（通信与信息系统专业论文）空间站高性能组网技术研究及方案设计.pdf

摘要 信息系统是空间站的核心系统，而骨干总线网络则是信息系统的躯干，连接 着信息系统的各种电子设备。随着航天技术的发展，空间站内需要传输处理的业 务高速增长，对内部总线通信系统提出越来越高的要求，目前广泛采用的 1553b 已无法满足这种需求，因此设计新的适合空间站应用环境的网络技术成为必须解 决的问题之一。以太网是地面局域网组网的主流技术，2008 年，国际空间站的 columbus 空间舱已经开始使用以太网交换机，由此以太网开启了空间的“大门” 。 本文结合实验室承担的科研项目“空间站高性能交换机的研究与实现” ， 研究空间站交换系统的构建方案，并探讨空间站交换系统的设计与实现问题。本 文提出一种采用千兆交换式以太网与航空全双工交换以太网（afdx）技术相结 合的新型空间站交换网络组网方案， 给出空间站交换网络交换机的具体设计方案， 并且采用自上而下的设计方法设计与实现了适合本方案的 mac ip 核。 本文首先介绍了国际空间站已经采用的总线技术，接着介绍了几种典型的媒 质接入控制（mac）技术，以此进一步加深对现有空间站采用的总线技术工作原 理的理解和掌握；其次，分析对比了新型高性能组网技术，并指出各种技术的优 缺点； 然后提出了采用千兆交换式以太网与 afdx 技术相结合的新型空间站交换 网络的设计思路，并给出设计方案。该方案既继承了传统交换式以太网的光纤传 输、以太网交换和组网灵活等特点，又继承了 afdx 的服务质量保证和交换网络 的硬冗余热备份机制， 并且以 24 端口交换机设计为例， 提出一种 3 级交换网络结 构，同时给出其具体设计方案；最后描述了适合本设计方案的 mac ip 核中各个 子模块需要完成的功能及工作流程，并完成了各个功能子模块的设计以及代码实 现，利用仿真工具和板级验证等手段论证了本文设计的 mac ip 核的正确性。 关键词：千兆以太网 航空全双工以太网 三级 clos 交换结构 mac 仿真 abstract information system is the core system of space station, while the backbone bus is the body of information system, connecting all kinds of electric devices in it. with the rapid development of the spaceflight technology, the operations that is need to be transmitted and processed in space station are in high-speed growth,while the traditional spaceflight communication network system could not meet the requirement for data communication in next generation spaceflight electrical architecture. it is necessary to research and build a new spaceflight data communication network. ethernet is the main technology in ground lan, and international space station has begun to use ethernet switch in 2008, which opens the “gate” to space. based on the application research project “research and implement of high performance switch in space station”, the building program of the switching system in space station is researched in this thesis, and the problem of design and realization of the switching system in space station is explored. a new switch network which combines kilomega switch enthernet with afdx, a detail design method for space station switch and a top-down method to design and realize the mac ip core are presented in this thesis. firstly, the bus technology used in international space station