CN107135150B - 一种基于SpaceWire接口交叉备份的冗余容错系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于SpaceWire接口交叉备份的冗余容错系统。使用本发明能够在节点设备的双机之间建立桥接链路，利用桥接链路实现主、备机的对外冗余通道，与现有方案相比，该系统在消除链路接口单点故障模式的同时，可将对外链路数量减少1/2，节省了电缆网的成本，降低了系统集成的难度；同时，在热备份节点设备中，桥接链路可直接用于主备机的信息交互(譬如健康数据等)，增强了节点设备的自主管理能力。

Description

一种基于SpaceWire接口交叉备份的冗余容错系统
技术领域
本发明涉及星载设备容错设计领域，具体涉及一种基于SpaceWire接口交叉备份的冗余容错系统。
背景技术
SpaceWire作为一种面向星载电子设备互联的高速串行标准，具有简单、可靠、灵活等特点，可实现节点设备点对点连接或基于路由器的网络连接，在国内外航天器任务中得到了大量应用。
星载SpaceWire节点设备和网络设计中，为了避免发生单点故障，普遍采用双机冗余备份的容错设计方案来提高可靠性，即在设备之间互联或设备连接路由器时，采用SpaceWire链路接口完全交叉备份的设计方案，具体参见文献“SpaceWire:Spacecraft onboard data-handling network”(Acta Astronautica,第66期2010年)和“星载SpaceWire网络备份容错协议设计”(计算机测量与控制第23卷第2期2015年)。在接口完全交叉备份设计中，每个SpaceWire节点设备的主机和备机分别提供2路SpaceWire链路接口，用于连接到另一端设备的主份和备份，节点设备与节点设备相连的拓扑如图1所示，节点设备与路由器相连的拓扑如图2所示，这种SpaceWire链路接口完全交叉备份方法可保证设备具有较高的可靠性，消除链路接口单点故障模式。
但这种设计方式在航天器SpaceWire网络应用中存在以下问题：
(1)电缆多，成本高，电缆网的重量负担和布线难度大，并且随着节点设备数量增加问题更加突出；
(2)占用了过多的路由器端口，而冗余链路大部分时间或者一直处于不工作的空闲状态，大大降低了网络系统的集成度和利用率。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于SpaceWire接口交叉备份的冗余容错系统，能够避免由网络拓扑复杂造成卫星系统电缆数量多、实施难度大和研制成本高的问题。
一种基于SpaceWire接口交叉备份的冗余容错系统，所述系统包括多个SpaceWire接口节点；每个SpaceWire接口节点由结构相同的主机和备机构成，主机和备机均包括顺连的SpaceWire接口芯片、主功能模块和存储器；
所述存储器用于存储SpaceWire接口芯片在不同链路传输模式下工作的端口及逻辑地址信息，且主机和备机的存储器存储的信息相同；
所述主功能模块用于根据当前的链路传输模式，将相应的端口及逻辑地址信息传输至SpaceWire接口芯片；
每个SpaceWire接口芯片，包括至少一个外部SpaceWire链路接口以及至少一个内部SpaceWire链路接口；属于同一SpaceWire接口节点的内部SpaceWire链路接口互连；不同SpaceWire接口节点通过各自的外部SpaceWire链路接口对应连接，使两SpaceWire接口节点的主机之间、两SpaceWire接口节点的备机之间或两SpaceWire接口节点的主备机之间实现通信。
较佳地，所述系统包括两个SpaceWire接口节点。
较佳地，所述SpaceWire接口节点包括两个内部SpaceWire链路接口。
较佳地，所述系统采用路径寻址的通信方式或逻辑寻址的通信方式进行通信。
较佳地，所述系统包括多个SpaceWire接口节点和一个具有冗余功能的路由设备；
每个SpaceWire接口节点由结构相同的主机和备机构成，主机和备机均包括顺连的SpaceWire接口芯片、主功能模块和存储器；
