CN111163106A - 一种基于天地网关的高速网络预处理装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于天地网关的高速网络预处理装置，采用基于FPGA的并行处理架构，实现航天器内部网络和网关协议转换模块之间的网络数据路由，包括：主控处理FPGA和协处理DSP，其中，所述主控处理FPGA对上行数据和下行数据进行高速接口协议处理、网络路由转发以及高速缓存；所述协处理DSP具备标准TCP/IP协议栈，通过GMII接口与所述主控处理FPGA进行网络通信，完成与航天器内部网络之间的链路建立、网络管理和流量控制；所述主控处理FPGA对网络IP包进行预先识别：将下行传输业务包直接高速处理输出，将网络链路ARP包、ICMP包、网络管理包和流量控制包转发至协处理DSP进行协议处理。本发明大大提升了网关设备的处理速度、通用性和可扩展性，降低了维护和升级难度。

Description

一种基于天地网关的高速网络预处理装置
技术领域
本申请涉及网络数据处理技术领域，特别涉及一种基于天地网关的高速网络预处理装置。
背景技术
在基于天地一体化网络通信的系统架构中，航天器内部和地面系统内部均采用成熟的TCP/IP协议实现网络互连，而对于航天器与地面通信过程，由于天地链路存在延时大、误码率高、链路间歇性中断等特点，无法直接采用TCP/IP协议，需通过天地网关设备进行协议转换，天地网关一方面对网络数据进行预处理实现与网络终端的TCP/IP协议通信，另一方面将TCP/IP协议转换成适于天地传输的其他通信协议。
传统天地网关设备中，通常不对网络预处理功能和协议转换功能进行区分，两者耦合度高、传递关系复杂，对于不同的天地链路传输协议，往往需要采用不同的处理方式、处理架构。一旦天地通信协议需要更换或者升级时，不仅TCP/IP协议转换部分需要进行更改，网络预处理部分也需进行适应性更改，这无疑降低了网关设备的通用性和可扩展性，增大了维护复杂度。
作为天地骨干网络的传输中枢，网关设备的网络处理性能将直接决定天地通信的速率和实时性，由于网络TCP/IP协议复杂，当前星载网络处理终端多采用基于核心处理器配合操作系统的软件处理架构，随着航天器电子系统的日益复杂以及天地链路通信带宽的不断增大，对网关高速网络数据的实时处理能力提出了越来越高的要求，受处理器及软件性能的限制，传统处理架构已远远不能适应未来天地一体化信息系统的传输需求。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于天地网关的高速网络预处理装置，将天地网关中网络预处理部分独立实现，并从处理架构上进行优化，从而大大提升平台的通用性、可扩展性、自主性和处理速度，以适应未来航天器高速天地一体化网络传输需求。
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于天地网关的高速网络预处理装置，采用基于FPGA的并行处理架构，实现航天器内部网络和网关协议转换模块之间的网络数据路由，包括：主控处理FPGA和协处理DSP，其中，所述主控处理FPGA对上行数据和下行数据进行高速接口协议处理、网络路由转发以及高速缓存；所述协处理DSP具备标准TCP/IP协议栈，通过GMII接口与所述主控处理FPGA进行网络通信，完成与航天器内部网络之间的链路建立、网络管理和流量控制；所述主控处理FPGA对网络IP包进行预先识别，将下行传输业务包直接高速处理输出，将网络链路ARP包、ICMP包、网络管理包和流量控制包转发至协处理DSP进行协议处理。
较佳地，所述主控处理FPGA包括通信网处理单元和载荷网处理单元，所述协处理DSP包括通信网协处理DSP和载荷网协处理DSP；所述通信网处理单元和通信网协处理DSP组成通信网处理子系统，用于处理航天器通信网相关的数据；所述载荷网处理单元和载荷网协处理DSP组成载荷网处理子系统，用于处理航天器载荷网相关的数据；所述通信网处理子系统和载荷网处理子系统完全物理隔离。
