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    高寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡載荷交換設計與實現(xiàn)

    2024-12-26 00:00:00尹鵬張冬王超魏雯婷史勤忠
    無線電通信技術 2024年6期
    關鍵詞:架構

    摘 要:低軌衛(wèi)星星座具有傳輸延時小、系統(tǒng)容量大、應用場景豐富、制造成本低等優(yōu)勢,已成為構建衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的核心環(huán)節(jié),其中高帶寬、高速交換技術是實現(xiàn)星間、星地數(shù)據(jù)業(yè)務轉發(fā)的關鍵技術之一。因此,聚焦高寬帶低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡載荷交換的設計,以滿足衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)中高帶寬交換、低時延誤差、高可靠性等星載交換需求。為適應太空極端環(huán)境,設計了基于宇航級現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array,FPGA)實現(xiàn)。由于宇航級FPGA 芯片接口、緩存以及邏輯資源受限,采用兩片xc7v690t FPGA 聯(lián)合實現(xiàn),搭建聚合式Crossbar 架構,解決資源受限問題,各單元模塊合理布局,主要包括處理總線和交叉節(jié)點網(wǎng)絡,通過交換模塊實現(xiàn)星間星地業(yè)務交換功能。從傳輸帶寬、丟包率和傳輸時延等方面對系統(tǒng)進行性能評估,實現(xiàn)總傳輸帶寬達40 Gbit / s、支持8 優(yōu)先級服務質量(Quality of Service,QoS)保障、時延小于50μs 的交換系統(tǒng),為資源受限的太空工作環(huán)境提供可行性方案。

    關鍵詞:衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng);高帶寬交換;Crossbar 架構

    中圖分類號:TN927+. 2 文獻標志碼:A 開放科學(資源服務)標識碼(OSID):

    文章編號:1003-3114(2024)06-1160-09

    0 引言

    衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)構成了衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的最主要組成部分,具有通信質量高、覆蓋距離遠等優(yōu)點,在現(xiàn)代通信業(yè)務中的地位舉足輕重。2020 年我國首次將衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)納入新基建的范疇,預計到2030 年市場規(guī)??赏黄魄|級別[1]。在目前日益復雜的業(yè)務應用面前,交換系統(tǒng)的性能成為設備適用范圍的關鍵因素。

    目前對衛(wèi)星交換系統(tǒng)的最大要求是高可靠性,包括保證在極端溫度環(huán)境下的工作狀態(tài),以及在異常情況下的恢復能力。綜合考慮本次設計將基于可編程門陣列(Field Programmable Gate Array,FPGA)芯片設計Crossbar 結構的交換系統(tǒng)。

    宇航級FPGA 芯片可防止極端溫度情況下比特翻轉異常,并且可以隨時在異常情況下重啟程序甚至重構新程序,使系統(tǒng)能保證隨時恢復可用狀態(tài)且可以靈活升級[2]。另外,Crossbar 結構作為傳統(tǒng)交換結構,具有高可靠性和高擴展性的特點,可滿足星載交換對于可靠性和傳輸帶寬的需求。

    1 整體系統(tǒng)概述

    如今,衛(wèi)星事業(yè)發(fā)展先進的國家已經(jīng)發(fā)射了大量通信衛(wèi)星,建立了TeleSat、Kuiper、Starlink 星座、OneWeb 星座等移動通信系統(tǒng)[3-4]。在衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)領域研究中,我國發(fā)射了鴻雁星座、虹云星座,并展開空天一體化部署。在上述星座中,Starlink V1. 0版本的單星寬帶為18 Gbit/ s,OneWeb 單星寬帶僅為8 Gbit/ s[5-6]。因此本文提出了多片互連方案以提升單星傳輸帶寬至40 Gbit/ s。

