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        應用動態(tài)流量控制的天地網絡數(shù)據(jù)傳輸方法

        2018-09-04 08:57:04楊佳欣
        空間控制技術與應用 2018年4期
        關鍵詞:傳輸速率檔位航天器

        楊佳欣 ,禹 航

        0 引 言

        隨著航天器通信技術的發(fā)展,航天器天地數(shù)據(jù)通信速率、靈活性、信道利用率等性能得到了顯著提高,國內外航天器正逐步實現(xiàn)天地一體化網絡通信平臺[1-2],在提升天地數(shù)據(jù)傳輸速率的同時,為航天器內提供標準的以太網接口,由航天器平臺系統(tǒng)提供統(tǒng)一的天地鏈路,實現(xiàn)航天器局域網與地面測控系統(tǒng)局域網雙向接入,支持任意類型的載荷設備接入航天器網絡平臺,與地面測控系統(tǒng)網絡內任意測控設備進行雙向通信,有效提升天地通信的靈活性.

        由于航天器天地通信鏈路的限制,上下行雙向鏈路帶寬不對稱[3],并且天地數(shù)據(jù)傳輸速率低于航天器內數(shù)據(jù)通信總線或數(shù)據(jù)傳輸接口的速率[4],導致天地通信鏈路成為天地一體化通信系統(tǒng)的瓶頸[5],天地通信各種業(yè)務類型數(shù)據(jù)共享天地鏈路資源,為確保天地數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃约皩崟r性,通常對航天器飛行程序進行規(guī)劃,對重要業(yè)務類型數(shù)據(jù)預留相應的鏈路資源,導致天地信道利用率存在進一步提升的空間[6].

        本文研究了天地信道利用率方法,在某大型航天器型號任務實踐中,航天器天地通信平臺節(jié)點設備與載荷終端設備可自主交互,在保證關鍵業(yè)務數(shù)據(jù)通信優(yōu)先可靠的條件下,對載荷終端設備進行了動態(tài)流量控制和以太網平臺的設計,在網絡終端與天地網關之間采用動態(tài)流量控制網絡協(xié)議,由網關根據(jù)緩存區(qū)狀態(tài)對終端的傳輸速率進行實時、動態(tài)速率調整,確保緩存區(qū)處于健康平穩(wěn)的閾值范圍,實現(xiàn)了在保證終端數(shù)據(jù)可靠下傳的同時,提升了天地鏈路下行資源的利用率,并進行了仿真驗證.本文采用的方法同樣適用于地面指控中心系統(tǒng)對上行網絡數(shù)據(jù)進行處理.

        1 天地數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)模型

        航天器天地網絡通信系統(tǒng)常采用節(jié)點式通信結構,對于單獨一條通信鏈路,航天器內統(tǒng)一配置一臺天地網關設備,對航天器內各類型業(yè)務數(shù)據(jù)進行采集,并按照天地接口協(xié)議組成數(shù)據(jù)幀進行傳輸,典型的天地數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)模型如圖1所示.

        天地網關實現(xiàn)對不同類型業(yè)務數(shù)據(jù)的集中采集和分發(fā),實現(xiàn)天地數(shù)據(jù)通信主干鏈路節(jié)點功能,支持終端業(yè)務數(shù)據(jù)采用以太網平臺、1533B總線、直連接口等方式接入主干鏈路,天地之間可采用國際空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(CCSDS)的分包傳輸體制[7],對不同業(yè)務類型數(shù)據(jù)采用虛擬信道標識(VCID)進行劃分,并按照VCID制定相應的優(yōu)先級.

        天地網關對下行數(shù)據(jù)通常采用緩存調度策略,對航天器內下行業(yè)務數(shù)據(jù)進行集中采集、緩存,并通過統(tǒng)一的調度策略對緩存區(qū)內的數(shù)據(jù)進行組幀下行,調度策略可根據(jù)任務需求按照VCID執(zhí)行、或直接輪詢.天地網關對上行數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)幀分析,根據(jù)VCID將數(shù)據(jù)轉發(fā)到相應的航天器內接口鏈路.

