高寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡載荷交換設計與實現(xiàn)

摘 要：低軌衛(wèi)星星座具有傳輸延時小、系統(tǒng)容量大、應用場景豐富、制造成本低等優(yōu)勢，已成為構建衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的核心環(huán)節(jié)，其中高帶寬、高速交換技術是實現(xiàn)星間、星地數(shù)據(jù)業(yè)務轉發(fā)的關鍵技術之一。因此，聚焦高寬帶低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡載荷交換的設計，以滿足衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)中高帶寬交換、低時延誤差、高可靠性等星載交換需求。為適應太空極端環(huán)境，設計了基于宇航級現(xiàn)場可編程門陣列（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ，ＦＰＧＡ）實現(xiàn)。由于宇航級ＦＰＧＡ 芯片接口、緩存以及邏輯資源受限，采用兩片ｘｃ７ｖ６９０ｔ ＦＰＧＡ 聯(lián)合實現(xiàn)，搭建聚合式Ｃｒｏｓｓｂａｒ 架構，解決資源受限問題，各單元模塊合理布局，主要包括處理總線和交叉節(jié)點網(wǎng)絡，通過交換模塊實現(xiàn)星間星地業(yè)務交換功能。從傳輸帶寬、丟包率和傳輸時延等方面對系統(tǒng)進行性能評估，實現(xiàn)總傳輸帶寬達４０ Ｇｂｉｔ ／ ｓ、支持８ 優(yōu)先級服務質量（Ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ Ｓｅｒｖｉｃｅ，ＱｏＳ）保障、時延小于５０μｓ 的交換系統(tǒng)，為資源受限的太空工作環(huán)境提供可行性方案。

關鍵詞：衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)；高帶寬交換；Ｃｒｏｓｓｂａｒ 架構

中圖分類號：ＴＮ９２７＋． ２ 文獻標志碼：Ａ 開放科學（資源服務）標識碼（ＯＳＩＤ）：

文章編號：１００３－３１１４（２０２４）０６－１１６０－０９

０ 引言

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)構成了衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的最主要組成部分，具有通信質量高、覆蓋距離遠等優(yōu)點，在現(xiàn)代通信業(yè)務中的地位舉足輕重。２０２０ 年我國首次將衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)納入新基建的范疇，預計到２０３０ 年市場規(guī)?？赏黄魄|級別［１］。在目前日益復雜的業(yè)務應用面前，交換系統(tǒng)的性能成為設備適用范圍的關鍵因素。

目前對衛(wèi)星交換系統(tǒng)的最大要求是高可靠性，包括保證在極端溫度環(huán)境下的工作狀態(tài)，以及在異常情況下的恢復能力。綜合考慮本次設計將基于可編程門陣列（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ，ＦＰＧＡ）芯片設計Ｃｒｏｓｓｂａｒ 結構的交換系統(tǒng)。

宇航級ＦＰＧＡ 芯片可防止極端溫度情況下比特翻轉異常，并且可以隨時在異常情況下重啟程序甚至重構新程序，使系統(tǒng)能保證隨時恢復可用狀態(tài)且可以靈活升級［２］。另外，Ｃｒｏｓｓｂａｒ 結構作為傳統(tǒng)交換結構，具有高可靠性和高擴展性的特點，可滿足星載交換對于可靠性和傳輸帶寬的需求。

１ 整體系統(tǒng)概述

如今，衛(wèi)星事業(yè)發(fā)展先進的國家已經(jīng)發(fā)射了大量通信衛(wèi)星，建立了ＴｅｌｅＳａｔ、Ｋｕｉｐｅｒ、Ｓｔａｒｌｉｎｋ 星座、ＯｎｅＷｅｂ 星座等移動通信系統(tǒng)［３－４］。在衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)領域研究中，我國發(fā)射了鴻雁星座、虹云星座，并展開空天一體化部署。在上述星座中，Ｓｔａｒｌｉｎｋ Ｖ１． ０版本的單星寬帶為１８ Ｇｂｉｔ／ ｓ，ＯｎｅＷｅｂ 單星寬帶僅為８ Ｇｂｉｔ／ ｓ［５－６］。因此本文提出了多片互連方案以提升單星傳輸帶寬至４０ Ｇｂｉｔ／ ｓ。