    相較于專用集成電路(Application Specific Integrated Circuit,ASIC)芯片,FPGA 芯片具備可靈活編程的優(yōu)勢,不僅可根據(jù)實際需求靈活配置,還能夠隨時升級系統(tǒng)。并且,隨著近幾年集成芯片的發(fā)展,高成本的ASIC 已逐漸淘汰,FPGA 芯片更得青睞,已發(fā)展出可在太空極端環(huán)境下正常運行的宇航級FPGA 芯片,能夠避免高能粒子干擾、比特翻轉、電離輻射等問題,滿足宇航級系統(tǒng)的工作要求。目前,主流星載硬件平臺均采用Xilinx 公司開發(fā)的宇天級FPGA。隨著芯片工藝的發(fā)展,已研制出28 nm 的宇航級Virtex7 系列FPGA[7-8]。

    由于宇航級V7 FPGA 芯片資源短缺,因此本文設計采用兩片互連的方式構建聚合式Crossbar 架構,一方面滿足高帶寬交換需求,另一方面整合資源擴展交換系統(tǒng)對外接口?;冢茫颍铮螅螅猓幔?交叉開關陣列的特點,它能夠支持多個端口并行數(shù)據(jù)傳輸,有效消除了交換機內部的擁塞現(xiàn)象,使得總線上的端口均能以最高效率運行,顯著增強了數(shù)據(jù)的傳遞速度與交換機的處理能力。

    該系統(tǒng)包括星地交換單元和星間交換單元,交換單元的交換傳輸帶寬為40 Gbit/ s。為保證兩個交換單元之間通信數(shù)據(jù)的速率,片間采用兩個高速串行GTH 接口,使用Aurora 協(xié)議,64b/66b 編碼,信息速率能夠支持10 Gbit/ s;片間接口1 用于傳輸高速通道與星地交換單元的數(shù)據(jù)接收及發(fā)送,片間接口2 用于傳輸用戶設備與星地交換單元的數(shù)據(jù)接收及發(fā)送。

    交換架構由星間交換單元和星地交換單元組成,兩個單元設置4 條總線,形成4×4 交叉結點網(wǎng)絡,每條總線均設置輸入處理、流分類、分組處理、查找表、隊列管理、Crossbar、總線調度等模塊[9-11]。

    星間交換單元模塊組成如圖1 所示。

    衛(wèi)星載荷交換技術實現(xiàn)的流程各模塊功能介紹如下:

    ①輸入處理模塊:數(shù)據(jù)幀經(jīng)過輸入處理模塊進入交換單元,數(shù)據(jù)幀將被寫入數(shù)據(jù)先入先出(FirstInput First Output,FIFO)隊列中;

    ② 輸入輪詢模塊:在具備端口聚合功能的總線中,此模塊會逐一檢查各端口的數(shù)據(jù)FIFO,從中挑選某個端口的數(shù)據(jù)進入交換網(wǎng)絡,并進一步將選定路徑的數(shù)據(jù)幀轉發(fā)至流量分類與分組處理環(huán)節(jié)[3];

    ③ 流分類處理模塊:載荷數(shù)據(jù)來到該模塊,流分類將對載荷數(shù)據(jù)標簽進行解析,針對不同類型數(shù)據(jù)產(chǎn)生相應指令碼,傳遞至后級分組處理模塊,處理指令包括丟棄、轉發(fā)和標簽計算等;

    ④ 分組處理模塊:依據(jù)流量類型判定生成的指令碼獲取數(shù)據(jù)幀的操作類型、目的端口號或標簽替換字段等信息,并針對不同指令碼進行對應操作;

    ⑤ 查找表模塊:解析載荷數(shù)據(jù)標簽信息,匹配單播、組播、廣播表中的對應信息,并獲取出端口號,反饋給分組處理模塊;

    ⑥ 隊列管理模塊:依據(jù)分組處理解析的載荷數(shù)據(jù)出端口號和優(yōu)先級,計算數(shù)據(jù)的入隊號,通過閾值調節(jié)機制,為符合條件的數(shù)據(jù)申請緩存空間;

    ⑦ 總線調度模塊:在交叉節(jié)點網(wǎng)絡中采用輪詢機制查找未被占用的節(jié)點,依據(jù)絕對優(yōu)先權分配、循環(huán)分配和加權循環(huán)分配等算法,對8 個優(yōu)先級隊列進行輪詢判斷。在數(shù)據(jù)傳輸過程中的節(jié)點選擇通過調度信號控制,調度信息包含目的結點號、幀長等信息。

