CN102624633B - 一种基于时间触发的SpaceWire网络通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于时间触发的SpaceWire网络通信方法。包括对待发送数据进行数据包组包的步骤；根据待发送数据的大小确定发送节点和接收节点间带宽和时间窗口的步骤；各网络节点根据接收的时间码进行状态切换，完成数据传输的步骤。该方法解决了星载SpaceWire网络中数据传输的实时性和确定性问题，提高了星载SpaceWire网络服务质量。

Description

一种基于时间触发的SpaceWire网络通信方法

技术领域

本发明涉及一种基于时间触发的SpaceWire网络通信方法。

背景技术

SpaceWire总线是欧空局(ESA)联合欧洲空间公司和学术界共同制定的面向航天应用的新型数据总线标准。由于SpaceWire总线具有高速、简单灵活、协议开放、适应苛刻空间环境的优点，目前已成为ESA和美国宇航局(NASA)推荐的新一代星载数据总线，并已成功应用于多项国际空间任务。

SpaceWire总线协议由英国Dundee大学负责起草，2003年经欧洲空间标准化合作组织(ECSS)批准后成为ECSS-E-50-12A标准“SpaceWire-Links，nodes，routers and networks”，2008年该标准被修订为ECSS-E-ST-50-12C。对照开放系统互联(OSI)参考模型，ECSS-E-ST-50-12C标准仅涉及总线的物理层和数据链路层，而没有对数据链路层之上的协议进行定义。针对星载网络的高层次应用需要，ECSS陆续发布了一系列与ECSS-E-ST-50-12C标准兼容的高层应用协议标准，如“Remote Memory Access Protocol”、“CCSDSPacket Transfer Protocol”等，ECSS-E-ST-50-11C Draft 1.3文档对以上协议进行了详细的描述。

上述SpaceWire高层应用协议均是基于ECSS-E-ST-50-12C标准规范建立的基于“事件触发”方式的通信协议，应用其中的信息通信方法建立的星载SpaceWire网络为多源、异步通信网络，其缺点在于，通信节点对网络资源的竞争导致信息传输延时无法确定，不能适应星上控制等重要信息对数据传输的实时性和确定性的要求。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对现有技术的不足，提供了一种基于时间触发的星载SpaceWire网络通信方法，该方法解决了星载SpaceWire网络中数据传输的实时性和确定性问题，提高了星载SpaceWire网络服务质量。

本发明的技术解决方案是：

一种基于时间触发的SpaceWire网络通信方法，包括：

步骤1：将待发送的数据组织成数据包；

步骤2：根据待发送数据的大小确定发送节点和接收节点间的数据带宽，并根据所述数据包确定通信周期中所述发送节点和接收节点间用于发送数据的时间窗口数；

步骤3：所述发送节点和接收节点根据时间码确定数据传输状态，所述时间码包括第一类时间码和第二类时间码；所述数据传输状态包括：初始状态、正常状态和错误状态；

当接收到第一类时间码时，所述发送节点或所述接收节点进入初始状态；

当持续接收到计数连续的第二类时间码时，所述发送节点或所述接收节点保持正常状态，进行数据的发送或接收；

当接收到计数不连续的第二类时间码时，所述发送节点或所述接收节点进入错误状态，停止数据的发送或接收，并等待再次接收到第一类时间码；

在所述数据包中，在目的地址部分，前n个地址标识符构成从源节点到目的节点的路径地址，第n+1个地址标识符为目的节点的逻辑地址；在数据部分，第1个字节为源节点的逻辑地址；第2个字节为包类型字段；第3～4字节为数据长度字段；从第5字节到数据部分的倒数第二个字节为有效数据；最后一个字节为差错控制字段；其中，在所述包类型字段部分第1位为段标志，用于指明数据包是否为分段中的最后一个数据包；第2～4位为包序列计数；第5～8位为虚拟通道标识，用于指明本数据包使用的虚拟信道。

