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路由器包含8個(gè)物理端口，端口地址取值范圍1～8，此地址用于數(shù)據(jù)包的路徑尋址;同時(shí)每個(gè)連入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)設(shè)備的每個(gè)接口都會(huì)分配一個(gè)邏輯地址，取值范圍32～255，用于進(jìn)行邏輯尋址和判斷接收數(shù)據(jù)包的正確性。兩種尋址方式在網(wǎng)絡(luò)中結(jié)合使用，數(shù)據(jù)包的傳輸方式設(shè)計(jì)有如下三種，在實(shí)際應(yīng)用中由網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備負(fù)責(zé)設(shè)定當(dāng)前傳輸方式。傳輸方式1此方式為總線網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)先和主要傳輸方式，所有節(jié)點(diǎn)設(shè)備和路由器的主份(或備份)工作，每?jī)蓚€(gè)路由器之間的組適應(yīng)鏈路由兩條獨(dú)立鏈路共同構(gòu)成，所有數(shù)據(jù)包傳輸采用邏輯尋址，由路由器根據(jù)路由表自動(dòng)確定傳輸路徑。從衛(wèi)星管理單元主(SMU_N)向存儲(chǔ)復(fù)接單元主(Memory/Formater_N)發(fā)送數(shù)據(jù)包格式為:＜86＞＜數(shù)據(jù)內(nèi)容＞＜EOP＞，相應(yīng)返回?cái)?shù)據(jù)包格式為:＜50＞＜數(shù)據(jù)內(nèi)容＞＜EOP＞。各主份路由器中配置了與邏輯尋址相關(guān)的路由地址表如表1所示，表中僅給出與上述數(shù)據(jù)包傳輸相關(guān)的部分。對(duì)于組鏈路的一組端口＜1，2＞，路由器優(yōu)先選擇1，其次選擇2。傳輸方式2當(dāng)傳輸方式1中的主干路上發(fā)生一個(gè)路由器失效或者一個(gè)組適應(yīng)鏈路失效，如Router2_N失效，或Router2_N與Router1_N之間的組適應(yīng)鏈路失效，則網(wǎng)絡(luò)中的交叉鏈路和備份路由器啟用，即Router2_R將會(huì)代替Router2_N工作，此過(guò)程由網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)完成。數(shù)據(jù)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(guān)的路由地址表。傳輸方式3當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中某路由器的路由配置表發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，網(wǎng)絡(luò)采用路徑尋址方式傳輸數(shù)據(jù)包，由于網(wǎng)絡(luò)中鏈路級(jí)實(shí)現(xiàn)了多重冗余，因此兩個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備間具有多個(gè)路徑可選，通過(guò)靜態(tài)分配的方式，可以有效避免路徑上發(fā)生堵塞。如從圖1中衛(wèi)星管理單元主份(SMU_N)向存儲(chǔ)復(fù)接單元主份(Memory/Formater_N)發(fā)送數(shù)據(jù)包的路徑尋址格式可設(shè)定為:＜1＞＜3＞＜3＞＜1＞＜數(shù)據(jù)內(nèi)容＞＜EOP＞。

1．2協(xié)議容錯(cuò)機(jī)制SpaceWire總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)通過(guò)采取多層次的容錯(cuò)措施保證網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)質(zhì)量，如圖3所示，協(xié)議容錯(cuò)機(jī)制包括:①鏈路冗余:SpaceWire總線網(wǎng)絡(luò)的所有主(備)路由器之間采用雙鏈路構(gòu)成組適應(yīng)鏈路，組適應(yīng)鏈路與1553B總線的雙冗余工作機(jī)制相同，為完全的熱備份模式。通過(guò)預(yù)先配置路由器的路由地址表，當(dāng)一條鏈路失效時(shí)，另一鏈路將自動(dòng)替代。②路由冗余:網(wǎng)絡(luò)中的路由器分為主、備兩組，按熱冗余方式工作。③節(jié)點(diǎn)冗余:SpaceWire節(jié)點(diǎn)設(shè)備按照主備機(jī)冗余方式設(shè)計(jì)，分別通過(guò)主份和備份路由器接入網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)發(fā)生鏈路或者單機(jī)失效時(shí)，可由備份通道或者備機(jī)替代工作。