较佳地，所述协处理DSP外挂DDR2缓存，所述外挂DDR2缓存用于缓存高速网络数据。
较佳地，所述协处理DSP通过EMIF接口与所述主控处理FPGA进行遥控遥测传输，接收所述主控处理FPGA的控制指令，并将自身工作状态反馈给所述主控处理FPGA。
较佳地，还包括反熔丝FPGA，所述协处理DSP的遥测状态通过EMIF接口输出给所述主控处理FPGA，所述主控处理FPGA将其与自身遥测状态汇总后传输给所述反熔丝FPGA，所述反熔丝FPGA将所述汇总信息按格式传输给测控管理模块；所述反熔丝FPGA接收所述测控管理模块的控制指令，并解析发送给所述主控处理FPGA，所述主控处理FPGA直接执行与其自身相关的控制指令，并将所述协处理DSP相关的控制指令通过EMIF接口转发给所述协处理DSP。
较佳地，还包括非易失性PROM存储器，所述主控处理FPGA的程序存储于所述非易失性PROM存储器中，所述反熔丝FPGA读取所述非易失性PROM存储器中所述主控处理FPGA的程序，对所述主控处理FPGA进行上电加载和定时刷新。
较佳地，所述主控处理FPGA对网络数据进行合法性判断，包括数据包合法性、协议合法性、包长合法性和IP地址合法性。
较佳地，所述主控处理FPGA维护可在轨重构的IP地址白名单，所述主控处理FPGA只对IP地址白名单收发的数据包进行处理转发。
较佳地，所述主控处理FPGA采用国产复旦微电子宇航级JFM4VSX55芯片，所述协处理DSP采用TI公司军温级SM320C6455芯片。
与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：
1、本发明实施例提供了一种基于天地网关的高速网络预处理装置,将天地网关中网络预处理部分独立实现,与协议转换部分采用内部标准接口进行通信，大大提升了网关设备的通用性和可扩展性，降低了维护和升级难度。
2、本发明实施例采用基于主控处理FPGA和协处理DSP的高速并行处理架构，将FPGA的并行处理速度优势和DSP的复杂协议处理优势进行有效结合，实现了天地网关数据的高速收发、缓存、处理、路由和网络管理等功能。相对于传统基于商用交换芯片和处理器的串行处理架构，大大提升了网关的处理速度、灵活性和自主性。
3、本发明实施例采用通信网处理子系统和载荷网处理子系统完全物理隔离、网络数据进行合法性判断、IP地址白名单等措施，确保天地网络传输的可靠性和安全性，从底层有效防止网络病毒的攻击和传播，提高了网络容错能力。
4、本发明实施例通过高可靠反熔丝FPGA对主控处理FPGA进行定时刷新和统一的遥控遥测处理，提高了网关设备空间环境下抗单粒子能力，提升了空间应用可靠性。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中：
图1为本发明实施例基于天地网关的高速网络预处理装置结构示意图；
图2为本发明实施例主控处理FPGA的功能示意图；
图3为本发明的基于天地网关的网络预处理装置的信息流图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明提供的一种基于天地网关的高速网络预处理装置进行详细的描述，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例，本领域技术人员在不改变本发明精神和内容的范围内，能够对其进行修改和润色。
本发明基于天地网关的高速网络预处理装置采用独立模块实现，采用独立模块实现，对外接口包括通信网网络接口和载荷网网络接口，分别与航天器内部平台网络和载荷网络连接，完成平台数据和载荷数据传输，具备网络接口、链路层协议处理、网络数据路由、网络管理、流量控制和网络协议栈等网络预处理功能；对内采用CPCI内总线接插件，通过LVDS接口与网关协议转换功能模块进行上下行网络数据传输，对内采用标准内总线，将IP包转换成内部LVDS通信格式，通过LVDS接口与网关协议转换功能模块交互，与其共同实现天地一体化网络网关功能。
