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

SpaceWire冗余熱備份網絡設計及分析

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

SpaceWire是由歐空局專門面向航天應用提出的新一代高速數據總線技術，在鏈路故障檢測、故障恢復等方面得到了加強。為了解決鏈路擁堵和減少網絡傳輸延時，SpaceWire?D提出了在網絡中流通時間碼、調度表的運作機制。由于航天領域對網絡可靠性有著嚴格要求，路由器作為網絡中不可缺少的組成部分，基于路由器的網絡可靠性設計具有重要價值。本文通過對SpaceWire路由器和SpaceWire?D標準的研究，提出將SpaceWire?D標準時間碼保留位的其中一位與路由器轉發(fā)時間碼模式切換有機結合的方法，實現(xiàn)SpaceWire網絡冗余熱備份功能，從而提高SpaceWire網絡的可靠性。

SpaceWire路由器；時間碼保留位；可靠性；熱備份保留位；模式切換

0 引言

SpaceWire總線技術具有高速(2MB／s～400MB／s)、全雙工、點對點的串行數據通信鏈路和很好的EMC特性，在Rosetta航天器、火星快車等項目中得到應用［1?3］。在SpaceWire網絡中，路由器是不可或缺的組成部分，設備可以通過路由器與其他設備進行通信［4］。隨著SpaceWire網絡的復雜程度不斷提高，設備通過路由器通信極易引發(fā)通信鏈路的擁堵問題。針對這一問題，SpaceWire?D標準提出了在鏈路中流通時間碼、調度表為各個設備分配時間槽的運作機制。這一運作機制的使用可減少網絡鏈路擁堵問題，提高通信鏈路利用率［5］。在SpaceWire?D標準中，時間碼并沒有全部使用，留有兩位時間碼保留位，以備SpaceWire標準后續(xù)擴展使用。

由于航天領域應用背景特殊，對網絡可靠性要求很高。本文通過研究SpaceWire?D標準，提出了一種通過SpaceWire路由器轉發(fā)時間碼模式切換結合SpaceWire?D時間碼保留位中的一位，實現(xiàn)SpaceWire冗余網絡熱備份功能的方法，從而保證在鏈路發(fā)生故障時網絡仍然保證正常的通信功能。

1 SpaceWire-D的運行機制

1.1 時間碼

SpaceWire?D標準中對時間碼做了定義，時間碼的傳輸優(yōu)先級最高，用來保證全網的時間同步。時間碼由ESC字符(轉義字符)＋數據字符組成，如圖1所示。

數據字符：T0～T5是時間碼有效值，T6、T7是時間保留位，在SpaceWire?D標準中這兩位沒有任何功能。P是奇偶校驗位，P后面的一位是標志位。

1.2 時間碼與時間槽關系

SpaceWire?D標準中規(guī)定兩個有效時間碼之間的時間間隔定義為一個時間槽。

時間碼與時間槽的關系如圖2所示［6］。

網絡工作時，主控節(jié)點向網絡中發(fā)送時間碼。路由器收到時間碼后，更新內部的時間碼計數器，并將剛收到的時間碼發(fā)往與其相連的所有設備。設備接收到由路由器轉發(fā)過來的時間碼，該時間碼意味著一個新時間槽的開始。如果調度表分配給設備的時間槽與現(xiàn)在的時間槽的數值相等，那么這個設備可以發(fā)送數據［7］。

2 SpaceWire冗余網絡熱備份結構

在航天任務中由于對設備和網絡可靠性要求嚴格，更適合采用對系統(tǒng)硬件資源利用率高的熱備份［8］。

本文采用SpaceWire網絡熱備份方式進行備份冗余，使得SpaceWire網絡的可靠性提高。熱備份冗余方案的結構如圖3所示［9］。

圖3中，SpaceWire網絡包含兩個路由器1與2，接入網絡的各個設備均帶有兩個SpaceWire接口A與B。其中，每個設備的A接口與路由器1連接構成子網絡A，B接口與路由器2連接構成子網絡B，工作時每個設備的兩個接口以及兩個路由器均開啟全功能。

3 SpaceWire冗余網絡熱備份實現(xiàn)方法

3.1 鏈路狀態(tài)寄存器與時間碼使能寄存器

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

工作時，鏈路狀態(tài)被路由器鏈路狀態(tài)寄存器記錄。例如，路由器的某一個端口鏈路斷開，該端口的鏈路狀態(tài)寄存器記錄這個信息，將這一鏈路狀態(tài)寄存器讀取出來即可實時掌握網絡的鏈路狀態(tài)。