    2 功能模塊詳細設計

    2. 1 輸入處理模塊

    輸入處理模塊主要完成數(shù)據(jù)幀的校驗和數(shù)據(jù)格式的匹配。業(yè)務幀校驗完成后若正確則進行下一步處理,否則進行相應操作;數(shù)據(jù)格式的匹配是將串行高速接口數(shù)據(jù)匹配成為并行數(shù)據(jù),同時添加其他輔助信號以提高交換內部處理速率。

    該模塊由3 個功能模塊、兩組FIFO 和RAM IP核組成,采用兩級緩存處理。如果不考慮業(yè)務方面,僅從數(shù)據(jù)傳輸角度考慮,由于涉及跨時鐘域處理以及位寬轉換,這樣兩級緩存的結構更利于傳輸?shù)姆€(wěn)定性,輸入處理模塊原理框圖如圖2 所示。

    在數(shù)據(jù)FIFO 和幀長FIFO 的深度設置方面,先確定數(shù)據(jù)FIFO 的深度,再以最短幀40 Byte 為準計算數(shù)據(jù)FIFO 最多可能緩存的幀數(shù),以此作為幀長FIFO 的深度,這樣可以避免數(shù)據(jù)幀存進data_fifo,而len_fifo 溢出的情況。

    此外,該設計中所有涉及data_fifo 和len_fifo 聯(lián)合使用的情況時,在代碼設計中保證數(shù)據(jù)完整存進data_fifo 并完整緩存的后一個周期,將幀長緩存進len_fifo。這樣操作可以以len_fifo 的empty 空信號判斷data_fifo 中是否已存在完整的一幀數(shù)據(jù),防止未將完整數(shù)據(jù)緩存完成就將數(shù)據(jù)讀出,導致數(shù)據(jù)錯誤。

    輸入處理模塊主要完成來自輸入接口數(shù)據(jù)的校驗、幀類型檢查和位寬轉換等功能。當輸入數(shù)據(jù)通過外部接口進入輸入處理模塊后,進行同步頭搜索匹配,同步頭是簡單鏈路協(xié)議(Simple Data Link,SDL)幀的起始,通過檢索同步頭可快速完成數(shù)據(jù)幀的界定和處理,同步頭匹配成功后需要進行幀長進行判斷、頭部校驗(Header Error Control,HEC)和循環(huán)冗余校驗(Cyclic Redundancy Check,CRC),若校驗錯誤則丟棄該幀數(shù)據(jù)。位寬轉換是將來自高速接口的64 bit 數(shù)據(jù)和來自低速接口的串行數(shù)據(jù)轉換為256 bit 數(shù)據(jù)以匹配交換單元內部邏輯的數(shù)據(jù)位寬。而CRC 則用于對接收數(shù)據(jù)幀的標簽數(shù)據(jù)和凈荷數(shù)據(jù)進行誤碼判斷,防止錯誤數(shù)據(jù)幀進入后級模塊。對于校驗正確的業(yè)務幀將進行對應操作并寫入存儲單元,使得數(shù)據(jù)幀能穩(wěn)定轉發(fā)。輸入處理模塊流程如圖3 所示。其中,數(shù)據(jù)幀的校驗包括幀長的HEC和幀頭的CRC。幀長HEC 用來對幀長字段進行糾錯,幀頭CRC 用來對標簽字段進行糾錯。依據(jù)ANSICRC16 標準,可糾正所有單個比特的錯誤,生成多項式為g(x)= x16 +x15 +x2 +1。

    2. 2 輸入輪詢模塊

    輸入輪詢模塊實現(xiàn)多個端口的數(shù)據(jù)輪詢,最終輸出為一路并行高速數(shù)據(jù)給后端處理。針對具備端口合并功能的通信總線,輸入輪詢單元將逐個檢查每個端口的數(shù)據(jù)FIFO 隊列,挑選出一個端口以接入交換網(wǎng)絡,并進一步將選取路徑上的數(shù)據(jù)幀傳輸至流量分類以及分組處理單元;對于不具備端口合并屬性的總線,端口數(shù)據(jù)直接送至流量分類和分組處理單元進行后續(xù)處理。輪詢調度(Round Robin,RR)算法流程如圖4 所示。