所述步骤2中，确定发送节点和接收节点间的数据带宽以及时间窗口数的步骤为：

确定各网络节点之间通信时数据包的最大长度L_max，所述L_max由下式确定：

L_max≤D(T_slot-n·T_H)/10，

其中D为SpaceWire链路的码速率、n为数据包从源节点到目的节点传输过程中经过的路由器个数，T_H为路由器处理转发一包数据耗费的时间，T_slot为时间主节点的时间码广播周期；

确定各网络节点间的带宽B_ij，所述带宽B_ij为一个基本通信周期之内网络节点n_i发往网络节点n_j的通信数据带宽；

根据下式确定各节点间通信所需分配的时间窗口数w_ij，

本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明所述方法与“事件触发”方式相比，采用“时间触发”方式通过合理的时间窗口划分，使节点通信在预先分配的时间窗口内完成，避免了节点通信对网络资源的竞争使用，因而能够使数据传输的实时性和确定性得到保证。

基于该方法的网络节点均可以利用自己分配到的时间窗口和确定的物理路径向其他网络节点发送数据，各网络节点之间的通信互不影响，因而可以有效提高网络带宽资源的利用率。在通信过程中，利用状态切换机制可以使得网络节点一旦因故障丧失时间同步，将会自动停止发送通信数据，不会对网络中其他节点的数据通信造成影响，因而提高了网络数据通信的可靠性。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为SpaceWire时间码的格式示意图；

图3为网络节点状态转换示意图；

图4为实施例示意图。

具体实施方式

下面就结合附图对本发明做进一步介绍。

如图1所示为本发明流程图，具体过程如下：

1、将待发送的数据组织成数据包

本发明基于SpaceWire总线的ECSS-E-ST-50-12C标准规范，进行网络节点间通信的数据包格式约定，具体如下：

1)将ECSS-E-ST-50-12C标准规范中SpaceWire数据包的“目的地址”域(destination address)分为两个部分：前n个地址标识符构成从源节点到目的节点的路径地址(n等于所指明路径上路由器的个数)；第n+1个地址标识符为目的节点的逻辑地址。

2)将ECSS-E-ST-50-12C规范中SpaceWire数据包的“包数据”域(cargo)分为五个部分：该区域的第1个字节为源节点的逻辑地址；第2个字节为包类型字段，该字段又分为三个子域，第1位为段标志(SEG)，用于指明本数据包是否为分段中的最后一个数据包，第2～4位为包序列计数(SEQ)，其值在0～7之间顺序循环，用于接收方判断数据包的连续性，第5～8位为虚拟通道标识，用于指明本数据包使用的虚拟信道；第3～4字节为数据长度字段，其值等于数据包中有效数据的字节数减1；从第5字节开始到该域的倒数第二个字节为有效数据；最后一个字节为差错控制字段，该字段采用8位CRC码，校验范围从“目的地址”域中目的节点的逻辑地址开始到“包数据”域中有效数据的最后一个字节。

2、根据待发送数据的大小确定发送节点和接收节点间的数据带宽，并根据所述应用层数据包确定通信周期中所述发送节点和接收节点间用于发送数据的时间窗口数

对星载SpaceWire网络的基本通信周期、其内时间窗口的形成机制进行约定，具体如下：

根据星上数据采集与指令发送的周期，约定星载SpaceWire网络的基本通信周期T_P。每一个基本通信周期T_P按照后续步骤被划分为若干个时间窗口：

约定星载SpaceWire网络中星载中心计算机节点为时间主节点，其余网络节点为从节点，时间主节点按照一定周期T_slot向全网广播发送SpaceWire时间码，相邻一对时间码之间作为一个时间窗口。该步骤中，T_slot需满足以下约束条件：①2400S/D＜T_slot＜T_P，②T_slot能够整除T_P，其中S为网络内节点之间的最大端到端链路数、D为SpaceWire链路的码速率。

确定网络节点间通信时应用层数据包的最大长度和需要分配的时间窗口数，进行节点间通信的时间窗口分配，具体如下：

确定各网络节点之间通信时数据包的最大长度L_max，满足：L_max≤D(T_slot-n·T_H)/10，其中D为SpaceWire链路的码速率、n为数据包从源节点到目的节点传输过程中经过的路由器个数，T_H为路由器处理转发一包数据耗费的时间。