请参考图1，一种基于天地网关的高速网络预处理装置，采用基于FPGA的并行处理架构，实现航天器内部网络和网关协议转换模块之间的网络数据路由，包括：主控处理FPGA、通信网协处理DSP及外围电路、载荷网协处理DSP及外围电路、通信网DDR2缓存和载荷网DDR2缓存，其中，
所述主控处理FPGA对上行数据和下行数据进行高速接口协议处理、网络路由转发以及高速缓存；
所述主控处理FPGA对网络IP包进行预先识别：对于大量高速的天地下行数据传输业务包，所述主控处理FPGA直接进行高速并行处理、解析、缓存和输出，不经协处理DSP(包括通信网协处理DSP和载荷网协处理DSP)；对于少量低速的网络链路ARP包、ICMP包、网络管理包、流量控制包等，主控处理FPGA则转发至网络协处理DSP进行相应的协议处理。
本实施例中，协处理DSP具备标准TCP/IP协议栈，通过GMII接口与主控处理FPGA进行网络通信，完成所述网络预处理装置与航天器内部网络之间的链路建立、网络管理、流量控制等功能；所述协处理DSP外挂DDR2缓存作为高速网络数据缓存，其程序存储于外挂FLASH芯片中；所述协处理DSP通过EMIF接口与主控处理FPGA进行遥控遥测传输，接收FPGA的控制指令，并将自身工作状态反馈给FPGA。
本实施例中，所述通信网处理单元、通信网协处理DSP和通信网DDR2缓存组成通信网处理子系统，用于处理航天器通信网相关的数据；所述载荷网处理单元、载荷网协处理DSP和载荷网DDR2缓存组成载荷网处理子系统，用于处理航天器载荷网相关的数据；所述通信网处理子系统和载荷网处理子系统完全物理隔离，提高了网络数据处理的安全性和可靠性。
作为一种优选实施例，所述协处理DSP通过EMIF接口与所述主控处理FPGA进行遥控遥测传输，接收所述主控处理FPGA的控制指令，并将自身工作状态反馈给所述主控处理FPGA。
作为一种优选实施例，还包括反熔丝FPGA，所述遥控遥测数据由所述反熔丝FPGA进行统一处理，所述协处理DSP的遥测状态通过EMIF接口输出给所述主控处理FPGA，所述主控处理FPGA将其与自身遥测状态汇总后传输给所述反熔丝FPGA，所述反熔丝FPGA将所述汇总信息按格式传输给测控管理模块；所述反熔丝FPGA接收所述测控管理模块的控制指令，并解析发送给所述主控处理FPGA，所述主控处理FPGA直接执行与其自身相关的控制指令，并将所述协处理DSP相关的控制指令通过EMIF接口转发给所述协处理DSP。
作为一种优选实施例，还包括非易失性PROM存储器，所述主控处理FPGA的程序存储于所述非易失性PROM存储器中，所述反熔丝FPGA读取所述非易失性PROM存储器中所述主控处理FPGA的程序，对所述主控处理FPGA进行上电加载和定时刷新。在空间环境下，当主控处理FPGA配置区发生单粒子翻转时，可通过反熔丝FPGA的监控和刷新进行纠正。
作为一种优选实施例，所述主控处理FPGA对网络数据进行合法性判断，包括数据包合法性、协议合法性、包长合法性和IP地址合法性；所述主控处理FPGA维护可在轨重构的IP地址白名单，所述主控处理FPGA只对IP地址白名单收发的数据包进行处理转发。
作为一种优选实施例，还包括隔离驱动器、LVDS接口驱动器、网络PHY、光模块、内部电源管理和时钟管理电路，隔离驱动器、LVDS接口驱动器分别实现与其他模块的信号隔离保护和电平转换；网络PHY、光模块用于实现以太网物理层协议；内部电源管理和时钟管理电路分别为装置提供工作电压和工作时钟。
作为一种优选实施例，所述主控处理FPGA采用国产复旦微电子宇航级JFM4VSX55芯片，所述协处理DSP采用TI公司军温级SM320C6455芯片，反熔丝FPGA选用Actel公司B级A54SX32A芯片，网络PHY选用MARVEL公司88E1111芯片，其余电路可根据具体应用进行选择。