相較于專用集成電路（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ，ＡＳＩＣ）芯片，ＦＰＧＡ 芯片具備可靈活編程的優(yōu)勢，不僅可根據(jù)實際需求靈活配置，還能夠隨時升級系統(tǒng)。并且，隨著近幾年集成芯片的發(fā)展，高成本的ＡＳＩＣ 已逐漸淘汰，ＦＰＧＡ 芯片更得青睞，已發(fā)展出可在太空極端環(huán)境下正常運行的宇航級ＦＰＧＡ 芯片，能夠避免高能粒子干擾、比特翻轉、電離輻射等問題，滿足宇航級系統(tǒng)的工作要求。目前，主流星載硬件平臺均采用Ｘｉｌｉｎｘ 公司開發(fā)的宇天級ＦＰＧＡ。隨著芯片工藝的發(fā)展，已研制出２８ ｎｍ 的宇航級Ｖｉｒｔｅｘ７ 系列ＦＰＧＡ［７－８］。

由于宇航級Ｖ７ ＦＰＧＡ 芯片資源短缺，因此本文設計采用兩片互連的方式構建聚合式Ｃｒｏｓｓｂａｒ 架構，一方面滿足高帶寬交換需求，另一方面整合資源擴展交換系統(tǒng)對外接口?；冢茫颍铮螅螅猓幔?交叉開關陣列的特點，它能夠支持多個端口并行數(shù)據(jù)傳輸，有效消除了交換機內部的擁塞現(xiàn)象，使得總線上的端口均能以最高效率運行，顯著增強了數(shù)據(jù)的傳遞速度與交換機的處理能力。

該系統(tǒng)包括星地交換單元和星間交換單元，交換單元的交換傳輸帶寬為４０ Ｇｂｉｔ／ ｓ。為保證兩個交換單元之間通信數(shù)據(jù)的速率，片間采用兩個高速串行ＧＴＨ 接口，使用Ａｕｒｏｒａ 協(xié)議，６４ｂ／６６ｂ 編碼，信息速率能夠支持１０ Ｇｂｉｔ／ ｓ；片間接口１ 用于傳輸高速通道與星地交換單元的數(shù)據(jù)接收及發(fā)送，片間接口２ 用于傳輸用戶設備與星地交換單元的數(shù)據(jù)接收及發(fā)送。

交換架構由星間交換單元和星地交換單元組成，兩個單元設置４ 條總線，形成４×４ 交叉結點網(wǎng)絡，每條總線均設置輸入處理、流分類、分組處理、查找表、隊列管理、Ｃｒｏｓｓｂａｒ、總線調度等模塊［９－１１］。

星間交換單元模塊組成如圖１ 所示。

衛(wèi)星載荷交換技術實現(xiàn)的流程各模塊功能介紹如下：

①輸入處理模塊：數(shù)據(jù)幀經(jīng)過輸入處理模塊進入交換單元，數(shù)據(jù)幀將被寫入數(shù)據(jù)先入先出（ＦｉｒｓｔＩｎｐｕｔ Ｆｉｒｓｔ Ｏｕｔｐｕｔ，ＦＩＦＯ）隊列中；

② 輸入輪詢模塊：在具備端口聚合功能的總線中，此模塊會逐一檢查各端口的數(shù)據(jù)ＦＩＦＯ，從中挑選某個端口的數(shù)據(jù)進入交換網(wǎng)絡，并進一步將選定路徑的數(shù)據(jù)幀轉發(fā)至流量分類與分組處理環(huán)節(jié)［３］；

③ 流分類處理模塊：載荷數(shù)據(jù)來到該模塊，流分類將對載荷數(shù)據(jù)標簽進行解析，針對不同類型數(shù)據(jù)產(chǎn)生相應指令碼，傳遞至后級分組處理模塊，處理指令包括丟棄、轉發(fā)和標簽計算等；