所述存储器用于存储SpaceWire接口芯片在不同链路传输模式下工作的端口及逻辑地址信息，且主机和备机的存储器存储的信息相同；
所述主功能模块用于根据当前的链路传输模式，将相应端口及逻辑地址信息传输至SpaceWire接口芯片；
每个SpaceWire接口芯片，包括至少一个外部SpaceWire链路接口以及至少一个内部SpaceWire链路接口；属于同一SpaceWire接口节点的内部SpaceWire链路接口互连；不同SpaceWire接口节点通过各自的外部SpaceWire链路接口对应连接，使SpaceWire接口节点的主机和路由设备的主机，以及SpaceWire接口节点的备机和路由设备的备机之间实现通信。
较佳地，所述系统采用路径寻址的通信方式或逻辑寻址的通信方式进行通信。
较佳地，所述系统包括两个SpaceWire接口节点。
有益效果：
在节点设备的双机之间建立桥接链路，利用桥接链路实现主、备机的对外冗余通道，与现有方案相比，该系统在消除链路接口单点故障模式的同时，可将对外链路数量减少1/2，降低了系统集成的难度；同时，在热备份节点设备中，桥接链路可直接用于主备机的信息交互(譬如健康数据等)，增强了节点设备的自主管理能力。
附图说明
图1为现有技术中节点设备与节点设备相连的拓扑。
图2为现有技术中节点设备与路由设备相连的拓扑。
图3为本发明的节点设备功能组成与对外接口图。
图4为本发明节点设备与节点设备相连的拓扑。
图5为本发明节点设备与路由设备相连的拓扑。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种基于SpaceWire接口交叉备份的冗余容错系统，包括多个SpaceWire接口节点，或多个SpaceWire接口节点和一个具有冗余功能的路由设备。较佳地，本实施例选择两个进行说明。其中，主机和备机功能结构完全相同，均包括一个路由器、一个主功能模块和一个SpaceWire接口芯片，SpaceWire接口芯片、主功能模块和存储器顺次链接。路由器中存有路由表。SpaceWire接口芯片支持热备份工作。其中，路由表用于控制SpaceWire接口芯片中各接口的工作状态，以及控制来自外部或主功能模块所传输数据的传输路径。主功能模块根据SpaceWire链路接口的工作状态，对SpaceWire接口芯片的路由表进行动态配置，在组织数据包时对包头地址进行配置，从而支持通过主链路接口和冗余链路接口进行通信。所述SpaceWire接口芯片实现通信功能；
其中，SpaceWire接口芯片，包括两个以上的SpaceWire链路接口，且至少有一个SpaceWire链路接口对外链接，作为本机工作时的主链路接口，对应链接到路由设备或其他节点设备的主备机上，此外，还需至少一个SpaceWire链路接口用内部链接，在路由表的控制下，各SpaceWire链路接口之间支持内部互通。这样一来，通过桥接链路，即可构成本机的冗余链路接口，实现SpaceWire接口的交叉备份。主机中用于对内链接的SpaceWire链路接口与备机中用于对内链接的SpaceWire链路接口通过桥接链路的方式互连，其中，桥接链路的方式包括内部连接或外部引线。为了提高可靠性，将主机中的所有对内链接的SpaceWire链路接口与备机中所有对内链接的SpaceWire链路接口均一一对应连接。
当两个SpaceWire接口交叉备份的节点设备互连时：
如图4所示，其中一个节点设备1中主机的对外SpaceWire链路接口与另一节点设备2中主机的对外SpaceWire链路接口连接；节点设备1中备机的对外SpaceWire链路接口与另一节点设备2中备机的对外SpaceWire链路接口连接；
当容错系统中涉及路由设备时：
如图5所示，节点设备1中主机的对外SpaceWire链路接口与路由设备中主机的对外链路接口连接；节点设备1中备机的对外SpaceWire链路接口与路由设备中备机的对外链路接口连接；节点设备2中主机的对外SpaceWire链路接口与路由设备中主机的对外链路接口连接；节点设备2中备机的对外SpaceWire链路接口与路由设备中备机的对外链路接口连接；
在进行数据传输时，可按常规的路径寻址通信方式或逻辑寻址的通信方式进行通信即可。
