空間站系統(tǒng)航天器間1553B總線網(wǎng)絡(luò)的路由機(jī)制研究

陸嵐 劉欣 余晟 周波 朱劍冰

(北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)

航天器間通過無線或有線鏈路進(jìn)行組網(wǎng)，構(gòu)建空間網(wǎng)絡(luò)已成為當(dāng)前空間信息技術(shù)發(fā)展的重要趨勢。為了在空間網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)更高效和穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸，網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)也已成為研究的關(guān)鍵。我國空間站系統(tǒng)中，多個航天器通過交會對接構(gòu)建大型航天器組合體后，也需利用航天器間1553B總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交換。

基于1553B總線[1-2]的星內(nèi)路由技術(shù)目前已有一定應(yīng)用[3-4]；星間網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究一方面主要集中在導(dǎo)航衛(wèi)星[5]和微小衛(wèi)星[6]領(lǐng)域，重點(diǎn)關(guān)注無線星間鏈路以及相關(guān)的路由算法[7]，不適用于拓?fù)湎鄬Ψ€(wěn)定的有線空間網(wǎng)絡(luò)；另一方面提出了天地一體化網(wǎng)絡(luò)概念[8]，將空間信息網(wǎng)[9-10]與地面通信網(wǎng)融合[11-13]，但也有協(xié)議開銷大、網(wǎng)絡(luò)安全等問題。這些技術(shù)成果都不能滿足空間站系統(tǒng)航天器間信息交互需求。

在這種背景下，本文提出了一種適用于航天器間1553B總線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包路由實現(xiàn)機(jī)制。該機(jī)制簡化了傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議，直接面對應(yīng)用層的數(shù)據(jù)包進(jìn)行集中式靜態(tài)路由，大大提高了處理器資源和總線資源的使用效率。應(yīng)用驗證表明該機(jī)制的傳輸效率和傳輸時延均能夠滿足空間站各類平臺關(guān)鍵數(shù)據(jù)的交互需求。

1 航天器間1553B總線網(wǎng)絡(luò)描述

圖1為空間站系統(tǒng)若干航天器間通過1553B總線網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)拓?fù)涫疽鈭D。圖1中實線表示1553B總線物理連接關(guān)系，虛線表示虛擬的信息交互關(guān)系。各航天器均設(shè)置若干條平臺1553B總線，用于傳輸各分系統(tǒng)遙測、遙控、以及其他重要數(shù)據(jù)。這些平臺1553B總線的總線控制器BC作為路由節(jié)點(diǎn)。各航天器的路由節(jié)點(diǎn)之間也通過1553B總線互連。通過這些1553B總線物理連接關(guān)系將所有航天器上接入1553B總線的設(shè)備構(gòu)成一個統(tǒng)一的總線網(wǎng)絡(luò)，通過若干路由節(jié)點(diǎn)的協(xié)同工作，可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上任意兩個設(shè)備間的數(shù)據(jù)交互。

圖1 航天器間1553B總線網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)拓?fù)銯ig.1 1553B bus network interconnection topology among spacecraft

在總線網(wǎng)絡(luò)上，以某一個需要在航天器間進(jìn)行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包PKi為例，其傳輸數(shù)據(jù)流見圖2。該數(shù)據(jù)包的來源設(shè)備記為源節(jié)點(diǎn)，傳輸終點(diǎn)記為目的節(jié)點(diǎn)。假定源節(jié)點(diǎn)是路由節(jié)點(diǎn)1主控的某條1553B總線BUS1上的遠(yuǎn)程終端(remote terminal，RT)，地址為RT1，子地址(sub address，SA)為SA1；目的節(jié)點(diǎn)是路由節(jié)點(diǎn)3主控的某條1553B總線BUS6上的遠(yuǎn)程終端，地址為RT6，子地址為SA6。僅以單一數(shù)據(jù)包PKi為例，該數(shù)據(jù)包傳輸途中經(jīng)過三個路由節(jié)點(diǎn)的三次路由描述如下：①路由節(jié)點(diǎn)1將PKi從總線BUS1，地址RT1，子地址SA1采集，再發(fā)送到總線BUS2，地址RT2，子地址SA2；②路由節(jié)點(diǎn)2將PKi從總線BUS3，地址RT3，子地址SA3采集，再發(fā)送到總線BUS4，地址RT4，子地址SA4；③路由節(jié)點(diǎn)3將PKi從總線BUS5，地址RT5，子地址SA5采集，再發(fā)送到總線BUS6，地址RT6，子地址SA6。