④ 分組處理模塊：依據(jù)流量類型判定生成的指令碼獲取數(shù)據(jù)幀的操作類型、目的端口號或標簽替換字段等信息，并針對不同指令碼進行對應操作；

⑤ 查找表模塊：解析載荷數(shù)據(jù)標簽信息，匹配單播、組播、廣播表中的對應信息，并獲取出端口號，反饋給分組處理模塊；

⑥ 隊列管理模塊：依據(jù)分組處理解析的載荷數(shù)據(jù)出端口號和優(yōu)先級，計算數(shù)據(jù)的入隊號，通過閾值調節(jié)機制，為符合條件的數(shù)據(jù)申請緩存空間；

⑦ 總線調度模塊：在交叉節(jié)點網(wǎng)絡中采用輪詢機制查找未被占用的節(jié)點，依據(jù)絕對優(yōu)先權分配、循環(huán)分配和加權循環(huán)分配等算法，對８ 個優(yōu)先級隊列進行輪詢判斷。在數(shù)據(jù)傳輸過程中的節(jié)點選擇通過調度信號控制，調度信息包含目的結點號、幀長等信息。

２ 功能模塊詳細設計

２． １ 輸入處理模塊

輸入處理模塊主要完成數(shù)據(jù)幀的校驗和數(shù)據(jù)格式的匹配。業(yè)務幀校驗完成后若正確則進行下一步處理，否則進行相應操作；數(shù)據(jù)格式的匹配是將串行高速接口數(shù)據(jù)匹配成為并行數(shù)據(jù)，同時添加其他輔助信號以提高交換內部處理速率。

該模塊由３ 個功能模塊、兩組ＦＩＦＯ 和ＲＡＭ ＩＰ核組成，采用兩級緩存處理。如果不考慮業(yè)務方面，僅從數(shù)據(jù)傳輸角度考慮，由于涉及跨時鐘域處理以及位寬轉換，這樣兩級緩存的結構更利于傳輸?shù)姆€(wěn)定性，輸入處理模塊原理框圖如圖２ 所示。

在數(shù)據(jù)ＦＩＦＯ 和幀長ＦＩＦＯ 的深度設置方面，先確定數(shù)據(jù)ＦＩＦＯ 的深度，再以最短幀４０ Ｂｙｔｅ 為準計算數(shù)據(jù)ＦＩＦＯ 最多可能緩存的幀數(shù)，以此作為幀長ＦＩＦＯ 的深度，這樣可以避免數(shù)據(jù)幀存進ｄａｔａ＿ｆｉｆｏ，而ｌｅｎ＿ｆｉｆｏ 溢出的情況。

此外，該設計中所有涉及ｄａｔａ＿ｆｉｆｏ 和ｌｅｎ＿ｆｉｆｏ 聯(lián)合使用的情況時，在代碼設計中保證數(shù)據(jù)完整存進ｄａｔａ＿ｆｉｆｏ 并完整緩存的后一個周期，將幀長緩存進ｌｅｎ＿ｆｉｆｏ。這樣操作可以以ｌｅｎ＿ｆｉｆｏ 的ｅｍｐｔｙ 空信號判斷ｄａｔａ＿ｆｉｆｏ 中是否已存在完整的一幀數(shù)據(jù)，防止未將完整數(shù)據(jù)緩存完成就將數(shù)據(jù)讀出，導致數(shù)據(jù)錯誤。

