SpaceVPX背板交換網絡雙冗余互連可靠性分析

摘" 要： SpaceVPX標準背板控制平面、數據平面雙冗余交換網絡互連拓撲是實現系統高可靠數據交換的關鍵。根據SpaceVPX插槽、背板配置規范及可靠性模型分類，建立了一種交換網絡可靠性模型，分析了整機雙冗余獨立備份、交換機互連備份、功能節點交叉備份、功能節點交叉與交換機互連備份、全連接備份五種拓撲形式的系統可靠性概率。不同拓撲形式的可靠性概率仿真分析結果表明，功能節點交叉備份連接方式適用于控制平面和數據平面雙冗余系統。

關鍵詞： SpaceVPX； 交換網絡可靠性模型； 控制平面交換； 數據平面交換； 冗余備份； 網絡拓撲結構； 可靠性概率

中圖分類號： TN876.1?34； V446.9" " " " " " " " "文獻標識碼： A" " " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2025）08?0045?06

Reliability analysis of dual redundant interconnection topology in

SpaceVPX backplane switching network

WU Kankan1， ZHOU Jun1， NI Tao1， LI Linwei1， ZHANG Xiaoman2， WANG Shaolin1

（1. Shanghai Institute of Satellite Engineering， Shanghai 201109， China; 2. China Academy of Aerospace Science and Technology Innovation， Beijing 100048， China）

Abstract：Dual redundant switching network interconnection topology for control plane and data plane of SpaceVPX standard backplane is the key to realize highly reliable data exchange in the system. According to SpaceVPX slot and backplane configuration specifications and classification， the reliability model of switching network is established， and the system reliability probability of five different topologies： whole standalone backup， switch interconnection backup， cross?backup of functional nodes， functional nodes cross and switching interconnection backup， and full?connection backup. The reliability probability simulation and analysis of different topologies show that the connection mode of cross?backup of functional nodes is suitable for the control of data plane dual redundancy systems.

Keywords： SpaceVPX; switching network reliability model; control plane switching; data plane switching; redundant backup; network topology structure; reliability probability

0" 引" 言

針對高分辨率遙感衛星海量大數據的星上實時處理要求，需要開發標準化、通用化、模塊化的星載電子單機，以滿足各類型遙感數據處理、傳輸、存儲需求。在高速傳輸、高性能處理領域，傳統的星載單機定制化研制模式不但成本代價極高，而且因為缺少規模效應，產品性能和質量均不穩定。國外航天領域逐步開始采用工業設備規范，VITA和PICMG已經開發出優秀的經過驗證的可靠、可擴展體系結構[1]，可以滿足極端環境的使用需求，已廣泛應用于星載綜合電子[2]、數據采集[3]、測控通信[4]等嵌入式系統。

從2010年開始，美國空軍研究實驗室和工業界開展空間系統組件之間互聯定義標準化工作，即下一代空間互聯標準（Next Generation Space Interconnect Standard， NGSIS），旨在消除傳輸帶寬帶來的壁壘和約束[5]。OpenVPX不具備完整的冗余容錯和高可靠配置能力，因此，NGSIS以OpenVPX標準為基礎，增加單點故障容錯、冗余管理、健康狀態和診斷支持等功能，形成SpaceVPX VITA78規范[6?7]。SpaceVPX是第一個專門為空間應用開發的開放性標準，具有高性能的計算能力、優異的互操作性和可擴展性。目前，已開發了基于SpaceVPX標準的混合異構高性能處理[8]、微納衛星綜合電子集成設計[9]、系統控制器[10]、FMC子卡可擴展性設計[11]、存儲系統[12]等。

SpaceVPX標準將模塊視為最小冗余單元，各模塊之間通過背板的控制、數據平面實現網絡互連。當前，星載高性能處理、存儲產品通常沒有宇航級高可靠元器件可以選用。單個功能模塊可靠性較低的情況下，背板網絡成為系統可靠性設計的核心，通過合理的網絡設計可以實現整機功能的可靠[13]。

