伊小素陶聰凌曾華菘劉文莉(北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院北京100191)

SpaceWire冗余熱備份網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)及分析

伊小素，陶聰凌，曾華菘，劉文莉
(北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京100191)

SpaceWire是由歐空局專(zhuān)門(mén)面向航天應(yīng)用提出的新一代高速數(shù)據(jù)總線技術(shù)，在鏈路故障檢測(cè)、故障恢復(fù)等方面得到了加強(qiáng)。為了解決鏈路擁堵和減少網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)，SpaceWire?D提出了在網(wǎng)絡(luò)中流通時(shí)間碼、調(diào)度表的運(yùn)作機(jī)制。由于航天領(lǐng)域?qū)W(wǎng)絡(luò)可靠性有著嚴(yán)格要求，路由器作為網(wǎng)絡(luò)中不可缺少的組成部分，基于路由器的網(wǎng)絡(luò)可靠性設(shè)計(jì)具有重要價(jià)值。本文通過(guò)對(duì)SpaceWire路由器和SpaceWire?D標(biāo)準(zhǔn)的研究，提出將SpaceWire?D標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間碼保留位的其中一位與路由器轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間碼模式切換有機(jī)結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)SpaceWire網(wǎng)絡(luò)冗余熱備份功能，從而提高SpaceWire網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

SpaceWire路由器；時(shí)間碼保留位；可靠性；熱備份保留位；模式切換

0 引言

SpaceWire總線技術(shù)具有高速(2MB／s～400MB／s)、全雙工、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的串行數(shù)據(jù)通信鏈路和很好的EMC特性，在Rosetta航天器、火星快車(chē)等項(xiàng)目中得到應(yīng)用［1?3］。在SpaceWire網(wǎng)絡(luò)中，路由器是不可或缺的組成部分，設(shè)備可以通過(guò)路由器與其他設(shè)備進(jìn)行通信［4］。隨著SpaceWire網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度不斷提高，設(shè)備通過(guò)路由器通信極易引發(fā)通信鏈路的擁堵問(wèn)題。針對(duì)這一問(wèn)題，SpaceWire?D標(biāo)準(zhǔn)提出了在鏈路中流通時(shí)間碼、調(diào)度表為各個(gè)設(shè)備分配時(shí)間槽的運(yùn)作機(jī)制。這一運(yùn)作機(jī)制的使用可減少網(wǎng)絡(luò)鏈路擁堵問(wèn)題，提高通信鏈路利用率［5］。在SpaceWire?D標(biāo)準(zhǔn)中，時(shí)間碼并沒(méi)有全部使用，留有兩位時(shí)間碼保留位，以備SpaceWire標(biāo)準(zhǔn)后續(xù)擴(kuò)展使用。

由于航天領(lǐng)域應(yīng)用背景特殊，對(duì)網(wǎng)絡(luò)可靠性要求很高。本文通過(guò)研究SpaceWire?D標(biāo)準(zhǔn)，提出了一種通過(guò)SpaceWire路由器轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間碼模式切換結(jié)合SpaceWire?D時(shí)間碼保留位中的一位，實(shí)現(xiàn)SpaceWire冗余網(wǎng)絡(luò)熱備份功能的方法，從而保證在鏈路發(fā)生故障時(shí)網(wǎng)絡(luò)仍然保證正常的通信功能。

1 SpaceWire-D的運(yùn)行機(jī)制

1.1 時(shí)間碼

SpaceWire?D標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)時(shí)間碼做了定義，時(shí)間碼的傳輸優(yōu)先級(jí)最高，用來(lái)保證全網(wǎng)的時(shí)間同步。時(shí)間碼由ESC字符(轉(zhuǎn)義字符)＋數(shù)據(jù)字符組成，如圖1所示。

