CN111556051A - 基于fpga的高速空间网络数据协议转换与复接装置 - Google Patents

基于fpga的高速空间网络数据协议转换与复接装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于FPGA的高速空间网络数据协议转换与复接装置，包括：网络层处理部分和数据链路层处理部分；其中，网络层处理部分包括：高速缓存控制模块，用于对空间网络接收的IP包的中间数据进行缓存；IP包分包模块，用于将IP包进行分类获取分类信息并进行分类缓存；及EPDU包封装模块，用于根据分类信息对IP包进行封装得到EPDU包后分别存入对应的缓存；数据链路层处理部分包括：MPDU包封装模块，用于分别对缓存的EPDU包进行封装得到MPDU包；AOS传输帧封装模块，用于分别对MPDU包进行封装得到AOS传输帧；及信道复接调度模块，用于将AOS传输帧进行信道复接调度后输出至物理信道。

Description

基于FPGA的高速空间网络数据协议转换与复接装置
技术领域
本发明涉及空间网络数据处理技术领域，特别涉及一种基于FPGA的高速空间网络数据协议转换与复接装置。
背景技术
随着航天技术的发展，航天任务日益复杂，航天器组网和互联互通需求日益增多。当前天基网络大多自成体系，且与地面成熟的TCP/IP网络标准不统一，严重制约了天地数据交互的灵活性、高效性和互操作性，天基网络与地面网络的融合统一已成为未来空间数据系统发展的必然趋势。
在天地网络通信中，一方面需要适应空间链路高延时、断续连接、高误码率的特点，进行网络协议与空间数据协议的高速转换；另一方面，由于空间链路资源有限，而航天器生理、图像、话音、仪表、载荷等各类数据速率不同，并且对链路服务延迟、优先级和可靠性的需求各不相同，需解决不同用户的不同类型数据的高效复用调度和高速传输问题。
显然，传统基于LVDS、RS422等自定义接口数据的低速处理调度方式已无法适应高速空间网络数据的传输要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于FPGA的高速空间网络数据协议转换与复接装置，以实现基于IP over CCSDS的标准高速协议转换和高效复接调度，并支持在轨服务参数的灵活配置，实现不同航天器任务的高效天地网络通信。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于FPGA的高速空间网络数据协议转换与复接装置，包括：网络层处理部分和数据链路层处理部分；其中，
所述网络层处理部分包括：高速缓存控制模块，用于对空间网络接收的IP包的中间数据进行缓存；IP包分包模块，用于将所述IP包进行分类获取分类信息并进行分类缓存；及EPDU包封装模块，用于根据所述分类信息对所述IP包进行封装得到EPDU包后分别存入对应的缓存；
所述数据链路层处理部分包括：MPDU包封装模块，用于分别对缓存的EPDU包进行封装得到MPDU包；AOS传输帧封装模块，用于分别对所述MPDU包进行封装得到AOS传输帧；及信道复接调度模块，用于将所述AOS传输帧进行信道复接调度后输出至物理信道。
较佳地，装置还包括：
VCID与IP地址映射表，用于存储不同IP地址数据对应的VCID信息；
及优先级关系表，用于存储不同VCID数据的优先级，所述信道复接调度模块根据该优先级关系表的优先级对所述AOS传输帧进行调度。
较佳地，所述VCID与IP地址映射表支持在轨注入更新，对于飞行任务过程中需要更改网络拓扑和数据类型的航天器，通过相应更改所述VCID与IP地址映射表实现AOS复接服务类型的更改。
较佳地，所述IP包分包模块识别所述IP包的源IP地址信息后根据所述VCID与IP地址映射表进行分类后分类缓存，缓存IP包的同时，提取IP包中的包长信息，将其写入对应的包长缓存。
较佳地，装置还包括：定时器，用于对MPDU封装信道空闲时间进行计时，并在预设延迟指标内将最后一帧MPDU数据输出；
其中，当MPDU包无有效EPDU包填满时，启动所述定时器；设置定时器阈值，若定时器超出阈值溢出时仍然没有有效EPDU包输入，则将MDPU包用EPDU填充帧填满后直接下传。
较佳地，所述高速缓存控制模块通过外部设置的DDR高速大容量缓存进行接口高速IP包数据缓存，及通过FPGA内部BRAM资源进行所述IP包的中间数据的缓存。