and several mac technologies are introduced in this thesis. secondly, some new high performance networking are analyzed and contrasted, the design method for the new space station switch network with kilomega switch enthernet and afdx is presented. this method not only has the advantage of traditional switch enthernet, but also has the advantage of afdx. under the condition of the design of 24-port switch, a 3-level switch netwok and its detail design are introduced. finally, the working process of sub modules designed in mac ip core is described, and the correctness and practicability of mac ip core demonstrated in this article are validated. keyword ： gigabit ethernet afdx three-stage clos switching fabric mac simulation 西安电子科技大学 学位论文独创性（或创新性）声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及所取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大 学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志所做的任 何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：_ 日期：_ 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 （保密的论文 在解密后遵守此规定） 本学位论文属于保密，在 年解密后适用本授权书。 本人签名： 日期： 导师签名： 日期： 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 引言 空间站是一种可供多名航天员长期居住和工作的大型载人航天器1。空间站 是在太空中由多舱段组成的复杂系统，其通信系统是空间站与地面及空间联系的 纽带和内部通信系统的神经中枢。空间站的通信系统一般分为内部和外部两个分 系统。外部通信系统完成空间站与外部的通信，同时还具有导航、跟踪、监控等 功能；内部通信系统完成空间站内部各舱之间及舱内各种信息的传输与交换，并 通过通信接口与外部通信系统相连。空间站内部通信系统设计的信号和数据有： 遥测指令、导航数据、管理数据、语音信号、视频图像信号、生物检测信号及有 效载荷用户数据等2。 现在的国际空间站，内部通信系统采用了两级网络，上层为 fddi 网络，下 层为 ml-std-1553b 美国空军军用总线网络和美国电气电子工程师协会制定的 ieee802.4 网络。 1553b 和 ieee802.4 网络与平台设备和有效载荷设备联接， 技术 成熟、可靠，能够完成目前空间站的要求3,4。1553b 总线是一种串行时分的命令 /响应式多路传输数据总线， 其主要功能是为所有连接到总线上的电子设备提供综 合化、集中式的系统控制和一种标准化的接口，它的传输速率最高为 1mbps； ieee802.4 结合了总线局域网和令牌环网的优点，速率为 10mbps；fddi 是使用 光纤作为传输媒介的逆向双环网，和令牌环一样都采用令牌访问控制协议，传输 速率最高为 100mbps。 随着航天电子技术的发展，航天电子设备综合化程度越来越高，设备之间需 要交互的信息量越来越大，对内部总线通信系统提出越来越高的要求。而目前采 用的 1553b、ieee802.4 等总线技术已经无法满足这种需求，因此设计新的适合 空间站应用环境的网络技术成为必须解决的问题之一。 以太网是 20 世纪 80 年代发展起来的一种局域网技术，应用越来越广泛，成 为地面局域网组网的主流技术，带宽由开始的 1m、10m、100m 逐渐过渡到现在 的千兆甚至万兆。2008 年，国际空间站的 columbus 空间舱已经开始使用由 hp 公 司的 procurve networking 负责研制生产的 procurve 2524 以太网交换机，由此 以太网开启了空间的“大门” 。 下面介绍几种典型的媒质接入控制（mac）技术和高速局域网技术，以此进 一步加深对现有空间站采用的总线技术工作原理的理解和掌握。 