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］網絡分析中，消息數據包的傳輸端到端延時是一個非常重要的測定指標，它體現網絡的實時性。SpaceWire難以保證消息的傳輸端到端延時［3］。若事先已知網絡中部分節點的消息屬性，如時間、大小等，對它們的傳輸進行規劃，按照固定時間窗口進行調度，即可形成時間觸發消息網絡，并極大提高網絡中消息傳輸的確定性［4］。

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

現在已有的SpaceWire仿真系統中，大多為基于協議的事件觸發網絡［8］，缺乏基于時間觸發消息、對蟲洞路由器調度時刻表進行規劃的仿真系統。本文通過建模仿真，對于事件觸發和時間觸發網絡場景下的SpaceWire總線網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網絡在鏈路出現故障時可行的重構方案，并利用仿真進行了驗證。

1 SpaceWire網絡基礎

星載SpaceWire通信網絡包含鏈路、節點和交換機。節點為消息數據包的流入流出設備，鏈路為數據包的傳輸路徑，交換機采用蟲洞路由器，SpaceWire采用基于數據包觸發的事件觸發交換方式，支持自由的拓撲結構。

星載SpaceWire網絡消息類型可分為多類［6］，本文中將星載網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，稱之為時間觸發消息；另一類為低實時性消息，這類消息對應于網絡中隨機產生的消息，稱之為事件觸發消息。為了確保時間觸發消息的傳輸延時，同時兼并事件觸發網絡傳輸的特點，基于OPNET仿真平臺開發了一套SpaceWire仿真系統。

2 SpaceWire仿真系統

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

圖1 仿真系統模塊

系統中各模塊主要功能為：TM 通過廣播發送時間碼控制網絡的時間同步；ES完成SpaceWire數據包的生成以及發送工作；WR 在接收到數據包后，對數據包的類型及到達時間進行相應判斷，完成對數據包的尋址轉發功能。

2.1 時間主控節點

2.1.1 時間同步單元

時間主控節點模塊用于生成SpaceWire網絡同步時間碼Time－code［3］，Time－code中的T0～T5 位為時間碼的計數位，其值在0～63內循環，用于區分不同發送時刻發送的時間碼。

TM 生成時間碼TM＿TC 并向網絡廣播發送，TM 維持一個本地時鐘，初始時，T0～T5位值為0，以后每隔10 ms時間主控節點TM 生成時間碼并廣播，T0～T5位值依次加1。終端應用節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，進而完成網絡時間同步。

2.1.2 消息接收單元

在TM 接收到SpaceWire 消息數據包時，記錄下SpaceWire數據包包尾的到達時刻Tend，由包頭可獲得數據包源節點信息 （可判斷具體為哪條消息），以及數據包的發送時刻Tgen，進而可以計算對應數據包從源節點到達目的節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生成消息數據包的屬性。ES可生成兩種類型的消息數據包，分為時間觸發消息和事件觸發消息。時間觸發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。事件觸發消息對應于低實時性消息，主要指隨機性消息。

對時間觸發消息，其數據包初始生成時刻Tstart、生成時間間隔Tcircle、數據包大小pkt＿size、目的節點dest＿node等信息確定，設置這些屬性的具體值。

對事件觸發消息，生成時間間隔Tcircle隨機，設置為按照高斯或泊松分布，并設置均值大小；數據包大小pkt＿size、初始生成時刻Tstart、目的節點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據包。SpaceWire數據包由包頭、數據塊、包尾組成，如圖2 所示。包頭用于記錄相應信息，數據塊用于控制整個數據包的大小，包尾表示整個數據包的結束。消息生成單元生成數據包后立刻發送出去。

圖2 數據包結構

包頭應包含以下信息：①pkt＿type，區分數據包類型，時間觸發消息其值設為1，事件觸發消息其值設為0；②pkt＿size，記錄數據包大小，單位為byte；③src＿node和dest＿node，記錄數據包源節點和目的節點。

2.3 帶時間窗口的蟲洞路由器

本仿真系統中，為了保證時間觸發消息在網絡中的傳輸延時，在現有蟲洞路由器的基礎上，設置了數據包緩存機制和調度時間窗口，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

數據包緩存機制用于臨時緩存SpaceWire數據包。為路由器的輸入端口設置了緩存隊列。當SpaceWire數據包的包頭到達路由器后，路由器通過包頭攜帶的目的節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，則將數據包緩存在路由器的緩存隊列中，待該輸出端口為空閑狀態后，路由器才從緩存隊列中取出數據包進行轉發。

2.3.3 時間窗口機制

為了保證時間觸發消息數據包的傳輸時間，在路由器的工作時間軸上設置了調度時間窗口，如圖3所示。圖中實線框為時間觸發消息數據包的時間窗口，用TH 表示，路由器在TH 內只轉發時間觸發消息；虛線框為事件觸發消息數據包的時間窗口，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

時間觸發消息數據包的屬性事先知道，其傳輸路徑也知道，這些路徑上的路由器的相應轉發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消息數據包的生成時刻TTgen，TH 時間窗口的長度按照數據包傳輸的理論時延進行計算，這里做近似處理為TH＝10×size／c，其中size為數據包大小，c為鏈路傳輸速率。

事件觸發SpaceWire數據包的屬性不定，其時間窗口在路由器接收到數據包時設定，EH 的開始時刻ETarr設為路由器接收到事件觸發消息數據包頭的時刻，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消息數據包的調度時間窗口TH，用于在仿真時轉發對應的消息。對于事件觸發消息的路由轉發，則在TH 間的空隙窗寬間隔CH 內轉發。事件觸發消息轉發時應遵循以下幾點：

