SpaceFibre星載網絡服務質量實現研究

伊小素，王家興，姜夢茹，董偉濤，劉 輝

(北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院，北京 100191)

0 引 言

隨著航天應用需求的提升，空間網絡中的數據流也越來越復雜，英國鄧迪大學針對這一情況在SpaceWire[1-2]基礎上提出了新一代高速通信總線(SpaceFibre總線)。SpaceFibre[3-6]能夠在電纜和光纖介質上工作，并支持超過2Gbit/s的傳輸速率，同時SpaceFibre以其高速遠距離數據傳輸、高帶寬、低串擾、低衰減等特點完美地滿足了空間任務的需求。隨著空間機器人[7]、合成孔徑雷達(SAR)[8]和其他傳感設備在航天任務中的應用，在短時間內傳輸大量實時數據流的能力變得越來越重要。空間任務的復雜性意味著每種不同類型的數據通信對不同的服務需求有不同的要求，因此SpaceFibre采用了虛擬通道(Virtual channel,VC)機制，將復雜的流量劃分為不同的數據隊列，每一類數據隊列單獨占用一路VC發送數據。

然而，多個虛擬通道的應用增加了在多個VC同時發送數據的情況下各VC對鏈路資源的競爭。為了解決數據流過載造成的網絡沖突問題，SpaceFibre協議提出了服務質量(Quality of service,QoS)機制來管理這些復雜的數據流。作為一種網絡安全機制，QoS技術已經在許多網絡中得到了應用，特別是在廣域網和無線網絡中，在提高網絡性能方面發揮了重要作用[9]。然而，與其他網絡相比，星載網絡的規模較小，但傳輸的數據量更多，對實時性和可靠性要求更高[10]。簡單地使用其他網絡所使用的QoS機制和算法是不合適的。另外，雖然在SpaceFibre協議中提出了三種QoS機制，包括優先權、帶寬預留和時間槽調度機制，但很少有文獻詳細介紹這些機制的實現方式或算法。

本文提出一種基于二進制序列調度機制實現SpaceFibre中QoS功能的新算法。該算法根據空間網絡中各類數據流量的特征生成對應的二進制調度序列來管理數據流的傳輸，針對不同的空間任務，調整調度矩陣中的數值，占用較少的存儲器和計數器，不僅節省了硬件資源，而且保證了數據傳輸的穩定性，為SpaceFibre總線QoS機制的實現提供了一種的新的方法。

1 SpaceFibre中的QoS機制分析

在SpaceFibre網絡中，所有的數據包都是通過虛擬通道(VC)傳輸的。VC的數量是由SpaceFibre數據鏈路上的負載決定的，最大值為32。每個VC都被分配一個從0到31的唯一號碼，并且VC 0被用來配置每個網絡節點的參數。所有VC通過三種QoS機制來競爭鏈路資源，保證數據傳輸的穩定性。

優先權機制是SpaceFibre中最基本的一種QoS機制，每個VC被分配一個優先權值，通常情況下，具有最高優先權的VC在準備就緒時被允許發送下一個數據幀。SpaceFibre中有16個優先權級別，可以將多個VC設置為相同的優先權，在這種情況下，VC將通過待發送時刻的優先級來競爭介質訪問權。

系統在初始化過程中會根據每一路VC所承載數據的流量大小為其分配到對應的預留帶寬，如果僅僅采用優先權機制，那么即使在分配給特定通道的帶寬量被指定后，其他高優先權VC依然可以占用其帶寬。因此需要采用一種帶寬保護機制，當某一路VC連續發送數據時，該VC的優先級會不斷減少，如果其優先級下降到最小限制值后，即使它擁有最高的優先權也會停止數據發送，如果該VC在之后一段時間沒有占用鏈路帶寬，那么它將累積優先級，從而保證該通道上承載的數據流量有效發送，這種保護機制稱為帶寬預留機制。帶寬預留機制的提出是為了防止某一路VC在擁有高優先權的同時發送大量的數據而影響到其他VC的數據發送。優先權和優先級的關系[11]如圖1所示。從圖1可以看出，在優先權下降到最小限制值前，擁有較高優先權VC的優先級永遠比低優先權VC的優先級高，而同一優先權的VC在不同時刻也會根據流量發送情況擁有不同的優先級。

