CN109413094A - 基于hs-adix网络的航天数据传输系统 - Google Patents

基于hs-adix网络的航天数据传输系统 Download PDF

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Abstract

基于HS‑ADIX网络的航天数据传输系统，HS‑ADIX网络包括多级航天数据传输分系统，每级航天数据传输分系统均包括多个网络终端、两个网络交换机，网络终端包括光接口、电接口，光接口能够与任意网络交换机的任意光接口连接，电接口能够与任意网络交换机的任意电接口连接；网络交换机提供多路光接口、电接口；各级网络终端设备分别与本级的两台网络交换机相连，各级网络交换机互联并通过级间网络分离接插件互联互通；HS‑ADIX网络的一级或多级航天数据传输分系统中的网络交换机与地面网络监控测试设备连接。网关连接网络交换机和以太网，实现HS‑ADIX网络与以太网的协议转换。网络管理设备与网络交换机连接，实现网络管理功能。

Description

基于HS-ADIX网络的航天数据传输系统
技术领域
本发明涉及一种基于HS-ADIX网络的航天数据传输系统。
背景技术
目前，我国新一代运载火箭箭上数据传输系统中多项技术有了突破性进展，数据传输能力由过去的2Mbps跃升至10Mbps，为节约电缆、统一设计改善系统性能，采用了总线式(1553B、CAN总线等)数据传输方式。
此种数据传输方式属于阶段性的提升，由于其体制限制，存在着许多无法解决的问题，如：传输能力有限，截至目前能实现的最大传输速率为10Mbps；硬件平台不统一，型号之间电气接口复杂，通用性较差，继承性不足；箭上电缆网复杂庞大，设计周期长且设计过程中容易出现差错；扩展能力差、单点故障环节多、无法实现自检自测等等。
在航天科技不断进步的今天，箭上电气系统内部数据交换的数量越来越大，测试飞行过程中各系统需要建立信息交互网络的需求日益强烈。现有型号中所应用的1553B总线、CAN总线等数据传输速率已经远远不能满足运载火箭电气系统的数据通信需求。一个高速统一功能强大的信息综合网络来实现航天运载器多用户、多任务、大数据量信息传输、交互与处理成为了数据传输网络发展最直接的需求。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了基于HS-ADIX网络的航天数据传输系统，针对航天器电气系统目前数据传输体制传输速率低、接口通用性差、电缆网复杂、智能化水平低等不足，设计HS-ADIX数据传输与综合网络来提高传输码率，增强数据传输实时性、可靠性，提高系统测试性，降低系统重量，实现灵活化系统组建，最终实现电气系统高速、高可靠的智能化数据传输综合。
本发明的技术解决方案是：基于HS-ADIX网络的航天数据传输系统，HS-ADIX网络包括多级航天数据传输分系统，每级航天数据传输分系统均包括多个网络终端、两个网络交换机，其中：
网络终端，包括光接口、电接口，光接口能够与任意网络交换机的任意光接口连接，电接口能够与任意网络交换机的任意电接口连接；网络交换机，提供多路光接口、电接口；各级网络终端设备分别与本级的两台网络交换机相连，各级网络交换机互联并通过级间网络分离接插件互联互通；
HS-ADIX网络的一级或多级航天数据传输分系统中的网络交换机与地面网络监控测试设备连接，网关连接网络交换机和以太网，实现HS-ADIX网络与以太网的协议转换，网络管理设备与网络交换机连接，实现网络管理功能。
所述的地面网络测试设备为以太网实现，HS-ADIX网络与以太网通过网关转换，包括以太网的IP地址与HS-ADIX的iT地址的映射关系、以太网的TCP/UDP端口与HS-ADIX的端口间的映射关系，形成放在网关存储器中的网关配置表，用于实现协议转换。
所述的HS-ADIX网络包括HS-ADIX网络控制器iC，负责全网的调度、优先级管理、周期控制，为网络终端或网络交换机。