较佳地，所述中间数据包括：IP包包长缓存、IP包缓存、EPDU包包长缓存、EPDU包缓存及AOS传输帧缓存。
较佳地，所述EPDU包封装模块根据缓存中IP包包长读取相应的IP包，并按照IPover CCSDS协议和CCSDS标准封装服务，对IP包进行EPDU封装，封装后分别将EPDU包包长和EPDU包存入相应的缓存。
较佳地，所述MPDU包封装模块进行封装时，根据所述EPDU包的包长读取对应的EPDU包，按照CCSDS AOS数据链路协议的标准MPDU封装服务，对所述EPDU包进行MPDU封装，封装后MPDU包输出至所述AOS传输帧封装模块；
所述AOS传输帧封装模块将MPDU包封装成标准AOS传输帧，封装后的帧包括与VCID、SCID和传输帧版本相关的链路信息，用于后续的信道复接调度。
较佳地，所述信道复接调度模块基于轮询和静态优先级相结合的调度策略，根据优先级关系表，对各路VC数据进行复接调度，调度后输出给外部的物理信道；
所述优先级表支持在轨注入更新，以在飞行任务过程中动态更改信道优先级关系。
本发明其优点和有益效果是：
(1)在协议转换过程中，通过将IP包和EPDU包的包长和包数据分开独立缓存的方式，使得后级组帧时可快速获取待组帧包的包长信息，利用FPGA并行处理优势，大大提高了协议转换速率；
(2)建立了VCID与IP地址映射机制，对输入的网络数据进行统一提取、分类处理和调度，结合超时定时器和基于优先级的复接调度功能，实现了航天器不同类型数据的高效复接调度，满足不同应用数据的延迟、优先级和可靠性需求。
(3)VCID和IP地址映射表、定时器和优先级表等参数支持在轨注入更改，提高了装置的通用性、灵活性。
附图说明
图1为本发明装置总体组成示意图；
图2为本发明优选实施例的装置原理框图；
图3为基于优先级的复接调度策略流程图。
具体实施方式
以下将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本发明的一部分实例，并不是全部的实例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
为了便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例作进一步的解释说明，且各个实施例不构成对本发明实施例的限定。
参考图1所示，本实施例提供了一种基于FPGA的高速空间网络数据协议转换与复接装置，包括：网络层处理部分10和数据链路层处理部分20。该装置采用可编程逻辑(FPGA)实现，且网络层处理部分10和数据链路层处理部分20是基于CCSDS规范设置的。其中，网络层处理部分10进一步包括：高速缓存控制模块11，用于对空间网络接收的IP包的中间数据进行缓存；IP包分包模块12，用于将所述IP包进行分类获取分类信息并进行分类缓存；及EPDU包封装模块13，用于根据所述分类信息对所述IP包进行封装得到EPDU包后分别存入对应的缓存；数据链路层处理部分20具体包括：MPDU包封装模块21，用于分别对缓存的EPDU包进行封装得到MPDU包；AOS传输帧封装模块22，用于分别对所述MPDU包进行封装得到AOS传输帧；及信道复接调度模块23，用于将所述AOS传输帧进行信道复接调度后输出至物理信道。
参考图2所示，该装置的FPGA内部还设置有：VCID(虚拟信道标识)与IP地址映射表、定时器及优先级关系表。VCID与IP地址映射表用于存储不同IP地址数据对应的VCID信息，用于对IP包进行分类存储，并在AOS组帧时添加相应的VCID；定时器，用于对MPDU封装信道空闲时间进行计时，并在预设延迟指标内将最后一帧MPDU数据输出；优先级关系表，用于存储不同VCID数据的优先级，上述的信道复接调度模块根据该优先级关系表的优先级对所述AOS传输帧进行调度。
本实施例的VCID与IP地址映射表及定时器均支持在轨注入更新，对于飞行任务过程中需要更改网络拓扑和数据类型的航天器，通过相应更改该VCID与IP地址映射表即可实现AOS复接服务类型的更改。
优选地，IP包分包模块识别所述IP包的源IP地址信息后根据上述VCID与IP地址映射表进行分类后分类缓存，缓存IP包的同时，提取IP包中的包长信息，将其写入对应的包长缓存。
进一步地，高速缓存控制模块通过外部设置的DDR高速大容量缓存进行接口高速IP包数据缓存，以适应网络接口的突发大容量数据缓存需求。并通过FPGA内部BRAM资源进行所述IP包的中间数据的缓存。其中，中间数据主要包括：IP包包长缓存、IP包缓存、EPDU包包长缓存、EPDU包缓存及AOS传输帧缓存等等。