輸入處理模塊主要完成來自輸入接口數(shù)據(jù)的校驗、幀類型檢查和位寬轉換等功能。當輸入數(shù)據(jù)通過外部接口進入輸入處理模塊后，進行同步頭搜索匹配，同步頭是簡單鏈路協(xié)議（Ｓｉｍｐｌｅ Ｄａｔａ Ｌｉｎｋ，ＳＤＬ）幀的起始，通過檢索同步頭可快速完成數(shù)據(jù)幀的界定和處理，同步頭匹配成功后需要進行幀長進行判斷、頭部校驗（Ｈｅａｄｅｒ Ｅｒｒｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ，ＨＥＣ）和循環(huán)冗余校驗（Ｃｙｃｌｉｃ Ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ Ｃｈｅｃｋ，ＣＲＣ），若校驗錯誤則丟棄該幀數(shù)據(jù)。位寬轉換是將來自高速接口的６４ ｂｉｔ 數(shù)據(jù)和來自低速接口的串行數(shù)據(jù)轉換為２５６ ｂｉｔ 數(shù)據(jù)以匹配交換單元內部邏輯的數(shù)據(jù)位寬。而ＣＲＣ 則用于對接收數(shù)據(jù)幀的標簽數(shù)據(jù)和凈荷數(shù)據(jù)進行誤碼判斷，防止錯誤數(shù)據(jù)幀進入后級模塊。對于校驗正確的業(yè)務幀將進行對應操作并寫入存儲單元，使得數(shù)據(jù)幀能穩(wěn)定轉發(fā)。輸入處理模塊流程如圖３ 所示。其中，數(shù)據(jù)幀的校驗包括幀長的ＨＥＣ和幀頭的ＣＲＣ。幀長ＨＥＣ 用來對幀長字段進行糾錯，幀頭ＣＲＣ 用來對標簽字段進行糾錯。依據(jù)ＡＮＳＩＣＲＣ１６ 標準，可糾正所有單個比特的錯誤，生成多項式為ｇ（ｘ）＝ ｘ１６ ＋ｘ１５ ＋ｘ２ ＋１。

２． ２ 輸入輪詢模塊

輸入輪詢模塊實現(xiàn)多個端口的數(shù)據(jù)輪詢，最終輸出為一路并行高速數(shù)據(jù)給后端處理。針對具備端口合并功能的通信總線，輸入輪詢單元將逐個檢查每個端口的數(shù)據(jù)ＦＩＦＯ 隊列，挑選出一個端口以接入交換網(wǎng)絡，并進一步將選取路徑上的數(shù)據(jù)幀傳輸至流量分類以及分組處理單元；對于不具備端口合并屬性的總線，端口數(shù)據(jù)直接送至流量分類和分組處理單元進行后續(xù)處理。輪詢調度（Ｒｏｕｎｄ Ｒｏｂｉｎ，ＲＲ）算法流程如圖４ 所示。

本文采用基于輸出端口狀態(tài)反饋的ＲＲ 算法［４］。ＲＲ 機制針對輸出端口狀態(tài)的反饋原理，逐一查詢各個輸出端口。當某一端口下轄的所有優(yōu)先隊列均無數(shù)據(jù)，或該端口返回的緩存狀態(tài)顯示為“滿載”時，系統(tǒng)將移至下一輸出端口進行輪詢檢查。

這一策略能在現(xiàn)有的ＲＲ 公平輪詢機制，依據(jù)各端口目前的反壓信號進行評估，提升了端口輪詢機制的正確率，更精準地適應交換機的實際運作情況，并做出實時的調節(jié)。

２． ３ 流分類處理模塊

流分類處理模塊完成數(shù)據(jù)幀中數(shù)據(jù)鏈路層核心字段解析功能，經(jīng)由識別數(shù)據(jù)包內的重要數(shù)據(jù)并將其歸類，生成包括變更網(wǎng)絡地址、丟棄、轉發(fā)等操作碼。

流分類處理模塊分為信息提取模塊和決策模塊兩部分。信息提取模塊用于解析載荷數(shù)據(jù)標簽的特定字段信息，根據(jù)定義幀格式，可設定解析字段偏移量和提取長度，將解析到的字段信息傳輸給后級決策模塊；決策模塊接收解析后的字段信息，對該組信息進行映射、計算等操作，生成操作碼。