圖2 航天器間數(shù)據(jù)包路由Fig.2 Data packets routing among spacecraft

2 數(shù)據(jù)包路由機(jī)制

2.1 應(yīng)用層協(xié)議

空間站信息系統(tǒng)的應(yīng)用層采用了高級在軌系統(tǒng)(AOS)的包裝業(yè)務(wù)。所有接入1553B總線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備在進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送時，需利用包裝業(yè)務(wù)對各個應(yīng)用過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)按一定格式形成包裝規(guī)約數(shù)據(jù)單元，簡稱數(shù)據(jù)包。

數(shù)據(jù)包格式中包含重要的邏輯地址信息見表1。主導(dǎo)頭16 bit中包含11 bit的包應(yīng)用標(biāo)識(APID)信息，與副導(dǎo)頭16 bit一起作為邏輯地址。原則是以盡量少的bit定義系統(tǒng)中數(shù)據(jù)包的邏輯信息，降低路由開銷。邏輯地址不同字段分別定義為：目的端航天器標(biāo)識(3 bit)、目的端分系統(tǒng)標(biāo)識(4 bit)、目的端設(shè)備標(biāo)識(8 bit)、數(shù)據(jù)類型標(biāo)識(4 bit)和源分系統(tǒng)標(biāo)識(4 bit)。尋址范圍包括空間站組合體狀態(tài)下8個航天器、每個航天器16個分系統(tǒng)、每個分系統(tǒng)256臺設(shè)備、每臺設(shè)備接收16種數(shù)據(jù)類型、每種數(shù)據(jù)類型16種來源。根據(jù)現(xiàn)有空間站信息傳輸需求，以此方式定義的邏輯地址具備唯一性，可支持空間站系統(tǒng)全網(wǎng)范圍內(nèi)尋址。所有接入空間站總線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，只需遵循同樣格式和字段定義，即可完成數(shù)據(jù)收發(fā)。

表1 數(shù)據(jù)包邏輯地址

2.2 采集配置

1553B網(wǎng)絡(luò)需要由總線控制器(BC)發(fā)起消息的采集。系統(tǒng)中的路由節(jié)點(diǎn)都需按照給定周期發(fā)出所有總線上的采集消息，因此每個路由節(jié)點(diǎn)配置了一張靜態(tài)的采集表，其中每個表項對應(yīng)一個1553B上需要采集的物理地址，主要信息包含采集總線編號、地址、子地址、消息長度、采集周期等。路由節(jié)點(diǎn)定期遍歷采集表，按照每個表項信息，發(fā)出對應(yīng)的若干個總線消息，并完成所有總線消息的后續(xù)處理。

2.3 路由配置

有線1553B網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎鄬Ψ€(wěn)定，數(shù)據(jù)流也具有周期性特點(diǎn)，因此采用了靜態(tài)路由方式，即預(yù)先分配路由路徑地址。路由的過程即靜態(tài)尋址過程，也就是邏輯地址到物理地址的轉(zhuǎn)化。數(shù)據(jù)包物理地址定義見圖3，分為路由節(jié)點(diǎn)內(nèi)部處理數(shù)據(jù)包和外部發(fā)送數(shù)據(jù)包：內(nèi)部包物理地址描述為內(nèi)部處理進(jìn)程的編號；外部包物理地址包含目的總線編號、地址、子地址，共計24 bit。

