混合機制下的SpaceWire傳輸延時仿真分析

代 真，何 鋒，熊華鋼

（北京航空航天大學 電子信息工程學院，北京100191）

0 引 言

在SpaceWire［1，2］網(wǎng)絡分析中，消息數(shù)據(jù)包的傳輸端到端延時是一個非常重要的測定指標，它體現(xiàn)網(wǎng)絡的實時性。SpaceWire難以保證消息的傳輸端到端延時［3］。若事先已知網(wǎng)絡中部分節(jié)點的消息屬性，如時間、大小等，對它們的傳輸進行規(guī)劃，按照固定時間窗口進行調(diào)度，即可形成時間觸發(fā)消息網(wǎng)絡，并極大提高網(wǎng)絡中消息傳輸?shù)拇_定性［4］。

測定消息傳輸延時的方法很多，如利用FPGA、ASIC硬件模擬SpaceWire網(wǎng)絡行為［5］，也可運用仿真軟件對網(wǎng)絡進行仿真，利用matlab、OPNET 等仿真軟件模擬SpaceWire網(wǎng)絡通信機制［6，7］。

現(xiàn)在已有的SpaceWire仿真系統(tǒng)中，大多為基于協(xié)議的事件觸發(fā)網(wǎng)絡［8］，缺乏基于時間觸發(fā)消息、對蟲洞路由器調(diào)度時刻表進行規(guī)劃的仿真系統(tǒng)。本文通過建模仿真，對于事件觸發(fā)和時間觸發(fā)網(wǎng)絡場景下的SpaceWire總線網(wǎng)絡消息傳輸端到端延時行了分析和研究。此外，分析了組路由［9］情況下，SpaceWire網(wǎng)絡在鏈路出現(xiàn)故障時可行的重構方案，并利用仿真進行了驗證。

1 SpaceWire網(wǎng)絡基礎

星載SpaceWire通信網(wǎng)絡包含鏈路、節(jié)點和交換機。節(jié)點為消息數(shù)據(jù)包的流入流出設備，鏈路為數(shù)據(jù)包的傳輸路徑，交換機采用蟲洞路由器，SpaceWire采用基于數(shù)據(jù)包觸發(fā)的事件觸發(fā)交換方式，支持自由的拓撲結構。

星載SpaceWire網(wǎng)絡消息類型可分為多類［6］，本文中將星載網(wǎng)絡中的消息分為兩類，一類為高實時性消息，這類消息通常為周期性確定消息，稱之為時間觸發(fā)消息；另一類為低實時性消息，這類消息對應于網(wǎng)絡中隨機產(chǎn)生的消息，稱之為事件觸發(fā)消息。為了確保時間觸發(fā)消息的傳輸延時，同時兼并事件觸發(fā)網(wǎng)絡傳輸?shù)奶攸c，基于OPNET仿真平臺開發(fā)了一套SpaceWire仿真系統(tǒng)。

2 SpaceWire仿真系統(tǒng)

本文中，將SpaceWire系統(tǒng)分為帶時間窗口的蟲洞路由器 （WR）、時間主控節(jié)點 （TM）和終端應用節(jié)點（ES），ES、WR、TM 通過點到點、全雙工的數(shù)據(jù)通信鏈路形成星載通信網(wǎng)絡，如圖1所示。

圖1 仿真系統(tǒng)模塊

系統(tǒng)中各模塊主要功能為：TM 通過廣播發(fā)送時間碼控制網(wǎng)絡的時間同步；ES完成SpaceWire數(shù)據(jù)包的生成以及發(fā)送工作；WR 在接收到數(shù)據(jù)包后，對數(shù)據(jù)包的類型及到達時間進行相應判斷，完成對數(shù)據(jù)包的尋址轉(zhuǎn)發(fā)功能。

2.1 時間主控節(jié)點

2.1.1 時間同步單元

時間主控節(jié)點模塊用于生成SpaceWire網(wǎng)絡同步時間碼Time－code［3］，Time－code中的T0～T5 位為時間碼的計數(shù)位，其值在0～63內(nèi)循環(huán)，用于區(qū)分不同發(fā)送時刻發(fā)送的時間碼。

