（计算机科学与技术专业论文）抗辐照千兆以太网交换技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 随着计算机的普及和网络的不断发展，以太网现在已经取代了令牌环网、光 纤分布式数据接口等局域网技术，成为最主要的局域网技术之一。以太网的数据 传输率已经达到了1 0 g b p s ，在未来的较长的一段时间内仍将是主流的局域网互联 技术，并朝着广域网互联技术方向发展，可以说以太网技术的商业应用前景相当 广阔。 然而，以太网技术并不局限于商业应用。由于这种互联技术具有实现简单、 数据传输速率高等优点，通过适当地改进可运用于工业、国防等应用领域。例如 在工业控制领域方面，对网络的可靠性、实时性方面要求较高，然而工业以太网 已经在工厂自动化、智能交通运输系统、变电站等其他恶劣环境中得到了大规模 应用，并且已经成为了工业控制网络中重要的组成部分之一。 但是面向空间应用的以太网技术仍然属于一个空白。本文从以太网交换的交 换结构、流量控制、可靠性设计等方面出发进行深入的研究。在交换结构方面， 充分研究了现有的交换机所采用的各种交换结构，并且进行了比较分析。然后结 合具体的应用环境提出了满足相应要求的支持指令流传输的优先级交换结构 c i c qp ，并且使用仿真工具o m n e t + + 对其性能进行了模拟分析。 在流量控制方面，首先对比分析了现有的各种流量控制技术，然后研究了以 太网流量控制方式。全双工交换式以太网采用了基于p a u s e 帧的流量控制方式， 是一种针对物理端口的粗粒度流控方法，不支持按以太网帧的用户优先级或者地 址细化的流量控制。当交换机发生拥塞时这种流控方式导致整网性能损失较大， 难以提供较好的服务质量。本文提出了一种细粒度的流量控制方法f e f c ，并使用 仿真工具o m n e t + + 对其进行了比较分析，验证了f e f c 比现有的p a u s e 帧流控方 式的性能更好。 在可靠性设计方面，由于这种网络的应用背景是空间辐照环境，需要考虑单 粒子等辐照效应对其数据交换的影响。从提高数据交换的可靠性出发，重点研究 提高交换机内数据流和整网传输的可靠性设计技术。 在本文的最后，提出了套面向该应用环境的交换原型系统设计方案，主要 包含两个部分：抗辐照的千兆交换机和接口卡。本文对该交换系统的总体设计进 行了较为简略的论述。 主题词：空间应用，千兆以太网，交换技术，交换结构，流量控制，辐照效 应，可靠性设计 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t w i t l lt h ep o p u l a r i z a t i o no fc o m p u t e r sa n dt h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n tn e t w o r k s ， e t h e m e th a sn o wr e p l a c e dt h et o k e nr i n gn e t w o r k , f i b e rd i s t r i b u t e dd a t ai n t e r f a c e s u c h 嬲l i n t e r c o n n e c tt e c h n o l o g i e s ，a n db e c o m et h em o s ti m p o r t a n to n eo ft h el a n i n t e r c o n n e c tt e c h n o l o g i e s e t h e m e t sd a t at r a n s f e rr a t eh a sr e a c h e d10 g b p s ，a n di na l o n gp e r i o do ft h ef u t u r ei tw i l lr e m a i nt h em a i n s t r e a mo f l a n s i ti sa l s og o i n gt o w a r d s t h ed i r e c t i o no fw l a ni n t e r c o n n e c tt e c h n o l o g y s oi tc a nb es a i dt h a tt h eo u t l o o ko ft h e c o m m e r c i a lu s eo fe t h e m e ti sr a t h e rw 1 d e h o w e v e r , t h ee t h e m e tt e c h n o l o g yi sn o tl i m i t e dt ot h ec o m m e r