空间站高性能组网技术研究及方案设计 2 1.2 典型的媒质接入技术 1.2.1 以太网技术（ieee 802.3） 在计算机网络发展历程中，以太网可以说是众多网络技术中最具影响力的一 种5。传统以太网的媒体访问控制层采用的是带有冲突检测的载波侦听多路访问 （csma/cd）的介质访问机制，csma/cd是一种基于竞争的传输机制。其工作 过程如下： a) 如果媒体信道空闲，则发送数据； b) 如果检测到媒体信道有载波，则继续对信道进行监听。一旦发现空闲，立 即发送； c) 如果在发送过程中检测到碰撞， 则停止当前帧的发送， 转而发送一串阻塞 信号，通知局域网上所有站点发生了碰撞； d) 发送了阻塞信号后，退避一随机时间，重新尝试发送。最大的重发次数一 般是 16 次。16 次尝试重发失败后，则丢弃该包。这种重发一般由硬件的回退机 制自动实现。正是由于 csma/cd 中所固有的回退机制的存在，使得网络上的数 据传输不具备时间的确定性，无法提供时间相关的服务传输的保证。 1.2.2 令牌环（ieee 802.5） 令牌环网络的基本原理是利用令牌（代表发讯号的许可）来避免网络中的冲 突，与使用冲突检测算法 csma/cd 的以太网相比，提高了网络的数据传送率。 此外，还可以设定传送的优先级。与以太网不同的另一个诱人的特点是令牌环网 络具有确定性，这意味着任意节点能够在传输之前计算出最大等待时间，该特征 结合另一些可靠性特征，使得令牌环网络适用于需要能够预测延迟的应用程序以 及需要可靠的网络操作的情况。 但是令牌环网络不可复用，导致网络利用率低下。当网络中一个节点截获到 令牌使用网络后，不管此节点使用多少带宽，其他节点必须等待其使用完网络并 放弃令牌后才有机会申请令牌并使用网络；在轻负载时，发送数据的节点由于要 等待令牌，会产生附加时延；任何一段线路或者任何一台主机的故障都可能导致 整个网络的失效。 1.2.3 令牌总线（ieee 802.4） 总线局域网的共用总线策略使得它不能很好地适用于一些对时间有严格要求 的实时控制系统。令牌环网中的令牌绕网一周的时间虽有一个上限值，但它在轻 负载时的性能不太好。令牌总线在物理上是一个总线网，而在逻辑上却是一个令 第一章 绪论 3 牌网，结合了总线网和令牌环的优点。 令牌总线的时延相比令牌环更小，令牌总线网络中令牌的传递是按照逻辑环 路进行的，数据的传送却是在两个节点之间直接进行，而令牌环网的令牌和数据 都是按照逻辑环路进行的。因此令牌总线网络的数据传送有直接通路，其数据传 送时延比令牌环网更小。 令牌总线网的最大特点是它出色的吞吐量，数据速率增加吞吐量也增加，但 媒体饱和时吞吐量并不下降，并且这一性能不因线路长度增加而下降；令牌总线 的另一个好处在于不必检测冲突，故性能有一个相当大的动态范围，如果要求公 平访问，令牌总线可以做得像 802.3 一样出色，实际上等同于时分多路复用；令 牌总线支持优先级，能够保证高优先级的通信占有一定的带宽，这对于像声音、 数字电视、 远距测量等特殊数据是必要的； 令牌总线的另一个优点是它的确定性， 即每个站点在传输前等待的时间是有上限的。令牌总线的主要缺点是其复杂性， 此外还存在时间开销，即使在轻负载下，站点为了等令牌转一圈到自己手里会等 待不必要的时间6。 但是和令牌环一样令牌总线也不可复用，导致网络利用率低下；而且在令牌 总线局域网中，令牌传递的顺序不是按照节点的物理位置，因此必须有一个有效 的 mac 子层协议来管理网络的令牌，这就使得令牌总线局域网的 mac 子层协 议非常复杂。 1.2.4 主从总线技术 主从总线通信方式又称为 1：n 通信方式，是通信网络采用的一种通信方式。 在网络上有 n 个从站，只有一个主站，也就是因为这个原因主从总线通信方式 又称为 1：n 通信方式。 主从总线通信方式采用集中式存取控制技术分配总线使用权，通常采用轮询 表法。所谓轮询表法是一个从机号的排列顺序表，该表配置在主站中，主站按照 轮询表的排列顺序对从站进行询问，看它是否要使用总线，从而达到分配总线使 用权的目的；此外还有一种方法是从站可以主动发送占用总线的请求，然后由主 站对从站的请求进行授权，如果同时有多个站点请求占用总线，此时主站就要对 请求进行仲裁，得到主站授权的站点才有权限占用总线发送数据。 1.3 高速局域网技术 在 1.2 节介绍了典型的媒质接入技术的基础上本章节将介绍现在的一些高速 局域网组网技术，并分析各种技术的优缺点。 空间站高性能组网技术研究及方案设计 4 1.3.1 交换式以太网 由于局域网的用户数增加以及多媒体技术的广泛使用，大量图像视频数据需 要在网络上传输，这就要求局域网有更高的数据传输速率，但传统以太网已经愈 来愈超出了自身的负荷，因此交换式以太网技术应运而生。 交换式以太网的拓扑结构发生了重大的改进，由以往的共享总线型发展为交 换型。通过交换技术将网络进行分割，各个节点设备通过交换设备进行互联，交 换设备和节点采用点到点的全双工链路互联，进而将各个交换设备进行互联形成 网络。这样节点与交换设备端口间的链路是全双工链路，不会产生冲突，而每个 端口只发送和接收特定节点的信息流，不会广播到其他的端口，这样就确保了节 点之间不会产生冲突，从而大大增强了以太网通信的确定性。