        為支持終端業(yè)務數(shù)據(jù)的靈活性,可在航天器內設計以太網平臺,采用二層、三層路由轉發(fā)體制進行數(shù)據(jù)交換,對于天地通信數(shù)據(jù)采用三層路由機制送天地網關,天地網關對網絡數(shù)據(jù)包(IP)包頭及上層數(shù)據(jù)信息進行封裝處理,天地之間數(shù)據(jù)傳輸保留了路由數(shù)據(jù)信息[8],通過航天器網關與地面網關的配合,實現(xiàn)了航天器內任意終端與地面網絡中任意終端直接網絡通信,具體通信機制可參見空間鏈路承載互聯(lián)網協(xié)議業(yè)務(IP over CCSDS)通信協(xié)議.

        2 基于動態(tài)流量控制的數(shù)據(jù)傳輸方法

        2.1 架構設計

        在天地通信模型中,天地網關采用緩存調度機制,對于天地射頻鏈路之間始終維護固定信道,通常按照航天器飛行任務期間天地傳輸最大資源需求進行設計,或在有限的信道資源下對業(yè)務數(shù)據(jù)傳輸速率進行限制[9].根據(jù)飛行程序安排,當航天器內某一業(yè)務數(shù)據(jù)停止天地傳輸時,天地鏈路會釋放一定鏈路資源.傳統(tǒng)的飛行方案中,通常采用三種應對方案[10]:

        (1)對該部分信道資源進行填充幀傳輸,導致信道利用率下降;

        (2)通過地面控制指令或航天器固化的飛行程序開啟其他業(yè)務類型數(shù)據(jù),導致系統(tǒng)模式靈活性下降;

        (3)開啟其他類型業(yè)務數(shù)據(jù)替代當前關閉的業(yè)務數(shù)據(jù),由于不同設備傳輸速率存在一定的差異性,同時為保證信道資源不會出現(xiàn)沖突,信道資源分配通常會預留一定的余量,導致不可避免會填充一定的傳輸幀,信道利用率有待提高.

        基于以上方案,由于天地鏈路帶寬高于航天器內各類型業(yè)務總平均速率,天地網關的集中采集緩存的數(shù)量通常較小,緩存區(qū)僅用于對接口突發(fā)數(shù)據(jù)進行緩存,防止數(shù)據(jù)溢出,當緩存區(qū)處于空狀態(tài),天地鏈路將進行填充幀處理,當緩存區(qū)持續(xù)增長使緩存區(qū)滿時,業(yè)務數(shù)據(jù)總量超過天地鏈路資源,導致傳輸數(shù)據(jù)丟失.由于終端數(shù)據(jù)傳輸通常設置為固定速率或有限幾個檔位速率,導致緩存區(qū)未達到最優(yōu)使用.

        由于緩存區(qū)內數(shù)據(jù)是衡量天地鏈路利用率的直接參量,為提升系統(tǒng)傳輸效率,可對天地網關緩存區(qū)使用策略進一步研究,對緩存區(qū)設置不同的安全閾值,利用天地網關對緩存區(qū)占用量進行自檢測,當緩存區(qū)超過高安全閾值時,自主控制終端降低傳輸速率,當緩存區(qū)低于低安全閾值時,自主控制終端增加傳輸速率,使天地網關的緩存區(qū)始終在安全區(qū)間內進行動態(tài)調整,保證天地信道“有數(shù)可傳、數(shù)據(jù)不丟”.

        網關與終端之間動態(tài)可采用多種方式進行動態(tài)流量控制,常用的方式包括:

        1)采用串行數(shù)據(jù)通信接口的終端,可采用時鐘、數(shù)據(jù)、使能的三線制接口,數(shù)據(jù)傳輸速率設置高于天地鏈路帶寬,由天地網關根據(jù)緩存區(qū)狀態(tài)對使能信號進行控制,終端根據(jù)使能信號開啟或停止傳輸數(shù)據(jù);

        2)采用總線或網絡接口的終端,可通過總線或網絡協(xié)議控制終端傳輸速率.

        以上兩種方式中網絡接口可同時支持對多個業(yè)務終端進行流量控制,數(shù)據(jù)傳輸更靈活,是未來航天器發(fā)展趨勢.在系統(tǒng)設計過程中需要考慮網絡平臺架構、路徑傳輸時延、多終端控制響應等影響因素,本研究重點對航天器內網絡數(shù)據(jù)通信方法進行研究,對基于動態(tài)流量控制的網絡傳輸方法進行闡述.