TM 生成時間碼TM＿TC 并向網(wǎng)絡廣播發(fā)送，TM 維持一個本地時鐘，初始時，T0～T5位值為0，以后每隔10 ms時間主控節(jié)點TM 生成時間碼并廣播，T0～T5位值依次加1。終端應用節(jié)點模塊和帶時間窗口的蟲洞路由器接收收到同步時間碼TM＿TC 后，分別將本地時間更新為TM＿TC的時間，進而完成網(wǎng)絡時間同步。

2.1.2 消息接收單元

在TM 接收到SpaceWire 消息數(shù)據(jù)包時，記錄下SpaceWire數(shù)據(jù)包包尾的到達時刻Tend，由包頭可獲得數(shù)據(jù)包源節(jié)點信息 （可判斷具體為哪條消息），以及數(shù)據(jù)包的發(fā)送時刻Tgen，進而可以計算對應數(shù)據(jù)包從源節(jié)點到達目的節(jié)點的傳輸端到端延時，公式為ETEi＝Tend－Tgen，i表示消息流序號。

2.2 終端應用節(jié)點

2.2.1 時間同步單元

ES維持一個本地時鐘ES＿TC，接收到TM 發(fā)送的時間碼TM＿TC后，讀取時間碼TM ＿TC 中T0～T5 位的值，將本地時鐘值ES＿TC 更新為TM ＿TC，完成時間同步。

2.2.2 消息屬性設置單元

本單元設置ES生成消息數(shù)據(jù)包的屬性。ES可生成兩種類型的消息數(shù)據(jù)包，分為時間觸發(fā)消息和事件觸發(fā)消息。時間觸發(fā)消息對應于重要的高實時性確定消息，通常為周期性確定消息。事件觸發(fā)消息對應于低實時性消息，主要指隨機性消息。

對時間觸發(fā)消息，其數(shù)據(jù)包初始生成時刻Tstart、生成時間間隔Tcircle、數(shù)據(jù)包大小pkt＿size、目的節(jié)點dest＿node等信息確定，設置這些屬性的具體值。

對事件觸發(fā)消息，生成時間間隔Tcircle隨機，設置為按照高斯或泊松分布，并設置均值大??；數(shù)據(jù)包大小pkt＿size、初始生成時刻Tstart、目的節(jié)點dest＿node等信息可設置為具體值或隨機分布。

2.2.3 消息生成單元

消息生成單元用于生成消息數(shù)據(jù)包。SpaceWire數(shù)據(jù)包由包頭、數(shù)據(jù)塊、包尾組成，如圖2 所示。包頭用于記錄相應信息，數(shù)據(jù)塊用于控制整個數(shù)據(jù)包的大小，包尾表示整個數(shù)據(jù)包的結束。消息生成單元生成數(shù)據(jù)包后立刻發(fā)送出去。

圖2 數(shù)據(jù)包結構

包頭應包含以下信息：①pkt＿type，區(qū)分數(shù)據(jù)包類型，時間觸發(fā)消息其值設為1，事件觸發(fā)消息其值設為0；②pkt＿size，記錄數(shù)據(jù)包大小，單位為byte；③src＿node和dest＿node，記錄數(shù)據(jù)包源節(jié)點和目的節(jié)點。

2.3 帶時間窗口的蟲洞路由器

本仿真系統(tǒng)中，為了保證時間觸發(fā)消息在網(wǎng)絡中的傳輸延時，在現(xiàn)有蟲洞路由器的基礎上，設置了數(shù)據(jù)包緩存機制和調(diào)度時間窗口，將其稱為帶時間窗口的蟲洞路由器。

2.3.1 時間同步單元

WR 維持一個本地時鐘WR＿TC，接收到TM 發(fā)送的時間碼TM＿TC后，讀取時間碼TM＿TC中T0～T5位的值，將本地時鐘的值WR＿TC更新為TM＿TC，完成時間同步。

2.3.2 緩存機制

數(shù)據(jù)包緩存機制用于臨時緩存SpaceWire數(shù)據(jù)包。為路由器的輸入端口設置了緩存隊列。當SpaceWire數(shù)據(jù)包的包頭到達路由器后，路由器通過包頭攜帶的目的節(jié)點信息得到其傳輸所需的輸出端口，若該輸出端口此時為忙狀態(tài)，則將數(shù)據(jù)包緩存在路由器的緩存隊列中，待該輸出端口為空閑狀態(tài)后，路由器才從緩存隊列中取出數(shù)據(jù)包進行轉(zhuǎn)發(fā)。

