SpaceWire冗余網(wǎng)絡故障檢測恢復技術實現(xiàn)

曾華菘，張春熹，伊小素，陶聰凌，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冗余網(wǎng)絡故障檢測恢復技術實現(xiàn)

曾華菘，張春熹，伊小素，陶聰凌，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）

為提高SapceWire網(wǎng)絡可靠性，基于SpaceWire－D提出了一種應用于SpaceWire冗余網(wǎng)絡的故障檢測恢復技術；網(wǎng)絡節(jié)點通過比較主、備份端口收到的時間碼來判斷鏈路故障狀態(tài)，在確認主鏈路發(fā)生故障后，節(jié)點自動啟用備份端口工作；通過引入時間碼抖動容限參數(shù)，提高了節(jié)點對故障判斷的準確性，避免了故障誤判；測試結果表明，即使故障鏈路未與節(jié)點直接連接，節(jié)點也能夠在一個時間槽長度內檢測到鏈路故障并自動切換至備份鏈路；此技術保證了網(wǎng)絡故障情況下的數(shù)據(jù)正確傳輸，提高了SpaceWire網(wǎng)絡的可靠性，是一種穩(wěn)定可靠的故障檢測恢復技術。

SpaceWire；時間碼；可靠性；冗余；故障檢測

0 引言

為滿足新型航天器對星載數(shù)據(jù)總線的需求，ESA以IEEE1355－1995和LVDS標準為基礎，專門面向航天應用提出了新一代數(shù)據(jù)總線SpaceWire［1］。SpaceWire是全雙工、點對點的串行數(shù)據(jù)通信鏈路，可以提供高速（2～400 Mb／s）、高可靠性的數(shù)據(jù)傳輸［2］。在航天任務中，星載電子系統(tǒng)處于惡劣的空間環(huán)境，所有設備都需要極高的可靠性，星載數(shù)據(jù)總線也不例外。為提高可靠性，采用冗余備份是最直接有效的一種方法［3-5］。

雖然SpaceWire協(xié)議中包含鏈路錯誤檢測與恢復機制，但其只是為了保證鏈路的基本功能，不包含冗余備份內容。文獻［6］中分析了鏈路錯誤對SpaceWire網(wǎng)絡的影響，文獻［7］中分析了幾種保護冗余方法（DMR、TMR等），可顯著減少SEU、SET造成鏈路錯誤的幾率，降低誤碼率。以上方法用于提高單條鏈路的可靠性，但為應對鏈路永久故障的情況，還應采用備份冗余。一種簡單的冗余備份網(wǎng)絡如文獻［8］中所述，但其基于SpaceWire協(xié)議本身的容錯機制，只能處理與節(jié)點直接相連的鏈路故障。例如，在“主節(jié)點—路由器—從節(jié)點”的數(shù)據(jù)通路中，若主節(jié)點與路由器之間出現(xiàn)鏈路故障，從節(jié)點將無法檢測到。文獻［5］中提出的SpaceWire網(wǎng)絡備份技術避免了這類問題，但其引入了額外的信息包，且該機制會隨著網(wǎng)絡中節(jié)點數(shù)量的增加而變得異常復雜。

一種基于SpaceWire－D的SpaceWire網(wǎng)絡備份容錯協(xié)議在文獻［9］中被提出。文獻［10］中闡述了一種通過對數(shù)據(jù)流進行比較，增加網(wǎng)絡信息處理可靠性的技術。本文在文獻［9］的基礎上，融合文獻［10］的思想，提出了一種新的SpaceWire冗余網(wǎng)絡故障檢測恢復技術。節(jié)點通過比較主端口與備份端口收到的Time－Code，檢測主鏈路的故障，并能夠自動切換至備份鏈路進行數(shù)據(jù)傳輸，在保證網(wǎng)絡可靠性的同時，避免了上一段所述的問題。本文對SpaceWire冗余網(wǎng)絡中的故障檢測恢復機制進行了設計，并設計了具有自動切換功能的雙端口SpaceWire接口IP核，搭建SpaceWire故障測試網(wǎng)絡，驗證了節(jié)點的故障自動切換功能。

