路由器网络拓扑论文范文

1SpaceWire网络容错特性

1．1传输方式容错每个SpaceWire路由器包含8个物理端口，端口地址取值范围1～8，此地址用于数据包的路径寻址;同时每个连入网络的节点设备的每个接口都会分配一个逻辑地址，取值范围32～255，用于进行逻辑寻址和判断接收数据包的正确性。两种寻址方式在网络中结合使用，数据包的传输方式设计有如下三种，在实际应用中由网络管理设备负责设定当前传输方式。传输方式1此方式为总线网络的优先和主要传输方式，所有节点设备和路由器的主份(或备份)工作，每两个路由器之间的组适应链路由两条独立链路共同构成，所有数据包传输采用逻辑寻址，由路由器根据路由表自动确定传输路径。从卫星管理单元主(SMU_N)向存储复接单元主(Memory/Formater_N)发送数据包格式为:＜86＞＜数据内容＞＜EOP＞，相应返回数据包格式为:＜50＞＜数据内容＞＜EOP＞。各主份路由器中配置了与逻辑寻址相关的路由地址表如表1所示，表中仅给出与上述数据包传输相关的部分。对于组链路的一组端口＜1，2＞，路由器优先选择1，其次选择2。传输方式2当传输方式1中的主干路上发生一个路由器失效或者一个组适应链路失效，如Router2_N失效，或Router2_N与Router1_N之间的组适应链路失效，则网络中的交叉链路和备份路由器启用，即Router2_R将会代替Router2_N工作，此过程由网络自动完成。数据包仍然采用逻辑寻址传递，格式与传输方式1中相同，各备份路由器中要配置与逻辑寻址相关的路由地址表。传输方式3当网络中某路由器的路由配置表发生错误时，网络采用路径寻址方式传输数据包，由于网络中链路级实现了多重冗余，因此两个节点设备间具有多个路径可选，通过静态分配的方式，可以有效避免路径上发生堵塞。如从图1中卫星管理单元主份(SMU_N)向存储复接单元主份(Memory/Formater_N)发送数据包的路径寻址格式可设定为:＜1＞＜3＞＜3＞＜1＞＜数据内容＞＜EOP＞。

1．2协议容错机制SpaceWire总线网络设计通过采取多层次的容错措施保证网络通信服务质量，如图3所示，协议容错机制包括:①链路冗余:SpaceWire总线网络的所有主(备)路由器之间采用双链路构成组适应链路，组适应链路与1553B总线的双冗余工作机制相同，为完全的热备份模式。通过预先配置路由器的路由地址表，当一条链路失效时，另一链路将自动替代。②路由冗余:网络中的路由器分为主、备两组，按热冗余方式工作。③节点冗余:SpaceWire节点设备按照主备机冗余方式设计，分别通过主份和备份路由器接入网络。当发生链路或者单机失效时，可由备份通道或者备机替代工作。④协议容错:SpaceWire网络协议分为多个层次，每层设有容错措施，物理层和信号层采用屏蔽的低电压差分信号(Low-VoltageDifferentialSignaling，LVDS)传输、DS(Data-Strobe)编码等措施，保证信号具有很强的抗干扰性能;在数据字符层设置奇偶校验位检错;数据流的传输设置4个控制字实时反馈数据包传输状态，在链路出错后可自动初始化恢复;网络层路由器具有仲裁、看门狗等功能;传输层数据包内容采用循环冗余校验(CyclicRedundancyCheck，CRC)、RS(Reed-Solomon)纠错码保护;应用层采取错误检测处理、应答、重试等手段保证通信的可靠性。⑤网络管理:在网络系统中设置网络管理设备负责网络的健康状态维护。网络管理层采用路径寻址的方法周期性对网络中的所有链路和路由器进行扫描，对于发现的故障进行修复、隔离，或对网络结构重新配置，从而保证系统连续安全可靠运行。

1．3可靠度可靠度代表总线网络能够成功进行数据包传输的概率。为便于建立可靠性模型，图1的SpaceWire总线网络简化为图3形式，路由器标记为Ax，路由器之间的组适应链路标记为Bx，交叉链路标记为Cx，所有同类型的模块具有相同的可靠度，每一级路由器和其右侧的链路共同构成网络的1级。根据图4建立整个总线网络的可靠性框图如图5所示，所有SpaceWire连接的失效率可认为相同。根据美国国家军用标准MIL-HDBK-217F手册提供的失效率模型，采用应力分析法得到路由器(A)和SpaceWire链路(C)的失效率分别为0．231(失效数/106h)和0．001092(失效数/106h)，从而计算出规模为n=4，6，11的网络系统可靠度曲线如图6所示。可见通过冗余设计，多重路由的总线型SpaceWire网络在较大规模(n=11)和长寿命(15a)条件下能够达到0．99以上，达到大部分航天器设计要求。