HS-ADIX网络由网络控制器执行网络调度表来运行，网络调度表存储在网络控制器的存储器中，包含多条指令字，每条指令字包含优先级、周期的起始、响应的超时时间、消息的源和目的、重传次数，网络控制器依次执行调度表的每个指令字，生成网络全局调度消息，以消息调度的方式控制各网络设备间数据传输，实现网络通信。
所述的HS-ADIX网络终端iT是网络中的数据源、目的源，在iC调度下进行数据发送及数据接收，还具有自调度功能。
所述的HS-ADIX网络还包括网络管理设备iMAN，iMAN是HS-ADIX的网络管理设备，支持完整的SNMP管理协议，具有网络拓扑结构自动生成，HS-ADIX网络节点设备信息获取与修改，HS-ADIX网络节点自检，HS-ADIX网络节点设备状态信息获取，HS-ADIX网络节点链路层、传输层、物理层统计信息获取和清零，调度表的初始化及切换功能。
所述的HS-ADIX网络还包括HS-ADIX网络监视器，能够检测全网原始报文，可对网络报文进行接收、过滤、显示、存储、加时标和解析。
所述的HS-ADIX网络包括物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层，其中：
数据链路层分别对HS-ADIX报文终端地址及广播报文进行过滤与接收，在UPID历史记录表对当前UPID数值进行查询，若无当前值，则认为是第一次收到本消息，且消息有效，并将当前UPID数值加入历史记录表；若有当前值，则认为本消息为冗余消息，报文终结；
网络层完成消息命令帧、响应帧识别，消息路由、消息交换确认；
传输层实现命令、响应、调度和分包，采用命令响应式通信方法，提供多种消息类型，满足网络任意两个终端设备的数据交换；命令响应式通信支持消息的确认与重传机制，支持最多三次重传的四次传输；传输层收到消息后在UMID历史记录表对当前UMID数值进行查询，若无当前值则认为是第一次收到本消息，消息有效，并将当前UMID数值加入历史记录表；若有当前值，则认为本消息为重传消息，报文终结；
应用层提供iPort端口服务，支持采样、队列、服务访问三种端口类型，满足不同数据类型，还包括时间同步、网络管理、网络控制器备份的辅助协议。
所述的HS-ADIX网络报文包括协议标识、协议版本、私密通信标识、优先级、命令序号、重传序号、源节点地址、响应标识、命令、帧索引、目的节点地址、负载长度、组合标识、返回码、协议端口、传输层负载、帧校验。
所述的HS-ADIX网络报文在链路层中的唯一标识UPID(48b)＝CSEQ(14b)+Retry(2b)+SIT(16b)+RI(1b)+CMD(7b)+FIDX(8b)；
HS-ADIX网络报文在传输层中的唯一标识称作UMID(48b)＝CSEQ(14b)+0(2b)+SIT(16b)+RI(1b)+CMD(7b)+FIDX(8b)。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明HS-ADIX网络节点可达上千个；带宽可达1Gbps；既保证重要数据的无冲突优先可靠传输，同时也可满足大数据量数据传输要求；接口统一；电缆网/光缆简单，尤其光缆实现轻质化；组网灵活；同时实现分部段测试；具备在线冗余重构能力，具备较高的智能程度。
附图说明
图1为HS-ADIX网络拓扑结构图；
图2为HS-ADIX网络帧格式图；
图3为HS-ADIX网络UPID组成图；
图4为HS-ADIX网络UMID组成图。
具体实施方式
HS-ADIX数据传输与综合网络硬件上采用通用化的以太网物理层架构，支持电缆和光纤两种通信介质。
HS-ADIX数据传输与综合网络有机整合了工业以太网协议、1553B协议的优点，在此基础上加入IEEE 1588高精度时钟同步协议并对其加以完善，最终实现高速、高可靠的数据传输网络。
HS-ADIX数据传输与综合网络主要由多个网络终端和网络交换机两种设备连接构成，如图1所示。