交换式以太网可实 现虚拟局域网（vlan） ，vlan 是向用户提供的一种服务，在某一 vlan 的所 有节点可以收到同一个 vlan 中其他成员发送的广播。 vlan 是用户和网络资源 的立即组合，可按需要将有关设备和资源非常方便地重新组合，使用户可以从不 同的服务器或数据库中存取所需的资源， 而且 vlan 中的节点收不到其他 vlan 中发送的广播，这对 vlan 中的信息安全性提供了一定的保障。 交换式以太网虽然在一定程度上增强了以太网通信的确定性，但其实时性并 没有得到保障，主要表现在： 1) 没有优先级机制。 所有的数据按照同样的方式发送和接收， 没有显现出数 据之间的区别，而不同的数据对实时性的要求不同，这样就导致对实时性要求高 的数据的时延不可预测； 2) 802.3 协议是非确定的； 3) 交换机地址表的学习老化机制。 当到达数据的目标 mac 地址在地址表中 没有相应的地址时，或者本来有相应的地址项，但由于一段时间没有用到，基于 老化机制，该地址会被删除以节省存储空间，这样的话，数据传输的时延更是不 可预测。 1.3.2 fddi 光纤分布式数据接口 fddi（fiber distributed data interface）始现于 1986 年， 是由 sperry、burroughs 和 cdc 等公司研发的一项旨在提高网络可用性与数据传 输速率的网络技术。fddi 是使用光纤作为传输媒介的令牌环形网，先是在 ansi 的标准委员会 x3t9.5 通过为美国的标准， 随后被 iso 通过为国际标准 iso 9314， fddi 常被划分在城域网 man 的范围内6。 fddi 的基本结构为逆向双环。在正常情况下只有一个方向的环路工作，这 个工作的环路叫做主环，而另一个不工作的环为备用环。当主环上的设备失效或 第一章 绪论 5 光缆发生故障时，通过从主环向备用环的切换可继续维持 fddi 的正常工作，使 整个网络不致瘫痪，这种故障容错能力可提高网络的可靠性。 fddi 和令牌环一样都采用令牌访问控制协议，即只有获得令牌的节点才有 权发送数据。但 fddi 又不是完全的令牌环协议，是对令牌环的改进技术，具有 以下优点： 1) fddi 物理结构是两个平行的、相对作反向传输的双环结构网，具有良好 的系统冗余，这种故障容错能力可提高网络的可靠性； 2) 重负载时的效率和吞吐量都很高。基于令牌接入协议，冲突处理能力强， 在高速率下也不会出现明显性能衰退； 3) fddi 站点一旦完成其数据帧的发送，即使它还没有接收到它自己发出的 帧，也立即生成新的令牌发送到环上，不必像 802.5 令牌环那样，只有收到自己 发送的帧后才能释放令牌，提高了链路的利用率。 国际空间站使用了 fddi 网络技术构建了核心网络和载荷网络，虽然从传输 性能、可靠性方面而言，fddi 都比较适合空间站的应用，但是 fddi 由于受到以 太网技术的冲击，被快速以太网和千兆位以太网替代，已经不是一种主流的网络 技术，市场上也很难见到 fddi 的产品，开发难度太大。况且 fddi 毕竟是共享 式网络，有其固有的缺点，主要表现在： 1) 像 fddi 这样的任何共享网络，它的带宽都可能会饱和，这就限制了网络 容量，易出现网络拥塞； 2) 协议复杂、部署复杂、成本高昂、交换机端口少、安装管理困难； 3) 虽然 fddi 通过双环结构提高了网络的可靠性， 但是如果链路或节点发生 故障，就会使得链路的长度增加，从而加大了数据的传输时延。并且当有多个链 路或节点发生故障时，有可能把网络分成了几个较小的独立的网络，造成节点脱 离网络。 1.3.3 afdx 在将以太网技术应用于航空领域的过程中， 1995年arinc发布了arinc646 以太局域网标准， 为在商业航空设备中使用 ieee802.3 标准提供设计和应用指导。 近几年，arinc 委员会又开发了 arinc664 航空数据网络标准作为 arinc646 的继承者7。航空电子全双工交换式以太网（avionics full duplex switched ethernet networkafdx）已作为主要的航空总线用于 a380 飞机并且将在全新 的 a390 飞机上使用。 arinc 664 规范的第七部分定义了一个名为 afdx 的全双工的、 有一定确定 性的航空系统使用的可配置数据网络，它包括以下几个主要方面： 空间站高性能组网技术研究及方案设计 6 1) 使用可配置：系统使用者的参数配置信息可在系统启动时载入； 2) 全双工：物理层使用双绞线，有独立的发送和接收信道； 3) 交换网络： 网络拓扑为星形结构。 每个交换机最多能连接24个端系统 （end system，下文简称 es） ，交换机间可级联以形成更大的网络； 4) 确定性：网络通路使用虚链路（virtual link，下文简称 vl）模拟了一个 点到点的、具有确定性的网络； 5) 备份网络：增加一个冗余网络提高传送的可靠性并降低传送时延； 6) 性能要求：端口工作速率为 100mbps。 