4. 机载网络拓扑与数据流建模

机载以太网确定性通信的设计起点，不是直接去调交换机参数，而是先把“网络里有什么、数据怎么走、什么时候走、一次走多少”描述清楚。这一节要建立的模型，是后续做时间同步、流量整形、队列调度和时延分析的共同输入。模型建错，后面所有配置都会失去意义。

一、拓扑模型：交换机与端系统构成的有向图

机载网络通常采用交换式以太网，物理上表现为星型或混合星型结构，逻辑上是一个有向图。建模时把每个交换机端口和每个端系统接口视为图的顶点，把物理链路视为带属性的边。边的属性至少包括：链路速率（如 100 Mbps、1 Gbps）、传播时延（约 5 ns/m 铜缆）、是否全双工。顶点属性包括：端系统标识、MAC/IP 地址、所属功能域（如飞控、航电、任务）。

交换机内部不是简单转发，而是“输入端口—交换结构—输出端口”的三级结构。建模时必须区分存储转发与直通两种模式：存储转发要等整帧收完再转发，引入的时延与帧长成正比；直通在收到目的地址后立即转发，时延小但无法做错误帧过滤。机载确定性网络通常采用存储转发，以便在输出端口做整形和调度。

二、虚拟链路：把“谁发给谁”抽象成逻辑通道

虚拟链路（Virtual Link, VL）是 ARINC 664 等机载网络中的核心抽象。一条 VL 由五元组定义：源端系统、目的端系统集合、VL ID、最大帧长、带宽分配间隔 BAG。VL 把物理上共享的交换网络切分成多条逻辑上独立的通道，每条通道有独立的带宽和时延保证。

VL 分为两类：单播 VL（一个源到一个目的）和多播 VL（一个源到多个目的）。多播在交换机上通过复制实现：交换机收到一帧后，根据目的端口集合复制到多个输出端口。复制会消耗交换结构带宽，建模时要把复制因子计入交换机的内部负载。

三、数据流周期与突发特性建模

机载数据流按时间特性分为三类：周期流（如传感器采样，固定周期）、偶发流（如事件告警，随机到达）、尽力而为流（如文件传输，无时间保证）。确定性通信主要关注周期流和偶发流。

周期流用三个参数描述：周期 T、每周期帧数 n、单帧长度 L。等效带宽为 n·L/T。但仅看平均带宽不够，还要看突发度。突发度定义为“一个 BAG 内实际到达的比特数”与“按平均速率应到达的比特数”之比。例如某 VL 的 BAG=2 ms，每周期发 2 帧、每帧 1000 bit，则平均速率 1 Mbps；若两帧在 0.1 ms 内连续到达，瞬时速率达 20 Mbps，突发度为 20。突发度高的流会在交换机输出端口形成队列堆积，是时延抖动的主要来源。

建模时对每条 VL 记录以下参数表，作为后续配置和验证的基线：

表中 VL101 的突发度为 20，说明它在 2 ms 窗口内集中发送，交换机输出端口需要预留足够缓冲，否则会与 VL103 的周期帧发生冲突。VL102 是多播，交换机 SW1 需要向两个端口复制，内部负载按 2 倍计算。

四、从模型到可执行配置

建模的最终产出是一份可被交换机接受的配置。以 VL101 为例，在交换机 SW1 的端口 3（连接 ES-C）上，需要配置：VL ID 101、目的 MAC 映射、BAG=2 ms、最大帧长 1000 bit、优先级。配置片段如下：

# SW1 端口3 输出整形配置（示例）
vl 101 {
  dest_mac 00:1A:2B:00:00:C1
  bag 2ms
  max_frame 1000
  priority 3
  queue 2
}
# 多播 VL102 在端口3、端口4 各复制一份
vl 102 {
  dest_mac 00:1A:2B:00:00:C2
  dest_mac 00:1A:2B:00:00:C3
  bag 4ms
  max_frame 800
  priority 2
  queue 1
}

配置完成后，判断模型是否正确的依据是：每条 VL 的实际到达曲线是否落在其 BAG 约束内；交换机输出端口的队列深度是否不超过预留缓冲；端到端时延是否小于该 VL 的时延上限。若某条 VL 的突发度远高于设计值，应回到源端系统检查发送调度，而不是单纯加大交换机缓冲。

这张图把拓扑、VL 类型和突发特性放在同一视图中：左侧端系统经交换机连到右侧端系统，VL101 和 VL103 是单播，VL102 是多播并在交换机内复制；下方到达曲线显示 VL101 在 BAG 窗口内集中发送两帧，瞬时速率远高于平均速率。建模时若忽略这个突发，输出端口队列会在每个 BAG 边界出现尖峰，导致后续帧的时延抖动超出预期。

完成本节建模后，应得到三份可交付物：一份拓扑有向图（含端口速率和时延）、一张 VL 参数表（含 BAG、帧长、突发度）、一份交换机端口整形配置草案。这三份东西是后续做时间同步、队列调度和端到端时延验证的输入。模型中的每个参数都应有明确来源：来自 ICD、来自传感器手册、或来自设计假设，并标注清楚，避免后续排障时无法追溯。