网络终端是箭载终端的网络通信设备，支持1光1电接口，光电冗余数据通信采用热冗余方式实现，即光电线缆同时传输数据帧，只接入1个光口/电口到交换机不影响正常的终端用户数据通信。在物理连接上，网络终端可以与任意网络交换机的任意有效端口连接，物理上不绑定网络终端与哪台交换机或哪个端口连接。
网络交换机是箭载网络数据交互、通信互联的核心。网络交换机是一台独立运行的设备，自身提供多路光电接口。网络交换机的光口与电口之间没有绑定关系，即网络终端的电口可以连接到交换机的任意电口，光口可以连接到交换机的任意光口。
各级网络终端设备分别与本级的两台网络交换机相连(分别选择光口和电口连接)，各级网络交换机互联并通过级间网络分离接插件互联互通。此种拓扑连接方式，主要特点如下：
单级间两台独立网络交换机互联互通，可确保网络终端单一传输路径失效不会影响数据信息可靠传递；当出现两个单点故障时，网络自愈率相比双路径冗余网络可提升1倍。级间网络交换机互联，可确保下级信息逐级传至上级，并且路径冗余。
网络交换机与地面网络监控测试设备连接，接口标准统一，构成箭地一体化数据传输网络。HS-ADIX网络可实现单部段测试。
HS-ADIX网络与以太网的转换通过网关来实现。HS-ADIX网络拓扑构建完成后，根据所有网络设备的iT地址和端口以及各终端与以太网的通信需求，形成以太网的IP地址与HS-ADIX的iT地址之间的映射关系、以太网的TCP/UDP端口与HS-ADIX的端口之间的映射关系，形成网关配置表放在网关存储器中用于实现协议转换。
网络管理承担HS-ADIX网络的所有管理功能，对网络进行维护。
1、网络组成
HS-ADIX网络包含的设备类型如表1所示。
表1 HS-ADIX网络设备类型
序号 设备 简称 备注
1 HS-ADIX-Controller iC HS-ADIX网络控制器
2 HS-ADIX-Terminal iT HS-ADIX网络终端
3 HS-ADIX-Switch iSW HS-ADIX网络交换机
4 HS-ADIX-SNMP Manage iMan HS-ADIX网络管理
5 HS-ADIX-Monitor iM HS-ADIX网络监视器
6 HS-ADIX-Gateway iGW HS-ADIX网络网关
表1中的设备类型是HS-ADIX协议包含的逻辑角色。
iC负责全网的调度、优先级管理、周期控制等，可以是物理设备上的网络终端，也可以是网络交换机。HS-ADIX网络是由网络控制器执行调度表来运行，调度表是网络通信的基础，安排整个网络中各个逻辑终端的通信过程。网络调度表存储在网络控制器的存储器中，包含多条指令字，每条指令字包含优先级、周期的起始、响应的超时时间、消息的源和目的、重传次数等信息。当网络初始化完成后，网络控制器依次执行该调度表的每个指令字，生成网络全局调度消息，以消息调度的方式控制各网络设备间数据传输，实现网络通信。
iT是网络中的数据源、目的源，在iC调度下进行数据发送/数据接收。iT同时具有自调度功能，在部分时段，可以发自调度消息，实现自调度数据传输。
iSW用于完成数据交换，是物理上的网络交换机。
iMAN是HS-ADIX的网络管理设备，是一台可以独立运行的计算机，支持连接在网络端口上，iMAN事实上是网络中的具有管理功能的终端节点，支持完整的SNMP管理协议，具有网络拓扑结构自动生成、网络节点设备信息获取与修改，网络节点自检，网络节点设备状态信息获取，网络节点链路层、传输层、物理层统计信息获取和清零，调度表的初始化，调度表切换等管理功能。
iM能够检测全网原始报文，是一台可以独立运行的计算机，支持直接连接在网络交换机端口上，可对网络报文进行接收、过滤、显示、存储、加时标和解析，是地面联调的重要测试设备。
iGW完成以太网协议与HS-ADIX协议的转换。其运行依赖于网关配置表，配置表的主要作用是将以太网的IP地址与HS-ADIX的iT地址映射，以太网的TCP/UDP端口与HS-ADIX的端口映射，附加属性信息后，即完成以太网协议与HS-ADIX协议的转换。
2、协议层次
HS-ADIX网络参考OSI模型五层网络协议，如表2所示。