    本文采用基于輸出端口狀態(tài)反饋的RR 算法[4]。RR 機制針對輸出端口狀態(tài)的反饋原理,逐一查詢各個輸出端口。當某一端口下轄的所有優(yōu)先隊列均無數(shù)據(jù),或該端口返回的緩存狀態(tài)顯示為“滿載”時,系統(tǒng)將移至下一輸出端口進行輪詢檢查。

    這一策略能在現(xiàn)有的RR 公平輪詢機制,依據(jù)各端口目前的反壓信號進行評估,提升了端口輪詢機制的正確率,更精準地適應交換機的實際運作情況,并做出實時的調節(jié)。

    2. 3 流分類處理模塊

    流分類處理模塊完成數(shù)據(jù)幀中數(shù)據(jù)鏈路層核心字段解析功能,經(jīng)由識別數(shù)據(jù)包內的重要數(shù)據(jù)并將其歸類,生成包括變更網(wǎng)絡地址、丟棄、轉發(fā)等操作碼。

    流分類處理模塊分為信息提取模塊和決策模塊兩部分。信息提取模塊用于解析載荷數(shù)據(jù)標簽的特定字段信息,根據(jù)定義幀格式,可設定解析字段偏移量和提取長度,將解析到的字段信息傳輸給后級決策模塊;決策模塊接收解析后的字段信息,對該組信息進行映射、計算等操作,生成操作碼。

    當數(shù)據(jù)流需要進入流識別程序時,該單元先對數(shù)據(jù)包的頭部信息逐一檢查,按照數(shù)據(jù)幀的結構規(guī)范,利用字段在數(shù)據(jù)包中的起始位置及其所占的字節(jié)長度,計算出字段的實際內容,并將其存儲于內部寄存器以備后用;策略決策單元將基于信息解析單元提供的字段提取狀態(tài)信號與具體的字段值,進行規(guī)則比對,并據(jù)此產(chǎn)生相應的動作指令,這些動作指令編碼后傳遞給數(shù)據(jù)包處理單元執(zhí)行。流分類處理流程如圖5 所示。

    信息提取模塊提取的幀頭信息為:幀類型、優(yōu)先級、目的站地址、源站地址、協(xié)議類型、TTL 值、衛(wèi)星號、自然數(shù)編碼端口號、onehot 編碼端口號、保障組播廣播標簽、輸入端口號。這些信息將通過直連的方式傳遞給決策模塊。此外,還有握手信號,以確保決策模塊能正確識別幀信息。

    在決策模塊中,根據(jù)規(guī)定的操作碼幀格式進行組幀,獲取的幀信息映射出操作碼各個字段數(shù)值。除去查表等待時間,僅需一個時鐘周期即可生成并輸出操作碼,隨路附帶操作碼有效信號。

    2. 4 分組處理模塊

    流分類對載荷數(shù)據(jù)解析計算后,生產(chǎn)指令碼傳輸給分組處理模塊。分組處理模塊負責執(zhí)行這些指令碼,由此實現(xiàn)不同類型數(shù)據(jù)幀分類處理等相應功能,并對入隊成功后的數(shù)據(jù)幀進行修改并填充校驗。

    分組處理是衛(wèi)星載荷數(shù)據(jù)交換單元的關鍵模塊,該模塊承載交換系統(tǒng)主要的計算、控制功能,是決定載荷數(shù)據(jù)能否正常計算和轉發(fā)的重要環(huán)節(jié)[12]。

    輸入處理模塊負責正確接收來自前級模塊的數(shù)據(jù)幀,將其緩存在buffer 中。分組處理內部結構如圖6 所示。

    輸出處理模塊負責對應指令碼,對相應載荷數(shù)據(jù)進行指定操作,如丟棄、變更網(wǎng)絡地址、直接轉發(fā)等功能;負責數(shù)據(jù)的正確搬移,并在搬移數(shù)據(jù)的同時執(zhí)行修改幀頭字段并填充校驗值。