        2.2 算法設計

        為確保流量控制機制可靠性不依賴于數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?,?shù)據(jù)通信采用周期傳輸機制,在網關和終端分別進行狀態(tài)維護,以網關內緩存區(qū)運行狀態(tài)為主,由終端進行周期(Tp)匯報,由網關周期性(Ts)進行自主流量控制,緩存區(qū)參數(shù)設置具備一定魯棒性,當終端異常時,可在一個或幾個Ts周期進行有效控制,具體的實現(xiàn)方式如下:

        (1)對于有實時性傳輸要求的終端業(yè)務數(shù)據(jù)始終開啟數(shù)據(jù)傳輸,航天器系統(tǒng)設計需保證天地鏈路帶寬大于關鍵實時數(shù)據(jù)的總量,并且始終為關鍵實時數(shù)據(jù)分配高優(yōu)先級,天地網關對緩存區(qū)調取過程優(yōu)先將該數(shù)據(jù)傳輸至地面,對于天地鏈路其他資源采用動態(tài)流量控制策略進行最優(yōu)傳輸.

        (2)終端開啟業(yè)務數(shù)據(jù)傳輸后,將初始速率設置為0,向網關周期性發(fā)送匯報信息(見上節(jié)標識為55(H)的數(shù)據(jù)包),發(fā)送周期為Tp,計數(shù)位從0開始按序加1.終端同時監(jiān)測網絡送入的網關流量控制信息(見上節(jié)標識為00(H)的數(shù)據(jù)包),當終端接收到流量設置數(shù)據(jù)包后,按照數(shù)據(jù)包中的檔位取值對自身的傳輸速率進行調整,調整后匯報速率進行相應更新.終端數(shù)據(jù)傳輸流程如圖2示.

        (3)天地網關對網絡接口接入的終端設備統(tǒng)一進行流量控制,網關開啟后,網關內部維護一張終端傳輸速率控制表,對終端的IP地址標識(Tab-A)、網關設置檔位(Tab-B)、終端匯報檔位(Tab-C)、接入次序(Tab-D)等信息進行記錄.初始狀態(tài)下,該表為空,記錄無終端接入.對網絡終端發(fā)送的流量匯報數(shù)據(jù)進行監(jiān)測,當接收到終端主動匯報的流量信息時,對該終端的狀態(tài)進行記錄.當終端首次向網關發(fā)送流量匯報信息時,網關在流量控制列表中增加該終端項,IP地址信息(Tab-A)為該網絡終端IP地址,網關設置檔位(Tab-B)初始值與終端匯報速率檔位一致,終端匯報檔位(Tab-C)初始值與網絡包中終端匯報速率檔位一致,接入次序(Tab-D)按照流量控制列表中各終端接入的先后順序進行排序.終端接入后將等周期向網關發(fā)送傳輸速率檔位,網關記錄的終端匯報檔位(Tab-C)根據(jù)終端發(fā)送的匯報狀態(tài)進行更新,當網關在時間(Tq)未接收到終端匯報信息時,將該終端從狀態(tài)列表中清除.

        (4)網關內部開辟存儲緩存區(qū),緩存區(qū)大小V,緩存區(qū)設置3個安全閾值V-、V+1、V+2,V-為控制終端提高傳輸速度標志、V+1為控制終端降低傳輸速率標志、V+2為控制終端暫停傳輸速度標志,網關按固定周期Ts查詢當前緩存區(qū)狀態(tài),根據(jù)緩存區(qū)的狀態(tài)對終端檔位進行調整,具體的速率調整策略如下:

        1)若緩存區(qū)低于V-,則將網關將流量控制列表中“網關設置檔位”(Tab-B)最低的終端增加一個檔位,當出現(xiàn)多個終端相同檔位時,可按照接入的順序進行優(yōu)先級調整;

        2)若緩存區(qū)高于V-且低于V+1,①若記錄表“網關設置檔位”(Tab-B)中最高檔位與最低檔位差不超過1,則不進行處理,②若最高檔位與最低檔位差超過1,則將最高的終端降低一個檔位,將最低的終端提高一個檔位,當出現(xiàn)多個終端相同檔位時,可按照接入的順序進行優(yōu)先級調整;

        3)若緩存區(qū)高于V+1且低于V+2,則將網關將流量控制列表中“網關設置檔位”(Tab-B)最高的終端降低一個檔位,當出現(xiàn)多個終端相同檔位時,可按照接入的順序進行優(yōu)先級調整;

        4)若緩存區(qū)高于V+2,則將網關將流量控制列表中所有終端設置為速度為0的檔位.