表2 HS-ADIX网络协议层次
物理层基于以太网物理层和光纤物理层实现，保证带宽的同时误码率低，芯片可选类型丰富，利于集成和布线。
冗余网络的每个数据链路层分别对HS-ADIX报文终端地址及广播报文进行过滤与接收。在UPID历史记录表对当前UPID数值进行查询，若无当前值则认为是第一次收到本消息，消息有效，并将当前UPID数值加入历史记录表；若有当前值，则认为本消息为冗余消息，报文终结。
网络层定义路由、交换、冗余管理的规定。HS-ADIX消息是命令响应式结构，网络层负责消息命令帧、响应帧识别，消息路由、消息交换确认。
传输层实现命令、响应、调度和分包等的规定。HS-ADIX网络采用命令响应式通信方法，提供多种消息类型，满足网络任意两个终端设备的数据交换。命令响应式通信可以支持消息的确认与重传机制，HS-ADIX网络支持最多三次重传的四次传输。传输层收到消息后在UMID历史记录表对当前UMID数值进行查询，若无当前值则认为是第一次收到本消息，消息有效，并将当前UMID数值加入历史记录表；若有当前值，则认为本消息为重传消息，报文终结。HS-ADIX网络的时间触发调度是基于周期的调度方法，调度表预先规划网络的调度周期、调度消息、重传次数、确认与免确认配置、周期内消息的定时、延时等操作。网络控制器根据调度表执行调度。
应用层提供iPort端口服务，支持Sampling(采样)、Queuing(队列)、SAP(服务访问)三种端口类型，满足不同数据类型。应用层包含时间同步、网络管理、网络控制器备份等辅助协议。
3、消息类型
HS-ADIX协议包含的消息类型如表3所示。
表3 HS-ADIX网络消息类型
全局消息由HS-ADIX网络控制器iC调度，自调度消息由HS-ADIX网络终端iT直接调度。
4、报文定义
4.1报文格式
HS-ADIX网络帧格式如图2所示，报文各字段说明如表4。
表4 HS-ADIX网络报文各字段说明
4.2链路层报文冗余识别
报文在链路层中的唯一标识称作UPID(Unique Packet Indicator)。UPID的组成如图3所示。
UPID(48b)＝CSEQ(14b)+Retry(2b)+SIT(16b)+RI(1b)+CMD(7b)+FIDX(8b)。
CSEQ发生绕卷之前，协议保证UPID的唯一性，交换机以及终端的链路层依据UPID识别报文冗余，同过建立UPID历史记录表，过滤冗余报文，保证传输层接收报文的唯一性。
4.3传输层报文冗余识别
报文在传输层中的唯一标识称作UMID(Unique Message Indicator)。UMID的组成如图4所示。
UMID(48b)＝CSEQ(14b)+0(2b)+SIT(16b)+RI(1b)+CMD(7b)+FIDX(8b)。
UMID是传输层报文唯一性标识，传输层收到链路层的去冗余报文后，对重传进行过滤，保证应用层收到的报文唯一性。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.基于HS-ADIX网络的航天数据传输系统，其特征在于：HS-ADIX网络包括多级航天数据传输分系统，每级航天数据传输分系统均包括多个网络终端、两个网络交换机，其中：
网络终端，包括光接口、电接口，光接口能够与任意网络交换机的任意光接口连接，电接口能够与任意网络交换机的任意电接口连接；网络交换机，提供多路光接口、电接口；各级网络终端设备分别与本级的两台网络交换机相连，各级网络交换机互联并通过级间网络分离接插件互联互通；
HS-ADIX网络的一级或多级航天数据传输分系统中的网络交换机与地面网络监控测试设备连接，网关连接网络交换机和以太网，实现HS-ADIX网络与以太网的协议转换，网络管理设备与网络交换机连接，实现网络管理功能。
2.根据权利要求1所述的基于HS-ADIX网络的航天数据传输系统，其特征在于：所述的地面网络测试设备为以太网实现，HS-ADIX网络与以太网通过网关转换，包括以太网的IP地址与HS-ADIX的iT地址的映射关系、以太网的TCP/UDP端口与HS-ADIX的端口间的映射关系，形成放在网关存储器中的网关配置表，用于实现协议转换。