圖3 數(shù)據(jù)包物理地址Fig.3 Physical address of data packet

該尋址方式要求數(shù)據(jù)包傳輸時，通過查找路由表，完成路由路徑選擇。因此，需要路由節(jié)點(diǎn)啟動時，完成一張靜態(tài)路由表的配置工作，將系統(tǒng)中各設(shè)備的邏輯地址與下一跳的物理地址進(jìn)行一一對應(yīng)。路由表存儲于各路由節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部存儲器中，采用哈希表結(jié)構(gòu)。通過哈希算法進(jìn)行查找可提高查找速度。數(shù)據(jù)包到達(dá)路由節(jié)點(diǎn)時，路由節(jié)點(diǎn)按照數(shù)據(jù)包的邏輯地址查找路由表，若找到對應(yīng)項，則將該數(shù)據(jù)包從對應(yīng)項中所指示的下一跳物理地址轉(zhuǎn)發(fā)出去。

2.4 路由過程控制

每個路由節(jié)點(diǎn)的路由過程控制見圖4。由軟件實現(xiàn)整個路由控制，主要包含輸入控制和輸出控制兩個模塊，其軟件流程參見圖5。

輸入控制模塊負(fù)責(zé)1553B總線上的數(shù)據(jù)采集。該模塊以固定周期啟動工作，啟動后即遍歷采集表，根據(jù)每一個采集表項生成若干個總線消息并發(fā)送，之后等待總線消息返回。待所有總線消息返回后，該模塊完成所有消息處理，將需要進(jìn)行路由的數(shù)據(jù)包依次拷貝到一個公共的數(shù)據(jù)包緩沖區(qū)。以圖4中的某個采集表項為例，其對應(yīng)了某數(shù)據(jù)源給出的位于總線“BUS1，RT1，SA1”的n個數(shù)據(jù)包序列，記為PK1～PKn。輸入控制模塊按照這個采集表項發(fā)出了m個總線消息，在消息返回后將PK1～PKn全部數(shù)據(jù)內(nèi)容(包含導(dǎo)頭)從1553B總線存儲區(qū)拷貝到了公共數(shù)據(jù)包緩沖區(qū)。

圖4 數(shù)據(jù)包路由過程控制Fig.4 Data packets routing process control

圖5 軟件處理流程圖Fig.5 Software process flowchart

輸出控制模塊也以固定周期啟動，啟動后遍歷數(shù)據(jù)包緩沖區(qū)。針對所有數(shù)據(jù)包，根據(jù)數(shù)據(jù)包的主導(dǎo)頭APID和副導(dǎo)頭信息計算出32 bit邏輯地址，并查找路由表信息得到對應(yīng)表項。先對數(shù)據(jù)包屬性進(jìn)行判斷：如為內(nèi)部數(shù)據(jù)包，即路由節(jié)點(diǎn)自身為目的節(jié)點(diǎn)，則將該數(shù)據(jù)包發(fā)到相應(yīng)內(nèi)部進(jìn)程處理；如為外部數(shù)據(jù)包，則先從數(shù)據(jù)包緩沖區(qū)中拷貝到一個臨時緩沖區(qū)，再按照路由表描述的下一跳物理地址生成相應(yīng)的總線消息隊列，最后依次發(fā)送這些總線消息。以圖4中的數(shù)據(jù)包序列PK1～PKn為例，輸出控制模塊遍歷到PK1時，根據(jù)PK1的主導(dǎo)頭APID和副導(dǎo)頭信息計算出32 bit邏輯地址，再查找路由表得到物理地址“BUS2，RT2，SA2”，最后將PK1按照該地址發(fā)送出去；依次處理PK2～PKn，將PK2發(fā)送到“BUS3，RT3，SA3”，最后將PKn發(fā)送到“BUS4，RT4，SA4”。

