CN108768754B - 一种基于总线网络的高可靠容错系统 - Google Patents

一种基于总线网络的高可靠容错系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于总线网络的高可靠容错系统，容错系统包括模拟IO控制模块、接口与交换模块、机载飞控与综合计算模块、高性能处理模块、数字IO控制模块、路由器模块及其对应的双冗余同构模块，此6个模块与对应的双冗余同构模块组成4个网络连接，实现双冗余热备份，利用SpaceWire互联总线架构，以双圆环拓扑结构实现对双余度系统容错能力的提升。本发明容错系统以双圆环拓扑结构，基于多个点对点总线互联桥接，实现速率更快、更强的系统容错能力。

Description

一种基于总线网络的高可靠容错系统
技术领域
本发明属于航天应用中嵌入式系统设计技术领域，具体涉及一种基于总线网络的高可靠容错系统。
背景技术
传统航天高可靠嵌入式计算机多采用多模块双冗余热备的方式，系统双通道冗余总线多采用CAN、1553、AFDX等。这样的双冗余结构有两个明显的缺点。首先，系统对多重故障敏感。另外，传统面向空间应用总线CAN、1553、AFDX等速率低，不能满足目前航天产品数据处理快速高可靠传输的要求。
随着军用航天产品对于高可靠、高性能需求不断迫切，要求航天嵌入式计算机产品具备更高容错能力、更高的通讯带宽。但目前双冗余系统仅能容忍单模故障，一个总线接口失效就会导致整个计算机系统故障。双冗余总线架构的另一限制因素是总线带宽低，仅能支持1Mbps或者4Mbps的控制信号，不支持有效载荷数据输出和信息处理等数据流高速交互传输的要求。面向航天系统武器型号的应用对高可靠容错系统设计越来越受关注，特别是如何在双余度系统中实现更高的容错能力一直是研究和设计发展的方向。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于总线网络的高可靠容错系统，通过多功能模块双余度备份结合路由器交互的方式，以多个点对点总线互联桥接，通过路由器构建双圆环拓扑结构实现双余度容错系统更高的容错能力。首先，根据航天高可靠计算机的应用，明确双余度模块的组成。其次，建立基于路由器的双圆环拓扑结构。明确板级模块SpaceWire总线互联桥接，节点数目，连接方式。
本发明采用以下技术方案：
一种基于总线网络的高可靠容错系统，容错系统包括模拟IO控制模块、接口与交换模块、机载飞控与综合计算模块、高性能处理模块、数字IO控制模块、路由器模块及其对应的双冗余同构模块，此6个模块与对应的双冗余同构模块组成4个网络连接，实现双冗余热备份，通过利用SpaceWire互联总线架构，以双圆环拓扑结构实现对双余度系统容错能力的提升。
具体的，双冗余同构模块包括备份模拟IO控制模块、备份接口与交换模块、备份机载飞控与综合计算模块、备份高性能处理模块、备份数字IO控制模块和备份路由器模块。
进一步的，4个网络连接具体如下：
模拟IO控制模块、接口与交换模块、机载飞控与综合计算模块、高性能处理模块、数字IO控制模块、路由器模块及备份模拟IO控制模块、备份接口与交换模块、备份机载飞控与综合计算模块、备份高性能处理模块、备份数字IO控制模块、备份路由器模块组成第一网络连接；
路由器模块、接口与交互模块、备份路由器模块、备份高性能处理模块组成第二网络连接；
模拟IO控制模块、机载飞控与综合计算模块、数字IO控制模块、备份数字IO控制模块组成第三网络连接；
接口与交互备份模块、高性能信息处理模块、模拟IO控制备份模块、机载飞控与综合计算备份模块组成第四网络连接。
具体的，模拟IO控制模块、接口与交换模块、机载飞控与综合计算模块、高性能处理模块、数字IO控制模块、路由器模块与其对应的双冗余同构模块使用双SoC结构，一个SoC作为SpaceWire总线路由器，另一个SoC作为模块上的计算部件用于控制模块上的其他部件或外设。
进一步的，SoC包含6路SpaceWire双向端口总线，以任意4路作为各模块的包数据交换节点，剩余2路通过远程存储存取协议，将4个系统内部网络以双圆环方式连接起来，实现双圆环冗余网络拓扑结构。
更进一步的，每个传输数据包从任意口流出发放形成高容错总线架构，在包交换网络里，包数据在达到目的模块节点前，中间模块节点作为路由或转换器仅传递包数据。
更进一步的，网络拓扑结构的顶层由路由器模块提供，包括数据流控制、端到端的控制、可靠性传输、数据收发中转、负载平衡和故障失效管理。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明提出一种基于总线网络的高可靠容错系统，采用新的SpaceWire互联总线架构，以多功能模块双余度备份结合路由器交互的方式，基于多个点对点，总线互联桥接，实现双圆环拓扑结构，该设计中单模节点失效仅导致该模块上4个双向节点失效，不影响所有其他模块节点的网络连接，系统仍可以正常工作，同时，系统容错能力更广泛，只要一组功能模块通过网络和节点连通，就可以保证系统正常工作，能够解决双余度系统单摸失效，一路总线瘫痪，引起系统故障的问题。