本发明基于天地网关的高速网络预处理装置的主控处理FPGA是其核心，请参考图2，主控处理FPGA主要完成以下功能；
网络数据路由功能：实现外部通信网、外部载荷网、通信网协处理DSP、载荷网协处理DSP和网关协议转换模块之间的网络数据路由；对网络IP包进行预先识别，对于大量高速的天地下行数据传输业务包，主控处理FPGA在网络层直接路由至协议转换模块，不经协处理DSP，减少了DSP网络处理开销，大大提升处理速度；对于少量低速的网络链路ARP包、ICMP包、网络管理包、流量控制包等，主控处理FPGA则将其路由至网络协处理DSP，由DSP协议栈完成复杂的网络协议处理工作。此外，还对网络数据进行合法性判断，包括数据包合法性及协议合法性判断、包长合法性判断、IP地址合法性判断等。
网口链路层协议处理功能：与网络PHY芯片之间接口，实现以太网链路层协议处理，包括与DSP之间、与外部网口之间协议处理，完成以太网协议帧的发送和接收。
DDR存储控制功能：对下行高速网络数据进行缓存控制，实现DDR芯片时序控制，根据读写请求进行网络包的存储和读取功能；
DSP指令状态处理及参数配置功能：DSP通过EMIF接口读取指令和配置参数并反馈自身遥测，FPGA实现EMIF接口时序控制，完成DSP指令状态处理及参数配置功能；
遥控遥测处理功能：遥控指令通过测控管理模块经反熔丝FPGA发送至主控处理FPGA，FPGA需接收并解析，若是与自身相关的遥控指令，则直接执行，若是DSP相关指令，则转发至DSP。同时，测控管理模块定时从FPGA读取遥测，FPGA需按照协议将自身遥测和DSP遥测打包存放在指定地址。
下行数据调度及接口处理：若检测到协议转换模块输出的下行数据使能有效，则FPGA将接收的IP数据包转发至协议转换模块。根据数据类型进行优先级调度，本实施例中，通信网非流控数据优先级为I1，通信网流控数据优先级为I2，载荷网1非流控数据优先级为I3，载荷网1流控数据优先级为I4，FPGA调度优先级顺序为I1>I3>I2＝I4。
上行数据调度及接口处理：当协议转换模块发送上行数据时，FPGA对其进行接收，按照IP地址分别转发至通信网和载荷网路由模块，经DSP处理后再由FPGA送往外部网口。
请参考图3，按照天地通信的数据流向及网关参与的功能，分别对下行数据处理信息流、上行数据处理信息流和网关数据处理信息流进行说明：
下行数据处理：数据下行时，航天器内部网络数据经通信网或载荷网发送给网关设备，由网络预处理装置进行接收。路由模块对网络数据进行判别，若为IP地址指向地面的数据，则表示其需要下行，将其写入DDR2缓存，其中流控数据和非流控数据分区缓存。在下行信道有可用带宽时，分别将流控数据和非流控数据从DDR2缓存中读出，进行统一的优先级调度后输出给协议处理模块下行。
上行数据处理：数据上行时，地面上行网络数据经协议处理模块转换成IP包后发送给网络预处理模块，由网络预处理模块进行接收。路由模块对上行网络数据进行判别，若为通信网数据，则转发至通信网协处理DSP；若为载荷网数据，则转发至载荷网协处理DSP。协处理DSP将上行IP包进行以太网协议封装再次发送给FPGA，FPGA中路由模块将其分别转发给通信网网口和载荷网网口。
网关数据处理：网关设备本身也属于网络终端，参与航天器内部网络通信和管理，相关的网络数据均由路由模块进行识别和转发。在接收方向，主要包括航天器网络终端发送的IP地址指向网关的数据(流量控制、网络管理等)和ARP数据，经路由模块转发给协处理DSP进行协议解析；在发送方向，主要包括网关中协处理DSP发送相关的流量控制、网络管理数据和ARP数据，经路由模块转发给对应的通信网或载荷网网口。