數(shù)據(jù)字符：T0～T5是時(shí)間碼有效值，T6、T7是時(shí)間保留位，在SpaceWire?D標(biāo)準(zhǔn)中這兩位沒(méi)有任何功能。P是奇偶校驗(yàn)位，P后面的一位是標(biāo)志位。

1.2 時(shí)間碼與時(shí)間槽關(guān)系

SpaceWire?D標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定兩個(gè)有效時(shí)間碼之間的時(shí)間間隔定義為一個(gè)時(shí)間槽。

時(shí)間碼與時(shí)間槽的關(guān)系如圖2所示［6］。

網(wǎng)絡(luò)工作時(shí)，主控節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送時(shí)間碼。路由器收到時(shí)間碼后，更新內(nèi)部的時(shí)間碼計(jì)數(shù)器，并將剛收到的時(shí)間碼發(fā)往與其相連的所有設(shè)備。設(shè)備接收到由路由器轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)來(lái)的時(shí)間碼，該時(shí)間碼意味著一個(gè)新時(shí)間槽的開(kāi)始。如果調(diào)度表分配給設(shè)備的時(shí)間槽與現(xiàn)在的時(shí)間槽的數(shù)值相等，那么這個(gè)設(shè)備可以發(fā)送數(shù)據(jù)［7］。

2 SpaceWire冗余網(wǎng)絡(luò)熱備份結(jié)構(gòu)

在航天任務(wù)中由于對(duì)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)可靠性要求嚴(yán)格，更適合采用對(duì)系統(tǒng)硬件資源利用率高的熱備份［8］。

本文采用SpaceWire網(wǎng)絡(luò)熱備份方式進(jìn)行備份冗余，使得SpaceWire網(wǎng)絡(luò)的可靠性提高。熱備份冗余方案的結(jié)構(gòu)如圖3所示［9］。

圖3中，SpaceWire網(wǎng)絡(luò)包含兩個(gè)路由器1與2，接入網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)設(shè)備均帶有兩個(gè)SpaceWire接口A與B。其中，每個(gè)設(shè)備的A接口與路由器1連接構(gòu)成子網(wǎng)絡(luò)A，B接口與路由器2連接構(gòu)成子網(wǎng)絡(luò)B，工作時(shí)每個(gè)設(shè)備的兩個(gè)接口以及兩個(gè)路由器均開(kāi)啟全功能。

3 SpaceWire冗余網(wǎng)絡(luò)熱備份實(shí)現(xiàn)方法

3.1 鏈路狀態(tài)寄存器與時(shí)間碼使能寄存器

路由器具有鏈路狀態(tài)寄存器和時(shí)間碼使能寄存器［10］。鏈路寄存器可以記錄儲(chǔ)存實(shí)時(shí)的鏈路狀態(tài)，時(shí)間碼使能寄存器可以控制路由器的時(shí)間碼轉(zhuǎn)發(fā)，使路由器可以轉(zhuǎn)發(fā)指定的時(shí)間碼。

工作時(shí)，鏈路狀態(tài)被路由器鏈路狀態(tài)寄存器記錄。例如，路由器的某一個(gè)端口鏈路斷開(kāi)，該端口的鏈路狀態(tài)寄存器記錄這個(gè)信息，將這一鏈路狀態(tài)寄存器讀取出來(lái)即可實(shí)時(shí)掌握網(wǎng)絡(luò)的鏈路狀態(tài)。

路由器的時(shí)間碼轉(zhuǎn)發(fā)由時(shí)間碼使能寄存器決定。文章提出的方法，路由器全部端口都可以轉(zhuǎn)發(fā)指定的時(shí)間碼，所以時(shí)間碼使能寄存器拓展為兩位用以實(shí)現(xiàn)此方法。