圖1 SpaceFibre協議中優先權和優先級的關系圖Fig.1 Relationship between priority and precedence in SpaceFibre protocol

為了提供完全確定的數據傳遞，SpaceFibre制定了時間槽調度機制，以確保來自特定VC的數據可以在特定時間發送。這可以通過將時間周期切成一系列時間槽來完成，在某一個時間槽內，允許特定的VC發送數據。在文獻[11]中，調度機制可以用Parkes等提供的調度表來描述，如圖2所示。圖2中給出了7個虛擬通道被隨機分配在8個時間槽中的例子，其中，灰色填充表示該VC允許在指定的時間槽內發送數據，而空白填充則表示該VC禁止在該時間槽內發送數據，一個VC可以根據信息傳輸的需求被分配一個或者多個時間槽。當然，在不考慮優先權和帶寬預留機制下，每一個時間槽最多只能被一個VC指定，從而保證在一個時間槽內只能發送一個VC的數據，避免數據沖突。

圖2 時間槽調度表Fig.2 Time slot scheduling table

為了提供有保證和高質量的數據傳輸，這三種不同的QoS機制通常需要組合在一起工作才能發揮最佳的作用。圖3是Parkes在SpaceWire會議上列出的三種QoS機制混合使用的例子。可以看出，對于VC1和VC2而言，僅僅使用時間槽調度機制就可以完成調度，而VC3到VC7則需要結合優先權和帶寬預留機制才能完成調度。

圖3 SpaceFibre QoS機制混用實例表Fig.3 SpaceFibre QoS mechanism mixed instance table

圖4是SpaceFibre QoS機制的一種經典應用情況，頂層應用可以將調度表完全填滿，僅僅依賴于優先權和帶寬預留機制完成調度，此時，所有VC在任意時間槽下都可以競爭鏈路資源。

圖4 經典調度機制Fig.4 Typical scheduling mechanism

從對上述QoS機制的分析中可以看出，優先級是作為待調度VC是否被允許發送數據的公共度量，如圖5所示，不同虛擬通道的數據包進入自己的緩沖區等待仲裁，介質訪問控制器(Medium access control,MAC)通過比較來自不同VC的優先級，具有最高優先級的VC將被允許發送下一幀數據。

圖5 調度原理圖Fig.5 Scheduling schematic diagram

2 QoS機制實現的算法設計

2.1 二進制序列調度機制的提出

SpaceFibre協議提供的三種QoS機制，為如何處理復雜的數據流提供了方向。然而，對于如何在復雜的空間網絡中實現QoS機制的研究還很少。不同的空間任務或數據流量對QoS的要求是不同的。例如，應該以較小的帶寬量為控制指令等數據傳輸分配最高的優先權，而視頻流量就應該在普通優先權下為其分配更大的帶寬。因此需要通過采取有效的方法來平衡QoS配置，使之更適合于復雜的數據流傳輸。

如果我們用數字1來代替圖3中的灰色填充方框，用0來表示白色填充方框，就可以得到圖6中的二進制調度表。表中使用數字0和1來表示當前VC是否被允許發送數據包。這樣就可以通過一種算法生成一系列的二進制序列來實現對復雜數據流的管理。

圖6 SpaceFibre總線網絡二進制調度表Fig.6 SpaceFibre bus network binary scheduling table

為了方便討論，假設系統在一個周期內劃分的時間槽數量為L，虛擬通道的數量為K。則第i個二進制序列可以由一個行向量指定：

Si= (Si(0),Si(1),…,Si(L-1)),

Si(0),…,Si(L-1)∈{0,1}

因此可以通過以下二進制序列來代替圖6中的二進制調度表：

S1=(10000000)
S2=(01001000)
S3=(00110111)
S4=(00110111)
S5=(00110111)
S6=(00110111)
S7=(00110111)

事實上，二進制序列不僅可以用來確定調度序列，還可以用來分配帶寬。假設在每個時間槽中傳輸的最大帶寬是Bunit，可以得到每個VC在一個時間周期內分配到的帶寬Bi為

(1)

那么需要分配給每個VC的帶寬比為Ri為

(2)