本发明采用基于主控处理FPGA和协处理DSP的高速并行处理架构，独立实现网络预处理功能，提升了网关设备的通用性、可扩展性和处理速度；采用处理通道物理隔离、网络安全管理等技术，确保了天地网络传输的可靠性和安全性；通过高可靠反熔丝FPGA对主控处理FPGA进行定时刷新和统一的遥控遥测处理，提高了网关设备空间环境下抗单粒子效应的能力。
以上公开的仅为本申请的一个具体实施例，但本申请并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本申请的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于天地网关的高速网络预处理装置，其特征在于，采用基于FPGA的并行处理架构，实现航天器内部网络和网关协议转换模块之间的网络数据路由，包括：主控处理FPGA和协处理DSP，其中，
所述主控处理FPGA对上行数据和下行数据进行高速接口协议处理、网络路由转发以及高速缓存；
所述协处理DSP具备标准TCP/IP协议栈，通过GMII接口与所述主控处理FPGA进行网络通信，完成与航天器内部网络之间的链路建立、网络管理和流量控制；
所述主控处理FPGA对网络IP包进行预先识别，将下行传输业务包直接高速处理输出，将网络链路ARP包、ICMP包、网络管理包和流量控制包转发至协处理DSP进行协议处理。
2.根据权利要求1所述的基于天地网关的高速网络预处理装置，其特征在于，所述主控处理FPGA包括通信网处理单元和载荷网处理单元，所述协处理DSP包括通信网协处理DSP和载荷网协处理DSP；
所述通信网处理单元和通信网协处理DSP组成通信网处理子系统，用于处理航天器通信网相关的数据；
所述载荷网处理单元和载荷网协处理DSP组成载荷网处理子系统，用于处理航天器载荷网相关的数据；
所述通信网处理子系统和载荷网处理子系统完全物理隔离。
3.根据权利要求1或2所述的基于天地网关的高速网络预处理装置，其特征在于，所述协处理DSP外挂DDR2缓存，所述外挂DDR2缓存用于缓存高速网络数据。
4.根据权利要求1或2所述的基于天地网关的高速网络预处理装置，其特征在于，所述协处理DSP通过EMIF接口与所述主控处理FPGA进行遥控遥测传输，接收所述主控处理FPGA的控制指令，并将自身工作状态反馈给所述主控处理FPGA。
5.根据权利要求1或2所述的基于天地网关的高速网络预处理装置，其特征在于，还包括反熔丝FPGA，所述协处理DSP的遥测状态通过EMIF接口输出给所述主控处理FPGA，所述主控处理FPGA将其与自身遥测状态汇总后传输给所述反熔丝FPGA，所述反熔丝FPGA将所述汇总信息按格式传输给测控管理模块；
所述反熔丝FPGA接收所述测控管理模块的控制指令，并解析发送给所述主控处理FPGA，所述主控处理FPGA直接执行与其自身相关的控制指令，并将所述协处理DSP相关的控制指令通过EMIF接口转发给所述协处理DSP。
6.根据权利要求5所述的基于天地网关的高速网络预处理装置，其特征在于，还包括非易失性PROM存储器，所述主控处理FPGA的程序存储于所述非易失性PROM存储器中，所述反熔丝FPGA读取所述非易失性PROM存储器中所述主控处理FPGA的程序，对所述主控处理FPGA进行上电加载和定时刷新。
7.根据权利要求1或2所述的基于天地网关的高速网络预处理装置，其特征在于，所述主控处理FPGA对网络数据进行合法性判断，包括数据包合法性、协议合法性、包长合法性和IP地址合法性。
8.根据权利要求1或2所述的基于天地网关的高速网络预处理装置，其特征在于，所述主控处理FPGA维护可在轨重构的IP地址白名单，所述主控处理FPGA只对IP地址白名单收发的数据包进行处理转发。
9.根据权利要求1或2所述的基于天地网关的高速网络预处理装置，其特征在于，所述主控处理FPGA采用国产复旦微电子宇航级JFM4VSX55芯片，所述协处理DSP采用TI公司军温级SM320C6455芯片。
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