换到其他交换机时，VLAN不用重新配置.
(3)基于网络层协议划分VLAN
VLAN按网络层协议来划分可分为IP、IPX、DECnet、AppleTalk、Banyan等VLAN网络.该种方法的优点是当用户的物理位置改变时，不需要重新配置所属VLAN，而且可以根据协议类型来划分VLAN，这对网络管理者来说很重要.另外，该种方法不需要附加帧标签来识别VLAN，可以减少网络通信量.该方法的缺点是效率较低.
船舶网络中主机的安装地点是不变的，因此一般按第一种方法，即基于交换机端口划分的方法.
4 应用组播技术降低网络负荷
采用虚拟网络技术可以将广播数据流限制在不同广播域之内，从而减轻网络负荷，提高可靠性和实时性.VLAN在网络设计时已规划好，修改VLAN配置时，需要对交换机重新设置，运行时不能改变.船舶综合监控系统中，多台操作站分布于全船，不同操作站负责不同设备的监控，每台操作站上所需要的数据也有所差别，因此将所有数据发送到所有操作站显然会浪费网络带宽.如果只发送操作站需要的信息，将使网络负荷大幅度降低，从而提高网络的可用性，尤其对于视频及多媒体，该技术可以大幅度降低网络数据流量.
4.1 数据传输方式
实时通信系统软件中对实时数据的传输一般选择TCP/IP协议族中的UDP协议，UDP支持3种数据通信方式，即单播、多播(组播)和广播.
单播是点对点的单一目的数据包传递.当网上多台设备需要同一组数据时，需要给每台设备发送一次，因此会使网络负荷大幅度增加.
广播是同时给同一子网的所有主机发送数据包，因此用广播发送的数据将传送给广播域中的所有主机.船舶综合监控系统中，每个监控子系统都以广播方式发送数据易引起网络拥塞.组播允许同时给处在不同子网中的不同目的地址的主机发送相同的数据包，一次发送，多点传输，只给需要数据者发送数据，而且只需发送一次，从而节省了网络带宽.
要实现组播，首先应在网络中建立组播组，等待需要接收组播数据的终端发出加入组的申请，成功加入该组播组后就可收到组内主机发送的组播数据.当不再需要接收数据时，可向组播组发送退出申请，则该主机断开与组的连接，组播数据不会再发送给该主机.终端设备可以动态加入和退出组播组，该特性恰好符合船舶综合监控系统的需求.
在以太网上实现组播需要网上所有交换机、路由器以及主机网卡支持组播功能，同时通过应用软件对组播组的动态加入和退出进行管理支持.交换机需要支持组管理协议用于主机创建、加入和退出组，典型的组管理协议如Internet组管理协议IGMP Snooping.船舶综合监控系统需要选择支持组播的工业以太网交换机.
4.2 组播地址
组播IP地址用于标志一个IP组播组，IANA把D类地址空间分配给IP组播，其范围从224.0.0.0到239.255.255.255.D类地址的最高4位固定为“1110”，余下的28位称为“组播组ID”，也称为组地址(GDA)，其中某些组播地址是专用的.从224.0.0.1到224.0.0.255组播地址块被用于路由协议以及某些低层拓扑协议.从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技术保证关键数据的可靠传输
服务质量(QoS)是网络的一种安全机制，用来解决网络延迟和阻塞等问题，其目的是向用户提供端到端的服务质量保证.在工业以太网中采用QoS技术，可以为控制数据的实时通信提供一种保障机制.当网络过载或拥塞时，QoS能确保重要控制数据传输不受延迟或丢弃，同时保证网络的高效运行，满足对管理信息层直接访问现场设备能力需求.在交换机同时接收到多种数据包时，控制类等关键数据较其他数据类型获得优先服务，保证了关键数据的实时性.具有QoS的网络应包含3个过程：
(1)分类
具有QoS的网络能够识别哪种应用产生哪种数据包.网络需根据数据包分类决定是否进行特殊的处理.常见的分类方法为TCP和UDP端口号码、源IP地址、物理端口号码.
(2)标注化
识别分组应用后就必须对其分组进行标记处理，确保网络上的交换机可以对该应用进行优先级处理.通过采纳对数据标注的两种行业标准之一IEEE802.1P或(DSCP)，可以确保网络设备能够对该业务进行优先级处理.应确保选择的交换机支持所使用的协议.
(3)优先级处理
在LAN交换机中，多种业务队列允许分组优先级存在.较高优先级的业务可以在不受较低优先级业务的影响下通过交换机，减少对控制实时数据等业务的延迟事故.较高优先级的数据总能在无任何延迟的情况下超越所有其他业务.
船舶监控系统的应用软件设计中，应对不同类型的数据包给予不同的类别定义，规划不同优先级的端口号，以保证关键数据得到及时处理.
6 结 语
本文讨论了几种保证船舶综合平台管理系统网络可靠性的方法和技术.充分利用这些技术，可以保证所设计网络具有较高的可靠性，满足船舶环境对通信系统的要求.
参考文献(References)：
[1]张均东，任光，孙培廷.船舶监控网络中的冗余设计和实现[J].中国造船，2002，43(3)：99-104.
[2]孙明刚，刘枫，张强.S型双环冗余工业控制以太网[J].西南大学学报：自然科学版2008，30(3)：127-130.
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[4]夏学知，吴向军，张子鹤.船舶一体化网络系统技术研究[J].船舶工程，2005，27(2)：54-57.
[5]钱晓江.基于工业以太网的船舶集成网络平台[J].上海海事大学学报，2007，28(2)：48-52.
作者：江立军，王光荣，赵永生 来源：大连海事大学学报