路由器的時間碼轉發(fā)由時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發(fā)指定的時間碼，所以時間碼使能寄存器拓展為兩位用以實現(xiàn)此方法。

3.2 SOC系統(tǒng)的搭建

在對SpaceWire路由器和SpaceWire?D研究的基礎上，本文提出通過搭建 SoC系統(tǒng)用以實現(xiàn)SpaceWire網絡冗余熱備份。SoC系統(tǒng)結構如圖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間碼使能寄存器即 SpaceWire接口通過SpaceWire接口控制器接入 AXI?Lite總線，通過AXI?Lite總線將數據信息傳遞進入MicroBlaze處理器。處理器通過讀取鏈路寄存器上實時記錄的鏈路狀態(tài)，對鏈路故障進行實時判斷。當鏈路發(fā)生故障時，處理器根據設計好的算法排除故障，保證SpaceWire網絡系統(tǒng)正常工作。

3.3 SpaceWire冗余網絡熱備份的工作方式

SpaceWire?D協(xié)議中的 SpaceWire時間碼T6、T7是保留位，沒有使用。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：按照各個設備之間是否有相互通信要求的情況，將SpaceWire網絡上的設備分為兩組。如圖3所示，設備1、設備2、設備3和設備4編為子網絡A，它們接收到T6為1的時間碼視為有效；設備5、設備6和設備7編為子網絡B，它們接收到T6為0的時間碼視為有效；子網絡A與子網絡B之間沒有通信要求。主控節(jié)點同時通過A與B兩個接口向網絡中廣播時間碼，每次廣播一對時間碼，其系統(tǒng)時間值(T0～T5)一樣，但T6分別為1和0。此時，路由器1轉發(fā)T6為1的時間碼，驅動子網絡A的運行；路由器2轉發(fā)T6為0的時間碼，驅動子網絡B的運行。子網絡A中的設備通過路由器1進行數據交換，子網絡B中的設備通過路由器2進行數據交換。至此，通過時間碼的保留位T6進行網絡標識與劃分的功能得以實現(xiàn)，兩個路由器根據其模式的設定驅動子網絡A或B，兩個子網絡均按照事先設定好的調度表獨立工作。

若有特殊設備要在子網絡A與子網絡B間有通信要求，則可讓該設備將兩套時間碼均視為有效。

3.4 故障產生及其解決方案

對網絡中發(fā)生的3種典型故障狀態(tài)進行分析：

1)同一子網絡中的一條(或多條)有效鏈路故障，但只影響到從節(jié)點，未導致任何一套鏈路癱瘓。有效鏈路是指正常工作時與網絡標識具有相同標號的鏈路，例如子網絡A中的設備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子網絡中多個設備之間的鏈路故障；主控節(jié)點與路由器連接的某條鏈路故障，導致某一套鏈路癱瘓。

3)同一子網絡中出現(xiàn)有效鏈路與無效鏈路均發(fā)生故障的情況，但故障未同時發(fā)生在與同一節(jié)點相連的兩條鏈路上。無效鏈路是指正常工作時與網絡標識具有不同標號的鏈路，例如子網絡A中的設備1的接口B鏈路。無效鏈路可以視為備份鏈路。

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

當故障狀態(tài)a出現(xiàn)時，子網絡A中設備1的有效鏈路出現(xiàn)故障，但是其與另一個路由器相連的備份鏈路正常。針對此類故障，可將兩個路由器的工作模式進行對調，交換它們所負擔的子網絡。具體做法是：SoC系統(tǒng)通過路由器1對相應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改為轉發(fā)T6為0的時間碼，驅動子網絡B的運行；將路由器2改為轉發(fā)T6為1的時間碼，驅動子網絡A的運行。此時，子網絡A中的設備通過路由器2進行數據交換，子網絡B中的設備通過路由器1進行數據交換。這樣一來，數據流便繞開了故障鏈路，該故障就不再會對兩個子網絡造成影響。

故障狀態(tài)b如圖6所示。其中，假設路由器1出現(xiàn)故障，子網絡A癱瘓。

當故障狀態(tài)b出現(xiàn)時，路由器1故障導致子網絡A癱瘓，故任何一個子網絡均不能繼續(xù)通過路由器1進行數據交換。針對此類故障，需要用路由器2承擔起故障路由器1的工作，將兩個子網絡合并完成雙網融合。具體做法是：SoC系統(tǒng)通過路由器1對相關的鏈路寄存器無法進行讀取鏈路狀態(tài)，從而得知路由器1發(fā)生故障。此時，路由器1工作將交由路由器2完成，路由器2將同時轉發(fā)T6為0的時間碼和T6為1的時間碼，使得原本處于子網絡A中的設備被移入了子網絡B，所有設備均處于子網絡B中，通過路由器2進行數據交換。這樣一來，在子網絡B中就有兩套調度表在同時運行，若同一時間槽內有兩個(或多個)設備被允許使用鏈路，則需要競爭鏈路的帶寬，這將導致路由器負荷加重，降低整個網絡的效率。