afdx 是对以太网局域网技术的扩展，采用了全双工交换式以太网，克服了 半双工以太网固有的冲突问题；采用虚拟链路和流量整形机制（主要由端系统实 现）对通信任务之间的数据流进行逻辑隔离和实时性能保证。afdx 协议在设计 过程中采用了不少创新性的概念，包括： 1) 带宽保障：通过先进的排序管理和多带宽应用策略来实现对带宽的控制， 并通过引入“带宽分配间隔” （bag）概念、最大帧长度等方式来进行带宽的分 配。这些保障措施被应用到 afdx 的虚拟链路方面，极大地提高了数据的完整性 和数据传输在时间上的确定性； 端系统端系统端系统端系统 a网络网络 b网络网络 图 1.1 afdx 冗余热备份连接图 2) 服务保障： 在传统的以太网交换网络中， 输入的以太网帧都是输出链路根 据以太网目的地址来进行路由。 而在afdx网络中， afdx系统结合了arinc 429 的点到多点的总线特性和异步传输模式标准（atm）中的“虚拟链路” （vl）技 术，一个数据源专门采用一条 vl，每条 vl 都嵌入到一条以太网数据链路中，然 后 afdx 交换机通过查找配置文件将由一个终端系统产生的携有同一虚拟链路 id 的帧发送到一组预先确定的终端系统。 afdx 是第一个将以太网链路的简单性 和 atm 协议的复杂性、安全性很好地综合到一起的航空电子标准； 3) 冗余管理：afdx 设计基于通信链路物理上冗余的交换网络原理，一个 afdx 系统中有 a 和 b 两个独立的交换网络，如图 1.1 所示。afdx 终端系统传 输的每个数据包同时在 a 和 b 两个网络上进行发送，因此，正常状态下，每个终 端系统将会收到两份同样的数据包， 这样即使网络内有帧传输失败或数据链失效， afdx 系统也可以提供安全、可靠的数据传输。 第一章 绪论 7 但是 afdx 的转发表是预先配置好的，故仅能支持面向连接的通信方式。 1.3.4 ieee 1394 ieee 1394 是由苹果电脑公司首先提出，旨在取代并行的 scsi 总线，并能同 时提供连接数字音频和视频设备的一种高速串行总线。 1394 是一种树形或菊花链的拓扑结构的高速共享总线技术， 采用根节点授权 的时分复用接入方式， 是 1.2.4 节介绍的主从总线技术的一种扩展， 只不过它的主 站点并不是固定的，可以是任何能够执行根节点功能的站点。可传输同步事务和 非同步事务，可以保证同步数据以稳定的间隔传输，保证同步数据的传输带宽， 适合实时数据的传输，在流媒体应用方面已然成为一种事实上的连接标准。 1394 具有两种数据传输模式：异步传输和等时传输。异步传输有应答，保证 数据的正确性，但不保证传输带宽；等时传输无应答，保证数据传输带宽，但不 保证正确性。等时事务适合实时数据的传输。在其拓扑结构中，不需要集线器就 可连接 63 台设备，并且可以由网桥再将这些独立的子网连接起来8。 然而作为共享总线技术，也有着很难克服的缺陷，体现在： 1) ieee 1394 是共享型总线技术，有着共享网络无法克服的不足，即它的带 宽可能会饱和，同一时刻只能有一个节点发送数据，这就限制了网络容量，易出 现网络拥塞； 2) 数据的传输基于中间节点的转发， 如果中间节点发生故障， 不能执行转发 功能时，会造成故障节点的下游节点脱离网络； 3) 网络节点的插拔会造成网络的中断，不利于网络的动态重组； 4) 异步事务不支持组播。 1.3.5 spacewire spacewire总线标准由欧空局、欧洲空间公司和学术界共同制定，简称 ecss-e-50-12a。spacewire是一种全双工、双向、串行、点对点的数据链路，以 ieee-1355-1995和lvds两个商业标准为基础，汲取了1394总线、atm和以太网技 术的优点，同时兼顾空间应用的特点。总线标准致力于航天器有效载荷系统数据 和控制信息的处理，以满足未来高性能高速数据传输为目标，提供一种统一的用 来连接传感器、数据处理单元和大容量存储器的基础架构。除具有很好的emc特 性之外，在错误检测、异常处理、故障保护、故障恢复和时间确定性方面做了相 应加强。spacewire也有如下缺点： 1) 虫孔路由有阻塞：当出现慢货车效应时会有阻塞，从而产生较大时延。例 如在交换式拓扑结构中，两个节点（a 和 b）同时向同一个节点（c）发送数据， 空间站高性能组网技术研究及方案设计 8 其中一个节点的数据在路由交换机处就会发生阻塞（假设 a 仲裁成功，b 将发生 阻塞） ，此时即使该节点（b）的后续数据是要发往一个空闲的节点，也会由于前 一帧的阻塞而得不到及时地发送，如果前一帧数据的帧长很大，其时延将不可预 测； 2) 传输距离短、线缆质量大：由于采用电缆进行传输，节点间距最大仅能达 到 10m，且线缆质量大； 3) 协议不支持组播功能。 1.3.6 fc（fiber channel） 1988 年美国国家标准协会（ansi）成立了 x3t9.3 工作组（即现在的 x3t11 工作组），研究用于工作站、主机、超级计算机、台式计算机、存储设备、显示 器和其他外围设备之间数据交换的高性能串行连接技术。该项研究的成果就是光 纤通道标准簇的产生，它定义了多种硬件系统之间的大量数据交换的通信接口。 