2.3.3 時間窗口機制

為了保證時間觸發(fā)消息數(shù)據(jù)包的傳輸時間，在路由器的工作時間軸上設置了調(diào)度時間窗口，如圖3所示。圖中實線框為時間觸發(fā)消息數(shù)據(jù)包的時間窗口，用TH 表示，路由器在TH 內(nèi)只轉(zhuǎn)發(fā)時間觸發(fā)消息；虛線框為事件觸發(fā)消息數(shù)據(jù)包的時間窗口，用EH 表示；TH 之間的空隙稱為窗間間隔，用CH 表示。

圖3 時間窗口及窗間間隔

時間觸發(fā)消息數(shù)據(jù)包的屬性事先知道，其傳輸路徑也知道，這些路徑上的路由器的相應轉(zhuǎn)發(fā)端口均需設置時間窗口TH。時間窗口TH 的開始時刻設定為時間觸發(fā)消息數(shù)據(jù)包的生成時刻TTgen，TH 時間窗口的長度按照數(shù)據(jù)包傳輸?shù)睦碚摃r延進行計算，這里做近似處理為TH＝10×size／c，其中size為數(shù)據(jù)包大小，c為鏈路傳輸速率。

事件觸發(fā)SpaceWire數(shù)據(jù)包的屬性不定，其時間窗口在路由器接收到數(shù)據(jù)包時設定，EH 的開始時刻ETarr設為路由器接收到事件觸發(fā)消息數(shù)據(jù)包頭的時刻，EH 長度為EH＝10×size／c，這里的size 可從包頭信息pkt＿size獲得。

仿真前應設置時間觸發(fā)消息數(shù)據(jù)包的調(diào)度時間窗口TH，用于在仿真時轉(zhuǎn)發(fā)對應的消息。對于事件觸發(fā)消息的路由轉(zhuǎn)發(fā)，則在TH 間的空隙窗寬間隔CH 內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)。事件觸發(fā)消息轉(zhuǎn)發(fā)時應遵循以下幾點：

（1）事件觸發(fā)消息時間窗口EH 與時間觸發(fā)數(shù)據(jù)包的時間窗口TH 無重疊，轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。

（2）事件觸發(fā)消息時間窗口EH 與時間觸發(fā)數(shù)據(jù)包的時間窗口TH 有重疊，分3種情況：

1）EH 完全包含于TH 之內(nèi)；

2）EH 前端與TH 后端重疊，如圖4中EH1所示；

3）EH 后端與TH 前端重疊，如圖4中EH2所示。

圖4 時間窗口工作原理

此時應將數(shù)據(jù)包暫且緩存，待相應端口空閑后進行轉(zhuǎn)發(fā)。

（3）若窗寬間隔CH 不夠多個數(shù)據(jù)包傳輸，如圖4 所示，數(shù)據(jù)包ET2應緩存待TT2的時間窗口結束后處理，由于此時的長度不夠ET2和ET3進行轉(zhuǎn)發(fā)，即有＜EH2＋EH3，此時應按照先后順序先將ET2轉(zhuǎn)發(fā)，將ET3緩存，待相應端口空閑后轉(zhuǎn)發(fā)。

（4）事件觸發(fā)消息轉(zhuǎn)發(fā)存在競爭時，按照先進先出的原則，先到達先處理。若兩數(shù)據(jù)包同時到達路由器，優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)小的數(shù)據(jù)包。

2.4 系統(tǒng)工作流程

步驟1 利用點到點、全雙工數(shù)據(jù)通信鏈路將若干帶時間窗口的蟲洞路由器、時間主控節(jié)點和終端應用節(jié)點連接形成通信網(wǎng)絡；

步驟2 配置終端應用節(jié)點模塊，設置生成消息數(shù)據(jù)包的類型，對應時間觸發(fā)數(shù)據(jù)包和事件觸發(fā)數(shù)據(jù)包，設置相應的數(shù)據(jù)包屬性；

步驟3 配置路由器模塊；為步驟2中設置的時間觸發(fā)數(shù)據(jù)包設置相應的時間窗口TH；

步驟4 完成配置后，開始仿真。時間主控節(jié)點發(fā)送初始時刻時間碼，完成時間同步后，終端節(jié)點生成并發(fā)送數(shù)據(jù)包，路由器路由轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包；