c i a lu s e ，w h i c hi s s i m p l ea n dh a sh i 曲d a t at r a n s f e rr a t ea d v a n t a g e t h r o u g hb e i n gi m p r o v e ds u i t a b l y , i t m a ya l s ob ea p p l i e dt oi n d u s t r y , n a t i o n a ld e f e n s ea n do t h e ra p p l i c a t i o n s f o re x a m p l ei n t h ei n d u s t r i a lc o n t r o ld o m a i nw i t ht h er e q u e s t so fn e t w o r kr e l i a b i l i t ya n dh i 曲r e a l t i m e d e m a n d ，h o w e v e rt h ei n d u s t r ye t h e m e ta l r e a d yh a sb e e na p p l i e di nt h ef a c t o r y a u t o m a t i o n , t h ei n t e l l i g e n c et r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，s u b s t a t i o n sa n do t h e rh a r s h e n v i r o n m e n t s h o w e v e r , e t h e m e tt e c h n o l o g yf o ra e r o s p a c ea p p l i c a t i o n si ss t i l lb l a n k i nt h i s p a p e r , t h es w i t c h i n gf a b r i co fe t h e m e ts w i t c h ，f l o wc o n t r o l ，r e l i a b i l i t yd e s i g n ，s oa st o s e to f fo ni n - d e p t hs t u d y i nt h es w i t c h i n gf a b r i ca s p e c lw es t u d yd e e p l yav a r i e t yo f e x i s t i n g s w i t c hf a b r i c s ，a n dc o n d u c t e dac o m p a r a t i v e a n a l y s i s i n t h e s p e c i f i c a p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n t ，w i t ht h en e e dt om e e tt h ec o r r e s p o n d i n gr e q u i r e m e n t so ft h e i n s t r u c t i o ns t r e a m ，w ep r o p o s eas w i t c h i n gf a b r i cc i c q - ps u p p o r t i n gt h ep r i o r i t y s w i t c h i n g ，a n du s es i m u l a t i o nt o o l so m n e t + + f o ri t sp e r f o r m a n c ei ns i m u l a t i o n a n a l y s i s i nt h ef l o wc o n t r o la s p e c t ，f i r s t l y , w ec o m p a r et h ee x i s t i n gv a r i e t yo ff l o wc o n t r o l t e c h n o l o g i e s ，a n dt h e ns t u d yt h ee t h e r n e tf l o wc o n t r o lm e c h a n i s m s i nf u l l - d u p l e x s w i t c h e de t h e r n e t ，p a u s ef r a m e b a s e df l o wc o n t r o li sac o a r s e g r a i n e df l o wc o n t r