光纤通道具有许多优点，该协议簇正在成为许多高带宽应用所选择的网络协议。 光纤通道技术结合了通道技术和网络技术的优点。通道技术直接连接设备而 不需使用太多的逻辑，通道技术是硬件密集型技术，具有高速可靠性，这是因为 它是为在缓存区间快速传输大量数据而设计的。典型的通道技术有 hippi 和用串 口连接的两台计算机之间的串行连接。另一方面，网络技术有操作大量节点的能 力。网络技术是软件密集型技术，这是因为数据包需要在网络上被路由到许许多 多设备中的某一个。如今的大部分网路使用的是硬件转发技术。网络还必须适应 频繁加入或移除设备的工作，网络技术具有灵活、传输距离远等优点，光纤通道 技术从设计开发之初就融合了这二者的优点。但是 fc 的协议太复杂，较难实现。 1.4 论文的工作及内容安排 本文结合科研合作项目 “空间站交换机的设计与实现” ， 详细阐述了空间站交 换网络交换机的系统设计方案，和部分关键模块的设计和实现方法，并详细介绍 了交换机中交换芯片与外部 phy 的接口mac 的设计及验证。文章内容安排 如下： 文章首先介绍了空间站的通信系统、现在国际空间站采用的总线技术以及各 种局域网组网技术，并给出各种技术的优缺点。 第二章详细阐述了空间站交换网络交换机的设计思路， 系统框图设计， fpga 逻辑设计，从总体上把握系统的功能，逻辑结构。 第三章是交换机中三级交换单元的详细设计。针对第二章提出的总体设计思 路，对各级交换单元进行模块化设计，对各个模块在原理上进行了阐述，详细描 第一章 绪论 9 述了各个模块的具体功能与接口。 第四章是空间站交换网络交换机中mac ip核的详细设计。首先对mac ip核 进行模块化设计，然后阐述了各个模块的工作原理，详细设计并描述了各个模块 的状态机，并给出了各个模块的时序仿真波形以及整个mac ip核的板级验证。 第二章 空间站交换网络方案设计 11 第二章 空间站交换网络方案设计 结合第一章介绍的各种组网技术特点和本章 2.1 节用户提出的具体需求， 给出 空间站交换网络的组网方案，并介绍了网络中交换机的总体结构和关键技术的研 究。 2.1 需求分析 空间站运行在复杂的空间环境中，局域网交换体系结构作为各分系统之间的 数据传输枢纽，不仅要求能实现数据传输功能，还要求有较强的空间环境适应能 力，因此对交换体系结构有一些特殊的要求： 1) 抗辐射 空间站运行的空间环境恶劣，太空粒子撞击、辐射、急剧热变化等都会影响 电子系统的正常工作，因此要求交换体系结构具有很好的抗辐射性能，以保证数 据传输的正确性，否则会影响控制过程的正常进行，从而影响空间站的正常运行。 这就要求设计中都要采用宇航级器件。 2) 通信速率高 随着微电子、微机械和轻型结构材料的发展及在空间站上的应用，空间站的 功能不断增强，系统也越来越复杂，各分系统之间的通信也越来越多，因此局域 网交换体系结构要有较高的速率。 3) 网络容量扩展性强 由于空间站并不是一次发射成功，是由多次发射的飞行器对接组合而成，而 且随着日后空间站内部设备的通信数据处理能力和设备间数据的交换能力的增 长，这就要求局域网交换体系结构具有很好的容量扩展性。 4) 实时性好 空间站控制系统对时间响应的要求决定了局域网交换体系结构必须有较好的 实时性。同时，空间站设备的功能不断增强，为了匹配空间站设备及应对复杂任 务，局域网交换体系结构除了要有高传输速率外，还要有一套有效的通信协议， 确保数据传输的效率，从而满足实时性要求。 5) 采用光纤作为传输媒质 光纤具有质量轻，功耗小，很好的抗电磁与射频干扰能力，并能够有效防止 传输过程中的分接偷听以及辐射波侦听，故可采用光纤作为传输媒质。 6) 数据帧结构使用现在广泛使用的以太网的帧结构。 7) 可靠性高 由于空间站所处环境的特殊性，网络设备发生故障很难进行维修更换，这就 空间站高性能组网技术研究及方案设计 12 要求局域网交换体系结构必须具有很高的可靠性，否则网络设备（节点或交换机） 发生故障，可能会导致整个系统瘫痪，故可采用具有冗余热备份机制的局部网交 换体系结构，即使网络内有帧传输失败或故障导致数据链失效，网络系统也可以 提供安全、可靠的数据传输。 8) 技术成熟 在满足功能要求的前提下，应尽量选择实现简单、成本低、体积小、质量轻、 功耗低、灵活性较好、组网技术成熟的局部网交换体系结构。 2.2 方案设计 局域网的交换体系结构对一个局部网络的性能具有重要影响，它决定了网络 数据交换的方式和系统运行效率的高低。一个好的网络交换体系结构可以保证系 统在正确工作的同时有效降低系统的硬件资源消耗和功耗，提高系统带宽和吞吐 率。同时，针对航天器上的特殊环境和特殊要求，需要对系统进行可扩展性、抗 辐射、容错、低功耗的设计。因此，航天器局域网交换体系结构将是系统研制过 程中的一个关键技术。 对此我们提出一种空间站交换网络（千兆交换式以太网+ 千兆afdx）的设计方案，即在千兆交换式以太网的基础上，实现千兆afdx功能。 以太网技术因技术成熟，组网灵活获得广泛应用，但由于交换式以太网不能 保证业务的服务质量，且不支持硬冗余，所以不能直接用于空间站组网。