    分組處理模塊識別數(shù)據(jù)幀中的信息,并依據(jù)解析結果對其進行恰當處理,確保分組任務的順利完成。具體功能包括:

    ① 正確接收輸入處理模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)幀,并能對數(shù)據(jù)幀進行處理,如識別幀類型、更改字段等。將處理后的數(shù)據(jù)幀和調度信息傳輸給后級模塊。

    ② 識別來自流分類模塊的指令碼,并對載荷數(shù)據(jù)進行對應操作,如丟棄、更改網(wǎng)絡地址等字段,直接轉發(fā)等。

    ③ 識別需交由CPU 處理的數(shù)據(jù)包,并將其打上獲取標簽,并轉發(fā)至CPU。

    ④ 從載荷數(shù)據(jù)標簽中解析查表地址詳情,并將查表地址傳遞給檢索表組件,對相應的表項進行檢索。此組件在查詢得到結果后,將合適的輸出端口號反饋至分組處理單元。當查詢動作失敗,需向分組處理單元發(fā)出替代指示,例如在數(shù)據(jù)鏈路層查詢無果后會廣播該幀數(shù)據(jù)。

    2. 5 查找表模塊

    查找表模塊的主要功能是為輸出數(shù)據(jù)選擇對應的輸出端口號。該模塊與分組處理模塊之間有接口信號,分組處理模塊為查找表模塊提供需要進行查找的相關信息,如標簽號、單播使能、組播使能等,而查找表則將查詢結果回傳給處理單元。

    查找表主要用于不同業(yè)務數(shù)據(jù)、應用方式的轉發(fā)。各類轉發(fā)表由網(wǎng)控、路由、地面控制中心配置到星上代理,由代理維護表項并配置到分組交換中,查找表模塊原理框圖如圖7 所示。

    2. 6 隊列管理

    隊列管理單元的核心職能是與調度單元共同執(zhí)行任務,涵蓋了申領入隊的存儲區(qū)域、對已完成出隊任務的存儲空間進行解除與收回、維持和更新隊列鏈表的各種操作。同時,此模塊在配合輸入輸出調度器及總線控制邏輯方面,承擔了數(shù)據(jù)在不同存儲構件間轉移,包括輸入輸出接口緩沖、共享緩存隊列等任務[13]。

    以固定長度緩沖器buffer 方法管理隊列,以提升緩存使用效率,充分發(fā)揮FPGA 內部存儲資源的作用,使用固定長度單元來儲存不等長的數(shù)據(jù)包的隊列鏈表管理方法?;驹硎菍⑷看鎯^(qū)域分割成眾多相等長度的儲存單位(稱為緩沖區(qū)),為每個緩沖區(qū)配備一個標識符buffer。緩沖描述符(Buffer Description,BD)是管理所有存儲容量的根本模塊,它按照鏈表結構來安排緩沖區(qū),而緩沖區(qū)中關于自身的信息則保存在BD 中。單個數(shù)據(jù)包被分割后存放在若干緩沖區(qū)內,這些緩沖區(qū)有可能是不相鄰的。以緩沖區(qū)大小64 Byte 為例,一份150 Byte的數(shù)據(jù)包僅需占用3 個緩沖區(qū)。隊列管理方法流程如圖8 所示。

    隊列管理方法流程要點如下。

    (1)設計過程

    在設計過程中數(shù)據(jù)幀的存儲單元規(guī)定為64 Byte,每個緩沖區(qū)匹配一個BD,該緩沖區(qū)的描述細節(jié)被保存在BD 中。BD 的數(shù)據(jù)被放置在具有固定大小的存儲器RAM 中,也就是所謂的BD RAM。在程序啟動并重置時,需要對BD RAM 執(zhí)行初始化操作。BDRAM 中的低16 位數(shù)值對應后續(xù)buffer 地址,從而在所有buffer 地址中形成了互連結構。同前文提到BD RAM 的初始化過程后,buffer 地址0 的下一跳是buffer 地址1,buffer 位于地址1 處的后續(xù)跳轉指向緩沖地址2,依此類推,最終一個緩沖地址再次指回緩沖地址0。復位操作后,所有緩沖體地址變?yōu)榭臻e可用狀態(tài),在有數(shù)據(jù)幀需要排隊時可提出占用請求。