o l m e c h a n i s mt o w a r d st h ep o r t i td o e sn o ts u p p o r tt h ef i n e g r a i n e df l o wc o n t r o lb a s e do n u s e rp r i o r i t i e sa n dm a ca d d r e s s e s ，w h i c hr e s u l t si nl a r g el o s si ns w i t c h i n gp e r f o r m a n c e a n di su n a b l et op r o v i d eb e t t e rq o s t h e r e f o r e ，w ep r o p o s eaf i n e - g r a i n e df l o wc o n t r o l m e c h a n i s mc a l l e df e f c ，a n du s et h es i m u l a t i o nt o o lo m n e t + + f o ra n a l y s i st op r o v e t h a tf e f cm e a n sb e t t e rp e r f o r m a n c ec o m p a r e dt ot h ee x i s t i n gp a u s ef r a m ef l o w c o n t r 0 1 i n t h er e l i a b i l i t yd e s i g na s p e c t ，b e c a u s eo ft h eb a c k g r o u n do fs p a c er a d i a t i o n e n v i r o n m e n t , w en e e dt oc o n s i d e rr a d i a t i o ne f f e c t ss u c h 硒s i n g l ee v e n te f f e c to nt h e i m p a c to fd a t ae x c h a n g en e t w o r k a i m i n gt oi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo fd a t ae x c h a n g e ， w ef o c u so nt h ed e s i g nt e c h n o l o g y i e si m p r o v i n gd a t af l o w sr e l i a b i l i t yi n t h es w i t c ha n d 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 t h ew h o l en e t w o r k a tt h ee n do ft h i sa r t i c l e ，w ed e s i g na n di m p l e m e n tas e to fp r o t o t y p es y s t e m o r i e n t e dt ot h es p e c i f i c a p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n t , w h i c hi n c l u d e st w op a r t s ：t h e a n t i r a d i a t i o ng i g a b i ts w i t c ha n dt h en e t w o r ki n t e r f a c ec a r d c o n s i d e r i n gs o m er e a s o n s t h i sa r t i c l ej l a s tc o n d u c t sa no v e r a l lv i e wo ft h es w i t c h i n gs y s t e m k e yw o r d s ：s p a c ea p p l i c a t i o n ，g i g a b i te t h e r n e t ，s w i t c h i n gt e c h n o l o g y , s w i t c hf a b r i c ，f l o wc o n t r o l ，r a d i a t i o ne f f e c t s ，r e l i a b i l i t yd e s i g n 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表2 1 各种交换结构比较：。