④協(xié)議容錯(cuò):SpaceWire網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分為多個(gè)層次，每層設(shè)有容錯(cuò)措施，物理層和信號(hào)層采用屏蔽的低電壓差分信號(hào)(Low-VoltageDifferentialSignaling，LVDS)傳輸、DS(Data-Strobe)編碼等措施，保證信號(hào)具有很強(qiáng)的抗干擾性能;在數(shù)據(jù)字符層設(shè)置奇偶校驗(yàn)位檢錯(cuò);數(shù)據(jù)流的傳輸設(shè)置4個(gè)控制字實(shí)時(shí)反饋數(shù)據(jù)包傳輸狀態(tài)，在鏈路出錯(cuò)后可自動(dòng)初始化恢復(fù);網(wǎng)絡(luò)層路由器具有仲裁、看門(mén)狗等功能;傳輸層數(shù)據(jù)包內(nèi)容采用循環(huán)冗余校驗(yàn)(CyclicRedundancyCheck，CRC)、RS(Reed-Solomon)糾錯(cuò)碼保護(hù);應(yīng)用層采取錯(cuò)誤檢測(cè)處理、應(yīng)答、重試等手段保證通信的可靠性。⑤網(wǎng)絡(luò)管理:在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中設(shè)置網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的健康狀態(tài)維護(hù)。網(wǎng)絡(luò)管理層采用路徑尋址的方法周期性對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的所有鏈路和路由器進(jìn)行掃描，對(duì)于發(fā)現(xiàn)的故障進(jìn)行修復(fù)、隔離，或?qū)W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)重新配置，從而保證系統(tǒng)連續(xù)安全可靠運(yùn)行。

1．3可靠度可靠度代表總線網(wǎng)絡(luò)能夠成功進(jìn)行數(shù)據(jù)包傳輸?shù)母怕?。為便于建立可靠性模型，圖1的SpaceWire總線網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)化為圖3形式，路由器標(biāo)記為Ax，路由器之間的組適應(yīng)鏈路標(biāo)記為Bx，交叉鏈路標(biāo)記為Cx，所有同類(lèi)型的模塊具有相同的可靠度，每一級(jí)路由器和其右側(cè)的鏈路共同構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的1級(jí)。根據(jù)圖4建立整個(gè)總線網(wǎng)絡(luò)的可靠性框圖如圖5所示，所有SpaceWire連接的失效率可認(rèn)為相同。根據(jù)美國(guó)國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-HDBK-217F手冊(cè)提供的失效率模型，采用應(yīng)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(shù)/106h)和0．001092(失效數(shù)/106h)，從而計(jì)算出規(guī)模為n=4，6，11的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠度曲線如圖6所示?？梢?jiàn)通過(guò)冗余設(shè)計(jì)，多重路由的總線型SpaceWire網(wǎng)絡(luò)在較大規(guī)模(n=11)和長(zhǎng)壽命(15a)條件下能夠達(dá)到0．99以上，達(dá)到大部分航天器設(shè)計(jì)要求。

2網(wǎng)絡(luò)傳輸性能分析

SpaceWire網(wǎng)絡(luò)的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，目前SpaceWire芯片可達(dá)到的典型速率為200Mb/s，容錯(cuò)型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/a>可以實(shí)現(xiàn)更高的網(wǎng)絡(luò)吞吐。圖1的總線型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳捎弥鞣?或備份)路由器間的組適應(yīng)鏈路以及主備路由器間的交叉鏈路實(shí)現(xiàn)鏈路級(jí)三冗余，因此總線帶寬最高可以達(dá)到600Mb/s，但考慮到數(shù)據(jù)包在傳輸過(guò)程中需要增加包裝信息，有效速率會(huì)有所降低。相距n級(jí)路由器的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間傳遞數(shù)據(jù)包最多需要增加nB的地址信息和0．5B的包尾信息，以RMAP數(shù)據(jù)包頭最長(zhǎng)20B計(jì)算，設(shè)在總線上傳輸?shù)恼麄€(gè)數(shù)據(jù)包長(zhǎng)為NB，總線速率按照200Mb/s計(jì)算。