        網關記錄終端的初始狀態(tài)和終端傳輸數(shù)據(jù)的初始狀態(tài)均設置為0,網關以自身記錄的“網關設置檔位”(Tab-B)為準,對終端的傳輸速率進行控制,“終端匯報檔位”(Tab-C)主要用于狀態(tài)記錄,不參與網關自主流量控制的狀態(tài)控制.

        以上給出了對多個終端同時進行動態(tài)流量控制時,多個終端的傳輸速率優(yōu)先級是一致的,盡量保證各終端處于相同的傳輸速率,穩(wěn)定狀態(tài)下,終端之間速率差異不超過一個檔位.當有一個新的終端接入時,可通過幾個網關控制周期Ts內,將各終端速率進行均勻調整.在實際設計過程中可根據(jù)任務需求確定相應的策略,對終端進行優(yōu)先級差異控制調整.

        2.3 協(xié)議設計

        由于航天器產品用元器件性能及軟件工程化的限制,選用的網絡協(xié)議需要簡單可靠,并且狀態(tài)可控,本研究采用UDP/IP協(xié)議傳輸,在對流量控制機制本身進行可靠性設計,給出一種可行的應用層協(xié)議格式.

        應用層協(xié)議格式包括標識、計數(shù)、速率指示等信息,其格式如圖3所示,字段取值定義如表1所示.

        表1 流量控制協(xié)議應用層格式字段定義Tab.1 The definition of application layer format field of flux control

        2.4 性能分析

        在動態(tài)流量控制機制中,終端匯報周期Tp、網關控制周期Ts、緩存區(qū)3個安全閾值V-、V+1、V+2均為配置參數(shù),參數(shù)的選取需根據(jù)實際通信系統(tǒng)進行確認,參數(shù)的選取對傳輸性能的影響主要包括:

        (1)終端匯報周期Tp帶來比較少的網絡開銷,終端的硬件性能影響該參數(shù)較大,建議將Tp設置的較小,應保證低于網關控制周期Ts的一半,確保網關及時對終端狀態(tài)進行監(jiān)控.

        (2)網關控制周期Ts直接影響緩存區(qū)大小的選擇和安全閾值的確定,一次網關控制周期為ΔT=Ts+τ發(fā)送+T響應+τ接收+T處理,其中τ發(fā)送為網關向終端發(fā)送控制數(shù)據(jù)的鏈路時延,T響應為終端接收控制數(shù)據(jù)到調整速率的響應的時間,τ發(fā)送為終端向網關發(fā)送數(shù)據(jù)鏈路時延、T處理為網關內部運行機制處理的時間,后四個時間相比于控制周期Ts可忽略不計.

        (3)當緩存區(qū)內數(shù)據(jù)在V-與V+1之間動態(tài)調整時,天地信道可百分百利用,達到通信穩(wěn)定狀態(tài)下最優(yōu).當?shù)陀赩-、在V+1~V+2之間、高于V+2時,需要進行動態(tài)速率的調整,調整時需確保狀態(tài)穩(wěn)定可控.

        (4)當緩存區(qū)超過V+1后,表明當前速率總和超過了天地鏈路的傳輸能力,需要通過降低某一個終端的傳輸速率降低整個鏈路的傳輸數(shù)據(jù),正常情況下,緩存區(qū)在V-與V+1之間應達到速率平衡,當超過V+1時表明總速率相比于天地傳輸能力超過1個速率檔位ΔS以內,網關可通過一次調整將總速率控制到鏈路帶寬以下,應確保V+1到V+2緩存區(qū)可以存儲ΔTΔS的數(shù)據(jù),為容忍內網絡系統(tǒng)傳輸控制包的丟失導致某一控制周期失效等問題,在緩存區(qū)設置時可要求V+2-V+1≥kΔTΔS,其中k為安全系數(shù).