根据网络节点之间的信息通信需求，建立其带宽需求矩阵：

其中，B_ij为一个基本通信周期之内网络节点n_i发往网络节点n_j的通信数据带宽(bytes/s)。下面的公式确定各节点间通信所需分配的时间窗口数w_ij：

其中，L_max为节点n_i与节点n_j的通信时数据包的最大长度。

按照同一时间窗口内节点通信占用互不相同的传输链路的原则，将节点各包数据的发送安排至适当的时间窗口，并为各包数据的发送指定适当的传输路径。

3、发送节点和接收节点根据时间码确定数据传输状态对数据包进行传输

基于ECSS-E-ST-50-12C标准规范中定义的SpaceWire时间码，如图2所示，利用其中的2bits控制位信息(C₆，C₇)，约定时间码的类型：当(C₆，C₇)＝(0，1)、(1，0)或(1，1)时为第一类时间码(TC-1)；当(C₆，C₇)＝(0，0)时为第二类时间码(TC-0)。

时间主节点按照一定周期T_slot向全网广播发送SpaceWire时间码，并且在一个基本通信周期的起始，时间主节点首先发送一个TC-1类型的第一类时间码，在后续时间内，时间主节点持续发送TC-0类型的第二类时间码，直到该基本通信周期结束。进入下一基本通信周期后，时间主节点重复上述时间码发送过程。

如图3所示，网络节点通信状态及状态间转换机制为：规定所有从节点各自维持一个时隙计数器，并对接收到时间码的事件进行记录。当接收到第二类时间码，且该时间码的(T0～T5)值等于前一次接收到的时间码的(T0～T5)值加1，记录为e₀₀事件；当接收到第二类时间码，且该时间码的(T0～T5)值不等于前一次接收到的时间码的(T0～T5)值加1，记录为e₀₁事件；当接收到第一类时间码，记录为e₁事件。

约定网络节点共存在3种可能的状态，包括复位状态、正常通信状态和错误静默状态。网络节点状态转换机制约定如下：①节点上电复位或者记录到e₁事件后进入复位状态，当节点进入复位状态后将其维持的时隙计数器清零，并禁止发送通信信息。②处于复位状态或正常通信状态的节点录到e₀₀事件后将其维持的时隙计数器值增1，并进入或继续保持在正常通信状态，处于正常通信状态的节点将其时隙计数器的当前值与系统预先分配给它的时间窗口号进行比较，如果一致就利用该时间窗口发送通信数据。③处于正常通信状态的节点记录到e₀₁事件进入错误状态，节点进入错误状态后将其维持的时隙计数器清零，并停止发送通信数据，处于错误状态的节点将保持在该状态，直至记录到e1事件。

下面结合图4中例子对本发明做进一步说明。在图4所示星载SpaceWire网络中，节点n₆为星载中心计算机，同时也作为时间主节点，节点n₁、n₄为平台分系统，节点n₂、n₃为有效载荷设备，节点n₅为载荷数据处理单元。星上数据采集与指令发送的周期为1s，期间的信息流过程为：平台分系统n₁、n₄及有效载荷设备n₂、n₃将自身状态信息发送给中心计算机n₆(信息流f₁₆、f₄₆、f₂₆、f₃₆)；有效载荷设备n₂、n₃将原始载荷数据发送给载荷数据处理单元n₅(信息流f₂₅、f₃₅)；载荷数据处理单元n₅对来自n₂、n₃的原始载荷数据进行在轨数据处理和压缩编码后发送给中心计算机n₆(信息流f₅₆)；中心计算机根据平台分系统和有效载荷设备的状态信息进行卫星管理，并将状态信息和载荷数据按照规定的数据包格式进行包装处理后存储并下传。以上各信息流所需带宽分别为：f₁₆、f46：1Kbytes/s；f₂₆：200bytes/s；f₃₆：500bytes/s；f₂₅：6Kbytes/s；f₃₅：7.5Mbytes/s；f₅₆：3Mbytes/s。设SpaceWire链路码速率D＝160Mbits/s，数据包首部的处理时间t_H＝0.5us。

