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如何調校軍用乙太網路
( 2007年7月1日)
Steve Rood Goldman, Data Device
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美國國防部網路中心戰計畫確保了IP網路和乙太網路絡的存在，乙太網路絡已經在大量軍用系統中建置或實施，包括運輸、偵察、轟炸機、UAV及旋翼式飛機、軍用地面車輛及多種海軍艦艇。對於軍事應用來說，乙太網路並不是能夠直接植入的解決方案，例如，感測器連接與控制應用會產生不相容某些乙太網路實施的突發、延遲敏感的網路訊號。
乙太網路物理與鏈結層協定由專用的電腦系統硬體管理，而上層協議(包括TCP/IP和UDP/IP)則由處理器軟體來處理。對於低速連接，處理器頻寬會有剩餘。隨著軍用應用向十億位元的速度過渡，嵌入式處理器的資源不足以應付額外的處理開銷，造成了吞吐量的限制和資料抖動。協定卸載(Protocol offloading)與共同處理技術提高全面處理器性能，滿足網路性能需要的新方法。卸載過程透過提供硬體來協助主處理器的網路協定處理以提供高效能，而共同處理可用於處理全部或部分的網路應用。
乙太網路協議處理
為了說明由乙太網路協定處理產生的負荷的意義，使用兩種採用1GHz 7455 PowerPC處理器的單板電腦(SBC)進行評估。兩種SBC都運行VxWorks 5.5即時操作系統。單板電腦上整合的十億位元乙太網路埠透過管理交換機連接以實現監控。單板電腦用作資料發射機，而另一台作為接收機。透過調整消息及資料緩衝區大小來改變吞吐量，並對CPU負荷進行監視。為了大致地類比嵌入式系統的行為，應用一項透過計算多項式根的任務函數來盡可能多的佔用 CPU 。
如圖1a所示，雖然吞吐量在增加，但對作業系統核心任務的影響仍然沒什麼變化。包括TCP/IP協議棧運行的NetTask，隨吞吐量的增加而增加，幾乎使處理器的全部容量以大於50MB/s 的速度用於接收資料包。
圖1b顯示了使用TCP/IP減負引擎(TOE)設備代替SBC整合乙太網路埠的效果。在這種情況下，NetTask佔用不到10%的處理器容量，剩下了大量的容量給任務函數。
圖2顯示了TOE設備的示例＜DDC ET-71000十億位元乙太網路接取控制器。這種為堅固的軍事應用而設計的夾層電子板卡，使用基於處理器的TOE實施來提供全面、透明的減負協議堆疊。與商用乙太網路控制器相比，這種處理器支援大範圍的溫度運行，並提供了增強服務品質及冗餘協定所需的彈性。
提高可靠性
另一種對基於IP的乙太網路的性能限制，是提供最佳的服務，也就是說無法保證吞吐量或延遲。IP提供了優先權佇列資料的方法，需要額外的協定來分類並管理網路流量。
用於商用IP網路中的區分服務，使用少量的優先權等級來統計性地分配網路頻寬。DiffServ並非需要保證延遲界限的軍事應用的良好選擇。整合服務協定管理透過網路資料流程，可提供保證的服務。但這種細粒度管理方法需要網路中的所有的路由器實施IntServ協議，並保存每個資料流程的狀態資訊。記憶體開銷隨網路增大而增加，導致IntServ 對大型商業網絡的成本高昂，對於小型封閉的軍用網路反而更為實用。
商用飛機產業已經開始實施基於ARINC 664標準的網路，一種10/100Mbps乙太網路的版本，來提供頻寬管理及冗餘功能。透過設定最大的畫幅尺寸和在幅間插入空白幅，ARINC 664可以控制分配到單個航空電子子系統中的網路頻寬。這樣，游離的子系統就無法影響其他子系統了。
除了可預見的穩定性外，可靠性也是對軍用網路的重要要求。可採用冗餘機制來確保乙太網路IP網路的高可用性。傳輸控制協議(TCP)提供了時間冗餘，並重發無應答的資料包，但TCP的重發可能導致網路擁堵及不可預見的延遲。某些協定，如實時流協定(RSTP)和鏈路彙聚控制協定(LACP)用於提供商用網路中的冗餘，但採用以秒為順序來響應鏈結故障的方式。軍用系統需要更迅速的恢復技術來防止資料損失。
ARINC 664同時在兩個獨立路徑上傳輸資料，提供了雙冗餘機制。在接收機一端進行錯誤檢測，然後找出重複的資料包並將其丟棄。錯誤檢測與恢復對網路應用是完全透明，因此採用這種冗餘方法不存在故障轉移時間或資料損失，非常適合軍用網路的應用。
商用技術需針對軍用規格進行最佳化
網路技術在商業領域的成功激發人們對乙太網路軍事應用的興趣，但軍用系統設計人員透過重用商業十億位元乙太網路產品，不一定能達到令人滿意的結果。嚴格的邊界性能將軍事應用與商業應用徹底區分開。然而，最初由商業應用推動的技術，包括主卸載和品質服務協定，是解決方案的良好起點，能軍事應用做進一步的修正與改進。
關於作者
Steve Rood Goldman是Data Device Corporation的產品經理。105 Wilbur Place, Bohemia, NY; (631) 567-5600; www.ddc-web.com.
Click here for Illustrations:
Figure 1A
Figure 1B
Figure 2 |
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