3.根据权利要求1所述的基于HS-ADIX网络的航天数据传输系统，其特征在于：所述的HS-ADIX网络包括HS-ADIX网络控制器iC，负责全网的调度、优先级管理、周期控制，为网络终端或网络交换机。
4.根据权利要求3所述的基于HS-ADIX网络的航天数据传输系统，其特征在于：HS-ADIX网络由网络控制器执行网络调度表来运行，网络调度表存储在网络控制器的存储器中，包含多条指令字，每条指令字包含优先级、周期的起始、响应的超时时间、消息的源和目的、重传次数，网络控制器依次执行调度表的每个指令字，生成网络全局调度消息，以消息调度的方式控制各网络设备间数据传输，实现网络通信。
5.根据权利要求1所述的基于HS-ADIX网络的航天数据传输系统，其特征在于：所述的HS-ADIX网络终端iT是网络中的数据源、目的源，在iC调度下进行数据发送及数据接收，还具有自调度功能。
6.根据权利要求1所述的基于HS-ADIX网络的航天数据传输系统，其特征在于：所述的HS-ADIX网络还包括网络管理设备iMAN，iMAN是HS-ADIX的网络管理设备，支持完整的SNMP管理协议，具有网络拓扑结构自动生成，HS-ADIX网络节点设备信息获取与修改，HS-ADIX网络节点自检，HS-ADIX网络节点设备状态信息获取，HS-ADIX网络节点链路层、传输层、物理层统计信息获取和清零，调度表的初始化及切换功能。
7.根据权利要求1所述的基于HS-ADIX网络的航天数据传输系统，其特征在于：所述的HS-ADIX网络还包括HS-ADIX网络监视器，能够检测全网原始报文，可对网络报文进行接收、过滤、显示、存储、加时标和解析。
8.根据权利要求1所述的基于HS-ADIX网络的航天数据传输系统，其特征在于：所述的HS-ADIX网络包括物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层，其中：
数据链路层分别对HS-ADIX报文终端地址及广播报文进行过滤与接收，在UPID历史记录表对当前UPID数值进行查询，若无当前值，则认为是第一次收到本消息，且消息有效，并将当前UPID数值加入历史记录表；若有当前值，则认为本消息为冗余消息，报文终结；
网络层完成消息命令帧、响应帧识别，消息路由、消息交换确认；
传输层实现命令、响应、调度和分包，采用命令响应式通信方法，提供多种消息类型，满足网络任意两个终端设备的数据交换；命令响应式通信支持消息的确认与重传机制，支持最多三次重传的四次传输；传输层收到消息后在UMID历史记录表对当前UMID数值进行查询，若无当前值则认为是第一次收到本消息，消息有效，并将当前UMID数值加入历史记录表；若有当前值，则认为本消息为重传消息，报文终结；
应用层提供iPort端口服务，支持采样、队列、服务访问三种端口类型，满足不同数据类型，还包括时间同步、网络管理、网络控制器备份的辅助协议。
9.根据权利要求1或8所述的基于HS-ADIX网络的航天数据传输系统，其特征在于：所述的HS-ADIX网络报文包括协议标识、协议版本、私密通信标识、优先级、命令序号、重传序号、源节点地址、响应标识、命令、帧索引、目的节点地址、负载长度、组合标识、返回码、协议端口、传输层负载、帧校验。
10.根据权利要求1或8所述的基于HS-ADIX网络的航天数据传输系统，其特征在于：所述的HS-ADIX网络报文在链路层中的唯一标识UPID(48b)＝CSEQ(14b)+Retry(2b)+SIT(16b)+RI(1b)+CMD(7b)+FIDX(8b)；
HS-ADIX网络报文在传输层中的唯一标识称作UMID(48b)＝CSEQ(14b)+0(2b)+SIT(16b)+RI(1b)+CMD(7b)+FIDX(8b)。
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