當數(shù)據(jù)流需要進入流識別程序時，該單元先對數(shù)據(jù)包的頭部信息逐一檢查，按照數(shù)據(jù)幀的結構規(guī)范，利用字段在數(shù)據(jù)包中的起始位置及其所占的字節(jié)長度，計算出字段的實際內容，并將其存儲于內部寄存器以備后用；策略決策單元將基于信息解析單元提供的字段提取狀態(tài)信號與具體的字段值，進行規(guī)則比對，并據(jù)此產(chǎn)生相應的動作指令，這些動作指令編碼后傳遞給數(shù)據(jù)包處理單元執(zhí)行。流分類處理流程如圖５ 所示。

信息提取模塊提取的幀頭信息為：幀類型、優(yōu)先級、目的站地址、源站地址、協(xié)議類型、ＴＴＬ 值、衛(wèi)星號、自然數(shù)編碼端口號、ｏｎｅｈｏｔ 編碼端口號、保障組播廣播標簽、輸入端口號。這些信息將通過直連的方式傳遞給決策模塊。此外，還有握手信號，以確保決策模塊能正確識別幀信息。

在決策模塊中，根據(jù)規(guī)定的操作碼幀格式進行組幀，獲取的幀信息映射出操作碼各個字段數(shù)值。除去查表等待時間，僅需一個時鐘周期即可生成并輸出操作碼，隨路附帶操作碼有效信號。

２． ４ 分組處理模塊

流分類對載荷數(shù)據(jù)解析計算后，生產(chǎn)指令碼傳輸給分組處理模塊。分組處理模塊負責執(zhí)行這些指令碼，由此實現(xiàn)不同類型數(shù)據(jù)幀分類處理等相應功能，并對入隊成功后的數(shù)據(jù)幀進行修改并填充校驗。

分組處理是衛(wèi)星載荷數(shù)據(jù)交換單元的關鍵模塊，該模塊承載交換系統(tǒng)主要的計算、控制功能，是決定載荷數(shù)據(jù)能否正常計算和轉發(fā)的重要環(huán)節(jié)［１２］。

輸入處理模塊負責正確接收來自前級模塊的數(shù)據(jù)幀，將其緩存在ｂｕｆｆｅｒ 中。分組處理內部結構如圖６ 所示。

輸出處理模塊負責對應指令碼，對相應載荷數(shù)據(jù)進行指定操作，如丟棄、變更網(wǎng)絡地址、直接轉發(fā)等功能；負責數(shù)據(jù)的正確搬移，并在搬移數(shù)據(jù)的同時執(zhí)行修改幀頭字段并填充校驗值。

分組處理模塊識別數(shù)據(jù)幀中的信息，并依據(jù)解析結果對其進行恰當處理，確保分組任務的順利完成。具體功能包括：

① 正確接收輸入處理模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)幀，并能對數(shù)據(jù)幀進行處理，如識別幀類型、更改字段等。將處理后的數(shù)據(jù)幀和調度信息傳輸給后級模塊。

② 識別來自流分類模塊的指令碼，并對載荷數(shù)據(jù)進行對應操作，如丟棄、更改網(wǎng)絡地址等字段，直接轉發(fā)等。

③ 識別需交由ＣＰＵ 處理的數(shù)據(jù)包，并將其打上獲取標簽，并轉發(fā)至ＣＰＵ。

④ 從載荷數(shù)據(jù)標簽中解析查表地址詳情，并將查表地址傳遞給檢索表組件，對相應的表項進行檢索。此組件在查詢得到結果后，將合適的輸出端口號反饋至分組處理單元。當查詢動作失敗，需向分組處理單元發(fā)出替代指示，例如在數(shù)據(jù)鏈路層查詢無果后會廣播該幀數(shù)據(jù)。

２． ５ 查找表模塊

查找表模塊的主要功能是為輸出數(shù)據(jù)選擇對應的輸出端口號。該模塊與分組處理模塊之間有接口信號，分組處理模塊為查找表模塊提供需要進行查找的相關信息，如標簽號、單播使能、組播使能等，而查找表則將查詢結果回傳給處理單元。

查找表主要用于不同業(yè)務數(shù)據(jù)、應用方式的轉發(fā)。各類轉發(fā)表由網(wǎng)控、路由、地面控制中心配置到星上代理，由代理維護表項并配置到分組交換中，查找表模塊原理框圖如圖７ 所示。