根据上述配置情况，进行数据包的组包。

1)“目的地址”域(destination address)分为两个部分：前n个地址标识符构成从源节点到目的节点的路径地址(n等于所指明路径上路由器的个数)；第n+1个地址标识符为目的节点的逻辑地址。以图4网络中节点n₁向节点n₆发送数据为例，假设数据包的传输路径为：“节点n₁”到“路由器1的端口1”到“路由器1的端口3”到“路由器2的端口1”到“路由器2的端口3”到“节点n₆”，那么该数据包“目的地址”域的前2个地址标识符构成从节点n₁向节点n₆的路径地址，分别为“3”、“3”，该数据包“目的地址”域的第3个地址标识符为目的节点n₆的逻辑地址“111”。

2)进行“包数据”域的定义，以图4网络中节点n₁向节点n₆发送数据为例，其“包数据”域内容为：第1个字节为源节点n₁的逻辑地址“41”；第2个字节为包类型字段，该字段又分为三个子域，依次是段标志(1bit)、包序列计数(3bit)、虚拟通道标识(4bit)；第3～4字节为数据长度字段，其值等于数据包中有效数据的字节数减1；从第5字节开始到“包数据”域的倒数第二个字节为节点n₁发送给节点n₆的有效数据；最后一个字节为差错控制字段，采用8位CRC码，校验范围包括“目的地址”域中目的节点的逻辑地址以及“包数据”域的“源逻辑地址”、“包类型”、“数据长度”和“有效数据”部分。

对星载SpaceWire网络的基本通信周期、其内时间窗口的形成机制进行约定，具体如下：

1)根据星上数据采集与指令发送的周期1s，约定星载SpaceWire网络的基本通信周期TP＝1s。

2)约定星载SpaceWire网络中星载中心计算机节点n₆为时间主节点，节点n₁、n₂、n₃、n₄、n₅为从节点，由时间主节点n₆按照一定周期T_slot向全网广播发送SpaceWire时间码。根据约束条件：①45us＜T_slot＜1s，②T_slot能够整除1s，约定T_slot＝100us。

确定网络节点间通信时应用层数据包的最大长度和需要分配的时间窗口数，进行节点间通信的时间窗口分配，具体如下：

1)根据约束L_max≤D(T_slot-n·T_H)/10确定各网络节点之间通信时应用层数据包的最大长度，对于数据流f₁₆、f₂₆、f₃₆、f₂₅、f₃₅，L_max≤1584bytes；对于数据流f₄₆、f₅₆，L_max≤1592bytes，于是统一约定网络节点之间通信时应用层数据包的最大长度为L_max＝1506bytes。

2)根据网络节点之间的信息通信需求，建立其带宽需求矩阵：

$\mathrm{MB}=\left[\begin{array}{cccccc}0& 0& 0& 0& 0& 1.0K\\ 0& 0& 0& 0& 6.0K& 0.2K\\ 0& 0& 0& 0& 7.5M& 0.5K\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1.0K\\ 0& 0& 0& 0& 0& 3.0M\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0\end{array}\right]$

根据公式确定各节点之间通信所需分配的时间窗口数W_ij，分别为：W₁₆＝1，W₂₆＝1，W₃₆＝1，W₄₆＝1，W₂₅＝4，W₃₅＝5000，W₅₆＝2000。

3)按照同一时间窗口内节点通信占用互不相同的传输链路的原则，将节点各包数据的发送安排至适当的时间窗口，并为各包数据的发送指定适当的传输路径。各节点在分配到的每个时间窗口内发送一包数据，根据步骤2)，节点n₂与节点n₆通信分配到W₁₆＝1个时间窗口，因此对应于1包通信数据，为了便于说明将其发送的数据包记为集合C₁₆＝{c₁}。类似地，其他节点之间通信发送的数据包集合分别记为C₂₆＝{c₂}、C₃₆＝{c₃}、C₄₆＝{c₄}、C₂₅＝{c₅，c₆，c₇，c₈}、C₃₅＝{c₉，c₁₀，...，c₅₀₀₈}、C₅₆＝{c₅₀₀₉，c₅₀₁₀，...，c₇₀₀₈}。根据同一时间窗口内节点通信占用互不相同的传输链路的原则，为以上各数据包的发送指定适当的传输路径，并为其适当的传输路径如下：