EPDU包封装模块根据缓存中IP包包长读取相应的IP包，并按照IP over CCSDS协议和CCSDS标准封装服务，对IP包进行EPDU封装，封装后分别将EPDU包包长和EPDU包存入相应的缓存。
MPDU包封装模块进行封装时，根据所述EPDU包的包长读取对应的EPDU包，按照CCSDS AOS数据链路协议的标准MPDU封装服务，对所述EPDU包进行MPDU封装，封装后MPDU包输出至所述AOS传输帧封装模块。当MPDU包无有效EPDU包填满时，启动定时器；设置定时器阈值，若定时器超出阈值溢出时仍然没有有效EPDU包输入，则将MDPU包用EPDU填充帧填满后直接下传。AOS传输帧封装模块将MPDU包封装成标准AOS传输帧，封装后的帧包括VCID、SCID和传输帧版本等相关的链路信息，用于后续的信道复接调度。
信道复接调度模块基于轮询和静态优先级相结合的调度策略，根据优先级关系表，对各路VC数据进行复接调度，调度后输出给外部的物理信道。该优先级表也支持在轨注入更新，以在飞行任务过程中动态更改信道优先级关系，以适应不同应用需求。
再次参考图1及2，该装置工作流程如下：网络数据经网络预处理模块后输入FPGA，通过内总线传输，与FPGA间采用高速SERDES接口，传输内容为待下行的IP包，SERDES传输速率达6Gbps，支持多路千兆以太网数据的并行输入。网络数据输入后，FPGA内部继续进行核心处理流程：
(1)IP包分包模块识别输入IP包中的源IP地址信息，根据VCID与IP地址映射表，将IP包进行分类缓存，以区分不同的用户数据类型；IP包分包模块在缓存IP包的同时，提取IP包中的包长信息，将其写入对应的包长缓存，确保包长和包数据的一一对应关系；
(2)EPDU包封装模块根据缓存中IP包包长读取相应的IP包，并按照IP over CCSDS协议和CCSDS标准封装服务，对IP包进行EPDU封装，封装后分别将EPDU包包长和EPDU包存入相应的缓存，确保包长和包数据的一一对应关系。
(3)MPDU包封装模块根据EPDU包包长读取对应的EPDU包，按照CCSDS AOS数据链路协议的标准MPDU封装服务，对EPDU包进行MPDU封装，封装后MPDU包输出至AOS传输帧封装模块；
(4)AOS传输帧封装模块将MPDU包封装成标准AOS传输帧，封装后的帧包含VCID、SCID、传输帧版本号等链路信息，用于后续的信道复接调度。
(5)信道复接调度模块采用基于轮询和静态优先级相结合的调度策略，根据优先级关系表，对各路VC数据进行复接调度，整体调度策略如图3所示，调度后输出给外部物理信道。
根据不同的应用要求，可对上述装置的各配置参数进行相应的配置。本实施例中，网络数据中包含生理数据、数管遥测数据、图像数据、话音数据、载荷数据1、载荷数据2等6类数据。其中，图像和话音数据对延迟要求高，生理数据和数管遥测数据对可靠性要求较高，而载荷数据速率较高；根据数据速率和对延时、可靠性的要求，对其进行参数配置，本实施例配置如表1所示：
表1参数配置表
Figure BDA0002467856220000061
Figure BDA0002467856220000071
本实施例中，下行信道速率为690Mbps。通过上述配置，实测对图像数据和话音数据的延迟在1ms以内，在对载荷网数据进行流量控制的情况下，下行信道利用率达100％，且在载荷数据波动时，关键生理数据和数管遥测数据不会发生丢包现象。以上配置满足了航天器不同类型数据的传输服务需求，保证了数据高效和可靠调度传输。
本实施例中，由于VCID与IP地址映射表、定时器和优先级表支持在轨注入更新，对于飞行任务过程中需要更改网络拓扑和数据类型的航天器，可通过相应更改映射表实现AOS复接服务类型的更改。更改时，通过星上1553B总线BC向本装置RT发送相应的更改指令和参数，FPGA内配置参数管理模块接收后对内部参数实施更改。