其中Btotal是指鏈路在一個時間周期內的總帶寬。

在一個特定的星載網絡中，網絡中的節點和接入設備是確定性的，因此可以預先確定每個節點和設備的帶寬需求。假設每個虛擬通道的帶寬需求與系統的總鏈路帶寬的比率為占空比F，并且滿足Fi≤Ri。例如，一個用于空間網絡中的高分辨攝像機，大約需要600 Mbps的吞吐量，SpaceFibre的鏈路傳輸速率可以預先確定，假設速率為2 GBit/s，則SpaceFibre的鏈路總帶寬為2 Gbps。因此該相機的占空比為Fcam=600 M/2000 M=3/10。假設網絡中的各個流量的占空比是Fj，滿足Fj=Pj/Qj(j=1,2,…,K)，且Pj/Qj是流量占空比的最簡分式表達式，如果使用Dcmp來表示最小公倍數，指定一個調度周期中時間槽的數量L為

L=Dcmp{Q1,Q2,…,QK}

(3)

為了方便計算，指定Fj=Rj，可以得到第j路VC在一個時間周期中的有效時間槽數量計算式：

(4)

另外由于控制流量具有易突發、高優先權的特點，為了避免控制指令的傳輸延遲和丟失，讓Scom=(1,1,…,1)，這樣控制流量在一個周期內所占用的時間槽個數是L。在網絡中，控制指令是隨機產生的，假設它的生成概率為p。由于分配給控制指令的VC允許在所有時間槽傳輸，并且假設它比其他VC具有更高的優先級，因此在傳輸發生沖突時，其他虛擬通道的帶寬將被占用。針對這種情況，需要對其他VC的帶寬進行補償。

為了方便討論，引入漢明互相關函數[12-13]，漢明互相關函數的表達式為

(5)

以一個由四個二進制序列組成的集合為例。其優先權依次遞減，且占空比(不包括控制流量)分別為1/8，1/4和1/4。

S1=(11111111)
S2=(10000000)
S3=(01010000)
S4=(00110000)

則可以得到：

H(t;{1,2})=1,H(t;{1,3})=2,H(t;{1,4})=2，由文獻[12-13]可知，這些值分別表示VC2，VC3和VC4可能和控制流量發生碰撞的有效時間槽的數量。

在某種程度上，控制流量在每個時間槽中發送的概率是相等的。因此，其他各個VC可能與控制指令VC發生沖突的時間槽數量的期望是Ecol=Hp。則由于碰撞而需補償的時間槽個數為Hp，因此可以通過調整二進制序列來補償由于與控制流量的沖突而減小的帶寬，則將式(4)調整為

(6)

在空間網絡中，p的值相對于其他數據流量來說非常小，因此Hp滿足0

(7)

因此示例中的四個二進制序列在帶寬補償機制下可以調整為：

在一個時間槽內，SpaceFibre只允許一個虛擬通道傳輸數據，那么當T4時間槽到來時，由于VC3的優先權高于VC4，因此VC4上承載的數據流量極易發生堵塞，這也是SpaceFibre中帶寬預留機制想要避免的。因此可以對低優先權VC采用實時帶寬補償的方法，即在與高優先權VC沖突的時間槽之后增加一個有效時間槽的方式來保證數據實時發送。最終可以得到如下的二進制序列：

此時，每個VC都可以獲得等價于自身承載數據量大小的有效時間槽，因此本文考慮制定一種二進制序列調度機制，通過生成一個完全確定的二進制調度序列配合每個序列的優先級來實現SpaceFibre中QoS機制的功能，當然這里的優先級僅僅是作為待調度VC是否被允許發送數據的公共度量值，它不會隨著時間變化，且每一個序列的優先級是確定的、唯一的。