步驟5 目的節(jié)點接收到數(shù)據(jù)包后，根據(jù)源節(jié)點統(tǒng)計相應消息流的傳輸延時；

步驟6 仿真結束，得到結果。

3 傳輸延遲仿真分析

基于仿真系統(tǒng)，搭建了如圖5所示的通信網(wǎng)絡，設置了3類場景進行仿真分析，網(wǎng)絡消息的目的節(jié)點均為TM，鏈路傳輸速率設為100 Mbps。

3.1 事件觸發(fā)通信

當網(wǎng)絡中所有消息均為事件觸發(fā)消息時，即所有消息均隨機產(chǎn)生并發(fā)送，在路由轉(zhuǎn)發(fā)過程中按照自由競爭原則進行，這樣的網(wǎng)絡為事件觸發(fā)網(wǎng)絡，事件觸發(fā)網(wǎng)絡與標準協(xié)議定義的網(wǎng)絡相符。

圖5 SpaceWire通信網(wǎng)絡

下表設置圖5所示仿真網(wǎng)絡消息屬性。將ES1～ES4設置為發(fā)送事件觸發(fā)消息，然后為每個ES設置了相應的數(shù)據(jù)包屬性，見表1，pkt＿size 為數(shù)據(jù)包大小，單位bytes；Tcicle為數(shù)據(jù)包的產(chǎn)生時間間隔，單位ms，E（X）表示按照高斯分布，均值為Xms；Tstart為數(shù)據(jù)包初始生成時刻，單位ms。

表1 事件觸發(fā)網(wǎng)絡消息屬性

設置好ES的屬性后，進行仿真，獲得仿真結果，如圖6所示，給出了ES1、ES2兩個消息流的傳輸延時，菱形點消息流ES1，方形點為消息消息流ES2，一個點對應一個數(shù)據(jù)包的傳輸端到端延時結果。

圖6 事件觸發(fā)網(wǎng)絡仿真結果

可見對于協(xié)議制定的傳統(tǒng)事件觸發(fā)SpaceWire總線網(wǎng)絡，由于數(shù)據(jù)包在傳輸過程中存在許多競爭，導致部分數(shù)據(jù)包的傳輸延時大小不定，消息實時性難以控制。

3.2 時間觸發(fā)通信

當網(wǎng)絡中所有消息均為時間觸發(fā)消息時，即知道所有消息的生成時刻，稱這樣的網(wǎng)絡為時間觸發(fā)網(wǎng)絡。

為了避免時間觸發(fā)消息在傳輸過程中出現(xiàn)競爭，影響傳輸延時，應對消息的生成時刻進行調(diào)度。本文按照以下原則，將消息按周期大小排序，周期小的消息先生成，兩個消息的初始生成時刻間隔1ms，見表2。

表2 時間觸發(fā)網(wǎng)絡消息屬性

仿真結果如圖7所示，給出了ES1、ES2、ES3這3條消息的傳輸延時結果。

圖7 時間觸發(fā)網(wǎng)絡仿真結果

可見對于時間觸發(fā)網(wǎng)絡，由于在仿真前對時間觸發(fā)消息的生成發(fā)送時刻進行了調(diào)度，避開了時間觸發(fā)消息的傳輸時間，故在傳輸過程中不存在競爭，其傳輸延時穩(wěn)定，均為最短傳輸端到端延時，網(wǎng)絡消息傳輸?shù)膶崟r性得到了保證。

3.3 事件時間觸發(fā)兼容通信

當網(wǎng)絡中同時包含事件觸發(fā)消息和時間觸發(fā)消息時，稱網(wǎng)絡為事件時間觸發(fā)兼容網(wǎng)絡。

在這類網(wǎng)絡中，部分消息為時間觸發(fā)消息，為這類消息規(guī)劃生成時刻，并在路由器上按照2.3.3 節(jié)所述設置相應的調(diào)度時間窗口，用以轉(zhuǎn)發(fā)相應的數(shù)據(jù)包。對于事件觸發(fā)消息，其生成時刻隨機，通過窗寬間隔進行轉(zhuǎn)發(fā)。仿真設置的消息屬性見表3，ES2、ES4為時間觸發(fā)消息，其余事件觸發(fā)。