1 0 表2 2c r o s s b a r 的各种排队方式1 7 表2 3 两类业务流量特点18 表3 1滑动窗口协议【3 5 1 3 3 表4 1 转发表格式5 7 表4 2 典型的翻转处理方式5 9 表5 1m i i m 管理帧结构6 7 表5 2p h y 芯片寄存器组6 7 表5 3 与传输速率有关的p h y 芯片寄存器6 8 表5 4p h y 芯片中扩展寄存器6 8 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图1 1 图1 2 图2 1 图2 2 图2 - 3 图2 4 图2 图2 图2 图2 图2 9 图2 1 0 图2 1 1 图2 图2 图2 图2 图2 1 6 图2 1 7 图2 1 8 图2 1 9 图2 2 0 图2 2 l 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图 图 图 图 图目录 共享介质访问以太网3 交换结构分类4 共享总线交换结构7 共享存储器交换结构。8 交叉点的两种连通状态9 44 的c r o s s b a r 内部结构9 三级网络结构1 0 输出排队方式1 1 队头阻塞现象1 2 带v o q 的输入排队方式1 2 联合输入和输出排队方式1 3 交叉点排队方式1 3 片内i s 的c i c q 结构15 片外i s 的c i c q 结构1 6 带v l a n 标签的以太网帧18 输入端结构19 c i c qp 交换芯片内部结构2 1 扩展帧格式2 2 高优先级阻塞现象2 3 信用消息格式2 5 仿真模型2 6 指令流在c i c qp 中几乎不受影响一2 7 优先级数据流延迟特性2 8 两点之间的流控机制2 9 拥塞控制对吞吐量的影响【3 3 】3 0 漏斗流控模型31 令牌桶流控模型一一3 2 发送窗口和接收窗口一3 3 信用流控机制原理3 4 m a c 控制帧格式3 5 输入缓冲中设置高低水位一3 6 拥塞树的形成一3 7 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图3 1 0高优先级数据受端口阻塞影响3 8 图3 1 1 按优先级组织的输出队列3 9 图3 1 2 f e f c 的基于优先级的v o q 输入排队方式4 0 图3 1 3 交换机之间分流细化的流控方式4 0 图3 1 4 接口卡中队列组织形式4 1 图3 1 5 主机与交换机之间分流细化的流控方式4 2 图3 1 6 虚拟输出队列状态变化4 2 图3 1 7 反馈记录结构r e c o r ds t r u 4 3 图3 1 8 链路发送端为主机的流控反馈算法4 4 图3 1 9 链路发送端为交换机的流控反馈算法4 5 图3 2 0f e f c 帧格式4 6 图3 2 1网络仿真拓扑( 一) 。4 7 图3 2 2f e f c 与p a u s e 流控机制性能比较( 一) 4 8 图3 2 3网络仿真拓扑( 二) 4 8 图3 2 4f e f c 与p a u s e 流控机制性能比较( 二) 4 9 图4 1s e u 导致存储单元翻转。51 图4 2s e t 导致逻辑故障5 1 图4 3 三模冗余系统5 2 图4 4 三模冗余系统可靠性曲线图5 3 图4 5 二模协同原理5 3 图4 6 数据流的冗余设计思想5 5 图4 7m a c 模块级冗余设计5 5 图4 8 交换模块分发表决器逻辑图5 6 图4 9 转发表项5 8 图4 1 0 按位三模冗余和独热码结合5 8 图4 1 1软件“喂狗”点划分原理6 0 图4 1 2 双网双工网络之一6 0 图4 1 3 双网双工网络形式6 1 图5 1 交换机电路总体结构图6 3 图5 2 时钟分发电路6 5 图5 3 复位模块6 5 图5 4 局部复位信号电路6 6 图5 5 物理层和光模块6 6 图5 6 交换结构原理图6 9 图5 7 基于微控制器的交换机管理控制系统7 0 第v i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图5 8 图5 9 图5 1 0 图5 1 1 图5 1 2 f l a s h 存储系统与d s p 互连7 1 s d r a m 存储系统7 1 r s 2 3 2 串行接口7 1 d s p 与f p g a 的接口7 2 接口卡原理7 3 第v i ! 