例如：实施例
如图3所示，同一机箱内设计独立的SpaceWire(SpW)节点设备主备机，单机由SpW接口芯片、路由表和主功能模块组成。SpW接口芯片实现通信功能，提供4路功能相同的SpW链路接口，其中的1路接口用于和设备内部主功能模块通信，在图中标记为内部端口，各路SpW接口之间在芯片内部支持路由交换，双机的SpW接口芯片支持热备份工作；路由表存储接口芯片在不同模式下工作的路由表信息；主功能模块为节点设备其他所有功能的集合，同时还负责将路由表信息配置到SpW接口芯片中。图3中SpW节点设备的主机和备机分别从本机的SpW接口芯片对外引出1路独立的SpW链路接口，用于连接到另一端设备的主份和备份，同时主备机之间利用各自接口芯片上的SpW链路接口2和接口3，在本设备外部和内部分别就近建立了桥接链路1和桥接链路2。
将SpW节点设备、路由设备连接成网络系统，图4所示为两台节点设备相连的拓扑，二者主机的独立链路互连，备机的独立链路互连，节点设备主备机之间建立了1条桥接链路。图5所示为节点设备与路由器相连的拓扑，节点主机的独立链路连接到主份路由器上，节点备机的独立链路连接到备份路由器上，节点设备主备机之间建立了1条桥接链路，路由器主备机之间建立了2条桥接链路。根据网络连接拓扑中的物理端口号，即可确定节点设备路径寻址通信方式下使用的路径地址，如图5中，节点设备1主机通过SpW链路1、SpW链路2和SpW桥接链路2，向节点设备2备机发送数据包采用的路径地址为<1><3><2><内部端口>，共4字节组成，每级路径地址由1个字节表示，取值范围为1～31，用于指定SpW芯片的输出物理端口号，数据包每经过一级芯片在输出端口删除包头的1字节路径地址，当数据包到达目标节点时，路径地址正好全部剥离。
对于逻辑寻址的通信方式，首先为节点设备分配逻辑地址如下表1所示。
表1节点设备逻辑地址分配表
根据节点设备逻辑地址和网络拓扑确定节点设备和路由器的路由表，采用主链路接口和冗余链路接口分别对应不同的路由表，在冗余链路接口工作时，SpW接口芯片和路由器工作在热备份模式。在图4和图5网络中，图4中设备1与图5中设备1路由表相同，图4中设备2与图5中设备2路由表相同，由于节点设备2本身是双机冷备份，所以主机和备机的路由表也相同，图5中还需要配置路由器的路由表，各芯片的路由表具体如下表2所示，其中建立了逻辑地址与芯片物理端口的对应关系，当SpW芯片接收到数据包时，根据路由表检查包头逻辑地址对应本芯片的输出端口，然后通过该端口输出数据包。表2中的冗余链路对于节点设备1、节点设备2和路由器分别对应了图4、图5中的桥接链路1～3，路由器的路由表根据采用的链路不同还可以有其他的配置方式，本文不再列举。
表2 SpW芯片路由表
正常工作状态下，在图4和图5中，SpW节点设备1、节点设备2和路由器的主机工作，备机不工作，节点设备主机各自优先使用本机的独立链路接口进行对外数据包发送或接收，即独立链路作为本机的主链路，此时主机接口芯片配置主链路工作模式的路由表，备机接口芯片可不工作。
如图4中，正常状态下节点设备1主机向节点设备2主机发送数据包，在数据包包头写入目标节点逻辑地址86，则数据包通过查找路由表，经过节点设备1主机SpW接口芯片、SpW链路1和节点设备2主机SpW接口芯片传输，成功到达目标节点。若SpW链路1发生故障，节点设备1和节点设备2的主机均检测到端口1故障，从而禁止该端口，启动备机对外的独立链路，并配置主机接口芯片为冗余链路工作模式路由表，配置备机接口芯片为主链路工作模式路由表，则对于节点设备1主机向节点设备2主机发送数据包的上层应用，不会受到影响，仍然在数据包包头写入目标节点逻辑地址86，则数据包通过查找路由表，经过节点设备1主机SpW接口芯片、SpW桥接链路1、节点设备1备机SpW接口芯片、SpW链路2、节点设备2备机SpW接口芯片、SpW桥接链路2、节点设备2主机SpW接口芯片传输，成功到达目标节点。图4中其他节点主机或备机相互通信时的接口冗余工作机制与上述过程一致。