文獻[14]研發了一款基于國產以太網交換芯片和VPX架構的3U交換板。文獻[15]提出一種基于3片FPGA和1片SRIO交換的多路高速互連系統，實現模塊間96路GTH高速數據接收和56路GTH高速數據發送。文獻[16]研究了VPX背板SRIO交換系統不同冗余備份機制的可靠性概率，驗證了交叉備份機制的合理性和有效性。文獻[17]構建的綜合集成高性能處理和計算平臺支持控制平面16路SpaceWire交換、數據平面18路SRIO和16路SpaceFibre交換。

本文介紹了SpaceVPX標準推薦的背板交換網絡設計，建立了交換網絡可靠性模型，給出了整機雙冗余獨立備份、交換機互連備份、功能節點交叉備份、功能節點交叉與交換機互連備份、全連接備份等5種形式的連接拓撲結構及其系統可靠性概率。通過仿真分析，最后給出了推薦的背板主備冗余網絡連接拓撲結構。

1" SpaceVPX背板交換網絡

SpaceVPX標準的插槽配置文件規定了每個模塊數據端口到插槽背板連接器上的物理映射，背板配置文件規定了模塊之間的數據傳輸功能物理映射及背板通道與數據互連的拓撲關系。插槽配置和背板配置對整機模塊配置、模塊節點定義、拓撲關系等進行了約束，以滿足標準規范，同時也提供了足夠的配置靈活度來滿足不同處理能力、不同應用場景、不同空間大小、不同安全等級的應用需求。

公共平面、控制平面、數據平面、擴展平面實現了SpaceVPX模塊的互連。公共平面提供對模塊基本功能的設置和控制，通常包括電源控制、狀態診斷、時鐘和其他基本離散信號?？刂破矫嫣峁┲小⒌退俾实臄祿鬏敚ǔＳ糜谀K配置、診斷和其他操作控制。數據平面提供千兆以上的高速數據傳輸，通常承載載荷原始數據。數據平面和控制平面采用雙冗余設計，通過點對點非總線式連接實現容錯，單模塊故障不會影響整個系統。擴展平面用于模塊之間的單獨連接，完成與傳統模塊的橋接或者其他特殊數據傳輸需求。

控制平面、數據平面是模塊之間主要的數據傳輸通道，推薦采用差分對形式，支持以太網、串行RapidIO、SpaceWire等協議。SpaceVPX標準定義了11種6U和10種3U背板配置文件，包括6種交換式拓撲和5種網狀拓撲。

2" 背板交換網絡可靠性模型

電子設備的可靠性是指在規定的條件和時間內，完成預定目標的能力?？煽慷萚R（t）]表示電子設備在運行時間的某個[t]時刻沒有出錯的概率，通過對失效率[λ（t）]積分得到，其計算公式如下：

元器件在壽命周期內，其失效率滿足浴盆曲線，在一個偶然失效期內認為失效率[λ（t）]為常數[λ]，因此可靠度[R（t）=e-λt]，即電子設備的可靠度服從指數分布。

根據典型系統的可靠性模型分類，假設系統由N個單元組成，只要有一個單元發生故障就導致系統故障，稱為可靠性串聯系統，可靠性數學模型為：

式中：[Rs]為系統的可靠性；[Ri]為第[i]個單元的可靠性。

只有當全部單元發生故障系統才發生故障，稱為可靠性并聯系統，可靠性數學模型為：

對SpaceVPX背板交換網絡不同的雙冗余拓撲進行可靠性分析時，參考文獻[14]建立可靠性模型。背板交換網絡系統一般由功能節點、通信信道和交換機組成。

功能節點是網絡中完成特定功能的單一通信節點，在SpaceVPX標準中也稱為有效載荷模塊。主份和備份功能節點組合稱為功能節點組合，每個功能節點通過通信信道和交換機連接。

交換機是由交換芯片和交換控制組成的數據交換電路，若單個交換芯片不能滿足系統對交換端口數量的要求時，一般會使用多個交換芯片進行級聯，組成一個交換機來擴充交換端口。交換芯片是交換機的核心，由于共用資源多，交換芯片僅出現某個端口故障的概率非常小，因而可以認為交換端口的故障就是整個芯片的故障。