1 網(wǎng)絡結構

一種SpaceWire冗余備份網(wǎng)絡模型如圖1所示，本文均在此網(wǎng)絡模型基礎上進行分析。

本網(wǎng)絡是基于SpaceWire－D的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡，Control Node為網(wǎng)絡的主控節(jié)點，從兩個主端口同步向網(wǎng)絡中發(fā)送Time－Code。各從節(jié)點收到Time－Code后，按照事先安排好的事務表在相應的時間槽（圖2）內將數(shù)據(jù)傳給主控節(jié)點［11］，從而保證整個網(wǎng)絡精確、有序的運行［12］。

圖1 SpaceWire冗余備份網(wǎng)絡模型

圖2 時間槽

本網(wǎng)絡是一個熱備份網(wǎng)絡，所有從節(jié)點的主端口與備份端口均處于開啟狀態(tài)，網(wǎng)絡正常時從節(jié)點通過主端口進行數(shù)據(jù)傳輸，各個從節(jié)點的主端口按照需求分別連接到兩個路由器，以降低每個路由器的負荷。當從節(jié)點受到故障影響時，才通過備份端口進行數(shù)據(jù)傳輸。

2 故障檢測恢復機制設計

本文提出的故障檢測恢復機制為：節(jié)點將主端口與備份端口收到的時間碼進行比較，若相同，則認為網(wǎng)絡中不存在故障或自身未受故障影響，繼續(xù)保持正常狀態(tài)；若不同，則根據(jù)時間碼差值判斷是哪個端口受到了故障影響，若是備份端口受到影響，則繼續(xù)保持正常狀態(tài)，若是主端口受到影響，則啟動故障模式，自動切換至備份端口進行數(shù)據(jù)傳輸。

這種故障檢測機制的優(yōu)點在于：1）只有受到故障影響的節(jié)點會進入故障狀態(tài)，最小化故障時網(wǎng)絡結構的改變程度；2）節(jié)點能夠檢測到?jīng)]有直接與自身端口相連接鏈路的故障，故障時任何節(jié)點都無需發(fā)送額外的信息包將故障通知給其他節(jié)點；3）故障響應速度快，自動切換至備份鏈路，無需上層應用（或上層協(xié)議）的干預。

2.1 功能設計

根據(jù)本文中故障檢測恢復機制的需求，現(xiàn)設計了具有故障檢測與自動切換功能的雙端口SpaceWire接口IP核，其模塊框圖如圖3所示。

雙端口SpaceWire接口中包含兩個SpaceWire CODEC（主端口、備份端口）、一個Fault Detector和一個Switch Bar。兩個SpaceWireCODEC符合SpaceWire協(xié)議［2，13］，提供了SpaceWire鏈路接口和一些用戶接口，包括狀態(tài)控制接口、數(shù)據(jù)接口和時間碼接口。Fault Detector擁有兩個時間碼接口和一個狀態(tài)接口，其內部有兩個時間碼寄存器以及一個有限狀態(tài)機。當任意一個CODEC收到時間碼時，F(xiàn)ault Detector立刻將該時間碼同步至相應的時間碼寄存器，有限狀態(tài)機根據(jù)兩個時間碼寄存器中的值來判斷節(jié)點狀態(tài)，決定是否啟用備份端口，并將端口使能信號通過其狀態(tài)接口輸出到Switch Bar中。Switch Bar根據(jù)狀態(tài)信息，切換用戶數(shù)據(jù)接口的通道，并將CODEC的“使能”狀況通過使能指示接口反饋給用戶。實際上，在一些故障狀態(tài)下，兩個CODEC仍均處于Running狀態(tài)，這里的“使能”信號只是用來顯示節(jié)點在使用主端口還是備份端口進行數(shù)據(jù)收發(fā)。

圖3 雙端口SpaceWire接口

在頂層模塊中，有兩路SpaceWire鏈路接口，并向用戶分別提供了兩個CODEC的鏈路控制接口與時間碼接口，但只有一個數(shù)據(jù)接口以及一個使能指示接口。這意味著用戶可以對兩個CODEC的鏈路狀態(tài)進行獨立控制，但在同一時刻只能通過一個CODEC收發(fā)數(shù)據(jù)。

2.2 故障狀態(tài)判斷

節(jié)點工作狀態(tài)一共分為3種：

NORMAL：正常工作；

A_DOWN：主鏈路A故障；

B_DOWN：備份鏈路B故障。

當網(wǎng)絡中出現(xiàn)鏈路故障時，若節(jié)點主端口A受到影響，它將進入A_DOWN狀態(tài)，自動切換至備份端口B進行數(shù)據(jù)收發(fā)；若備份端口B受到影響，節(jié)點雖然不用采取切換動作，但應轉入相應的B_DOWN狀態(tài)。節(jié)點的狀態(tài)轉移圖如圖4所示。