2.5 組播路由

上述路由機(jī)制除了前面描述的一對一路由，還可實現(xiàn)組播路由。即一個數(shù)據(jù)包發(fā)送到多個目的節(jié)點(diǎn)。這種需求在航天器上多臺設(shè)備協(xié)同工作時非常普遍。傳統(tǒng)的處理方法是數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)直接發(fā)送多份相同數(shù)據(jù)包到多個目的節(jié)點(diǎn)。這種方法顯而易見增加了鏈路開銷以及鏈路上所有路由節(jié)點(diǎn)的資源開銷，在系統(tǒng)資源有限的空間信息系統(tǒng)內(nèi)不是最優(yōu)選擇。

本文提出的路由機(jī)制采用了附加路由表解決組播路由問題，也就是在前文描述的主路由表之外增加一張附加路由表。附加路由表也由哈希表實現(xiàn)，同一數(shù)據(jù)包可通過附加路由表映射到多個物理地址，這些地址可通過哈希沖突鏈表進(jìn)行查找。如圖6所示，PK1可通過附加路由表找到3個物理地址“BUS1，RT1，SA1”、“BUS2，RT2，SA2”和“BUS3，RT3，SA3”。那么PK1從數(shù)據(jù)包緩沖區(qū)拷貝3份，每份分別對應(yīng)不同的物理地址形成總線消息并發(fā)送出去。

圖6 附加路由表示意圖Fig.6 Illustration of extra route table

附加路由表和主路由表一樣，在路由節(jié)點(diǎn)啟動時完成配置。一對多的拷貝只需在傳輸路徑分叉的路由節(jié)點(diǎn)上完成，這種方式可最大程度上節(jié)約系統(tǒng)資源，提高傳輸效率。組播路由方式?jīng)]有應(yīng)用限制，空間站系統(tǒng)全網(wǎng)范圍的所有數(shù)據(jù)包均可采用組播路由方式進(jìn)行一對多路由。

3 應(yīng)用驗證

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設(shè)計概述

本文提出的數(shù)據(jù)包路由機(jī)制已應(yīng)用于空間站組合體的信息系統(tǒng)。該組合體由3個可獨(dú)立運(yùn)行的航天器組成。信息系統(tǒng)包含3個互聯(lián)的主干1553B網(wǎng)絡(luò)。每個主干1553B網(wǎng)絡(luò)包含6條1553B總線、一個路由節(jié)點(diǎn)和數(shù)十臺接入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備。

3個路由節(jié)點(diǎn)均采用了主頻100M的3803CPU，以軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)包路由機(jī)制，包括所有數(shù)據(jù)包采集和路由發(fā)送。某路由節(jié)點(diǎn)內(nèi)維護(hù)的采集表和路由表部分內(nèi)容如表2和表3所示。該路由節(jié)點(diǎn)按照采集表中每一項發(fā)出總線上的采集消息，在采集到數(shù)據(jù)包后查找路由表獲得數(shù)據(jù)包下一跳的物理地址。例如每500 ms為周期，對總線2上RT地址為26的設(shè)備A，采集到其子地址17上的62 byte數(shù)據(jù)包。再根據(jù)數(shù)據(jù)包主導(dǎo)頭APID為和副導(dǎo)頭信息匹配到路由表第一項，則將數(shù)據(jù)包發(fā)送至總線2上RT地址1的子地址20。當(dāng)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)路由需求有變化時，可通過數(shù)據(jù)注入對采集表和路由表的相應(yīng)表項進(jìn)行修改。如某設(shè)備故障可迅速將該設(shè)備輸入輸出的數(shù)據(jù)包切換至本艙段備份的設(shè)備、甚至其他艙段的同類設(shè)備。

表2 某路由節(jié)點(diǎn)的采集表

表3 某路由節(jié)點(diǎn)的路由表

3.2 測試比對和評估

測試系統(tǒng)包含航天器上3個路由節(jié)點(diǎn)的真實軟硬件和地面軟件。通過地面軟件仿真3個主干1553B網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)，模擬總線上各數(shù)據(jù)包的周期性發(fā)送，數(shù)據(jù)量與真實在軌應(yīng)用需求一致。