3.2 SOC系統(tǒng)的搭建

在對(duì)SpaceWire路由器和SpaceWire?D研究的基礎(chǔ)上，本文提出通過(guò)搭建 SoC系統(tǒng)用以實(shí)現(xiàn)SpaceWire網(wǎng)絡(luò)冗余熱備份。SoC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，包括AXI?Lite總線、MicroBlaze處理器以及片上RAM等。將SpaceWire路由器鏈路寄存器和時(shí)間碼使能寄存器即 SpaceWire接口通過(guò)SpaceWire接口控制器接入 AXI?Lite總線，通過(guò)AXI?Lite總線將數(shù)據(jù)信息傳遞進(jìn)入MicroBlaze處理器。處理器通過(guò)讀取鏈路寄存器上實(shí)時(shí)記錄的鏈路狀態(tài)，對(duì)鏈路故障進(jìn)行實(shí)時(shí)判斷。當(dāng)鏈路發(fā)生故障時(shí)，處理器根據(jù)設(shè)計(jì)好的算法排除故障，保證SpaceWire網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)正常工作。

3.3 SpaceWire冗余網(wǎng)絡(luò)熱備份的工作方式

SpaceWire?D協(xié)議中的 SpaceWire時(shí)間碼T6、T7是保留位，沒(méi)有使用。本文提出的方法只使用其中一位保留位即T6，T7仍是未啟用狀態(tài)，為系統(tǒng)后續(xù)拓展功能留下余地。

工作方式描述如下：按照各個(gè)設(shè)備之間是否有相互通信要求的情況，將SpaceWire網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備分為兩組。如圖3所示，設(shè)備1、設(shè)備2、設(shè)備3和設(shè)備4編為子網(wǎng)絡(luò)A，它們接收到T6為1的時(shí)間碼視為有效；設(shè)備5、設(shè)備6和設(shè)備7編為子網(wǎng)絡(luò)B，它們接收到T6為0的時(shí)間碼視為有效；子網(wǎng)絡(luò)A與子網(wǎng)絡(luò)B之間沒(méi)有通信要求。主控節(jié)點(diǎn)同時(shí)通過(guò)A與B兩個(gè)接口向網(wǎng)絡(luò)中廣播時(shí)間碼，每次廣播一對(duì)時(shí)間碼，其系統(tǒng)時(shí)間值(T0～T5)一樣，但T6分別為1和0。此時(shí)，路由器1轉(zhuǎn)發(fā)T6為1的時(shí)間碼，驅(qū)動(dòng)子網(wǎng)絡(luò)A的運(yùn)行；路由器2轉(zhuǎn)發(fā)T6為0的時(shí)間碼，驅(qū)動(dòng)子網(wǎng)絡(luò)B的運(yùn)行。子網(wǎng)絡(luò)A中的設(shè)備通過(guò)路由器1進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，子網(wǎng)絡(luò)B中的設(shè)備通過(guò)路由器2進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。至此，通過(guò)時(shí)間碼的保留位T6進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)與劃分的功能得以實(shí)現(xiàn)，兩個(gè)路由器根據(jù)其模式的設(shè)定驅(qū)動(dòng)子網(wǎng)絡(luò)A或B，兩個(gè)子網(wǎng)絡(luò)均按照事先設(shè)定好的調(diào)度表獨(dú)立工作。

若有特殊設(shè)備要在子網(wǎng)絡(luò)A與子網(wǎng)絡(luò)B間有通信要求，則可讓該設(shè)備將兩套時(shí)間碼均視為有效。

3.4 故障產(chǎn)生及其解決方案

對(duì)網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生的3種典型故障狀態(tài)進(jìn)行分析：

1)同一子網(wǎng)絡(luò)中的一條(或多條)有效鏈路故障，但只影響到從節(jié)點(diǎn)，未導(dǎo)致任何一套鏈路癱瘓。有效鏈路是指正常工作時(shí)與網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)具有相同標(biāo)號(hào)的鏈路，例如子網(wǎng)絡(luò)A中的設(shè)備1的接口A鏈路。