圖4 節(jié)點狀態(tài)轉移圖

在SpaceWire網(wǎng)絡中，雖然Time－Code具有最高的傳輸優(yōu)先級，但由于鏈路中同時有數(shù)據(jù)字符的傳輸，以及路由器的存在、鏈路長度不同等因素的影響，Time－Code會出現(xiàn)延時和抖動［14］。因此，主控節(jié)點兩端口同步發(fā)出的Time－Code抵達某一個從節(jié)點的兩個端口時，會出現(xiàn)時間差。若狀態(tài)機中只有NORMAL、A_DOWN、B_DOWN3種狀態(tài)，時間碼抵達的時間差會導致狀態(tài)機過于敏感，故在狀態(tài)機中加入了Fault _A Confirming、Fault_B Confirming和Recovering三個過渡狀態(tài)，增加狀態(tài)機的穩(wěn)定性。

圖4中，TC_A和TC_B為Fault Detector中相應時間碼寄存器中的值。Tjitter為抖動容限時間，可根據(jù)實際網(wǎng)絡情況進行設置。設時間碼差值為TC_A－TC_B，當差值為1或－1時，狀態(tài)機轉入相應的Fault Confirming狀態(tài)，若在Tjitter內TC_A與TC_B再次相等，則認為因為時間碼抖動產(chǎn)生了誤判，回到NORMAL狀態(tài)；若經(jīng)過Tjitter后TC_A與TC_B仍不相等，則確認Time－Code值小的一端沒有正常收到時間碼，判定該端口受到了故障影響，狀態(tài)機轉入相應的故障狀態(tài)（A_DOWN或B_DOWN）。

Tperiod為Time－Slot的長度，是搭建網(wǎng)絡時設置的固定參數(shù)。當節(jié)點處于故障狀態(tài)時，假設為A_DOWN，TC_A會停留在某個值，TC_B能夠正常更新，TC_A與TC_B不相等。若故障恢復，TC_A會與TC_B再次相等，但由于Time－Code值是0到63的循環(huán)［15］，故TC_B在每個循環(huán)均會在一個Time－Slot內與TC_A相等，容易造成誤判。所以，在故障狀態(tài)下，當TC_A與TC_B相等時，狀態(tài)機進入Recovering狀態(tài)，若在Tperiod＋Tjitter內TC_A與TC_B再次出現(xiàn)差值為1或－1的情況，則認為是因時間碼循環(huán)產(chǎn)生的誤判，回到故障狀態(tài)；若經(jīng)過Tperiod＋Tjitter后，TC_A與TC_B依然相等，則確認故障已恢復，轉入NORMAL狀態(tài)。

3 仿真測試

為了測試雙端口SpaceWire接口IP核故障檢測與自動切換的功能，對其進行了仿真。仿真平臺如圖5所示。

圖5 仿真平臺

兩個獨立的SpaceWire CODEC分別于UUT的主端口與備份端口相連接，構成主鏈路與備份鏈路。Test Bench控制CODEC_A與CODEC_B同步發(fā)送時間碼，并控制UUT隨機發(fā)送數(shù)據(jù)包。

仿真中，當所有鏈路均正常工作后，Test Bench對CODEC_A進行了70μs的復位，模擬主鏈路故障。通過觀察UUT的Working CODEC端口，可以看出故障發(fā)生時UUT的動作。仿真結果如圖6，圖7，圖8所示。

仿真中采用的鏈路速率為100Mb／s，Time－Slot長度（Tperiod）為1μs，Tjitter選用了保守值0.5μs。圖6為CODEC _A被復位時的波形。此時，主鏈路斷開，UUT主端口無法正常收到Time－Code，其時間碼寄值（time_out_da）停留在了“011100”，備份端口仍能正常接收Time－Code，當備份端口的時間碼值（time_out_db）更新為“011101”時，經(jīng)過Tjitter后，Working CODEC端口發(fā)生了跳變，“10”表示主端口使能，“01”表示備份端口使能，說明UUT在主鏈路故障時成功啟用了備份鏈路收發(fā)數(shù)據(jù)。