2.2 二進制序列調度算法設計

一個SpaceFibre網絡通常由大量的控制流量、視頻流量和傳感流量等組成。為了保證SpaceFibre空間信息交互網絡的性能，通常需要考慮以下技術參數：

1) 確保控制指令的傳輸時延；

2) 滿足大容量數據流的及時傳輸，避免數據丟失和堵塞；

3) 避免多個VC同時發送數據，造成信道沖突；

4) 最大限度地減少指定的時間槽內無數據發送的現象，以及最大限度地利用鏈路帶寬資源；

5) 盡可能滿足符合實際帶寬要求的鏈路帶寬分配原則。

從第2.1節可以看出，二進制序列調度機制可以滿足各個VC的帶寬要求，此外，對于星載網絡而言，延時性能也是需要考慮的一個關鍵因素。對于連續數據流而言，要想使生成的二進制調度序列達到最佳的延時性能，應當在保證每個時間槽不被浪費的情況下使相鄰兩個時間槽間距盡可能短。根據上述討論，二進制序列調度算法的實現可以歸納為如圖7所示。

使用二進制序列調度機制有兩個主要優點。一個是在不修改底層通信協議的情況下，僅僅通過改變調度表中的值來調整流量調度，節約了硬件資源。另一個是這種機制可以保證數據傳輸的穩定性，在數據流連續的情況下，當MAC采用二進制序列調度機制時，除了控制流量帶來的不確定性外，所有VC可以發送數據的有效時間槽都是完全確定的，因此不會發生數據傳輸沖突的情況。

可以說，具有QoS功能的二進制序列調度機制可以解決復雜數據流量的調度與不同數據流量帶寬需求之間的權衡問題。

圖7 二進制序列調度算法Fig.7 Binary sequence scheduling algorithm

3 延時分析與仿真

3.1 排隊時延分析

對于星載網絡來說，實時性能是決定航天任務能否成功執行的關鍵因素。當采用二進制序列來調度多個VC的數據傳輸時，對于處在有效時間槽之外的VC必然會產生一個附加的排隊延遲[14-15]，即兩次有效時間槽發送間隔的等待時間。

根據二進制序列調度算法的設計思想，允許發送數據的兩個相鄰時間槽的時間間隔用占空比的倒數1/F來衡量。在不考慮有效時間槽被控制流量和高優先級流量占用的情況下，由有效時間槽間隔造成的排隊延時d為

(8)

式中：v表示鏈路的速率，vf表示流量生成的速率，L表示時間槽數量，T表示一個調度輪詢周期的時間(T作為系統級參數，決定了單個時間槽的大小)。根據式(8)，排隊延遲與單個時間槽大小T/L和流量生成速率有關。

當然，在極端情況下，最大傳輸延遲發生在當數據流在有效時間槽的右邊界到達，下一個給定的時間槽又被優先級較高的控制流量占用，如圖8所示。此時最大排隊延時為

(9)

圖8 最大排隊延遲Fig.8 Maximum queuing delay

其中，由于控制流量的特殊性，控制指令在下達后會立即占用即將到來的下一個時間槽發送數據，因此控制流量的最大排隊延遲發生在當控制指令在某一個時間槽的左邊界到達時，當前時間槽恰好被其他流量占用，此時控制流量只能等待下一個時間槽到來發送，如圖9所示，即控制流量由于等待有效時間槽而產生的最大延時為dcom=T/L，可以看出控制流量的最大排隊延時等于一個時間槽的時間。當然在實際傳輸過程中，控制流量的平均排隊延時肯定要小于這個值。

圖9 控制指令最大排隊延時Fig.9 Maximum queuing delay of control instruction

3.2 實例仿真

假設存在一個SpaceFibre星載網絡，如圖10所示，指定VC1發送控制流量，VC2發送視頻流量，VC3發送雷達流量，VC4發送地面流量，VC5發送傳感流量，VC6發送衛星流量，并且網絡流量的特征見表1。

圖10 SpaceFibre網絡流量示意圖Fig.10 SpaceFibre network traffic schematic diagram

流量類型生成速率占空比優先級控制流量隨機1/L1級視頻流量600 Mbit/s3/102級雷達流量480 Mbit/s6/253級地面流量400 Mbit/s1/54級傳感流量15 Mbit/s3/4005級衛星流量120 Mbit/s3/506級

由式(3)可知，如果完全按照上述流量的占空比來計算時間槽個數的話，那么得到的時間槽數量將達到400，過多的時間槽數量無疑會影響系統調度效率，同時也不便于處理。因此，在不影響數據有效傳輸的前提下，可以考慮將部分流量的占空比作近似放大處理。在上面給出的實例中，如果將傳感流量的占空比由3/400調整為1/50，那么重新計算得到的時間槽數量L就等于50，這是一個比較合適的數值。