2)路由器故障，或者同一路由器分別與兩個(gè)子網(wǎng)絡(luò)中多個(gè)設(shè)備之間的鏈路故障；主控節(jié)點(diǎn)與路由器連接的某條鏈路故障，導(dǎo)致某一套鏈路癱瘓。

3)同一子網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)有效鏈路與無(wú)效鏈路均發(fā)生故障的情況，但故障未同時(shí)發(fā)生在與同一節(jié)點(diǎn)相連的兩條鏈路上。無(wú)效鏈路是指正常工作時(shí)與網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)具有不同標(biāo)號(hào)的鏈路，例如子網(wǎng)絡(luò)A中的設(shè)備1的接口B鏈路。無(wú)效鏈路可以視為備份鏈路。

故障狀態(tài)a如圖5所示。假設(shè)設(shè)備1與路由器1之間的鏈路A發(fā)生了故障。

當(dāng)故障狀態(tài)a出現(xiàn)時(shí)，子網(wǎng)絡(luò)A中設(shè)備1的有效鏈路出現(xiàn)故障，但是其與另一個(gè)路由器相連的備份鏈路正常。針對(duì)此類(lèi)故障，可將兩個(gè)路由器的工作模式進(jìn)行對(duì)調(diào)，交換它們所負(fù)擔(dān)的子網(wǎng)絡(luò)。具體做法是：SoC系統(tǒng)通過(guò)路由器1對(duì)相應(yīng)的鏈路寄存器讀取鏈路狀態(tài)，從而得知鏈路出現(xiàn)故障，將路由器1改為轉(zhuǎn)發(fā)T6為0的時(shí)間碼，驅(qū)動(dòng)子網(wǎng)絡(luò)B的運(yùn)行；將路由器2改為轉(zhuǎn)發(fā)T6為1的時(shí)間碼，驅(qū)動(dòng)子網(wǎng)絡(luò)A的運(yùn)行。此時(shí)，子網(wǎng)絡(luò)A中的設(shè)備通過(guò)路由器2進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，子網(wǎng)絡(luò)B中的設(shè)備通過(guò)路由器1進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。這樣一來(lái)，數(shù)據(jù)流便繞開(kāi)了故障鏈路，該故障就不再會(huì)對(duì)兩個(gè)子網(wǎng)絡(luò)造成影響。

故障狀態(tài)b如圖6所示。其中，假設(shè)路由器1出現(xiàn)故障，子網(wǎng)絡(luò)A癱瘓。

當(dāng)故障狀態(tài)b出現(xiàn)時(shí)，路由器1故障導(dǎo)致子網(wǎng)絡(luò)A癱瘓，故任何一個(gè)子網(wǎng)絡(luò)均不能繼續(xù)通過(guò)路由器1進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。針對(duì)此類(lèi)故障，需要用路由器2承擔(dān)起故障路由器1的工作，將兩個(gè)子網(wǎng)絡(luò)合并完成雙網(wǎng)融合。具體做法是：SoC系統(tǒng)通過(guò)路由器1對(duì)相關(guān)的鏈路寄存器無(wú)法進(jìn)行讀取鏈路狀態(tài)，從而得知路由器1發(fā)生故障。此時(shí)，路由器1工作將交由路由器2完成，路由器2將同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)T6為0的時(shí)間碼和T6為1的時(shí)間碼，使得原本處于子網(wǎng)絡(luò)A中的設(shè)備被移入了子網(wǎng)絡(luò)B，所有設(shè)備均處于子網(wǎng)絡(luò)B中，通過(guò)路由器2進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。這樣一來(lái)，在子網(wǎng)絡(luò)B中就有兩套調(diào)度表在同時(shí)運(yùn)行，若同一時(shí)間槽內(nèi)有兩個(gè)(或多個(gè))設(shè)備被允許使用鏈路，則需要競(jìng)爭(zhēng)鏈路的帶寬，這將導(dǎo)致路由器負(fù)荷加重，降低整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的效率。