而afdx 可以弥补以太网的不足，提供服务质量保证和硬冗余，但其仅支持静态路由配置， 缺乏组网的灵活性，也不便直接用于空间站的组网。因afdx的帧结构与以太网是 兼容的，所以完全可以将两种技术融合统一到一起来设计空间站的组网总线。 端系统端系统 a网络网络 b网络网络 端系统端系统 端系统端系统 端系统端系统 端系统端系统 端系统端系统 图2.1 空间站交换网络系统组成图 空间站交换网络中的各节点组成点对点的全双工交换式网络，如图2.1所示。 对于传输实时性要求很高的数据可通过afdx协议发送， 以保证数据传输的确定性 和实时性，而对于一般性数据业务可以采用以太网交换方式转发，即交换机的地 址转发表有两种配置方式：静态配置和自学习。 第二章 空间站交换网络方案设计 13 对于具有qos要求的业务，采用事先静态配置路由方式提供服务，即采用事先 建立连接的方式提供服务；而对于一般业务，可以采用交换机自学习的方式提高 组网的灵活性，用户终端系统可以自由地接入到一个空闲的交换机接口。 端系统是网络的接入部件，既可以是以太网终端也可以是afdx的端系统。端 系统实现了网络的所有层次（包括物理层、链路层、网络层、传输层和应用层）。 并且端系统既可以是双口模式（此时采用双平面冗余连接，提高网络的可靠性） 也可以是单口模式（不管网络是双平面还是单平面，端系统只有一个口，虽然降 低了可靠性，但实现简单）。 以太网终端实现简单，既可以是普通的以太网终端设备，此时不能实现冗余 热备份功能，也可对普通的以太网终端加以改进，主要是增加冗余管理模块实现 冗余热备份机制。 afdx端系统（es）的主要工作为：对于不同的业务分配不同的虚链路（vl） 号，不同的虚链路提供不同服务质量（qos）的数据发送和接收服务。所谓保证服 务质量就是说对于传输请求，无论什么样的数据类型网络必须提供确保最大网络 传输延迟的服务。并且网络传输的延迟必须是稳定的、可计算的并且被限制在一 个最大值之内。简而言之，保证服务质量意味着如下两个特性： 1) 保证传输带宽并且将传输延迟限定在可接受的范围； 2) 传输抖动是相对固定的（抖动的范围在一个时间轴的闭区间内），并且是 可以计算的。 2.3 技术特点 本文采用的空间站交换网络（千兆交换式以太网+千兆 afdx）的设计方案 具有以下技术特点： 1) 拓扑结构：采用交换式以太网的拓扑结构，如上图 2.1 所示。节点之间通 过交换机互相连接，实现节点的全双工互连，节点之间互不干扰地传输数据。 图 2.1 中的交换网络（a 和 b）可以是单个交换机或者有多个交换机组成的多级交换 网络。 前导码 帧起 始定 界符 目的地址源地址 长度/ 类型 数据 帧校验 序列 填充 字段 字节 7 1 6 6 2 4 帧头22字节461500字节fcs 4字节 图 2.2 以太网帧格式 2) 帧格式：千兆以太网的帧格式如图 2.2 所示。afdx 协议使用的也是以太 空间站高性能组网技术研究及方案设计 14 网帧格式，与以太网一致。 3) 节点的扩展性：当有新的节点设备要加入网络，如果交换机有空闲端口， 只需把节点设备简单地连入交换机即可，总节点数受交换机端口数的限制；如果 单个交换机的接口不满足网络节点的需求，可通过多个交换机级联组成更大的网 络。afdx 网络交换机的转发表是预先配置好的，如果转发表中没有新加入节点 的信息， 且新加入的节点是 afdx 端系统， 则要重新配置转发表， 方可正常工作； 如果新加入的节点是千兆以太网设备，则不需配置转发表。 4) 网络容量的扩展性： 网络容量的扩展有两种方式， 一是提高链路的传输速 率，千兆以太网仍具有发展空间，有关标准组织已推出 10g 以太网络的技术规范 和标准，故通过链路的传输速率提高网络容量也是可能的；二是增加交换机的端 口数量，虽然特殊的环境限制了 fpga 芯片的选型，不能在单芯片上实现更多的 端口，但是可以通过多个芯片的互联，组成多级 clos 网络，以提供更多的端口数 量。2.5 节中有多级网络的具体方案设计。 5) 在交换机有空闲端口的情况下新节点的加入和原有节点的删除时不影响 网络中其他节点的正常运行。 6) 传输媒质和传输距离：光纤具有质量轻，功耗小，很好的抗电磁与射频干 扰能力，并能够有效防止传输过程中的分接偷听以及辐射波侦听，因而是一种极 为安全的数据传输媒质。本文的设计方案就是采用光纤作为传输媒质，传输距离 可达 5km。 7) 可靠性：具有冗余热备份功能。一个网络系统中有 a 和 b 两个独立的交 换网络。终端系统传输的每个数据包同时在 a 和 b 两个网络上进行发送。因此， 正常状态下，每个终端系统将会收到两份同样的数据包，这样即使网络内有帧传 输失败或某一个网络崩溃造成数据链失效，网络系统也可以提供安全、可靠的数 据传输，适合传输关键数据。 8) 安全性： 方案采用光纤作为传输媒质， 而光纤能够有效防止传输过程中的 分接偷听以及辐射波侦听，是一种极为安全的数据传输媒质；采用交换式拓扑结 构，节点对之间“独享”一条数据链路，互不干扰。数据基于 mac 地址进行转 发， 在正常情况下， 终端收不到发往其他终端的数据； 可实现虚拟局域网 （vlan） ， vlan 是用户和网络资源的立即组合，可按需要将有关设备和资源非常方便地重 新组合，使用户可以从不同的服务器或数据库中存取所需的资源。