２． ６ 隊列管理

隊列管理單元的核心職能是與調度單元共同執(zhí)行任務，涵蓋了申領入隊的存儲區(qū)域、對已完成出隊任務的存儲空間進行解除與收回、維持和更新隊列鏈表的各種操作。同時，此模塊在配合輸入輸出調度器及總線控制邏輯方面，承擔了數(shù)據(jù)在不同存儲構件間轉移，包括輸入輸出接口緩沖、共享緩存隊列等任務［１３］。

以固定長度緩沖器ｂｕｆｆｅｒ 方法管理隊列，以提升緩存使用效率，充分發(fā)揮ＦＰＧＡ 內部存儲資源的作用，使用固定長度單元來儲存不等長的數(shù)據(jù)包的隊列鏈表管理方法?；驹硎菍⑷看鎯^(qū)域分割成眾多相等長度的儲存單位（稱為緩沖區(qū)），為每個緩沖區(qū)配備一個標識符ｂｕｆｆｅｒ。緩沖描述符（Ｂｕｆｆｅｒ Ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ，ＢＤ）是管理所有存儲容量的根本模塊，它按照鏈表結構來安排緩沖區(qū)，而緩沖區(qū)中關于自身的信息則保存在ＢＤ 中。單個數(shù)據(jù)包被分割后存放在若干緩沖區(qū)內，這些緩沖區(qū)有可能是不相鄰的。以緩沖區(qū)大小６４ Ｂｙｔｅ 為例，一份１５０ Ｂｙｔｅ的數(shù)據(jù)包僅需占用３ 個緩沖區(qū)。隊列管理方法流程如圖８ 所示。

隊列管理方法流程要點如下。

（１）設計過程

在設計過程中數(shù)據(jù)幀的存儲單元規(guī)定為６４ Ｂｙｔｅ，每個緩沖區(qū)匹配一個ＢＤ，該緩沖區(qū)的描述細節(jié)被保存在ＢＤ 中。ＢＤ 的數(shù)據(jù)被放置在具有固定大小的存儲器ＲＡＭ 中，也就是所謂的ＢＤ ＲＡＭ。在程序啟動并重置時，需要對ＢＤ ＲＡＭ 執(zhí)行初始化操作。ＢＤＲＡＭ 中的低１６ 位數(shù)值對應后續(xù)ｂｕｆｆｅｒ 地址，從而在所有ｂｕｆｆｅｒ 地址中形成了互連結構。同前文提到ＢＤ ＲＡＭ 的初始化過程后，ｂｕｆｆｅｒ 地址０ 的下一跳是ｂｕｆｆｅｒ 地址１，ｂｕｆｆｅｒ 位于地址１ 處的后續(xù)跳轉指向緩沖地址２，依此類推，最終一個緩沖地址再次指回緩沖地址０。復位操作后，所有緩沖體地址變?yōu)榭臻e可用狀態(tài)，在有數(shù)據(jù)幀需要排隊時可提出占用請求。

（２）隊列控制的進出機制

在隊列控制的進出機制中主要涉及３ 個階段：空轉階段、排隊進入階段以及排隊離開階段。當系統(tǒng)重置之后，隊列調度進入空轉，依序進行排隊進入和排隊離開的請求操作，完成后復歸空轉，周而復始地進行這一系列動作。此舉確保了隊列進出的公正性，避免了長時間單一的出隊或入隊操作，提升了設計的合理性。需要指出的是，隊列調度的３ 個相互轉換的階段，切換過程需與調控模塊緊密協(xié)同以達成。ＲＡＭ 與ＢＤ 的映射關系如圖９ 所示。