一页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 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对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：拭指憨壬兆丛盘圆交携技苤珏盔 一 学位论文作者签名：j 童过 日期：凇广年t 乙月鞠日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文作者始噎一坠一 日期如，年【l 月埚 作者指导教师签名：二摹丝i 一日期：聊年心五归 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 随着网络互联技术的不断发展，人们的生产生活方式也因此而发生了翻天覆 地的变化。当今，互联网已经在社会的各个领域得到了广泛的应用，使得网络已 经成为了推动社会各个部门高速运转和提升人们生活质量所必须的公共基础设 施。 在各种网络互联技术中，不断发展的以太网是现有局域网最通用的通信协议 标准，正逐渐成为城域网乃至广域网互联技术的重要组成部分。并由此衍生而来 的面向特殊领域的以太网技术，正以其独特的优势逐步受到工业、国防、航空、 航天等领域关注。例如在工业控制领域方面，对网络的可靠性、实时性方面要求 较高，工业以太网已经在工厂自动化、智能交通运输系统、变电站等其他恶劣环 境中得到了大规模的应用，并且已经成为了工业控制网络的重要组成部分之一。 近年来，我国的航天技术发展迅速，取得了令人瞩目的成就。资源二号、风 云一号、风云二号等卫星，以及“神舟 飞船系列的相继圆满发射成功，较大地 提高了我国的综合国力。随着各种类型的数据传输需求不断地增加，航天器对其 内部网络通信功能的要求不断提高，现在所使用的总线传输标准已经难以满足航 天器内部的数据传输的需求。这要求具有更高通信速率的内部网络来满足例如高 清视频信号、科研探测设备采集的大量数据等这类大规模数据的传输要求。然而 在国外，欧洲宇航局制定了航天器舱内高速链路和网络通信传输标准s p a c e w i r e 。 该标准支持可变数据传输速率2 - 2 0 0 m b p s 。依据其开发了相关的网络设备：交换 机、路由器等网络互联设备，主要用于e s a ，n a s a 的航天器上l 。 现有的以太网技术已经实现了从1 0 m b p s 至1 0 g b p s 的链路传输标准，该数据 传输速度在今后一段时间内能够很好地满足空间任务的数据传输需求。现在以太 网技术的商用应用已经相当成熟，相信经过一定的改进，能够较好地移植到航天 器上，从而建立起面向空间应用的以太网交换网络。 在面向空间应用这个大的背景下，对以太网交换技术存在特殊的数据传输需 求。需要对以太网交换的关键技术进行较为深入的研究，例如影响以太网的服务 质量所涉及的交换机的交换结构、流量控制、拥塞控制、优先级管理等。同时， 空间辐照环境对网络数据传输的可靠性提出了挑战，为了尽可能地避免数据在传 输过程中受到影响而丢失，需要对整网特别是交换机的数据传输的关键路径上进 行相应的加固措施，尽量降低数据丢失率。 网络交换设备是交换式局域网的重要组成部分，具有抗辐照功能的高速网络 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 交换设备在未来的航天器中有着广泛的应用需求。在空间辐照环境中，由于通常 意义的商用器件( c o t s ，c o m m e r c i a lo f f - t h e s h e l f ) 抗辐照能力较低，给航天任务 带来较大的风险，使得商用器件很难直接被应用于航天任务中【2 】。在这种情况下， 航天器对其搭载的网络交换设备乃至在其上部署的整个交换网络的高可靠性，而 且在低功耗、抗辐照等方面有着更为苛刻的要求，这都是商用的交换设备所难以 满足的。 面向空间应用的抗辐照以太网交换技术是一个新兴的以太网技术研究方向， 这也引起了相关应用领域的重视。本文所涉及的抗辐照千兆以太网的相关研究工 作也是在这样一个研究背景下进行的。 1 2 以太网的发展 1 2 1 以太网起源及标准以太网 以太网的最初概念源自这样一个问题：允许两个或者多个用户使用同一个传 输介质通信而又不相互干扰。早在上个世纪7 0 年代初，夏威夷大学开始研究多个 用户共享传输介质的问题，并开发了a l o h a 网络。该网络能够让夏威夷群岛上的多 个工作站彼此通过共享无线电频段相互访问【3 】。最初的以太网的访问控制机制 c s m a c d 也是基于a l o h a 的共享介质访问思想提出的。 早在1 9 7 3 年，施乐公司( x e r o x ) 提出并实现了最初的以太网，采用该技术的 网络具有2 9 4 m b p s 的传输速率。1 9 7 3 年至1 9 8 0 年期间，这项技术主要用于x e r o x 实 验室，以及少量用于一些有选择性的工业机构( 如波音公司) 、政府机构( 如美国 白宫) 和学术机构等。