圖6CODEC_A復位

圖7 為CODEC_A解除復位時的波形。此時，主鏈路恢復正常，UUT主端口又可以正常收到Time－Code。當主端口重新有Tick Out輸出時，主端口與備份端口的時間碼寄存器同步為“111001”，經(jīng)過Tperiod＋Tjitter后，兩時間碼依然相等，確認鏈路故障已恢復，UUT切換至主端口進行數(shù)據(jù)傳輸。

圖7CODEC_A解除復位

圖8 為主鏈路故障中第64μs時的波形，備份端口時間碼經(jīng)歷了一個循環(huán)后，再次與因故障停止的主端口時間碼一致，但在Tperiod后備份端口時間碼又發(fā)生了改變，兩時間碼不相等，故判定主鏈路依然處于故障狀態(tài)，繼續(xù)使用備份端口進行數(shù)據(jù)收發(fā)。

圖8 時間碼循環(huán)

仿真結果表明，本文設計的雙端口SpaceWire接口IP核能夠根據(jù)收到的Time－Code判斷出鏈路故障，并自動切換至備份鏈路進行工作，具有預期的故障檢測與自動切換功能。

4 實現(xiàn)與分析

本文最終的實現(xiàn)形式為一個SpaceWire故障測試網(wǎng)絡，由兩個節(jié)點與兩個路由器組成，如圖9所示。其中一個節(jié)點為發(fā)起節(jié)點，搭載兩個主端口，同步發(fā)送Time－Code。另一個節(jié)點為從節(jié)點，搭載一個主端口與一個備份端口，通過其中一個端口傳輸數(shù)據(jù)。兩個路由器均為4端口路由器，共用一塊電路板，但二者相互獨立。

4.1 時間碼抖動

在進行故障測試之前，首先要對Tperiod和Tjitter兩個關鍵參數(shù)進行設定。Tperiod為時間槽長度，可以根據(jù)需求自行設定，本測試中定為45μs。Tjitter是抖動容限時間，若過大，則會降低故障響應速度，若過小，則會引起故障誤判。為確定Tjitter，首先對網(wǎng)絡中的時間碼抖動進行測試。

圖9 SpaceWire故障測試網(wǎng)絡

從節(jié)點通過主鏈路向發(fā)起節(jié)點發(fā)送隨機數(shù)據(jù)包，產(chǎn)生數(shù)據(jù)流量。發(fā)起節(jié)點通過兩條鏈路同步發(fā)送時間碼。在這種情況下，統(tǒng)計了從節(jié)點兩端口收到同一時間碼的時間差，如圖10所示。

圖10時間碼抖動

圖10 中，時間差以傳輸比特周期為單位，差值為負代表備份端口比主端口提前收到Time－Code。可見，在本文搭建的故障測試網(wǎng)絡環(huán)境下，最大的抖動為12個比特周期?？紤]到測試網(wǎng)絡鏈路條數(shù)少，流量小，為應對更復雜的情況，抖動容限應使用更大的值。最終選取Tjitter為64個比特周期，測試中鏈路速率為40Mb／s，故Tjitter＝1.6μs。

4.2 結果分析

測試中，Link_1、Link_2與Router_A構成主鏈路，Link_3、Link_4與Router_B構成備份鏈路。發(fā)起節(jié)點以Tperiod＝45μs為周期，從兩個端口同步發(fā)送Time－Code。從節(jié)點中的數(shù)據(jù)發(fā)生器，不斷向雙端口SpaceWire接口IP核的數(shù)據(jù)接口寫入內容為0到31的數(shù)據(jù)包，包頭為1，以供路由器進行路徑尋址，包尾為EOP。鏈路速率為40 Mb／s，Tjitter＝1.6μs。利用Altera的Signal TapⅡLogic Analyser抓取FPGA內部信號，以分析節(jié)點在鏈路故障時的動作。

4.2.1 故障發(fā)生時的自動切換

為測試從節(jié)點的故障檢測與自動切換功能，向網(wǎng)絡中注入故障，將Link_1斷開，造成主鏈路斷路。發(fā)起節(jié)點內部信號如圖11所示。

故障發(fā)生后，發(fā)起節(jié)點從端口b（備份鏈路）收到了數(shù)據(jù)包，說明從節(jié)點自動切換到了備份鏈路進行數(shù)據(jù)傳輸。從節(jié)點內部信號如圖12所示。