航天器實際在軌應(yīng)用中某路由節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包交互需求共50項，數(shù)據(jù)包長度12～892 byte。其中42個數(shù)據(jù)包為周期性傳輸，8個數(shù)據(jù)包為突發(fā)性傳輸。周期性數(shù)據(jù)包中含6個一對三組播數(shù)據(jù)包。

實測單一主干1553B網(wǎng)絡(luò)上的傳輸量為平均每500 ms有42個數(shù)據(jù)包，共8107 byte。每個數(shù)據(jù)包按照協(xié)議增加的報頭和報尾共10 byte，因此網(wǎng)絡(luò)上實際用戶有效數(shù)據(jù)傳輸量為7687 byte，有效數(shù)據(jù)傳輸效率達(dá)到94%；如果采用地面廣泛使用的UDP/IP協(xié)議進(jìn)行路由，網(wǎng)絡(luò)中協(xié)議開銷包括各層傳輸協(xié)議所增加的報頭和報尾，共32 byte。欲達(dá)到同樣有效數(shù)據(jù)傳輸量，網(wǎng)絡(luò)上的傳輸量需達(dá)9031 byte，有效數(shù)據(jù)傳輸效率僅為85%?？梢娽槍υ谲墝嶋H應(yīng)用中數(shù)據(jù)包長度變化大，特別是短數(shù)據(jù)包較多的數(shù)據(jù)傳輸需求，采用該路由機(jī)制能夠降低協(xié)議開銷，提高有效數(shù)據(jù)傳輸效率。

實際在軌應(yīng)用中周期性數(shù)據(jù)的傳輸周期要求為最小500 ms，無實時性要求；對于突發(fā)性數(shù)據(jù)包有實時性要求，最小為200 ms。通過實測發(fā)現(xiàn)單一主干1553B網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的周期性數(shù)據(jù)包路由時間延遲平均為101 ms，在總線消息發(fā)送設(shè)置優(yōu)先級調(diào)度后，高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包最小路由延遲可達(dá)20 ms。兩類數(shù)據(jù)的傳輸時延均能滿足使用要求并有充分余量。

針對組播路由方式進(jìn)行評估：每500 ms周期傳輸6個一對三組播數(shù)據(jù)包，共228 byte，實測占用總線帶寬14 kbit/s。若采用一對一路由方式，總線帶寬為21 kbit/s。可見采用一對三組播方式在實際應(yīng)用中可節(jié)約總線帶寬30%。測試中發(fā)現(xiàn)，組播路由方式的數(shù)據(jù)傳輸效率和傳輸時延與一對一路由基本一致。

綜上，實驗驗證表明該數(shù)據(jù)包路由機(jī)制的數(shù)據(jù)傳輸效率高、數(shù)據(jù)傳輸時延小，并能對長期在軌航天器的故障維修和系統(tǒng)重構(gòu)提供有力支持。

4 結(jié)束語

本文給出的數(shù)據(jù)包路由機(jī)制已在空間站系統(tǒng)中得到實施，并取得了良好效果。目前空間站三艙路由節(jié)點(diǎn)均應(yīng)用了該機(jī)制，實現(xiàn)了單艙內(nèi)部和兩艙、三艙之間的穩(wěn)定可靠數(shù)據(jù)傳輸。

后續(xù)與空間站對接的各類飛船和來訪航天器均可使用該路由機(jī)制，與空間站三艙進(jìn)行數(shù)據(jù)包交互。前提是其數(shù)據(jù)源設(shè)備遵循文中所描述的數(shù)據(jù)包格式和字段定義生成數(shù)據(jù)包。來訪航天器與空間站完成交會對接后，空間站三艙路由節(jié)點(diǎn)可通過在軌注入方法更新其采集表和路由表，之后即可實現(xiàn)來訪航天器與三艙的數(shù)據(jù)交換。在地面支持的情況下，系統(tǒng)具有較好的擴(kuò)展性。