1 9 7 9 年，x e r o x 、d e c 、i n t e l 构成了产业联盟，并于1 9 8 0 年 开发并公布1 0 m b p s 的以太网标准。1 9 8 3 年6 月，i e e e 也提出了8 0 2 3 以太网标准的 第一个版本1 4 j 。 第一代的标准以太网，其链路传输率为1 0 m b p s 。联网设备通过双绞线或者同 轴电缆实现物理互连，使用载波侦听多路反问控制( c s m c d ) 的访问控制协议 共享通信信道。这种以太网的技术关键是介质访问控制( m a c ，m e d i aa c e s s c o n t r 0 1 ) ，即如何协调多台计算机对共享物理介质的使用【5 1 。这种共享介质访问的 以太网是基于总线型的拓扑结构( 如图1 1 所示) ，不利于网络规模的扩展。这是因 为同一个冲突域内部随着通信节点数量增加导致介质访问的冲突概率增大，从而 减低了网络的吞吐量。 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 1 2 2 快速以太网 图1 1 共享介质访问以太网 随着网络的不断发展和计算机的大量普及，传统的标准以太网技术已经不能 满足日益增长的用户数据传输需求。f d d i 采用光纤作为传输介质，以1 2 5 m h z 的时 钟频率实现1 0 0 m b p s 的数据传输速率，比传统的局域网提高了1 0 倍的数据传输能 力。但是由于f d d i 协议过于复杂，从而导致f d d i 协议芯片复杂且价格昂贵，难以 实现普及【6 1 。于是在1 9 9 5 年3 月，i e e e 8 0 2 工程组提出了i e e e 8 0 2 3 u1 0 0 b a s e t 快速 以太网标准，主要使用5 类双绞线实现全双工的数据传输，其链路传输率达到 1 0 0 m b p s 。此外，还有1 0 0 b a s e f x 、1 0 0 b a s e t 4 两个快速以太网标准，分别是实现 光纤或者3 、4 、5 类双绞线互联的快速以太网技术。 快速以太网技术继承了标准以太网的帧格式，并且在不改变已有布线的情况 下实现网络的升级。此后出现的以太网交换机代替了总线和集线器等互联设备， 实现了冲突域的隔离，提高了每个网络设备通信带宽。这些优势使得以太网技术 得到了进一步的普及和应用。 1 2 3 千兆及万兆以太网 至今，以太网技术已经发展到了千兆以太网、万兆以太网。千兆以太网技术 主要有两个标准：i e e e 8 0 2 3 z 、i e e e 8 0 2 3 a b 。其中，1 9 9 8 年提出的i e e e 8 0 2 3 z 主 要有1 0 0 0 b a s e x 、1 0 0 0 b a s e c x 、1 0 0 0 b a s e l x 、1 0 0 0 b a s e s x 等标准，主要是针对 均衡屏蔽的同轴电缆、光纤等物理连接形式。而i e e e 8 0 2 3 a b 标准允许使用双绞线 作为传输介质将传输距离达至j j l 0 0 米。 2 0 0 2 年，i e e e 通过了8 0 2 3 a e ，即万兆以太网标准。其扩展t i e e e 8 0 2 3 协议和 m a c 协议，支持1 0 g b p s 的数据传输率。与传统以太网的区别是：只支持全双工方 式；提供广域网物理层接口。 以太网技术发展至今，无论是数据传输率还是传输距离等都有较大的提高。 其不再仅仅用于局域网互联，而且可以用于数据中心、城域网、广域网等领域。 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 1 3 国内外研究现状 1 3 1 以太网交换关键技术 以太网交换技术涉及到很多方面，例如：交换结构、流量控制、服务质量、 拥塞控制等方面。而本文仅仅涉及到了其中的两个方面：交换机交换结构以及流 量控制机制。 以太网交换机能够实现冲突域的隔离，从而有效地提高冲突域内部的各个站 点的通信带宽，并为独立的冲突域之间提供全速的连接。尤其是在全双工交换式 以太网中，每个站点之间可以实现全速的数据通信。交换结构作为分组交换设备 的核心部件，无论对交换机还是路由器来说都相当重要，直接影响网络设备的容 量和吞吐量。 各种交换结构引发国内外研究人员进行了大量的研究，这对提升交换机和路 由器的性能起到了直接的推动作用。通常的交换结构如图1 2 ，主要分为两大类： 时分交换、空分交换。时分交换结构主要有共享介质型、共享存储器型等交换结 构；空分交换结构主要有交叉开关型、多级网络型等交换结构1 7 。 交换结构 时分结构 空分结构 ii 厂 厂1 共享介质共享存储器交叉开关c l o sm u l t i p l a n e全互联 图1 2 交换结构分类 不论是何种互联网络( 例如以太网、x 2 5 、a t m 等) ，不能避免的另一个问题 就是流量控制。