（1）事件觸發消息時間窗口EH 與時間觸發數據包的時間窗口TH 無重疊，轉發數據包。

（2）事件觸發消息時間窗口EH 與時間觸發數據包的時間窗口TH 有重疊，分3種情況：

1）EH 完全包含于TH 之內；

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

此時應將數據包暫且緩存，待相應端口空閑后進行轉發。

（3）若窗寬間隔CH 不夠多個數據包傳輸，如圖4 所示，數據包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進行轉發，即有＜EH2＋EH3，此時應按照先后順序先將ET2轉發，將ET3緩存，待相應端口空閑后轉發。

（4）事件觸發消息轉發存在競爭時，按照先進先出的原則，先到達先處理。若兩數據包同時到達路由器，優先轉發小的數據包。

2.4 系統工作流程

步驟1 利用點到點、全雙工數據通信鏈路將若干帶時間窗口的蟲洞路由器、時間主控節點和終端應用節點連接形成通信網絡；

步驟2 配置終端應用節點模塊，設置生成消息數據包的類型，對應時間觸發數據包和事件觸發數據包，設置相應的數據包屬性；

步驟3 配置路由器模塊；為步驟2中設置的時間觸發數據包設置相應的時間窗口TH；

步驟4 完成配置后，開始仿真。時間主控節點發送初始時刻時間碼，完成時間同步后，終端節點生成并發送數據包，路由器路由轉發數據包；

步驟5 目的節點接收到數據包后，根據源節點統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，搭建了如圖5所示的通信網絡，設置了3類場景進行仿真分析，網絡消息的目的節點均為TM，鏈路傳輸速率設為100 Mbps。

3.1 事件觸發通信

當網絡中所有消息均為事件觸發消息時，即所有消息均隨機產生并發送，在路由轉發過程中按照自由競爭原則進行，這樣的網絡為事件觸發網絡，事件觸發網絡與標準協議定義的網絡相符。

圖5 SpaceWire通信網絡

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

表1 事件觸發網絡消息屬性

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據包的傳輸端到端延時結果。

圖6 事件觸發網絡仿真結果

可見對于協議制定的傳統事件觸發SpaceWire總線網絡，由于數據包在傳輸過程中存在許多競爭，導致部分數據包的傳輸延時大小不定，消息實時性難以控制。

3.2 時間觸發通信

當網絡中所有消息均為時間觸發消息時，即知道所有消息的生成時刻，稱這樣的網絡為時間觸發網絡。

為了避免時間觸發消息在傳輸過程中出現競爭，影響傳輸延時，應對消息的生成時刻進行調度。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 時間觸發網絡消息屬性

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 時間觸發網絡仿真結果

可見對于時間觸發網絡，由于在仿真前對時間觸發消息的生成發送時刻進行了調度，避開了時間觸發消息的傳輸時間，故在傳輸過程中不存在競爭，其傳輸延時穩定，均為最短傳輸端到端延時，網絡消息傳輸的實時性得到了保證。

3.3 事件時間觸發兼容通信

當網絡中同時包含事件觸發消息和時間觸發消息時，稱網絡為事件時間觸發兼容網絡。

在這類網絡中，部分消息為時間觸發消息，為這類消息規劃生成時刻，并在路由器上按照2.3.3 節所述設置相應的調度時間窗口，用以轉發相應的數據包。對于事件觸發消息，其生成時刻隨機，通過窗寬間隔進行轉發。仿真設置的消息屬性見表3，ES2、ES4為時間觸發消息，其余事件觸發。

表3 事件時間觸發兼容網絡消息屬性

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。可見，對于網絡中時間觸發消息，其傳輸延遲穩定，對事件觸發消息，其傳輸延時不定。這是由于在路由器上為時間觸發消息規劃了相應的時間窗口，保證了其路由轉發過程。事件時間觸發兼容網絡保證了網絡中重要時間觸發消息的傳輸實時性，又保留了事件觸發消息的靈活性，對構建網絡極具參考價值。

圖8 事件時間兼容網絡仿真結果

4 鏈路故障重構

SpaceWire網絡重構可采用路由器內部冗余的方式［10］。本文中考慮到SpaceWire具有組路由的工作特點，在網絡鏈路損壞的情況下，可通過調整路由轉發防止進行重構。

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 網絡故障重構模型

設置ES1、ES2、ES3作為源節點向TM 發送時間觸發消息。設置ES1、ES2的消息通過linka進行轉發，并在linka所在端口規劃相應的時間窗口；ES3的時間觸發消息通過linkb進行轉發。

若網絡運行過程中鏈路linkb發生故障，此時應對網絡進行重構，重構方式為轉換路由方式，讓ES3的時間觸發消息也通過鏈路linka進行轉發。此時由于ES1、ES2的時間觸發消息在端口a具有調度時間窗口，在重構后應將ES3的時間觸發數據包作為事件觸發數據包處理，到達路由器后，按照事件觸發消息轉發條件進行路由轉發。

為圖9所示網絡設置了相應的數據包屬性，見表4。

表4 故障重構網絡消息屬性

進行仿真，假定在仿真進行到1s時鏈路b出現故障，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的消息數據包不存在競爭，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發，而ES3視為事件觸發的數據包，故部分ES3數據包的傳輸延時出現了增加。可見，重構在實現網絡正常工作的基礎上，也保證了多數消息的傳輸實時性。

5 結束語

本文完成了SpaceWire通信網絡的建模，構建了終端應用節點、時間主控節點和帶時間窗口的蟲洞路由器模型，通過對時間觸發消息發送時刻以及蟲洞路由器的工作時間軸的調度規劃，實現了對網絡消息傳輸的仿真控制，解決了SpaceWire網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與時間觸發網絡的特點，可用于SpaceWire網絡仿真或其它相關研究。

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