背板交換網絡一般為單跳網絡，每個功能節點到交換機之間的物理傳輸通道稱為通信信道。通信信道的組成一般為PCB走線、連接器等，也有可能是線纜、光纖、光模塊以及阻容電路。由于通信信道的大部分構成都是無源的，出現故障的概率很小。

為簡化可靠性模型，假設所有功能節點的可靠性概率相等，均為[Pe]；主份和備份交換機的可靠性概率相等，均為[Ps]。通信信道出現故障的概率很小，不單獨作為可靠性分析要素。

3" 背板交換網絡拓撲分析

單機之間的網絡連接形態受單機、模塊外接插件布局限制。與單機形態的交換網絡不同，背板連接器提供的差分對遠多于單機外部接插件，可以滿足各種拓撲形態的交換網絡連接需求。本文通過系統可靠性概率的比較分析，選擇合理的連接方式。

以n個主份功能節點、n個備份功能節點、1個主份交換機、1個備份交換機組成的網絡系統為例，比較分析整機雙冗余獨立備份、交換機互連備份、功能節點交叉備份、功能節點交叉與交換機互連備份、全連接備份5種拓撲結構的系統可靠性概率。

3.1" 整機雙冗余獨立備份

整機雙冗余獨立備份是最常見的冗余備份方式，所有主份節點和交換機構成主機，所有備份節點和交換機構成備機，主機和備機之間相互獨立。任意主份功能節點之間通過主份交換機有1條通信信道，任意備份功能節點之間通過備份交換機有1條通信信道，因此任意功能節點組合之間共有2條通信信道，如圖1所示。

當主機某一功能節點或者交換機出現故障時，可以由更高一級的控制端將工作任務整體遷移到備機上運行，或者備機自主監測主機狀態并奪取控制權。

進行可靠性估計時，主機或備機的所有節點和交換機為串聯方式，主機可靠性概率[PH]和備機可靠性概率[PB]相等，即：

系統中主機和備機為并聯方式，所以系統的可靠性概率[PS]為：

3.2" 交換機互連備份

在分組交換網絡中，兩個交換機可以互相連接。任意主份功能節點之間有1條通信鏈路，任意備份功能節點之間有1條通信鏈路，同時任意主份功能節點與備份功能節點之間也有1條通信鏈路，因此任意功能節點組合之間共有4條通信鏈路，如圖2所示。

當主機某一功能節點出現故障時，可以啟用該節點的備份和備份交換機，故障節點的備份通過備份交換機和主份交換機實現與其他主份節點之間的通信，從而形成交換機互連時的鏈路備份，提高系統可靠性。當主份交換機出現故障時，與交換機連接的功能節點通信失效，需要將工作任務整體遷移到備機上運行。

進行可靠性估計時，根據交換機的可靠性可以分為三種情況，對應的條件概率如表1所示。

交換機主、備均故障時，系統無法正常工作，此時系統可靠性概率為0。

3.3" 功能節點交叉備份

每一個功能節點同時連接至交換機主機和備機，功能節點和交換機構成并聯交叉備份。任意兩個功能節點之間有2條通信鏈路，因此任意功能節點組合之間共有8條通信鏈路，如圖3所示。

當主機某一功能節點出現故障時，可以啟用該節點的備份，故障備份節點通過主份交換機實現與其他主份節點通信，從而形成節點交叉備份，提高系統可靠性。當主份交換機出現故障時，因為所有功能節點同時與備份交換機連接，所以僅需啟用備份交換機。

在功能節點交叉備份情況下進行可靠性估計時，根據交換機的可靠性，與表1一樣，也可以分為三種情況。

3.4" 功能節點交叉與交換機互連備份

同時采取功能節點與交換機之間主備交叉備份以及主備交換機之間互連，如圖4所示。交換機主、備均正常時，主備交換機之間互連并不會增加節點的可靠性；交換機主、備僅一機正常時，主備交換機之間互連功能同時失效。所以，該冗余方式可靠性與節點交叉備份相當，但是增加了交換機之間互連的資源開銷，不建議采用該方式。