故障狀態(tài)c如圖7所示。其中，假設(shè)設(shè)備1與路由器1之間的接口A鏈路故障，設(shè)備4與路由器2之間的接口B鏈路故障。

當(dāng)故障狀態(tài)c出現(xiàn)時(shí)，處于同一子網(wǎng)絡(luò)中的兩個(gè)不同設(shè)備的有效鏈路和備份鏈路分別發(fā)生故障，此時(shí)將兩個(gè)子網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交換與合并均無(wú)法使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)繼續(xù)工作。此時(shí)，應(yīng)將兩個(gè)路由器網(wǎng)絡(luò)打通，實(shí)現(xiàn)雙網(wǎng)融合。處理方法是SoC系統(tǒng)通過(guò)對(duì)路由器1和路由器2的相關(guān)鏈路寄存器讀取鏈路狀態(tài)，從而得知鏈路發(fā)生故障。此時(shí)，路由器1和路由器2將同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)T6為0的時(shí)間碼和T6為1的時(shí)間碼，打通整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。各個(gè)設(shè)備可以根據(jù)自身的調(diào)度表自由轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，從而使得SpaceWire網(wǎng)絡(luò)能夠維持正常工作。

綜上所述，SpaceWire網(wǎng)絡(luò)冗余熱備份的工作流程圖如圖8所示。依據(jù)圖8即可設(shè)計(jì)SoC系統(tǒng)中處理器算法，實(shí)現(xiàn)SpaceWire網(wǎng)絡(luò)冗余熱備份功能。

4 可靠性分析

本文采用SpaceWire冗余熱備份網(wǎng)絡(luò)與時(shí)間碼一位保留位聯(lián)合使用的方法，提高了SpaceWire網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性。以下對(duì)可靠性的改善進(jìn)行初步分析。

為方便分析，取SpaceWire網(wǎng)絡(luò)共有6個(gè)設(shè)備，并只考慮鏈路發(fā)生故障的情形。假設(shè)系統(tǒng)中單條鏈路的故障率為P，Z代表熱備份網(wǎng)絡(luò)連接備份數(shù)，并假設(shè)熱備份網(wǎng)絡(luò)連接全部失效的概率為0，以此來(lái)分析熱備份對(duì)系統(tǒng)內(nèi)鏈路故障造成的系統(tǒng)工作異常的可靠性改善，具體分析如表1所示。

表1 可靠性分析Table 1 Reliability analysis

說(shuō)明1：對(duì)于冷備份網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生兩條鏈路故障有以下兩種情形。1)故障都發(fā)生在工作鏈路或備用鏈路上；2)故障分別發(fā)生在工作鏈路和備用鏈路上。對(duì)于前者，網(wǎng)絡(luò)不受影響可以正常工作。對(duì)于后者，網(wǎng)絡(luò)不能正常工作。根據(jù)上文假定模式計(jì)算網(wǎng)絡(luò)失效率：

說(shuō)明2：對(duì)于熱備份網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)中發(fā)生兩條設(shè)備鏈路故障時(shí)存在以下兩種情形。1)故障都發(fā)生在工作鏈路或備用鏈路上；2)故障分別發(fā)生在工作鏈路和備用鏈路上。對(duì)于前者，網(wǎng)絡(luò)可以工作正常并且能工作在雙網(wǎng)絡(luò)模式下，不降低性能。對(duì)于后者，網(wǎng)絡(luò)會(huì)出現(xiàn)兩種情況。①故障發(fā)生在不同設(shè)備的鏈路上。此時(shí)，網(wǎng)絡(luò)依然能夠正常工作，但必須雙網(wǎng)融合，導(dǎo)致性能降低。②故障發(fā)生在同一設(shè)備的兩條鏈路上。此時(shí)，網(wǎng)絡(luò)不能正常工作。根據(jù)上文假定模式計(jì)算網(wǎng)絡(luò)失效率：

