简析网络基于共享内存AFDX航空网络交换机设计

论文导读：1存储访问周期29-303.4.2平均排队时延和平均队列大小30-313.5数值模拟31-353.5.1平均排队时延数值模拟31-333.5.2平均队列大小数值模拟33-353.6本章小结35-364实验平台介绍36-464.1实验平台需求36-374.2OPNETModeler介绍374.3OPNETModeler结构37-454.3.1建模与重构38-444.3.2数据收集与仿真44-454.3.3浅析4
摘要：AFDX已经成为新一代航空网络通信的标准，被运用在诸如A380等大型客机上。AFDX网络相比上一代航空网络来说，有极其显著的优势，例如全双工、高带宽、低时延、低丢包率和低成本等。作为新型的航空数据总线，AFDX为了满足航空数据传输的实时性和可靠性的需求，采取了传统以太网技术，并对传统以太网技术进行改造。在AFDX航空网络中，交换机相互连接组成的AFDX互连系统构成了AFDX网络数据通信的主体，交换机的性能对AFDX整体性能起着举足轻重的作用。在众多已有的交换机架构中，共享内存架构技术提出的时间非常早，进展至今已经非常成熟。然而共享内存架构本身固有的缺点，导致其可靠性差，不易扩展，究其理由主要是交换机所有输入和输出端口共享一块内存和一个调度器，以而导致严重的资源竞争、调度时延和抖动。本论文基于共享内存架构，对交换机所有输入和输出端口共享的内存采取空间分离技术，同时对调度器采取异步调度技术，针对AFDX网络提出一种新型架构的交换机——空分共享内存交换机（Space Partitioned Shared Memory Switch，简称SPS）。论文的主要工作和探讨成果如下：（1）探讨AFDX协议的内容以及AFDX航空网络的组成、特性及其有别于其它网络的属性，包括航空电子子系统、AFDX终端、AFDX互连系统以及虚拟链路等。充分掌握了AFDX网络的静态特性，包括带宽静态性和路由静态性等，并意识到AFDX交换机在整个AFDX网络中起着不可或缺的作用。（2）探讨传统计算机网络中各种架构类型的交换机，并着重于共享内存架构，缘于其结构简单、硬件成本低和硬件利用率高的特点。总结出共享内存交换机的优点和缺点，并指出这些优缺点适合与不适合AFDX网络的理由。（3）结合AFDX网络的静态性与共享内存架构的简单高效，设计出一种新型的空分共享内存交换机，即SPS交换机。SPS交换机每一个输出端口都拥有一块内存和一个子调度器，去往某个输出端口的包由对应于该输出端口的子调度器进行调度，然后存放于对应于该输出端口的内存中，最后以该输出端口发送出去。不同输出端口的内存之间没有任何交集，这大大减小了内存资源的竞争和冲突，以而降低了数据包经过交换机的时延。同时由于流经一个输出端口的总的网络带宽是确定的，所以设置该输出端口对应的内存大小不少于总的带宽乘以一个调度单元，以而在内存资源不浪费的情况下基本不会出现包溢出的情况，丢包率大大降低。（4）通过OPNET Modeler对本论文提出的SPS交换机和传统共享内存交换机进行网络模拟与仿真，发现SPS交换机的性能得到很大改善，在保证100%的吞吐量的前提下，数据包进出交换机的时延、在缓冲区即内存中的排队时延以及缓冲队列大小都大大降低。关键词：AFDX航空网络论文共享内存架构论文交换机设计论文网络模拟论文
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ABSTRACT7-12
1 绪论12-18

1.1 引言12-13

1.2 论文探讨目标13-14

1.3 国内外探讨近况14-15

1.4 论文结构15-18

2 背景介绍18-26

2.1 AFDX 网络18-21

2.2 AFDX 交换机21

2.3 共享内存交换机21-23

2.4 技术难题23-25

2.4.1 共享内存难题24-25

2.4.2 调度器难题25

2.5 本章小结25-26

3 系统模型与浅析26-36

3.1 SPS 架构26-27

3.2 空间分离27-28

3.3 异步调度28-29

3.4 浅析29-31

3.4.1 存储访问周期29-30

3.4.2 平均排队时延和平均队列大小30-31

3.5 数值模拟31-35

3.5.1 平均排队时延数值模拟31-33

3.5.2 平均队列大小数值模拟33-35

3.6 本章小结35-36

4 实验平台介绍36-46

4.1 实验平台需求36-37

4.2 OPNET Modeler 介绍37

4.3 OPNET Modeler 结构37-45

4.

3.1 建模与重构38-44

4.

3.2 数据收集与仿真44-45

4.

3.3 浅析45

4.4 本章小结45-46
5论文导读：上一页12
实验仿真46-60

5.1 数据帧格式46-47

5.2 链路格式47

5.3 数据生成节点47-49

5.4 数据接收节点49-50

5.5 交换机节点50-56

5.1 单进程单队列交换机节点51-53

5.2 多进程多队列交换机节点53-55

5.3 主进程模型55-56

5.4 子进程模型56

5.6 交换机结构图56-59

5.7 本章小结59-60

6 结果浅析与讨论60-68

6.1 端到端时延的浅析60-61

6.2 排队时延的浅析61-62

6.3 队列大小的浅析62-63

6.4 SPS 交换机的队列大小细则63-64

6.5 SPS 交换机端口数对性能的影响64-67

6.6 本章小结67-68

7 总结与展望68-70
参考文献70-74
致谢74-76
攻读学位期间发表的学术论文目录76