2网络传输性能分析

SpaceWire网络的主要目标是实现高速数据传输，目前SpaceWire芯片可达到的典型速率为200Mb/s，容错型网络拓扑可以实现更高的网络吞吐。图1的总线型网络拓扑采用主份(或备份)路由器间的组适应链路以及主备路由器间的交叉链路实现链路级三冗余，因此总线带宽最高可以达到600Mb/s，但考虑到数据包在传输过程中需要增加包装信息，有效速率会有所降低。相距n级路由器的两个节点间传递数据包最多需要增加nB的地址信息和0．5B的包尾信息，以RMAP数据包头最长20B计算，设在总线上传输的整个数据包长为NB，总线速率按照200Mb/s计算。根据式(3)得到节点距离n=5，10，20的情况下包长和有效带宽的关系曲线如图7所示。可以看到在包长较短时即使总线传输速率很高，但实际利用的有效带宽却较低，当包长达到200B以上时，有效带宽可以迅速提高到接近总线传输速率，使总线网络高速率的优势得以发挥，因此在SpaceWire总线的应用中应避免传输大量的短数据包。SpaceWire总线标准允许速度在2～200Mb/s的不同速率节点接入同一网络运行，速度过低的节点在网络中传输数据包时会较长时间占用链路，有可能导致堵塞使得其他节点发送的数据包不能及时通过而产生延时。以下分析典型情况，设定:数据包长Tp(单位为B)，链路速率V(单位为Mb/s)，路由器延时Dsw(单位为μs)，在无阻塞情况下，相距n级的两个节点间传递数据包耗时为。路由器延时Dsw为固定值，约0．5μs。图8为不同包长情况下相距n=5，10，20的两个节点间的网络传输耗时计算结果，Ds为无阻塞情况，Db为阻塞情况，链路速率V=200Mb/s。可以看出网络无阻塞情况数据包长对传输延时影响极小，而发生阻塞时长数据包造成的传输延时随网络级数增加迅速增长。图9给出不同链路速率情况下，包长Tp分别取50和1024B时的网络传输耗时结果，可以看出在速率低于50Mb/s时，无阻塞情况下数据包传输延时受包长影响仍较小;而阻塞情况下的延时随包长增加呈现指数增长，会对实际应用造成严重影响;而当速率在100Mb/s以上时，网络延时基本可稳定在较小的范围内。综合以上结果，在SpaceWire网络系统的设计中，须优化数据包种类，尽量采用长包传输以提高网络带宽利用率，同时兼顾路由器堵塞带来的延时，需根据系统允许的延时确定包长范围;为提高网络的整体效率所有链路接口可设置较高的发送速率。根据分析结果较优的参数为数据包长取200B以上，链路接口速率取100Mb/s以上。本文提出的容错型网络中通过冗余链路降低了路由器堵塞的概率，可以更好地控制网络延时。同时通过设置数据包优先级，配置路由器按优先级进行仲裁，可保证具有实时性要求的数据包优先传输。另外对于相互之间有大块数据传输的节点布置在网络中的相近位置，可以避免发生较长路径的堵塞，降低延时，如图1网络中的载荷仪器(Instrument)和存储复接单元(Memory/Formater)连接在网络同一级上，载荷仪器产生的大量业务数据可直接快速进入存储器。

3结语

本文针对SpaceWire总线网络在复杂卫星多节点应用环境下的扩展问题，提出单向延伸总线型网络拓扑，可将航天器上大量计算机设备和子系统纳入统一高速网络，实现并发消息传输和信息实时交互。通过网络结构的对称冗余设计提高了网络工作方式的灵活性和系统长期可靠度，在网络系统各层协议采取的容错处理机制保证了传输服务质量，满足星载应用要求。对网络特性分析结果表明，根据数据业务特点对网络数据包长度、链路接口速率和节点设备在网络中的位置布局进行优化设计，才能较好地发挥网络性能。后续可进一步完成网络仿真和验证工作。

作者：牛跃华赵文彦单位：北京空间飞行器总体设计部