路由器網絡拓撲論文范文

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1SpaceWire網絡容錯特性

1．1傳輸方式容錯每個SpaceWire路由器包含8個物理端口，端口地址取值范圍1～8，此地址用于數據包的路徑尋址;同時每個連入網絡的節點設備的每個接口都會分配一個邏輯地址，取值范圍32～255，用于進行邏輯尋址和判斷接收數據包的正確性。兩種尋址方式在網絡中結合使用，數據包的傳輸方式設計有如下三種，在實際應用中由網絡管理設備負責設定當前傳輸方式。傳輸方式1此方式為總線網絡的優先和主要傳輸方式，所有節點設備和路由器的主份(或備份)工作，每兩個路由器之間的組適應鏈路由兩條獨立鏈路共同構成，所有數據包傳輸采用邏輯尋址，由路由器根據路由表自動確定傳輸路徑。從衛星管理單元主(SMU_N)向存儲復接單元主(Memory/Formater_N)發送數據包格式為:＜86＞＜數據內容＞＜EOP＞，相應返回數據包格式為:＜50＞＜數據內容＞＜EOP＞。各主份路由器中配置了與邏輯尋址相關的路由地址表如表1所示，表中僅給出與上述數據包傳輸相關的部分。對于組鏈路的一組端口＜1，2＞，路由器優先選擇1，其次選擇2。傳輸方式2當傳輸方式1中的主干路上發生一個路由器失效或者一個組適應鏈路失效，如Router2_N失效，或Router2_N與Router1_N之間的組適應鏈路失效，則網絡中的交叉鏈路和備份路由器啟用，即Router2_R將會代替Router2_N工作，此過程由網絡自動完成。數據包仍然采用邏輯尋址傳遞，格式與傳輸方式1中相同，各備份路由器中要配置與邏輯尋址相關的路由地址表。傳輸方式3當網絡中某路由器的路由配置表發生錯誤時，網絡采用路徑尋址方式傳輸數據包，由于網絡中鏈路級實現了多重冗余，因此兩個節點設備間具有多個路徑可選，通過靜態分配的方式，可以有效避免路徑上發生堵塞。如從圖1中衛星管理單元主份(SMU_N)向存儲復接單元主份(Memory/Formater_N)發送數據包的路徑尋址格式可設定為:＜1＞＜3＞＜3＞＜1＞＜數據內容＞＜EOP＞。

1．2協議容錯機制SpaceWire總線網絡設計通過采取多層次的容錯措施保證網絡通信服務質量，如圖3所示，協議容錯機制包括:①鏈路冗余:SpaceWire總線網絡的所有主(備)路由器之間采用雙鏈路構成組適應鏈路，組適應鏈路與1553B總線的雙冗余工作機制相同，為完全的熱備份模式。通過預先配置路由器的路由地址表，當一條鏈路失效時，另一鏈路將自動替代。②路由冗余:網絡中的路由器分為主、備兩組，按熱冗余方式工作。③節點冗余:SpaceWire節點設備按照主備機冗余方式設計，分別通過主份和備份路由器接入網絡。當發生鏈路或者單機失效時，可由備份通道或者備機替代工作。④協議容錯:SpaceWire網絡協議分為多個層次，每層設有容錯措施，物理層和信號層采用屏蔽的低電壓差分信號(Low-VoltageDifferentialSignaling，LVDS)傳輸、DS(Data-Strobe)編碼等措施，保證信號具有很強的抗干擾性能;在數據字符層設置奇偶校驗位檢錯;數據流的傳輸設置4個控制字實時反饋數據包傳輸狀態，在鏈路出錯后可自動初始化恢復;網絡層路由器具有仲裁、看門狗等功能;傳輸層數據包內容采用循環冗余校驗(CyclicRedundancyCheck，CRC)、RS(Reed-Solomon)糾錯碼保護;應用層采取錯誤檢測處理、應答、重試等手段保證通信的可靠性。⑤網絡管理:在網絡系統中設置網絡管理設備負責網絡的健康狀態維護。網絡管理層采用路徑尋址的方法周期性對網絡中的所有鏈路和路由器進行掃描，對于發現的故障進行修復、隔離，或對網絡結構重新配置，從而保證系統連續安全可靠運行。

1．3可靠度可靠度代表總線網絡能夠成功進行數據包傳輸的概率。為便于建立可靠性模型，圖1的SpaceWire總線網絡簡化為圖3形式，路由器標記為Ax，路由器之間的組適應鏈路標記為Bx，交叉鏈路標記為Cx，所有同類型的模塊具有相同的可靠度，每一級路由器和其右側的鏈路共同構成網絡的1級。根據圖4建立整個總線網絡的可靠性框圖如圖5所示，所有SpaceWire連接的失效率可認為相同。根據美國國家軍用標準MIL-HDBK-217F手冊提供的失效率模型，采用應力分析法得到路由器(A)和SpaceWire鏈路(C)的失效率分別為0．231(失效數/106h)和0．001092(失效數/106h)，從而計算出規模為n=4，6，11的網絡系統可靠度曲線如圖6所示。可見通過冗余設計，多重路由的總線型SpaceWire網絡在較大規模(n=11)和長壽命(15a)條件下能夠達到0．99以上，達到大部分航天器設計要求。