    (2)隊列控制的進出機制

    在隊列控制的進出機制中主要涉及3 個階段:空轉階段、排隊進入階段以及排隊離開階段。當系統(tǒng)重置之后,隊列調度進入空轉,依序進行排隊進入和排隊離開的請求操作,完成后復歸空轉,周而復始地進行這一系列動作。此舉確保了隊列進出的公正性,避免了長時間單一的出隊或入隊操作,提升了設計的合理性。需要指出的是,隊列調度的3 個相互轉換的階段,切換過程需與調控模塊緊密協(xié)同以達成。RAM 與BD 的映射關系如圖9 所示。

    (3)隊列管理調度

    隊列管理調度的入隊過程具體分為以下幾個環(huán)節(jié):① 在初始化排隊請求時,核驗請求數(shù)據(jù)的合規(guī)性,例如檢查輸出接口編號是否合乎規(guī)范、數(shù)據(jù)包長度是否處于允許區(qū)間等。如果請求內容不滿足標準,則放棄這一個排隊請求數(shù)據(jù)包;否則進入下一階段的排隊工作。② 若排隊請求資料無誤,依據(jù)輸出接口編號、優(yōu)先等級等參數(shù),檢索對應的數(shù)據(jù)輸出序列信息,并同時搜集空閑序列的數(shù)據(jù)。③ 依照此環(huán)節(jié)搜集的輸出序列與空閑序列的信息判斷,考慮加入排隊能否滿足足夠的存儲空間需求以及隊列最大存儲限度,若請求滿足了所有條件,則放棄該排隊請求數(shù)據(jù)包;反之則推進至排隊流程的下一步。④ 根據(jù)排隊請求數(shù)據(jù)包的長度及空閑序列的現(xiàn)狀,逐個配發(fā)相應邏輯進入地址。邏輯進入地址根據(jù)請求數(shù)據(jù)包的大小可能是一個或多個,由數(shù)據(jù)包的長度確定。例如在64 Byte 固定存儲的情況下,若請求數(shù)據(jù)包長度為52 Byte,則僅需分配一個邏輯進入地址;若長度為152 Byte,則需要分配3 個。被分配的地址來自空閑序列維護的尚未被利用的存儲位置,按照FIFO 規(guī)則并行使用這些地址。⑤ 在邏輯進入地址分配結束后,更新輸出序列和空閑序列的信息,至此完成排隊的整個入隊流程。

    (4)隊列管理的出隊操作

    隊列管理的出隊操作具體步驟為:① 依據(jù)請求出隊的載荷數(shù)據(jù),包括出口端口號、優(yōu)先級等,抓取匹配輸出序列的詳細信息,并同時判斷處于空閑狀態(tài)隊列。② 遵循FIFO 的規(guī)則,將輸出序列最前端的幀解除并告知其邏輯離隊的具體位置。③ 當邏輯離隊位置信息全部提供完畢,即刻刷新輸出隊列與空缺隊列的最新狀態(tài)。

    3 系統(tǒng)功能及性能驗證

    此系統(tǒng)的功能及性能驗證通過思博倫公司設計生產(chǎn)的網(wǎng)絡測試儀TestCenter 產(chǎn)生標準以太網(wǎng)流量,配合協(xié)議轉換設備[14-15],完成星載交換系統(tǒng)各項功能的驗證。測試環(huán)境示意如圖10 所示。

    基于兩片xc7v690t FPGA,搭建聚合式Crossbar架構,兩片FPGA 芯片分別部署星間接口和星地接口。兩片FPGA 采用聚合的方式極大拓展了接口資源,支持16 路高速接口以及20 路低速接口,并且整合緩存資源以及邏輯資源,控制資源利用率優(yōu)化在80% 以下,且預留系統(tǒng)升級冗余備份資源。