（３）隊列管理調度

隊列管理調度的入隊過程具體分為以下幾個環(huán)節(jié)：① 在初始化排隊請求時，核驗請求數(shù)據(jù)的合規(guī)性，例如檢查輸出接口編號是否合乎規(guī)范、數(shù)據(jù)包長度是否處于允許區(qū)間等。如果請求內容不滿足標準，則放棄這一個排隊請求數(shù)據(jù)包；否則進入下一階段的排隊工作。② 若排隊請求資料無誤，依據(jù)輸出接口編號、優(yōu)先等級等參數(shù)，檢索對應的數(shù)據(jù)輸出序列信息，并同時搜集空閑序列的數(shù)據(jù)。③ 依照此環(huán)節(jié)搜集的輸出序列與空閑序列的信息判斷，考慮加入排隊能否滿足足夠的存儲空間需求以及隊列最大存儲限度，若請求滿足了所有條件，則放棄該排隊請求數(shù)據(jù)包；反之則推進至排隊流程的下一步。④ 根據(jù)排隊請求數(shù)據(jù)包的長度及空閑序列的現(xiàn)狀，逐個配發(fā)相應邏輯進入地址。邏輯進入地址根據(jù)請求數(shù)據(jù)包的大小可能是一個或多個，由數(shù)據(jù)包的長度確定。例如在６４ Ｂｙｔｅ 固定存儲的情況下，若請求數(shù)據(jù)包長度為５２ Ｂｙｔｅ，則僅需分配一個邏輯進入地址；若長度為１５２ Ｂｙｔｅ，則需要分配３ 個。被分配的地址來自空閑序列維護的尚未被利用的存儲位置，按照ＦＩＦＯ 規(guī)則并行使用這些地址。⑤ 在邏輯進入地址分配結束后，更新輸出序列和空閑序列的信息，至此完成排隊的整個入隊流程。

（４）隊列管理的出隊操作

隊列管理的出隊操作具體步驟為：① 依據(jù)請求出隊的載荷數(shù)據(jù)，包括出口端口號、優(yōu)先級等，抓取匹配輸出序列的詳細信息，并同時判斷處于空閑狀態(tài)隊列。② 遵循ＦＩＦＯ 的規(guī)則，將輸出序列最前端的幀解除并告知其邏輯離隊的具體位置。③ 當邏輯離隊位置信息全部提供完畢，即刻刷新輸出隊列與空缺隊列的最新狀態(tài)。

３ 系統(tǒng)功能及性能驗證

此系統(tǒng)的功能及性能驗證通過思博倫公司設計生產(chǎn)的網(wǎng)絡測試儀ＴｅｓｔＣｅｎｔｅｒ 產(chǎn)生標準以太網(wǎng)流量，配合協(xié)議轉換設備［１４－１５］，完成星載交換系統(tǒng)各項功能的驗證。測試環(huán)境示意如圖１０ 所示。

基于兩片ｘｃ７ｖ６９０ｔ ＦＰＧＡ，搭建聚合式Ｃｒｏｓｓｂａｒ架構，兩片ＦＰＧＡ 芯片分別部署星間接口和星地接口。兩片ＦＰＧＡ 采用聚合的方式極大拓展了接口資源，支持１６ 路高速接口以及２０ 路低速接口，并且整合緩存資源以及邏輯資源，控制資源利用率優(yōu)化在８０％ 以下，且預留系統(tǒng)升級冗余備份資源。

在星地、星間數(shù)據(jù)交換的功能實現(xiàn)基礎上，性能要求在無丟包、無誤碼條件下實現(xiàn)４０ Ｇｂｉｔ／ ｓ 傳輸帶寬，且支持８ 優(yōu)先級服務質量（Ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ Ｓｅｒｖｉｃｅ，ＱｏＳ）保障功能，在整體測試過程中交換傳輸時延小于５０ μｓ。

３． １ 星地星間交換功能測試

數(shù)據(jù)由網(wǎng)絡測試儀產(chǎn)生，通過協(xié)議轉換設備，將測試數(shù)據(jù)發(fā)送給星地交換系統(tǒng)，由星地交換系統(tǒng)發(fā)送給星間交換系統(tǒng)，在星間系統(tǒng)中經(jīng)過處理后，從下行鏈路發(fā)送回星地系統(tǒng)，再由協(xié)議轉換設備發(fā)送給網(wǎng)絡測試儀，完成測試閉環(huán)。測試結果如圖１１ 所示，４ 條流量在星地、星間閉環(huán)路徑下均無丟包情況，驗證本系統(tǒng)可完成地面－衛(wèi)星、衛(wèi)星－衛(wèi)星數(shù)據(jù)交換的基礎功能。