根據(jù)式(3)得到節(jié)點(diǎn)距離n=5，10，20的情況下包長(zhǎng)和有效帶寬的關(guān)系曲線如圖7所示?？梢钥吹皆诎L(zhǎng)較短時(shí)即使總線傳輸速率很高，但實(shí)際利用的有效帶寬卻較低，當(dāng)包長(zhǎng)達(dá)到200B以上時(shí)，有效帶寬可以迅速提高到接近總線傳輸速率，使總線網(wǎng)絡(luò)高速率的優(yōu)勢(shì)得以發(fā)揮，因此在SpaceWire總線的應(yīng)用中應(yīng)避免傳輸大量的短數(shù)據(jù)包。SpaceWire總線標(biāo)準(zhǔn)允許速度在2～200Mb/s的不同速率節(jié)點(diǎn)接入同一網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，速度過(guò)低的節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù)包時(shí)會(huì)較長(zhǎng)時(shí)間占用鏈路，有可能導(dǎo)致堵塞使得其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包不能及時(shí)通過(guò)而產(chǎn)生延時(shí)。以下分析典型情況，設(shè)定:數(shù)據(jù)包長(zhǎng)Tp(單位為B)，鏈路速率V(單位為Mb/s)，路由器延時(shí)Dsw(單位為μs)，在無(wú)阻塞情況下，相距n級(jí)的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間傳遞數(shù)據(jù)包耗時(shí)為。路由器延時(shí)Dsw為固定值，約0．5μs。圖8為不同包長(zhǎng)情況下相距n=5，10，20的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的網(wǎng)絡(luò)傳輸耗時(shí)計(jì)算結(jié)果，Ds為無(wú)阻塞情況，Db為阻塞情況，鏈路速率V=200Mb/s?？梢钥闯鼍W(wǎng)絡(luò)無(wú)阻塞情況數(shù)據(jù)包長(zhǎng)對(duì)傳輸延時(shí)影響極小，而發(fā)生阻塞時(shí)長(zhǎng)數(shù)據(jù)包造成的傳輸延時(shí)隨網(wǎng)絡(luò)級(jí)數(shù)增加迅速增長(zhǎng)。圖9給出不同鏈路速率情況下，包長(zhǎng)Tp分別取50和1024B時(shí)的網(wǎng)絡(luò)傳輸耗時(shí)結(jié)果，可以看出在速率低于50Mb/s時(shí)，無(wú)阻塞情況下數(shù)據(jù)包傳輸延時(shí)受包長(zhǎng)影響仍較小;而阻塞情況下的延時(shí)隨包長(zhǎng)增加呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)，會(huì)對(duì)實(shí)際應(yīng)用造成嚴(yán)重影響;而當(dāng)速率在100Mb/s以上時(shí)，網(wǎng)絡(luò)延時(shí)基本可穩(wěn)定在較小的范圍內(nèi)。綜合以上結(jié)果，在SpaceWire網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，須優(yōu)化數(shù)據(jù)包種類(lèi)，盡量采用長(zhǎng)包傳輸以提高網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率，同時(shí)兼顧路由器堵塞帶來(lái)的延時(shí)，需根據(jù)系統(tǒng)允許的延時(shí)確定包長(zhǎng)范圍;為提高網(wǎng)絡(luò)的整體效率所有鏈路接口可設(shè)置較高的發(fā)送速率。根據(jù)分析結(jié)果較優(yōu)的參數(shù)為數(shù)據(jù)包長(zhǎng)取200B以上，鏈路接口速率取100Mb/s以上。本文提出的容錯(cuò)型網(wǎng)絡(luò)中通過(guò)冗余鏈路降低了路由器堵塞的概率，可以更好地控制網(wǎng)絡(luò)延時(shí)。同時(shí)通過(guò)設(shè)置數(shù)據(jù)包優(yōu)先級(jí)，配置路由器按優(yōu)先級(jí)進(jìn)行仲裁，可保證具有實(shí)時(shí)性要求的數(shù)據(jù)包優(yōu)先傳輸。另外對(duì)于相互之間有大塊數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)布置在網(wǎng)絡(luò)中的相近位置，可以避免發(fā)生較長(zhǎng)路徑的堵塞，降低延時(shí)，如圖1網(wǎng)絡(luò)中的載荷儀器(Instrument)和存儲(chǔ)復(fù)接單元(Memory/Formater)連接在網(wǎng)絡(luò)同一級(jí)上，載荷儀器產(chǎn)生的大量業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)可直接快速進(jìn)入存儲(chǔ)器。