確定完所有流量的占空比后，根據二進制序列調度算法可以得到以下調度序列(以16進制表示)。

為了校驗上述二進制序列的延時性能，使用網絡分析軟件OPNET[16]對調度機制進行了仿真。仿真模塊包括四個部分：信息源、buffer緩沖區、介質訪問控制器(MAC)和發射器。表1中列出的六種類型的數據流是由六個獨立的連續信息源生成，不同的數據包存儲在各自的緩沖器中，接受MAC的調度，最終由發射機發送到網絡鏈路。作為對比，MAC采用兩種不同的調度機制，二進制序列調度機制和圖4中所示的完全依賴于優先權和帶寬預留機制的經典調度機制(VC1到VC6的優先權遞減)。利用OPNET軟件中的仿真器計算了兩種機制在不同參數T下的的平均端到端傳輸延遲。仿真結果如圖11所示，圖11中列出了在兩種機制下優先級最高的控制流量、流量較多的視頻流量以及流量較少的衛星流量來說明，其中帶*標識的表示采用的二進制序列調度機制。

仿真結果可以看出，兩種調度機制下的相同之處在于所有信息流的延時都會隨著調度周期的增大而增大，當T大于100 μs時，平均端到端延時幾乎隨著T呈線性增加，而當T小于100 μs時，尤其是當T在50 μs內時，延時曲線的斜率隨著T增大在逐漸變大，這表明，當T較小時，系統的附加延時較大。主要原因是SpaceFibre標準指定所有數據包都封裝在一種稱為數據幀的固定格式中，一個數據幀的最大長度為64字(或256字節)，SpaceFibre采用一個數據幀的長度作為在時間槽中發送數據的最小單元。當T較小時，對應的每個時間槽可以發送的最大數據量就會變小，因此外部數據包就需要執行更多的拆包與封幀操作，從而增加了平均延時。

從兩種調度機制延時性能的角度來分析，可以看出，對于對延時要求比較高的控制指令，兩種調度機制下的延時曲線幾乎重疊，且都維持在一個非常低的數量值。而在視頻流量和衛星流量方面，情況就有所不同，從前面的分析可以看出，當采用二進制序列調度時，系統延時與流量生成速率密切相關，在仿真中也體現出了這一點，視頻流量的平均端到端延時要遠高于衛星流量。而采用完全依賴于優先權與帶寬預留機制的調度機制時，由于視頻流量的優先權更高，MAC總是優先為視頻流量分配鏈路資源，因此它的傳輸延時非常小，而衛星流量的優先權較低，只能通過帶寬預留機制獲得搶占鏈路資源的機會，因此延時相比于二進制序列調度機制來說要大的多。

兩種調度機制無法直接評價孰優孰劣。當采用完全依賴于優先權和帶寬預留機制的經典調度機制時，可以省去人為分配時間槽的過程，且對于優先權較高流量的延時可以得到保障，當然這會極大增加低優先權流量的通信延時，從而增加系統緩存負擔。當采用二進制序列調度機制時，由于這種機制的調度過程更加確定，因此各個流量的延時更加可控，且不同優先級流量的延時更加均衡。

圖11 兩種調度機制下的平均端到端延時Fig.11 Average end to end delay under two scheduling mechanisms

4 結 論

本文提出了一種在SpaceFibre協議框架上實現QoS功能的新方法。該方法利用二進制序列來實現各種數據流量的調度。二進制序列調度機制規定了時間槽的使用，以及各種流量的優先級和帶寬要求，可有效的利用SpaceFibre星載網絡資源，并保證各個信息流對傳輸時延的要求，從而很好地解決了SpaceFibre網絡中的VC傳輸沖突和關鍵數據包的及時傳輸問題。

本文的研究成果為利用QoS機制提高星載網絡的性能提供了一個新的思路。另外，本研究的工作是在提前已知每個流量的性能要求的情況下，設置網絡參數。因此，在網絡流量特性不確定或者各個數據流量的占空比是動態的情況下，需要進行進一步的研究，以提高二進制序列調度算法的普適性。