最早的以太网没有任何形式的流量控制，容易造成接收方的缓冲 区发生拥塞而导致数据帧丢失。后来发展到基于以太网c s 蝴d 介质访问控制方 式实现的半双工背压流控机制。1 9 9 7 年发布的i e e e 8 0 2 3 x 提出了基于p a u s e 帧的 点到点全双工链路的流量控制机制【引。该流量控制机制在以太网发生暂时拥塞或者 持续拥塞时会影响网络中的一些非拥塞流的正常发送，且可能造成全局“拥塞树 的形成，导致整网性能下降。进一步研究和改进现有的p a u s e 帧流量控制机制对 提高以太网的服务质量是十分必要的。 1 3 2 抗辐照加固技术 由于空间环境中存在来自宇宙射线、太阳耀斑等辐射源的许多高能带电粒子， 这些高能带电粒子环境构成了航天器在轨运行时的辐照环境。这些高能带电粒子 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 直接射入电子设备半导体器件上，并在其通过的路径上产生电子空穴对，并在电 场的作用下在相应的地方进行积累。当半导体器件的敏感区域积累足够多的电离 电荷后，超过了触发器电路的保持状态的临界电荷时，使得触发器的输出值产生 翻转，从而影响系统的正常工作，情况严重时可能造成整个航天器的运行失效。 在国外，早在上个世纪五十年代就已经开始了对电离辐照环境的研究。尤其 是针对航天器威胁最大的单粒子效应深入研究，获得了大量的数据，并建立了许 多模型【9 】【1 0 】【1 l 】来验证单粒子效应的机理，这对提高抗辐照加固技术有相当重要的 意义。同时也提出了许多模型来验证单粒子效应发生的概率，如b e n d e l 双参数模型、 单参数模型等。与此同时，各种抗辐照加固技术也得到了广泛的研究。从工艺上 讲，包括s o i i 型1 2 l ，反熔丝的f p g a 等加固工艺；从模块和系统级上讲，有纠错 编码e d a c t l 3 】、三模冗余t m r 、故障检测等各种容错机制。另外还有一些专用的 抗辐照加固自动设计工具被广泛应用于各种抗辐照系统的设计中，例女l l x i l i n x 提供 了t m r t o o l 用于开发高辐照环境中的f p g a 。 尽管国内很早就开始抗辐照机理和加固方面的研究，并做了不少工作，但是 相比国外还存在较大差距。兰州物理研究所研究了空间单粒子锁定( s e l ) 现象的 触发原理，并在模拟实验的基础上研制成功了锁定防护电路【l5 。中国工程物理研 究院研究了模拟电路的单粒子瞬时( s e t ) 现象【1 6 】。西安交通大学、中国原子能研 究院等单位合作开展了重离子微束单粒子效应实验，建立了大规模集成电路重离 子微束单粒子效应实验方法，找到了国产s r a m 的单粒子翻转( s e u ) 敏感区1 1 7 】。 中科院半导体所和中电5 8 所研制了抗辐照的s o is r a m t l 8 】。国防科学技术大学研究 了s e u 的电路级模拟技术，提出了加固设计的存储单元，并且提出了利用软件容错 技术增强系统可靠性的方法。 1 4 课题研究内容 本课题是为了在面向空间应用的抗辐照千兆以太网交换系统研究方面做出初 步尝试，以满足空间应用领域日益增长的数据通信需求。本文研究了抗辐照千兆 以太网交换技术中的多个关键问题，为相关网络设备的进一步研制提供一定的理 论和工程实践的积累。 交换机对于构建局域通信网络起到了相当重要的作用，研究可适用于空间应 用领域的以太网交换机对于提高航天器内部的数据交换能力意义重大。本课题重 点针对交换机内部的交换结构、以太网的流量控制方式和抗辐照以太网系统的可 靠性设计几个方面进行深入的研究，并且进行系统原型的工程实践。 本课题重点涉及以下研究内容： 1 ) 研究现有的交换结构，并结合航天器中特殊数据传输的需求进行针对性的 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 交换结构设计，满足诸如优先级的数据传输和指令流传输的需求。 2 ) 研究现有的各种流量控制机制，分析现有以太网流量控制机制的不足。并 结合航天器内部对通信网络的需求，改进现有基于p a u s e 帧的以太网流量控 制方式，从而支持细化的流量控制方式。 3 ) 在研究现有的硬件容错技术的基础上，从提高以太网数据交换的可靠性出 发，针对交换机内部的数据流通路径和整个交换网络，从模块级和系统级可靠 性设计角度，提出抗辐照加固的解决方案。 4 ) 最后是该系统的设计实现。 1 5 论文的结构 全文共分为六章。 第一章为绪论，简要介绍课题的研究背景和意义，然后在介绍国内外相关研 究的基础上，概括本文的主要工作，最后给出文章的组织结构。 