對(duì)比P1、P2，得出P1＞P2，P由0～0.2變化時(shí)，P1與P2的對(duì)比如圖9所示。由此得出：熱備份網(wǎng)絡(luò)可靠性高于冷備份網(wǎng)絡(luò)可靠性。

說(shuō)明3：與說(shuō)明1類(lèi)似，當(dāng)故障發(fā)生在工作鏈路或備用鏈路上，網(wǎng)絡(luò)能正常工作；否則，不能正常工作。此時(shí)，計(jì)算網(wǎng)絡(luò)失效率：

說(shuō)明4：與說(shuō)明2類(lèi)似，當(dāng)故障發(fā)生在同一設(shè)備的兩條鏈路上，網(wǎng)絡(luò)不能正常工作；否則，都能正常工作。此時(shí)，計(jì)算網(wǎng)絡(luò)失效率：

對(duì)比P3、P4，得出P3＞P4，P由0～0.2變化時(shí)，P3與P4的對(duì)比如圖10所示。由此得出：熱備份網(wǎng)絡(luò)可靠性高于冷備份網(wǎng)絡(luò)可靠性。

綜上所述，不論系統(tǒng)中有幾條鏈路故障，對(duì)于冷備份網(wǎng)絡(luò)能夠保證正常工作的情形，熱備份網(wǎng)絡(luò)通過(guò)雙網(wǎng)切換都能夠保證正常工作。對(duì)于冷備份網(wǎng)絡(luò)無(wú)法保證正常工作的故障分散在兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的情形，只要單個(gè)設(shè)備兩條鏈路沒(méi)有同時(shí)故障，熱備份網(wǎng)絡(luò)通過(guò)雙網(wǎng)融合能夠保證正常工作。由此，可以容易得出：熱備份網(wǎng)絡(luò)可靠性高于冷備份網(wǎng)絡(luò)。

5 結(jié)論

本文介紹了一種結(jié)合SpaceWire技術(shù)特點(diǎn)來(lái)提高 SpaceWire網(wǎng)絡(luò)可靠性的方法。該方法基于SpaceWire網(wǎng)絡(luò)冗余熱備份結(jié)構(gòu)，利用SpaceWire?D標(biāo)準(zhǔn)中的一位時(shí)間碼保留位，實(shí)現(xiàn)在主鏈路連接出現(xiàn)故障時(shí)的網(wǎng)絡(luò)工作模式的切換。研究分析表明，該種方法式能夠在初始工作狀態(tài)獲得更高的網(wǎng)絡(luò)使用效率。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)可以通過(guò)相應(yīng)措施應(yīng)對(duì)多種故障情況，保證SpaceWire網(wǎng)絡(luò)能夠準(zhǔn)確、可靠地工作。

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Design and Analysis of SpaceWire Hot Backup Redundant Network

YI Xiao?su，TAO Cong?ling，ZENG Hua?song，LIU Wen?li
(School of Instrumentation Science and Opto?electronics Engineering，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191)

SpaceWire is a new bussing technique provided by European Space Agency.SpaceWire enhances the functions of error detection and error recover.In order to solve the problem of blocking in the net and reduce the SpaceWire delay，SpaceWire?D performs the time?code flowing in the net and schedule table.Aerospace has high requirements for the reliability of network.Router is the indispensable component in the net，the design of network reliability based on router is great value.This text based on research of the SpaceWire router and SpaceWire?D standard，a method for switching the SpaceWire?D standard time?code reservation bit with the router forwarding time?code mode is proposed to realize the SpaceWire network redundancy hot backup function and enhance the reliability of the SpaceWire network.

SpaceWire router;reserved bits of time?code;reliability;hot backup reservation bit;mode?shift

V443＋.1

A

1674?5558(2017)01?01309

10.3969／j.issn.1674?5558.2017.02.002

伊小素，女，副教授，研究方向?yàn)楣饫w傳輸、傳感技術(shù)。

2016?08?16