表1

对网络节点通信状态及状态间转换机制进行约定，具体如下：

时间主节点按照周期T_slot＝100us向全网广播发送SpaceWire时间码，在每一个基本通信周期的起始，时间主节点首先发送一个第一类的时间码，在后续时间内，时间主节点持续发送第二类的时间码(一共发送1s/100us-1＝9999个)，直到该基本通信周期结束。进入下一基本通信周期后，时间主节点重复上述时间码发送过程。

规定所有从节点n₁、n₂、n₃、n₄、n₅各自维持一个时隙计数器，并对接收到节点n₆广播发送的时间码的事件进行记录：当接收到第二类时间码，且该时间码的(T0～T5)值等于前一次接收到的时间码的(T0～T5)值加1，记录为e₀₀事件；当接收到第二类时间码，且该时间码的(T0～T5)值不等于前一次接收到的时间码的(T0～T5)值加1，记录为e₀₁事件；当接收到第一类时间码，记录为e₁事件。

约定网络节点共存在3种可能的状态，包括复位状态、正常通信状态和错误状态。网络节点按照上述的状态转换机制进行数据的传输或状态的切换，在通信状态中，如表2中列出了各节点分配到的时间窗口以及在相应时间窗口发送的数据包。

表2

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (2)

1.一种基于时间触发的SpaceWire网络通信方法，其特征在于包括：

步骤1：将待发送的数据组织成数据包；

步骤2：根据待发送数据的大小确定发送节点和接收节点间的数据带宽，并根据所述数据包确定通信周期中所述发送节点和接收节点间用于发送数据的时间窗口数，所述确定发送节点和接收节点间的数据带宽以及时间窗口数的具体实现过程如下：

(1)确定各网络节点之间通信时数据包的最大长度L_max，所述L_max由下式确定：

L_max≤D(T_slot-n·T_H)/10，

其中D为SpaceWire链路的码速率、n为数据包从发送节点到接收节点传输过程中经过的路由器个数，T_H为路由器处理转发一包数据耗费的时间，T_slot为时间主节点的时间码广播周期；

(2)确定各网络节点间的带宽B_ij，所述带宽B_ij为一个基本通信周期之内网络节点n_i发往网络节点n_j的通信数据带宽；

(3)根据下式确定各节点间通信所需分配的时间窗口数w_ij：

步骤3：所述发送节点和接收节点根据时间码确定数据传输状态，所述时间码包括第一类时间码和第二类时间码；所述数据传输状态包括：初始状态、正常状态和错误状态；

当接收到第一类时间码时，所述发送节点或所述接收节点进入初始状态；

当持续接收到计数连续的第二类时间码时，所述发送节点或所述接收节点保持正常状态，进行数据的发送或接收；

当接收到计数不连续的第二类时间码时，所述发送节点或所述接收节点进入错误状态，停止数据的发送或接收，并等待再次接收到第一类时间码。

2.如权利要求1所述的一种基于时间触发的SpaceWire网络通信方法，其特征在于：在所述数据包中，在目的地址部分，前n个地址标识符构成从发送节点到接收节点的路径地址，第n+1个地址标识符为接收节点的逻辑地址；在数据部分，第1个字节为发送节点的逻辑地址；第2个字节为包类型字段；第3～4字节为数据长度字段；从第5字节到数据部分的倒数第二个字节为有效数据；最后一个字节为差错控制字段；其中，在所述包类型字段部分第1位为段标志，用于指明数据包是否为分段中的最后一个数据包；第2～4位为包序列计数；第5～8位为虚拟通道标识，用于指明本数据包使用的虚拟信道。