高可靠千兆以太网交换机研究

论文摘要

航天器越来越先进,功能越来越多样和复杂,意味着航天器内部的控制变得越来越复杂,数据通讯也变得越来越多样化,各种类型的指令和数据的传输需求不断地增加,航天器对其内部网络通信功能的要求不断提高,传统的现场总线传输方式的已经很难满足航天器内部指令和数据传输的要求。具备了较好的通用性、开放性、稳定性、高速性和廉价性的以太网技术成为航天器内部网络选项之一随着计算机技术和通信技术的发展,以太网技术在最近30年获得了飞速的发展,其应用范围越来越广泛,除了在商用办公领域外,在工业控制、国防军工航空航天等领域的应用也逐渐增多。但是由于商用以太网技术不能保证实时性和确定性,也没有特殊的保障措施来保证高可靠性。因此,要把商用以太网技术直接应用于工业控制、国防军工、航空航天等领域是不可行的,必须针对特殊应用领域的特殊需求开发具有特殊功能保证的专用以太网设备。本文致力于设计和实现一种满足航天器网络对于高可靠性和低延时性要求的千兆以太网交换机。本文深入研究了现有各种高可靠低延时以太网技术,包括工业以太网、AFDX网络和时间触发以太网等的高可靠保障机制和低延时保障机制,并分析了其对于航天器网络的借鉴意义。在保障航天器以太网交换机的高可靠性方面,本文提出了一系列从材料级、逻辑设计级和协议级多级保障网络通信高可靠性的方法。在材料级,采用SO1技术并结合抗总剂量加固技术可以使得航天器以太网交换机满足航天器抗辐照的标准；在逻辑设计级通过一系列冗余机制和CRC循环校验机制的结合,保障航天器网络的高可靠性；在协议级,设计了一种比TCP更精简的可靠传输协议,用于保证航天器网络中指令和关键数据传输的正确性。在保障航天器以太网交换机的低延时性方面,本文提出了一种带优先级和流量控制的全双工交换技术,并对于该机制能否满足航天器网络低延时性要求进行了理论分析和实验仿真两方面的验证,理论分析和实验验证的结果表明,这种机制可以满足航天器网络中指令和关键数据传输对于低延时性的苛刻要求。最后,基于本文提出的高可靠性保障方案和低延时性保障方案,本文设计和实现了一种满足航天器网络对于高可靠性和低延时性要求的千兆以太网交换机,该交换机达到的技术指标满足了航天器网路对于高可靠性、低延时性和其他方面的性能要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 以太网的发展历史以及存在的问题
• 1.2.1 以太网
• 1.2.1.1 以太网的发展历史
• 1.2.1.2 以太网的优势
• 1.2.1.3 以太网存在的问题
• 1.2.2 从共享式以太网到交换式以太网
• 1.2.2.1 交换技术简介
• 1.2.2.2 交换式以太网技术的优点
• 1.2.2.3 交换式以太网存在的问题
• 1.3 高可靠低延时以太网交换机的应用需求
• 1.4 课题研究的主要内容
• 1.5 论文结构
• 第二章 高可靠低延时以太网的研究现状
• 2.1 工业以太网
• 2.1.1 工业以太网简介
• 2.1.2 工业以太网高可靠性保障方案
• 2.1.3 工业以太网低延时性保障方案
• 2.1.3.1 EPA的实时性保障方案
• 2.1.3.2 ProfiNet的实时性保障方案
• 2.1.3.3 Ethernet Powerlink的实时性保障方案
• 2.2 AFDX网络
• 2.2.1 AFDX网络简介
• 2.2.1.1 AFDX网络的关键性特点
• 2.2.1.2 AFDX网络的主要功能特点
• 2.2.2 AFDX网络可靠性保障方案
• 2.2.2.1 提供冗余连接
• 2.2.2.2 网冗余
• 2.2.3 AFDX网络实时性分析
• 2.2.3.1 端到端传输延迟
• 2.2.3.2 端到端抖动控制
• 2.3 时间触发以太网
• 2.3.1 时间触发以太网简介
• 2.3.2 时间触发以太网实时性保障方案
• 第三章 航天器以太网交换机高可靠性保障机制的研究
• 3.1 航天器面临的空间辐射环境及其带来的问题
• 3.2 在材料级采用SOI技术提高航天器以太网交换机的可靠性
• 3.2.1 SOI技术简介
• 3.2.2 SOI技术的抗辐照能力研究
• 3.2.3 SOI技术在抗辐照芯片制造方面的应用
• 3.2.4 采用SOI技术生产航天器交换机抗辐照芯片的可行性研究
• 3.3 在逻辑设计级采用冗余技术提高航天器以太网交换机的可靠性
• 3.3.1 MAC模块冗余设计
• 3.3.2 交换模块冗余设计
• 3.3.3 双网冗余结构
• 3.3.4 其他冗余机制
• 3.4 从协议级采用可靠传输协议提高关键数据传输可靠性
• 3.4.1 可靠传输协议AUDP
• 3.4.2 可靠传输协议AUDP使用的主要技术
• 3.4.3 AUDP报文格式
• 3.4.4 内部AUDP协议
• 3.4.5 外部AUDP协议
• 3.5 可靠性测试
• 3.5.1 模拟仿真测试
• 3.5.2 网络测试仪测试
• 3.6 本章小结
• 第四章 航天器以太网交换机低延时性保障机制的研究
• 4.1 优先级
• 4.2 流量控制
• 4.3 低延时性保障方案的理论分析和实验验证
• 4.3.1 网络拓扑结构
• 4.3.2 理论计算分析
• 4.3.3 实验仿真分析
• 4.3.3.1 网络数据流定义
• 4.3.3.2 实验仿真结果
• 4.3.4 结论
• 4.4 本章小结
• 第五章 高可靠低延时航天器以太网交换机的设计与实现
• 5.1 航天器网络的技术特点
• 5.1.1 高可靠性和抗辐照性
• 5.1.2 低延时性
• 5.1.3 流量控制
• 5.2 航天器以太网交换机系统方案
• 5.2.1 系统功能
• 5.2.2 系统构成
• 5.3 航天器以太网交换机芯片设计方案
• 5.3.1 交换芯片设计
• 5.3.1.1 CICQ交换结构
• 5.3.1.2 交换内部优先级和流控机制
• 5.3.2 MAC片设计
• 5.3.2.1 MAC层功能模块
• 5.3.2.2 转发表模块设计
• 5.4 航天器以太网交换机达到的技术指标
• 5.5 本章小结
• 第六章 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果