３． ２ ＱｏＳ 保障能力測試

在網(wǎng)絡測試儀中設置８ 種不同優(yōu)先級的流量，同時打流測試，測試結果顯示最高優(yōu)先級流量無丟包情況，且優(yōu)先級逐漸降低，丟包率逐漸增加，符合支持８ 優(yōu)先級管理的預期。ＱｏＳ 保障能力測試數(shù)據(jù)優(yōu)先級以及丟包率對應關系如表１ 所示。ＱｏＳ 保障能力測試如圖１２ 所示。

３． ３ ４０ Ｇｂｉｔ／ ｓ 傳輸帶寬測試

該測試分為星間２０ Ｇｂｉｔ／ ｓ、星地２０ Ｇｂｉｔ／ ｓ 兩部分，傳輸帶寬共計４０ Ｇｂｉｔ／ ｓ。

星間接口使用４ 路高速口，流量分配為４ ×５ Ｇｂｉｔ／ ｓ＝２０ Ｇｂｉｔ／ ｓ。測試結果顯示，星間２０ Ｇｂｉｔ／ ｓ流量測試通過。星地接口使用６ 路高速口，流量分配為４×２． ５ Ｇｂｉｔ／ ｓ＋８×１． ２５ Ｇｂｉｔ／ ｓ ＝ ２０ Ｇｂｉｔ／ ｓ。測試結果顯示，星地２０ Ｇｂｉｔ／ ｓ 流量測試通過，如圖１３和圖１４ 所示。

根據(jù)圖１３ 和圖１４ 測試結果圖可知，該系統(tǒng)已實現(xiàn)總計４０ Ｇｂｉｔ／ ｓ 傳輸帶寬，同時滿足５０ μｓ 的傳輸時延。各接口傳輸帶寬測試數(shù)據(jù)如表２ 所示。

４ 結束語

本文聚焦高帶寬多片聚合式Ｃｒｏｓｓｂａｒ 架構星載交換單元，設計了一種傳輸帶寬達到４０ Ｇｂｉｔ／ ｓ 的交換單元設計方案。采用聚合式Ｃｒｏｓｓｂａｒ 架構，交叉節(jié)點網(wǎng)絡包含了共享緩存結構。兩片Ｖ７ 芯片可分別支持星地交換單元和星間交換單元，并通過片間互連完成地面與本星以及非本星的數(shù)據(jù)交換，接口資源擴展至１６ 路高速接口以及２０ 路低速接口，緩存資源和邏輯資源控制在８０％ 以內。整體系統(tǒng)性能達到４０ Ｇｂｉｔ／ ｓ 傳輸帶寬且無丟包、無誤碼，實現(xiàn)５０ μｓ 內低延時［１６－１８］，為資源受限的太空工作環(huán)境提供可行性方案。

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作者簡介：

尹 鵬 男，（２０００—），碩士研究生。主要研究方向：衛(wèi)星通信技術、網(wǎng)絡交換技術、有效載荷技術。

張 冬 男，（１９８９—），碩士，高級工程師。

王 超 男，（１９９０—），碩士，高級工程師。

（*通信作者）魏雯婷 女，（１９８８—），博士，副教授，碩士生導師。主要研究方向：數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡、衛(wèi)星網(wǎng)絡、軟件定義網(wǎng)絡及智能化網(wǎng)絡資源管控等。陜西省青年創(chuàng)新團隊核心骨干。

史勤忠 男，（２０００—），碩士研究生。主要研究方向：衛(wèi)星通信技術、空間網(wǎng)絡技術、有效載荷技術等。

基金項目：國家自然科學基金（６２１０２３０２）；中央高校基本科研業(yè)務費專項資金（ＸＪＳＪ２３０８８）