本发明装置通过对输入IP包进行高速缓存、分包、EPDU包封装、MPDU包封装、AOS传输帧封装和信道复接调度等，实现高速空间网络数据协议的转换和复接。本发明通过将IP包和EPDU包的包长、包数据分开独立缓存，大大提高了协议转换速度；同时，基于VCID与IP地址映射、超时定时器和优先级调度策略对网络数据进行分类高效调度复接，满足了不同应用数据的传输需求。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，对本发明所做的变形或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述的权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于FPGA的高速空间网络数据协议转换与复接装置，其特征在于，包括：网络层处理部分和数据链路层处理部分；其中，
所述网络层处理部分包括：高速缓存控制模块，用于对空间网络接收的IP包的中间数据进行缓存；IP包分包模块，用于将所述IP包进行分类获取分类信息并进行分类缓存；及EPDU包封装模块，用于根据所述分类信息对所述IP包进行封装得到EPDU包后分别存入对应的缓存；
所述数据链路层处理部分包括：MPDU包封装模块，用于分别对缓存的EPDU包进行封装得到MPDU包；AOS传输帧封装模块，用于分别对所述MPDU包进行封装得到AOS传输帧；及信道复接调度模块，用于将所述AOS传输帧进行信道复接调度后输出至物理信道。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的高速空间网络数据协议转换与复接装置，其特征在于，装置还包括：
VCID与IP地址映射表，用于存储不同IP地址数据对应的VCID信息；
及优先级关系表，用于存储不同VCID数据的优先级，所述信道复接调度模块根据该优先级关系表的优先级对所述AOS传输帧进行调度。
3.根据权利要求2所述的基于FPGA的高速空间网络数据协议转换与复接装置，其特征在于，所述VCID与IP地址映射表支持在轨注入更新，对于飞行任务过程中需要更改网络拓扑和数据类型的航天器，通过相应更改所述VCID与IP地址映射表实现AOS复接服务类型的更改。
4.根据权利要求2或3所述的基于FPGA的高速空间网络数据协议转换与复接装置，其特征在于，所述IP包分包模块识别所述IP包的源IP地址信息后根据所述VCID与IP地址映射表进行分类后分类缓存，缓存IP包的同时，提取IP包中的包长信息，将其写入对应的包长缓存。
5.根据权利要求1所述的基于FPGA的高速空间网络数据协议转换与复接装置，其特征在于，装置还包括：定时器，用于对MPDU封装信道空闲时间进行计时，并在预设延迟指标内将最后一帧MPDU数据输出；
其中，当MPDU包无有效EPDU包填满时，启动所述定时器；设置定时器阈值，若定时器超出阈值溢出时仍然没有有效EPDU包输入，则将MDPU包用EPDU填充帧填满后直接下传。
6.根据权利要求1所述的基于FPGA的高速空间网络数据协议转换与复接装置，其特征在于，所述高速缓存控制模块通过外部设置的DDR高速大容量缓存进行接口高速IP包数据缓存，及通过FPGA内部BRAM资源进行所述IP包的中间数据的缓存。
7.根据权利要求1或6所述的基于FPGA的高速空间网络数据协议转换与复接装置，其特征在于，所述中间数据包括：IP包包长缓存、IP包缓存、EPDU包包长缓存、EPDU包缓存及AOS传输帧缓存。
8.根据权利要求1所述的基于FPGA的高速空间网络数据协议转换与复接装置，其特征在于，所述EPDU包封装模块根据缓存中IP包包长读取相应的IP包，并按照IP over CCSDS协议和CCSDS标准封装服务，对IP包进行EPDU封装，封装后分别将EPDU包包长和EPDU包存入相应的缓存。
9.根据权利要求1所述的基于FPGA的高速空间网络数据协议转换与复接装置，其特征在于，所述MPDU包封装模块进行封装时，根据所述EPDU包的包长读取对应的EPDU包，按照CCSDS AOS数据链路协议的标准MPDU封装服务，对所述EPDU包进行MPDU封装，封装后MPDU包输出至所述AOS传输帧封装模块；
所述AOS传输帧封装模块将MPDU包封装成标准AOS传输帧，封装后的帧包括与VCID、SCID和传输帧版本相关的链路信息，用于后续的信道复接调度。
10.根据权利要求1所述的基于FPGA的高速空间网络数据协议转换与复接装置，其特征在于，所述信道复接调度模块基于轮询和静态优先级相结合的调度策略，根据优先级关系表，对各路VC数据进行复接调度，调度后输出给外部的物理信道；
所述优先级表支持在轨注入更新，以在飞行任务过程中动态更改信道优先级关系。
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