第二章主要介绍了现有的各种交换结构，然后介绍航天器内部网对优先级的 数据流和指令流传输的需求，最后结合相应的需求并在现有交换结构的基础上提 出了一种交换结构c i c qp ，并且使用o m n e t + + 工具进行了性能分析。 第三章首先介绍流量控制的概念和现有各种典型的流量控制方式。然后研究 各种以太网流量控制方式以及基于p a u s e 帧的全双工交换以太网流控方式的不 足。最后从提高以太网的性能出发，并结合航天器内部数据通信的实际需求，改 进现有的交换式以太网流量控制方式，提出f e f c 流量控制方式，并且用o m n e t + + 工具进行了对比分析。 第四章介绍了空间辐照环境，在此基础上分析了单粒子效应对半导体器件正 常工作的影响。在介绍了几种典型的模块级和系统级加固技术的基础上，针对抗 辐照以太网提出相关可靠性设计技术。 第五章抗辐照以太网系统的设计。包含了交换机和接口卡两部分。 第六章总结了本课题的主要工作和贡献，同时也对存在的问题进行了反思， 最后对后续工作进行了展望。 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章抗辐照千兆以太网的交换结构研究 以太网交换机能够实现冲突域的隔离，在全双工模式下实现连网节点的全速 率数据收发。可以说，以太网交换机改变了传统以太网以总线或者集线器互联的 网络形态，助推了以太网技术的不断发展。以太网交换机的核心部件就是交换结 构，直接影响其交换性能。故本章主要针对交换结构进行了深入的研究。 2 1 各种交换结构 不论是在交换机或者路由器中，交换结构占有相当重要的比重。交换结构主 要解决网络设备中不同端口之间的数据分发问题。交换结构和基于该种交换结构 的队列调度算法根本上决定了网络设各的交换性能( 例如链路速率、吞吐率、服 务质量等) 。可以说，交换结构的不断发展对交换机和路由器性能的提高起到了相 当重要的作用。下面主要介绍几种典型的以太网交换结构。 2 1 1 共享总线型 该种交换结构( 如图2 1 ) 类似于传统的计算机硬件结构，各个端口如同计算 机的设备一样通过分时共享一条数据总线，从而实现各个端口之间的数据交换。 而共享总线结构的实现机制同时也和以太网的共享介质访问方式类似。 交换总线 输 入 端 口 输 出 端 口 图2 1共享总线交换结构 其基本原理是，如有帧需要从输入端口p 1 到达输出端口p 2 。则当帧到达输入 端口p 1 之后，通过时分复用机制轮流占用总线，然后该帧会出现在所有的地址过 滤器( a f ，a d d r e s sf i l t e r ) 上进行地址过滤。由于帧是需要从输出端口p 2 流出， 故只有输出端口p 2 的地址过滤器允许该帧通过，然后进入输出端口p 2 的队列( 通 常使用f i f o 的队列管理机制) ，然后按序发送。该种交换结构为了实现线性交换， 总线的处理速度至少是链路速率的n 倍，否则难以达到1 0 0 的吞吐率。 该结构的工作原理和实现方式相对简单，且容易实现端口容量扩展。但是随 着链路速率和交换机的端口数不断地增加，导致时分复用的总线和存储器工作频 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 率相对较高，才能有效地避免帧丢失。假设交换机的链路数据传输率为1 g b p s ，共 有n 个网络端口，则总线和存储器的工作速率需达到n g b p s ，当交换机容量较大 时分时复用的控制逻辑和存储器将成为性能的瓶颈。 2 1 2 共享存储器型 共享存储器型交换结构利用共享的高速存储器( 通常使用s d r a m 实现) 作 为帧的交换点，各个端口可以分时访问共享存储器从而完成帧的交换。在每个时 隙内，共享存储器能够将来自n 个输入端口的帧写入，将具有相同输出端口的帧 按照链表方式组织队列存放在共享存储器中，并且能够最多读出n 个帧流向不同 的输出端口。 输入端口输出端口 图2 2 共享存储器交换结构 如图2 2 所示，各个输入端口通过复用逻辑实现端口输入数据宽度的扩展，使 得各个输入端口能够分时访问存储器。当帧进入交换结构之后，控制逻辑( 通常 是专用芯片a s i c 实现) 选取空闲的缓冲空间分配给该帧，且将其加入相应端口的 输出队列链表。当帧到达输出队列链表头部时则通过输出端口发送出去，并释放 共享存储器中占用的缓冲。 共享存储器交换结构可以根据存储器的共享方式分为全共享、部分共享两类。 全共享方式中存在共享公平性的问题，业务流量较大的端口可能独占整个共享空 间从而导致其它端口的业务流量不能得到正常的服务，甚至导致某些端口“饿 死 现象的发生。这可以通过使用部分共享方式解决，然而同时也增加了硬件设 计的复杂性。 这种结构的交换性能主要受限于复用、解复逻辑，存储器的访问速率和控制 逻辑的处理速度等因素。其中，共享存储器的访问速率通常需要满足以下公式： 圪硎2 n ( 2 1 ) 随着端1 3 数n 和链路