3.5" 全連接備份

考慮到節點數量較多，每個節點需要配置一個交換單元形成組合，交換單元中的一個端口與本節點通信，其他端口與其他組合的交換單元互連。所有組合之間均實現了點對點連接，形成全連接網絡，如圖5所示。交換單元除了實現本節點與其他交換單元之間的數據交換外，還可以作為多跳網絡的中間交換機，實現其他兩個節點之間的通信，所以理論上任意兩個功能節點之間通信信道非常多。但在實際工程應用中，為了均衡網絡數據傳輸負載，兩個功能節點的交換單元正常，除非兩個交換單元之間的物理傳輸通道故障，否則不會經由其他節點的交換單元轉發。而在可靠性模型假設中，物理傳輸通道可靠性概率為1。所以在可靠性分析時，將節點與交換單元視為串聯關系，任意兩個功能節點之間有1條通信信道，任意功能節點組合之間共有4條通信信道。主備功能節點組合形成全連接交叉備份，理論上可以保證任意節點之間的無阻塞通信，但是需要大量交換芯片，資源開銷大，系統復雜度高。

當功能節點組合出現故障時，可以啟用該節點的備份，故障備份節點與其他節點正常通信。

可靠性估計時，功能節點與交換單元是串聯關系，功能節點的主份和備份組合是并聯關系。因此，每一個功能節點組合的可靠性概率為：

功能節點組合之間是串聯關系，因此整個系統的可靠性概率為：

4" 不同網絡拓撲的可靠性比較

為了比較不同雙冗余拓撲結構的系統可靠性概率，以節點組合n=4為例，假設每個節點的可靠性概率[Pe=0.95]，交換機和系統的可靠性概率關系如圖6所示。

與整機雙冗余獨立備份拓撲相比，由于充分利用了系統中的每個節點與交換機，交換機互連備份、功能節點交叉備份拓撲的可靠性有一定程度的提高。全連接備份需要使用大量的交換芯片，交換單元可靠性的下降，必然降低系統的可靠性，因此對交換單元的可靠性要求非常高。

假設每個交換機的可靠性概率[Ps=0.95]，節點和系統可靠性概率關系如圖7所示。交換機可靠性概率一定的情況下，節點之間的通信鏈路越多，系統可靠性概率越高。功能節點交叉備份冗余拓撲的功能節點組合之間共有8條通信信道，大于整機雙冗余獨立備份的2條通信信道和交換機互連備份的4條通信信道。

通過上述可靠性分析，綜合考慮系統冗余資源開銷，以系統可靠性概率最優為設計目標，控制平面、數據平面優先選用功能節點交叉備份拓撲。

5" 結" 論

基于OpenVPX標準，本文提出一種SpaceVPX背板雙冗余設計方案，以提高惡劣空間環境應用時的單點故障容錯能力。通過背板控制、數據平面交換網絡雙冗余設計實現系統功能冗余，不同的網絡冗余拓撲形式提供了不同的系統可靠性概率。仿真分析結果表明，功能節點主份和備份分別與交換機主份和備份交叉互連方式的系統可靠性概率最高。

本文研究結果可指導SpaceVPX標準的控制平面、數據平面交換模塊以及交換模塊與有效載荷模塊之間的背板交換網絡設計，提供高帶寬數據傳輸、靈活的模塊配置，實現星載高性能處理、存儲以及傳輸系統的通用化、標準化、模塊化設計。

注：本文通訊作者為周軍。

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作者簡介：吳侃侃（1986—），男，浙江東陽人，碩士研究生，高級工程師，研究方向為衛星綜合電子、信息系統和網絡協議。

周" 軍（1982—），男，江蘇南通人，碩士研究生，研究員，研究方向為衛星綜合信息系統和綜合測試。

倪" 濤（1984—），男，安徽鳳陽人，碩士研究生，高級工程師，研究方向為衛星信號與信息處理。

李林偉（1996—），男，湖南張家界人，碩士研究生，助理工程師，研究方向為衛星網絡協議。

張小滿（1992—），女，湖北隨州人，碩士研究生，工程師，研究方向為衛星載荷數據智能處理。

汪少林（1984—），男，安徽岳西人，博士研究生，研究員，研究方向為衛星高性能智能處理。

收稿日期：2024?05?16" " " " " "修回日期：2024?06?21

基金項目：民用航天項目（D030302）