    在星地、星間數(shù)據(jù)交換的功能實現(xiàn)基礎上,性能要求在無丟包、無誤碼條件下實現(xiàn)40 Gbit/ s 傳輸帶寬,且支持8 優(yōu)先級服務質量(Quality of Service,QoS)保障功能,在整體測試過程中交換傳輸時延小于50 μs。

    3. 1 星地星間交換功能測試

    數(shù)據(jù)由網(wǎng)絡測試儀產(chǎn)生,通過協(xié)議轉換設備,將測試數(shù)據(jù)發(fā)送給星地交換系統(tǒng),由星地交換系統(tǒng)發(fā)送給星間交換系統(tǒng),在星間系統(tǒng)中經(jīng)過處理后,從下行鏈路發(fā)送回星地系統(tǒng),再由協(xié)議轉換設備發(fā)送給網(wǎng)絡測試儀,完成測試閉環(huán)。測試結果如圖11 所示,4 條流量在星地、星間閉環(huán)路徑下均無丟包情況,驗證本系統(tǒng)可完成地面-衛(wèi)星、衛(wèi)星-衛(wèi)星數(shù)據(jù)交換的基礎功能。

    3. 2 QoS 保障能力測試

    在網(wǎng)絡測試儀中設置8 種不同優(yōu)先級的流量,同時打流測試,測試結果顯示最高優(yōu)先級流量無丟包情況,且優(yōu)先級逐漸降低,丟包率逐漸增加,符合支持8 優(yōu)先級管理的預期。QoS 保障能力測試數(shù)據(jù)優(yōu)先級以及丟包率對應關系如表1 所示。QoS 保障能力測試如圖12 所示。

    3. 3 40 Gbit/ s 傳輸帶寬測試

    該測試分為星間20 Gbit/ s、星地20 Gbit/ s 兩部分,傳輸帶寬共計40 Gbit/ s。

    星間接口使用4 路高速口,流量分配為4 ×5 Gbit/ s=20 Gbit/ s。測試結果顯示,星間20 Gbit/ s流量測試通過。星地接口使用6 路高速口,流量分配為4×2. 5 Gbit/ s+8×1. 25 Gbit/ s = 20 Gbit/ s。測試結果顯示,星地20 Gbit/ s 流量測試通過,如圖13和圖14 所示。

    根據(jù)圖13 和圖14 測試結果圖可知,該系統(tǒng)已實現(xiàn)總計40 Gbit/ s 傳輸帶寬,同時滿足50 μs 的傳輸時延。各接口傳輸帶寬測試數(shù)據(jù)如表2 所示。

    4 結束語

    本文聚焦高帶寬多片聚合式Crossbar 架構星載交換單元,設計了一種傳輸帶寬達到40 Gbit/ s 的交換單元設計方案。采用聚合式Crossbar 架構,交叉節(jié)點網(wǎng)絡包含了共享緩存結構。兩片V7 芯片可分別支持星地交換單元和星間交換單元,并通過片間互連完成地面與本星以及非本星的數(shù)據(jù)交換,接口資源擴展至16 路高速接口以及20 路低速接口,緩存資源和邏輯資源控制在80% 以內。整體系統(tǒng)性能達到40 Gbit/ s 傳輸帶寬且無丟包、無誤碼,實現(xiàn)50 μs 內低延時[16-18],為資源受限的太空工作環(huán)境提供可行性方案。

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    作者簡介:

    尹 鵬 男,(2000—),碩士研究生。主要研究方向:衛(wèi)星通信技術、網(wǎng)絡交換技術、有效載荷技術。

    張 冬 男,(1989—),碩士,高級工程師。

    王 超 男,(1990—),碩士,高級工程師。

    (*通信作者)魏雯婷 女,(1988—),博士,副教授,碩士生導師。主要研究方向:數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡、衛(wèi)星網(wǎng)絡、軟件定義網(wǎng)絡及智能化網(wǎng)絡資源管控等。陜西省青年創(chuàng)新團隊核心骨干。

    史勤忠 男,(2000—),碩士研究生。主要研究方向:衛(wèi)星通信技術、空間網(wǎng)絡技術、有效載荷技術等。

    基金項目:國家自然科學基金(62102302);中央高校基本科研業(yè)務費專項資金(XJSJ23088)

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