2網絡傳輸性能分析

SpaceWire網絡的主要目標是實現高速數據傳輸，目前SpaceWire芯片可達到的典型速率為200Mb/s，容錯型網絡拓撲可以實現更高的網絡吞吐。圖1的總線型網絡拓撲采用主份(或備份)路由器間的組適應鏈路以及主備路由器間的交叉鏈路實現鏈路級三冗余，因此總線帶寬最高可以達到600Mb/s，但考慮到數據包在傳輸過程中需要增加包裝信息，有效速率會有所降低。相距n級路由器的兩個節點間傳遞數據包最多需要增加nB的地址信息和0．5B的包尾信息，以RMAP數據包頭最長20B計算，設在總線上傳輸的整個數據包長為NB，總線速率按照200Mb/s計算。根據式(3)得到節點距離n=5，10，20的情況下包長和有效帶寬的關系曲線如圖7所示。可以看到在包長較短時即使總線傳輸速率很高，但實際利用的有效帶寬卻較低，當包長達到200B以上時，有效帶寬可以迅速提高到接近總線傳輸速率，使總線網絡高速率的優勢得以發揮，因此在SpaceWire總線的應用中應避免傳輸大量的短數據包。SpaceWire總線標準允許速度在2～200Mb/s的不同速率節點接入同一網絡運行，速度過低的節點在網絡中傳輸數據包時會較長時間占用鏈路，有可能導致堵塞使得其他節點發送的數據包不能及時通過而產生延時。以下分析典型情況，設定:數據包長Tp(單位為B)，鏈路速率V(單位為Mb/s)，路由器延時Dsw(單位為μs)，在無阻塞情況下，相距n級的兩個節點間傳遞數據包耗時為。路由器延時Dsw為固定值，約0．5μs。圖8為不同包長情況下相距n=5，10，20的兩個節點間的網絡傳輸耗時計算結果，Ds為無阻塞情況，Db為阻塞情況，鏈路速率V=200Mb/s。可以看出網絡無阻塞情況數據包長對傳輸延時影響極小，而發生阻塞時長數據包造成的傳輸延時隨網絡級數增加迅速增長。圖9給出不同鏈路速率情況下，包長Tp分別取50和1024B時的網絡傳輸耗時結果，可以看出在速率低于50Mb/s時，無阻塞情況下數據包傳輸延時受包長影響仍較小;而阻塞情況下的延時隨包長增加呈現指數增長，會對實際應用造成嚴重影響;而當速率在100Mb/s以上時，網絡延時基本可穩定在較小的范圍內。綜合以上結果，在SpaceWire網絡系統的設計中，須優化數據包種類，盡量采用長包傳輸以提高網絡帶寬利用率，同時兼顧路由器堵塞帶來的延時，需根據系統允許的延時確定包長范圍;為提高網絡的整體效率所有鏈路接口可設置較高的發送速率。根據分析結果較優的參數為數據包長取200B以上，鏈路接口速率取100Mb/s以上。本文提出的容錯型網絡中通過冗余鏈路降低了路由器堵塞的概率，可以更好地控制網絡延時。同時通過設置數據包優先級，配置路由器按優先級進行仲裁，可保證具有實時性要求的數據包優先傳輸。另外對于相互之間有大塊數據傳輸的節點布置在網絡中的相近位置，可以避免發生較長路徑的堵塞，降低延時，如圖1網絡中的載荷儀器(Instrument)和存儲復接單元(Memory/Formater)連接在網絡同一級上，載荷儀器產生的大量業務數據可直接快速進入存儲器。

3結語

本文針對SpaceWire總線網絡在復雜衛星多節點應用環境下的擴展問題，提出單向延伸總線型網絡拓撲，可將航天器上大量計算機設備和子系統納入統一高速網絡，實現并發消息傳輸和信息實時交互。通過網絡結構的對稱冗余設計提高了網絡工作方式的靈活性和系統長期可靠度，在網絡系統各層協議采取的容錯處理機制保證了傳輸服務質量，滿足星載應用要求。對網絡特性分析結果表明，根據數據業務特點對網絡數據包長度、鏈路接口速率和節點設備在網絡中的位置布局進行優化設計，才能較好地發揮網絡性能。后續可進一步完成網絡仿真和驗證工作。

作者：牛躍華趙文彥單位：北京空間飛行器總體設計部