进一步的，相比传统的基于双冗余总线的热备份容错系统而言，四个网络连接能够极大程度的提高系统的容错能力，即便是系统四个网络连接都不健全，只要几个非健全的网络连接能够组合实现一组功能模块(机载飞控与综合计算模块或其备份模块、高性能处理模块或其备份模块、数字IO控制模块或其备份模块、模拟IO控制模块或其备份模块、接口与交换模块或其备份模块)的通路连接就可以保障系统正常运转而不瘫痪。
进一步的，使用双SoC结构，一个SoC作为SpaceWire总线路由器，另一个SoC作为模块上的计算部件用于控制模块上的其他部件或外设，SpaceWire总线的带宽为400Mbps，较传统1553B、CAN、AFDX总线的传输速率有大幅提升，能够满足系统高可靠高速传输的需求，对于航天高可靠高性能嵌入式系统总线网络的设计和改进具有指导意义。
进一步的，网络拓扑结构的顶层由路由器提供5个功能模块与其备份模块的双冗余热备份的4个网络连接，每个模块对应4个双向数据交互端口。对于单个模块而言，当且仅当4个双向端口同时失效，才能导致该功能模块的失效。并且，通过路由器搭建实现的4个网络连接，能够最大程度的实现非失效功能模块的数据组网连接，保证系统可靠运转，极大的提高系统的可靠性。
综上所述，本发明容错系统以双圆环拓扑结构，基于多个点对点总线互联桥接，实现速率更快、更强的系统容错能力。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明容错系统框图；
图2为SoC的片上体系结构图；
图3为系统内部网络拓扑结构示意图；
图4为嵌入式系统内部模块排布顶视图；
图5为系统容错能力图示。
具体实施方式
请参阅图1，本发明一种基于总线网络的高可靠容错系统，通过利用SpaceWire互联总线架构，以双圆环拓扑结构实现对双余度系统更高更宽泛的容错能力。
包括模拟IO控制模块、接口与交换模块、机载飞控与综合计算模块、高性能处理模块、数字IO控制模块、路由器模块，此6个模块与其双冗余同构模块，共计12个模块，实现双冗余热备份。
双冗余同构模块包括备份模拟IO控制模块、备份接口与交换模块、备份机载飞控与综合计算模块、备份高性能处理模块、备份数字IO控制模块和备份路由器模块。
构建基于路由器交互的双圆环拓扑结构如下：
系统内部的模拟IO控制模块、接口与交换模块、机载飞控与综合计算模块、高性能处理模块、数字IO控制模块、路由器模块及其双冗余备份模块均包含6路SpaceWire双向端口，其中，4路作为各模块的包数据交换节点，另外2路通过远程存储存取协议，将4个系统内部网络以双圆环方式连接起来，实现双圆环冗余网络拓扑结构。
网络拓扑结构的顶层由路由器模块提供，包括数据流控制、端到端的控制，可靠性传输、数据收发中转，负载平衡，故障失效管理等。
每个传输数据包都可以从任意口流出发放，由此形成高容错总线架构。在该包交换网络里，包数据在达到目的模块节点前，中间模块节点作为路由或转换器，仅仅传递包数据，而不影响包数据内容。
系统内部4个网络连接的组成如下：
第一个网络连接
由模拟IO控制模块、接口与交换模块、机载飞控与综合计算模块、高性能处理模块、数字IO控制模块、路由器模块及其备份模块组成，即就是系统所有功能模块通过第一个网络连接在一起；
第二个网络连接
由路由器模块、接口与交互模块、备份路由器模块、备份高性能处理模块组成；
第三个网络连接
由模拟IO控制模块、机载飞控与综合计算模块、数字IO控制模块、备份数字IO控制模块组成；
第四个网络连接
由接口与交互备份模块、高性能信息处理模块、模拟IO控制备份模块、机载飞控与综合计算备份模块组成。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例以面向航天应用的某型嵌入式计算机设计为原型，具体如下：
步骤1：高可靠容错系统组成
一种基于SpaceWire总线网络的高可靠双冗余系统，包括模拟IO控制模块、接口与交换模块、机载飞控与综合计算模块、高性能处理模块、数字IO控制模块、路由器模块，此6个模块与其双冗余同构模块，共计12个模块，实现双冗余热备份。
步骤2：建立基于路由器的双圆环拓扑结构
步骤2.1：构建基于路由器交互的双圆环拓扑结构
系统内部模拟IO控制模块、接口与交换模块、机载飞控与综合计算模块、高性能处理模块、数字IO控制模块、路由器模块及其双冗余备份模块均使用双SoC设计，一个SoC作为SpaceWire总线路由器，一个SoC作为模块上的主要计算部件控制模块上的其他部件或者外设。该SoC的体系结构如图2所示，包含6路SpaceWire总线,其中4路作为各模块的包数据交换节点，另外2路通过远程存储存取协议，将4个系统内部网络以双圆环方式连接起来，实现双圆环冗余网络拓扑结构。