        5)當緩存區(qū)超過V+2后,表明當前總速率超出鏈路資源較多,適用于航天器內其他平臺數(shù)據(jù)、或按飛行計劃傳輸?shù)母邇?yōu)先級業(yè)務數(shù)據(jù)開機情況,網關需優(yōu)先傳輸這類數(shù)據(jù),對于動態(tài)可控的數(shù)據(jù)會進行大量存儲,網關會將所有終端速率清零,需確保V+2以上的存儲區(qū)可以存儲所有終端一個控制周期ΔTSmax的數(shù)據(jù),其中Smax可選取為與天地鏈路帶寬一致,即對緩存區(qū)的具體要求Vmax-V+2≥kΔTSmax,其中k為安全系數(shù),Vmax為緩存區(qū)的上限.

        6)當緩存區(qū)低于V-后,表明當前速率總和低于天地鏈路的傳輸能力,鏈路傳輸會填充一定的填充幀,需要通過提高某一個終端的傳輸速率提升整個鏈路的傳輸數(shù)據(jù),當?shù)陀赩-時表明總速率相比于天地傳輸能力降低1個速率檔位ΔS以內,網關可通過一次調整將總速率控制到鏈路帶寬以上,應確保0到V-緩存區(qū)可以存儲ΔTΔS的數(shù)據(jù),即對緩存區(qū)設置要求V-≥kΔTΔS,其中k為安全系數(shù).

        7)緩存區(qū)V-與V+1之間進行動態(tài)平衡,緩存區(qū)會由于高出V+1后降低速率處理使其進入平衡區(qū)后總速率低于天地鏈路帶寬一個速率檔位ΔS以內,緩存區(qū)低于V-后提高速率處理使其進入平衡區(qū)后總速率高于天地鏈路帶寬一個速率檔位ΔS以內,建議緩存區(qū)大小不低于3~4個控制周期,即V+1-V-≥(3~4)kΔTΔS.

        8)當由于平臺數(shù)據(jù)或高優(yōu)先級業(yè)務數(shù)據(jù)開啟,導致緩存區(qū)超過V+2后,會立刻關閉終端數(shù)據(jù)傳輸,緩存區(qū)數(shù)據(jù)很快會被讀空,網關在緩存區(qū)讀空后會逐漸開啟終端數(shù)據(jù)傳輸達到平衡狀態(tài),該段時間內天地鏈路會有一定的填充幀,持續(xù)時間為mod(ΔB,ΔS)ΔT,其中ΔB為高優(yōu)先級數(shù)據(jù)開啟后天地鏈路帶寬剩余的資源,緩存區(qū)會在mod(ΔB,ΔS)輪調整后重新達到平衡.

        3 仿真驗證

        針對本研究提出的動態(tài)流量控制方案,采用opnet仿真平臺進行仿真驗證,系統(tǒng)仿真模型如圖4所示.其中右邊4個模塊代表高優(yōu)先級實時業(yè)務數(shù)據(jù),傳輸速率分別為8 Mb/s、40 Mb/s、8 Mb/s、60 Mb/s,左邊12個為載荷終端設備,具備動態(tài)速率調整功能.網關對外天地鏈路速率設置為600 Mb/s,速率檔位ΔS設置為10 Mb/s,V-設置為10 Mb,V+1設置為200 Mb,V+2設置為300 Mb,Vmax設置為1 Gb,網關控制周期Ts設置為0.1 s.

        仿真運行后,網關緩存區(qū)內的使用情況如圖5所示.

        通過仿真結果可以看出,緩存區(qū)內始終未空,緩存區(qū)占用率基本維持在10 Mb與240 Mb之內,與預設的(V-=10 Mb、V+2=300 Mb)保持一致,緩存區(qū)始終保持在健康平穩(wěn)的狀態(tài),天地信道率有效利用,并且無數(shù)據(jù)丟失.

        4 結 論

        本文提出了基于動態(tài)流量控制的天地網絡數(shù)據(jù)傳輸方法,通過網關對緩存區(qū)自主檢測,實現(xiàn)了對終端設備輸出速率的動態(tài)控制,并給出了網絡控制協(xié)議格式及運行機制,分析了緩存區(qū)安全閾值、控制周期等關鍵參數(shù)對系統(tǒng)傳輸性能的影響,并給出一個系統(tǒng)仿真實例,仿真結果證明該方法在保證數(shù)據(jù)不丟失的前提下,提升天地信道利用率,可以為后續(xù)航天器提升通信系統(tǒng)效率、增加系統(tǒng)靈活性提供借鑒.

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