如图5中，正常状态下节点设备1主机向节点设备2主机发送数据包，在数据包包头写入目标节点逻辑地址86，则数据包通过查找路由表，经过节点设备1主机SpW接口芯片、SpW链路1、路由器主机、SpW链路2和节点设备2主机SpW接口芯片传输，成功到达目标节点。若SpW链路2发生故障，路由器主机检测到端口3故障，节点设备2主机检测到端口1故障，从而分别禁止故障的端口，启动备机对外的独立链路，节点设备2配置主机接口芯片为冗余链路工作模式路由表，配置备机接口芯片为主链路工作模式路由表，路由器主机配置冗余链路工作模式路由表，路由器备机配置主链路工作模式路由表，则对于节点设备1主机向节点设备2主机发送数据包的上层应用，不会受到影响，仍然在数据包包头写入目标节点逻辑地址86，数据包通过查找路由表，经过节点设备1主机SpW接口芯片、SpW链路1、路由器主机、SpW桥接链路3、路由器备机、SpW链路4、节点设备2备机SpW接口芯片、SpW桥接链路2、节点设备2主机SpW接口芯片传输，成功到达目标节点。图5中其他节点主机或备机相互通信时的接口冗余工作机制与上述过程一致。
利用桥接链路的接口交叉备份容错设计方法大大节省了网络中路由器的端口资源，特别是在节点设备数量较多的情况下，能够显著降低路由器设备的硬件规模和设计难度，相比现有方法，路由器上连接的节点设备数量可提升一倍。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于SpaceWire接口交叉备份的冗余容错系统，其特征在于，所述系统包括多个SpaceWire接口节点；每个SpaceWire接口节点由结构相同的主机和备机构成，主机和备机均包括顺连的SpaceWire接口芯片、主功能模块和存储器；
所述存储器用于存储SpaceWire接口芯片在不同链路传输模式下工作的端口及逻辑地址信息，且主机和备机的存储器存储的信息相同；
所述主功能模块用于根据当前的链路传输模式，将相应的端口及逻辑地址信息传输至SpaceWire接口芯片；
每个SpaceWire接口芯片，包括至少一个外部SpaceWire链路接口以及至少一个内部SpaceWire链路接口；属于同一SpaceWire接口节点的内部SpaceWire链路接口互连；不同SpaceWire接口节点通过各自的外部SpaceWire链路接口对应连接，使两SpaceWire接口节点的主机之间、两SpaceWire接口节点的备机之间或两SpaceWire接口节点的主备机之间实现通信。
2.如权利要求1所述的冗余容错系统，其特征在于，所述系统包括两个SpaceWire接口节点。
3.如权利要求1所述的冗余容错系统，其特征在于，所述SpaceWire接口节点包括两个内部SpaceWire链路接口。
4.如权利要求3所述的冗余容错系统，其特征在于，所述系统采用路径寻址的通信方式或逻辑寻址的通信方式进行通信。
5.一种基于SpaceWire接口交叉备份的冗余容错系统，其特征在于，所述系统包括多个SpaceWire接口节点和一个具有冗余功能的路由设备；
每个SpaceWire接口节点由结构相同的主机和备机构成，主机和备机均包括顺连的SpaceWire接口芯片、主功能模块和存储器；
所述存储器用于存储SpaceWire接口芯片在不同链路传输模式下工作的端口及逻辑地址信息，且主机和备机的存储器存储的信息相同；
所述主功能模块用于根据当前的链路传输模式，将相应端口及逻辑地址信息传输至SpaceWire接口芯片；
每个SpaceWire接口芯片，包括至少一个外部SpaceWire链路接口以及至少一个内部SpaceWire链路接口；属于同一SpaceWire接口节点的内部SpaceWire链路接口互连；不同SpaceWire接口节点通过各自的外部SpaceWire链路接口对应连接，使SpaceWire接口节点的主机和路由设备的主机，以及SpaceWire接口节点的备机和路由设备的备机之间实现通信。
6.如权利要求5所述的冗余容错系统，其特征在于，所述系统采用路径寻址的通信方式或逻辑寻址的通信方式进行通信。
7.如权利要求5所述的冗余容错系统，其特征在于，所述系统包括两个SpaceWire接口节点。
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