网络的顶层由路由器模块提供，包括数据流控制、端到端的控制，可靠性传输、数据收发中转，负载平衡，故障失效管理等。每个传输数据包都可以从任意口流出发放，由此形成高容错总线架构。在该包交换网络里，包数据在达到目的模块节点前，中间模块节点作为路由或转换器，仅仅传递包数据，而不影响包数据内容。
步骤2.2：系统内部4个网络连接的组成
第一个网络连接，由模拟IO控制模块、接口与交换模块、机载飞控与综合计算模块、高性能处理模块、数字IO控制模块、路由器模块及其备份模块组成；
第二个网络连接，由路由器模块、接口与交互模块、路由器备份模块、高性能信息处理备份模块组成；
第三个网络连接，由模拟IO控制模块、机载飞控与综合计算模块、数字IO控制模块、数字IO控制备份模块组成；
第四个网络连接，由接口与交互备份模块、高性能信息处理模块、模拟IO控制备份模块、机载飞控与综合计算备份模块组成。
系统内部网络拓扑结构示意图如图3所示。嵌入式系统内部模块排布顶视图如图4所示。
本实施例中通过利用SpaceWire互联总线架构结合路由器交互的方式，以双圆环拓扑结构，基于多个点对点总线互联桥接，实现速率更快、更强的系统容错能力。该系统的容错能力如图5所示，图5给出了一种系统能够容忍的极端的故障模式，即就是路由器模块、接口与交换模块、路由器备份模块、模拟IO模块、机载飞控与综合计算模块、数字IO控制模块、高性能处理模块均出现故障，第二个网络连接、第三网络连接都失效。第一个网络连接和第四个网络连接部分健全，这两个部分健全的网络连接将机载飞控与综合计算备份模块、高性能处理备份模块、数字IO控制备份模块、模拟IO控制备份模块、接口与交换备份模块构成数据连接通路，仍能保证系统功能正常运转。
只要一组功能模块通过网络和节点连通，就可以保证系统正常工作，能够解决双余度系统单摸失效，一路总线瘫痪，引起系统故障的问题。相比与传统的双冗余结构，不仅能够满足信号处理高速传输的需求，而且能够提供更高更宽泛的容错能力。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于总线网络的高可靠容错系统，其特征在于，容错系统包括模拟IO控制模块、接口与交换模块、机载飞控与综合计算模块、高性能处理模块、数字IO控制模块、路由器模块及其对应的双冗余同构模块，6个模块与对应的双冗余同构模块组成4个网络连接，实现双冗余热备份；
模拟IO控制模块、接口与交换模块、机载飞控与综合计算模块、高性能处理模块、数字IO控制模块、路由器模块与其对应的双冗余同构模块使用双SoC结构，一个SoC作为SpaceWire总线路由器，另一个SoC作为模块上的计算部件用于控制模块上的其他部件或外设，SoC包含6路SpaceWire双向端口总线，以任意4路作为各模块的包数据交换节点，剩余2路通过远程存储存取协议，将4个系统内部网络以双圆环方式连接起来，实现双圆环冗余网络拓扑结构。
2.根据权利要求1所述的一种基于总线网络的高可靠容错系统，其特征在于，双冗余同构模块包括备份模拟IO控制模块、备份接口与交换模块、备份机载飞控与综合计算模块、备份高性能处理模块、备份数字IO控制模块和备份路由器模块。
3.根据权利要求2所述的一种基于总线网络的高可靠容错系统，其特征在于，4个网络连接具体如下：
模拟IO控制模块、接口与交换模块、机载飞控与综合计算模块、高性能处理模块、数字IO控制模块、路由器模块及备份模拟IO控制模块、备份接口与交换模块、备份机载飞控与综合计算模块、备份高性能处理模块、备份数字IO控制模块、备份路由器模块组成第一网络连接；
路由器模块、接口与交互模块、备份路由器模块、备份高性能处理模块组成第二网络连接；
模拟IO控制模块、机载飞控与综合计算模块、数字IO控制模块、备份数字IO控制模块组成第三网络连接；
接口与交互备份模块、高性能信息处理模块、模拟IO控制备份模块、机载飞控与综合计算备份模块组成第四网络连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于总线网络的高可靠容错系统，其特征在于，每个传输数据包从任意口流出发放形成高容错总线架构，在包交换网络里，包数据在达到目的模块节点前，中间模块节点作为路由或转换器仅传递包数据。
5.根据权利要求1所述的一种基于总线网络的高可靠容错系统，其特征在于，网络拓扑结构的顶层由路由器模块提供，包括数据流控制、端到端的控制、可靠性传输、数据收发中转、负载平衡和故障失效管理。
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