表3 事件時間觸發(fā)兼容網(wǎng)絡消息屬性

仿真結果如圖8所示，給出了ES1、ES2這2條消息的傳輸延時結果?？梢姡瑢τ诰W(wǎng)絡中時間觸發(fā)消息，其傳輸延遲穩(wěn)定，對事件觸發(fā)消息，其傳輸延時不定。這是由于在路由器上為時間觸發(fā)消息規(guī)劃了相應的時間窗口，保證了其路由轉(zhuǎn)發(fā)過程。事件時間觸發(fā)兼容網(wǎng)絡保證了網(wǎng)絡中重要時間觸發(fā)消息的傳輸實時性，又保留了事件觸發(fā)消息的靈活性，對構建網(wǎng)絡極具參考價值。

圖8 事件時間兼容網(wǎng)絡仿真結果

4 鏈路故障重構

SpaceWire網(wǎng)絡重構可采用路由器內(nèi)部冗余的方式［10］。本文中考慮到SpaceWire具有組路由的工作特點，在網(wǎng)絡鏈路損壞的情況下，可通過調(diào)整路由轉(zhuǎn)發(fā)防止進行重構。

如圖9 所示，路由器WR1和WR2之間有兩條鏈路linka和linkb，在兩條鏈路均完好時，路由器間可通過任一鏈路進行通信。

圖9 網(wǎng)絡故障重構模型

設置ES1、ES2、ES3作為源節(jié)點向TM 發(fā)送時間觸發(fā)消息。設置ES1、ES2的消息通過linka進行轉(zhuǎn)發(fā)，并在linka所在端口規(guī)劃相應的時間窗口；ES3的時間觸發(fā)消息通過linkb進行轉(zhuǎn)發(fā)。

若網(wǎng)絡運行過程中鏈路linkb發(fā)生故障，此時應對網(wǎng)絡進行重構，重構方式為轉(zhuǎn)換路由方式，讓ES3的時間觸發(fā)消息也通過鏈路linka進行轉(zhuǎn)發(fā)。此時由于ES1、ES2的時間觸發(fā)消息在端口a具有調(diào)度時間窗口，在重構后應將ES3的時間觸發(fā)數(shù)據(jù)包作為事件觸發(fā)數(shù)據(jù)包處理，到達路由器后，按照事件觸發(fā)消息轉(zhuǎn)發(fā)條件進行路由轉(zhuǎn)發(fā)。

為圖9所示網(wǎng)絡設置了相應的數(shù)據(jù)包屬性，見表4。

表4 故障重構網(wǎng)絡消息屬性

進行仿真，假定在仿真進行到1s時鏈路b出現(xiàn)故障，仿真延時結果如圖10所示。

圖10 故障重構仿真結果

可見重構前，ES1、ES2、ES3的消息數(shù)據(jù)包不存在競爭，傳輸延時均為最小，重構后，由于ES1、ES2具有時間窗口保證其路由轉(zhuǎn)發(fā)，而ES3視為事件觸發(fā)的數(shù)據(jù)包，故部分ES3數(shù)據(jù)包的傳輸延時出現(xiàn)了增加?？梢姡貥嬙趯崿F(xiàn)網(wǎng)絡正常工作的基礎上，也保證了多數(shù)消息的傳輸實時性。

5 結束語

本文完成了SpaceWire通信網(wǎng)絡的建模，構建了終端應用節(jié)點、時間主控節(jié)點和帶時間窗口的蟲洞路由器模型，通過對時間觸發(fā)消息發(fā)送時刻以及蟲洞路由器的工作時間軸的調(diào)度規(guī)劃，實現(xiàn)了對網(wǎng)絡消息傳輸?shù)姆抡婵刂?，解決了SpaceWire網(wǎng)絡消息傳輸延時不確定的問題。本文設計了3類典型的仿真場景，通過分析仿真結果消息傳輸端到端延時，得到了各類場景的工作特點。提出了一種基于組路由的重構方案，并通過仿真驗證了其可行性。本文的研究成果兼并事件觸發(fā)與時間觸發(fā)網(wǎng)絡的特點，可用于SpaceWire網(wǎng)絡仿真或其它相關研究。

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