在某一 vlan 的所有节点可以收到同一个 vlan 中其他成员发送的广播，而 vlan 中的节点 收不到其他 vlan 中发送的广播，这对 vlan 中的信息安全性提供了一定的保 障。以上的措施很好地保证了网络数据传输的安全性。 9) 时延抖动： afdx 结合了 arinc 429 的点到多点的总线特性和 atm 中的 “虚拟链路” （vl）技术，通过事先为每条 vl 分配带宽来保证业务的服务质量， 第二章 空间站交换网络方案设计 15 通过引入“带宽分配间隔” （bag）概念、最大帧长度等方式来进行带宽的分配； 通过为实时性要求不同的数据包分配不同的优先级来实现对调度的控制；对于需 要保证服务质量的业务，采用在交换机的转发表中预先配置好的相应的 vl 及带 宽，其他业务采用传统以太网交换机的地址自学习的工作模式来转发，这些保障 措措极大地提高了数据的完整性和数据传输在时间上的确定性，已实现的百兆 afdx 交换机的时延抖动在 20us 左右，千兆 afdx 可以进一步缩小该时延抖动， 时延抖动可在微秒级。 10) 端系统既可以是普通的以太网终端设备， 此时只能是单口模式， 不能实现 冗余热备份功能；也可以是改进的以太网终端设备，此时可以是双口模式，可实 现冗余热备份功能；也可以使用 afdx 端系统传输高 qos 业务。 11) 转发表配置灵活： 转发表既可以是动态可变的 （千兆以太网转发表基于 “学 习老化”机制） ，也可以是静态不变的（afdx 转发表是预先配置好的） 。 2.4 交换机系统框图设计 交换机提供网络的核心交换功能，是网络的通信中枢，接收来自每个物理接 口的输入分组（以太网数据或 afdx 数据） ，并且按照目的地址将该分组转发至 交换机的输出端口。交换机实现了网络的物理层和链路层，可同时处理千兆以太 网帧和 afdx 数据帧 （处理以太网帧时， 交换机的转发表具有自学习和老化功能； 而处理 afdx 帧时转发表是人为配置的） 。 cpu （mpc8270) 24 ethernet phys dpramflasheeprom . . . 60x bus ethernet phy rs232 sdram 24 ports switch ( fpga ) 图2.3 空间站交换网络交换机系统框图 空间站高性能组网技术研究及方案设计 16 交换机是网络的核心设备，交换机的性能决定了整个网络的交换性能，本文 的主要工作就是完成了空间站交换网络中的交换机的详细设计，交换机整个系统 的主要模块框图如图 2.3 所示。主要分为两部分，一部分是配置控制模块，主要 由 cpu 及周边模块（ethernet phy、rs232、dpram、flash 和 eeprom）构 成，另一部分是交换模块，主要由作为交换结构的多片 fpga 和 24 个 phy 芯片 构成。 下面简要介绍一下各芯片的作用： cpu：初始化 fpga 中的初始参数，并在交换机工作时监视交换机状态，并 进行实时控制。 ethernet phy：以太网物理层模块，为 cpu 提供一个标准的以太网接口，主 要用于软件系统配置和调试。 rs232：为 cpu 提供一个标准的串行数据接口，主要用于控制交换机。 flash：用于存储 vxworks 镜像。 eeprom：用于存储 boot loader。 sdram：作为 cpu 的内存。 dpram：双端口 ram，作为 fpga 和 cpu 之间的数据缓存接口。 fpga：多片 fpga 实现 24 端口交换机的交换结构。 24 ethernet phys：24 个 1000mbps 的以太网物理层模块。 2.5 交换结构的总体设计 考虑到空间站的特殊环境，故使用 xilinx 公司的宇航级 fpga 芯片 virtex-ii xq2v3000 来实现方案设计， 该芯片内部有 14， 336 个 slices、 32， 256 个 logic cells、 1，728kbits 的 ram 资源。通过在 ise 下逻辑资源的分析（4 个口约占 42%的逻辑 资源）以及需求的缓存容量（可实现每个端口缓存 14 个帧）的估计，在该片子上 完全可实现 4x6 或 6x6 的交换芯片设计。 由于宇航级芯片 virtex-ii xq2v3000 的资源有限（包括逻辑资源和存储资 源） ，要想实现更多端口（24 24）的交换机，只能采用多片级联的多级交换网络 结构。 多级交换结构是由多个交换单元互相连接组成的多级交换阵列，以获得交换 端口的成倍增加。在多级结构中，只有第一级的输入端口和最后一级的输出端口 是整个交换结构的直接输入输出端口；而级与级之间的输入输出端口是间接的输 入输出端口，因为它们并不负责直接输入输出，而只进行交换结构内部的交换。 而在多级结构中，研究最多的是三级交换结构，尤其是三级 clos 交换结构。 clos 交换结构是采用基本交换单元来搭建大型交换结构的最常用拓扑，当前使用 第二章 空间站交换网络方案设计 17 的大容量交换结构拓扑多采用这种结构