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

當故障狀態(tài)c出現(xiàn)時，處于同一子網絡中的兩個不同設備的有效鏈路和備份鏈路分別發(fā)生故障，此時將兩個子網絡進行交換與合并均無法使整個網絡繼續(xù)工作。此時，應將兩個路由器網絡打通，實現(xiàn)雙網融合。處理方法是SoC系統(tǒng)通過對路由器1和路由器2的相關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，路由器1和路由器2將同時轉發(fā)T6為0的時間碼和T6為1的時間碼，打通整個網絡。各個設備可以根據自身的調度表自由轉發(fā)數據，從而使得SpaceWire網絡能夠維持正常工作。

綜上所述，SpaceWire網絡冗余熱備份的工作流程圖如圖8所示。依據圖8即可設計SoC系統(tǒng)中處理器算法，實現(xiàn)SpaceWire網絡冗余熱備份功能。

4 可靠性分析

本文采用SpaceWire冗余熱備份網絡與時間碼一位保留位聯(lián)合使用的方法，提高了SpaceWire網絡系統(tǒng)的可靠性。以下對可靠性的改善進行初步分析。

為方便分析，取SpaceWire網絡共有6個設備，并只考慮鏈路發(fā)生故障的情形。假設系統(tǒng)中單條鏈路的故障率為P，Z代表熱備份網絡連接備份數，并假設熱備份網絡連接全部失效的概率為0，以此來分析熱備份對系統(tǒng)內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

說明1：對于冷備份網絡中發(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。對于前者，網絡不受影響可以正常工作。對于后者，網絡不能正常工作。根據上文假定模式計算網絡失效率：

說明2：對于熱備份網絡，系統(tǒng)中發(fā)生兩條設備鏈路故障時存在以下兩種情形。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。對于前者，網絡可以工作正常并且能工作在雙網絡模式下，不降低性能。對于后者，網絡會出現(xiàn)兩種情況。①故障發(fā)生在不同設備的鏈路上。此時，網絡依然能夠正常工作，但必須雙網融合，導致性能降低。②故障發(fā)生在同一設備的兩條鏈路上。此時，網絡不能正常工作。根據上文假定模式計算網絡失效率：

對比P1、P2，得出P1＞P2，P由0～0.2變化時，P1與P2的對比如圖9所示。由此得出：熱備份網絡可靠性高于冷備份網絡可靠性。

說明3：與說明1類似，當故障發(fā)生在工作鏈路或備用鏈路上，網絡能正常工作；否則，不能正常工作。此時，計算網絡失效率：

說明4：與說明2類似，當故障發(fā)生在同一設備的兩條鏈路上，網絡不能正常工作；否則，都能正常工作。此時，計算網絡失效率：

對比P3、P4，得出P3＞P4，P由0～0.2變化時，P3與P4的對比如圖10所示。由此得出：熱備份網絡可靠性高于冷備份網絡可靠性。

綜上所述，不論系統(tǒng)中有幾條鏈路故障，對于冷備份網絡能夠保證正常工作的情形，熱備份網絡通過雙網切換都能夠保證正常工作。對于冷備份網絡無法保證正常工作的故障分散在兩個網絡的情形，只要單個設備兩條鏈路沒有同時故障，熱備份網絡通過雙網融合能夠保證正常工作。由此，可以容易得出：熱備份網絡可靠性高于冷備份網絡。

5 結論

本文介紹了一種結合SpaceWire技術特點來提高 SpaceWire網絡可靠性的方法。該方法基于SpaceWire網絡冗余熱備份結構，利用SpaceWire?D標準中的一位時間碼保留位，實現(xiàn)在主鏈路連接出現(xiàn)故障時的網絡工作模式的切換。研究分析表明，該種方法式能夠在初始工作狀態(tài)獲得更高的網絡使用效率。當網絡中出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)可以通過相應措施應對多種故障情況，保證SpaceWire網絡能夠準確、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，研究方向為光纖傳輸、傳感技術。

2016?08?16