實際上，從節(jié)點的兩個端口仍均處于Running狀態(tài)，但是從時間碼上能夠判斷出，主鏈路上未與從節(jié)點直接相連的鏈路發(fā)生了故障。當端口b（備份端口）輸出Tick out更新時間碼后，經(jīng)過Tjitter后，端口a（主端口）仍未收到這一時間碼，判定主鏈路故障。CODEC_enable端口將狀態(tài)輸出，Switch Bar檢測到狀態(tài)變化后將數(shù)據(jù)接口tx_fifo_data_in從主端口FIFO切換至備份端口FIFO，在此之后從數(shù)據(jù)接口輸入的數(shù)據(jù)都進入了備份端口FIFO。自動切換后，端口b（備份端口）開始發(fā)送數(shù)據(jù)，而端口a（主端口）會將其FIFO中剩余的數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后進入待命狀態(tài)。

圖11 發(fā)起節(jié)點

圖12 從節(jié)點

自動切換的時間TAuto－Switching，由故障檢測時間TDetecting與切換時間TSwitching組成。故障檢測時間取決與故障發(fā)生的時刻，若故障在一個時間槽開始時發(fā)生，那么故障檢測時間為Tperiod＋Tjitter；若故障在一個時間槽末尾發(fā)生，那么故障檢測時間為Tjitter。因為是熱備份，且無需發(fā)送故障通知或等待確認切換通知，故切換時間僅需一個系統(tǒng)時鐘周期。所以TAuto－Switching≈T Detecting，Tjitter＜T Auto－Switching＜Tperiod＋Tjitter。一般情況下，

Tjitter遠小于Tperiod，可認為節(jié)點能夠在一個時間槽長度內完成故障檢測與鏈路切換動作。

4.2.2 故障排除時的自動切換

重新連接Link_1，將主鏈路恢復正常，從節(jié)點自動切換回主鏈路發(fā)送數(shù)據(jù)，如圖13所示。

圖13 從節(jié)點

主端口開始發(fā)送新輸入的數(shù)據(jù)，備份端口將FIFO中的剩余數(shù)據(jù)發(fā)送完之后進入待命狀態(tài)。

5 結論

本文在SpaceWire冗余網(wǎng)絡中，基于SpaceWire－D提出了一種應用于網(wǎng)絡從節(jié)點的鏈路故障檢測恢復技術，經(jīng)SpaceWire故障測試網(wǎng)絡測試，結果如下：

1）節(jié)點的故障響應靈敏，能夠在一個時間槽長度內檢測出網(wǎng)絡中的鏈路故障，并自動切換至備份鏈路工作。

2）節(jié)點能夠自主判斷主端口是否受故障影響，即使故障鏈路沒有與該節(jié)點直接連接。

3）節(jié)點對時間碼抖動不敏感，多次測試均未出現(xiàn)故障誤判的情況。

測試結果表明，本文提出的SpaceWire冗余網(wǎng)絡故障檢測恢復技術，故障檢測能力強、故障恢復快、穩(wěn)定性高，滿足實際應用需求。在SpaceWire冗余網(wǎng)絡中采用此技術，能夠增強SpaceWire網(wǎng)絡的容錯能力，進而提高網(wǎng)絡的可靠性。

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Implementation of Fault Detection and Recovery Technique in SpaceWire Redundant Network

Zeng Huasong，Zhang Chunxi，Yi Xiaosu，Tao Congling，Liu Wenli

（School of Instrumentation Science and Opto－electrionics Engineering，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China）

A fault detection and recovery method based on SpaceWire－D for SpaceWire redundant network was proposed to improve the reliability of SpaceWire network.In the method，nodes detect link fault through comparing Time－Codes received from primary and redundant link，and enable redundant link automatically after confirming the fault of primary link.By introducing Time－Code jitter tolerance parameter，the fault detection accuracy is improved and the fault misjudgement is avoided.The experiment result shows that each node can detect link fault and switch to redundant link automatically within one Time－Slot，even the faulty link was not connected to the node directly.Therefore，the proposed method can ensure the data transmission when link faults occur，and improve the reliability of the SpaceWire network.

spacewire；time－code；reliability；redundancy；fault detection

1671-4598（2016）08-0039-05

10.16526／j.cnki.11－4762／tp.2016.08.011

：V443.1

：A

2016-03-02；

：2016-03-29。

曾華菘（1992-），男，廣東梅州人，碩士研究生，主要從事高速數(shù)據(jù)傳輸技術方向的研究。

張春熹（1965-），男，湖南岳陽人，教授，主要從事光纖傳輸、傳感技術方向的研究。