星載交換機(jī)是以衛(wèi)星為核心的天基信息系統(tǒng)的關(guān)鍵子系統(tǒng)，是制約天基信息系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，而星載交換機(jī)的核心是高性能的交換芯片。由于太空劇烈變化的環(huán)境溫度和各種離子的影響，使得宇航級電子器件的性能指標(biāo)遠(yuǎn)高于地面設(shè)備電子器件，而可選用作為宇航級電子器件的范圍又遠(yuǎn)低于地面設(shè)備器件的選用范圍，同時星載設(shè)備對可靠性的要求遠(yuǎn)高于地面設(shè)備。這就要求星載交換機(jī)在技術(shù)體制、電路結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)包隊列管理方式、調(diào)度算法等都與地面的交換機(jī)有很大不同，這些問題均有待于進(jìn)行深入研究。

    對于以衛(wèi)星為核心的天基信息系統(tǒng)，利用地面高性能IP交換機(jī)仍然存在較大問題，使其在天基信息系統(tǒng)中的使用受到了限制。
    （1）功耗：星上設(shè)備對功耗有嚴(yán)格的控制，地面高性能骨干IP交換機(jī)的功耗通常在數(shù)百瓦到幾千瓦，這對于星載設(shè)備來說是難以承受的。
    （2）系統(tǒng)可靠性：星上設(shè)備對系統(tǒng)可靠性要求極高，需要在不同層面上考慮冗余備份問題。
    （3）系統(tǒng)重量與體積：星上載荷的重量是衛(wèi)星系統(tǒng)的重要指標(biāo)，星載高性能交換機(jī)在體積和重量上與地面設(shè)備相比必須大幅度減輕。
    （4）系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)優(yōu)化：IP交換機(jī)系統(tǒng)的硬件復(fù)雜度和集成度非常高，但由于空間溫度環(huán)境、空間粒子流等的影響，元器件選擇上存在很大制約，地面設(shè)備中廣泛使用的SDRAM、DDR、高性能CPU等器件都無法直接使用，這要求系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和算法的復(fù)雜度必須降低，使之在可用宇航級元器件（如低速SRAM、處理器和存儲器）的基礎(chǔ)上實現(xiàn)較高的交換能力。
    （5）系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)優(yōu)化：IP路由器系統(tǒng)的軟件復(fù)雜度非常高，由于在天基信息系統(tǒng)中高性能網(wǎng)絡(luò)處理器無法直接使用，所以部分傳統(tǒng)上采用軟件實現(xiàn)的功能和算法要采用硬件固化的方法來實現(xiàn)。這就需要簡化復(fù)雜的IP協(xié)議棧。
    基于以上分析，地面高性能IP交換機(jī)在天基信息系統(tǒng)中的使用受到了很大限制。由于星上存儲器容量不能像地面那樣寬裕，隊列長度受限，而衛(wèi)星空中接口的往返傳播時延又大于地面，為了更好地設(shè)計流量控制，需要在星載交換機(jī)結(jié)構(gòu)中使用一個復(fù)雜度低且有效的隊列管理器，減少對緩存區(qū)容量的要求，保證低時延，降低掉包率，達(dá)到用戶的QoS要求，提高吞吐量。
1 基本概念
    在星載交換機(jī)中，為了實現(xiàn)IP數(shù)據(jù)包快速轉(zhuǎn)發(fā)，一般采用基于定長信元的體制，IP數(shù)據(jù)包在進(jìn)入交換結(jié)構(gòu)前，被分割成許多固定長度的分組（下文統(tǒng)稱為信元）。交換結(jié)構(gòu)的緩存方式主要有輸入緩存、輸出緩存和共享緩存。對于一個N×N交換結(jié)構(gòu)，輸出緩存中存儲器的訪問速度是線路速率的（N+1）倍；采用共享緩存方式是線路速率的2×N倍；而對于輸入緩存方式，存儲器的訪問速度是線路速率的兩倍，與交換機(jī)的端口數(shù)目無關(guān)。為了增大交換機(jī)的容量，支持更高的線路速率，在星載交換機(jī)中有必要研究輸入緩存的方式。
    對于輸入緩存中存在的隊頭阻塞HOL（Head of Line blocking）問題，采用虛擬輸出排隊（VOQ）技術(shù)可改善該問題，使吞吐量達(dá)到100％。VOQ要獲得高的性能，關(guān)鍵問題是要設(shè)計一個匹配輸入和空閑輸出端口的高效、公平的調(diào)度算法，也就是二部圖的匹配問題。
    采用虛擬輸出排隊機(jī)制的輸入排隊交換結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。在每個輸入端口的緩存區(qū)中，設(shè)置N個（N為交換機(jī)端口數(shù)目）FIFO隊列，每個FIFO隊列對應(yīng)一個輸出端口。也就是說，將輸入端口為i，輸出端口為j的分組緩存到虛擬輸出隊列VOQi，j中，在調(diào)度器的控制下，將匹配的VOQi，j中的分組調(diào)度出去。

2 隊列管理器結(jié)構(gòu)
    隊列管理器由輸入控制接口電路、多隊列請求處理電路、多端口請求處理電路、緩沖區(qū)接口控制電路、調(diào)度器等模塊組成。隊列管理器的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    輸入控制接口電路將接收到的IP數(shù)據(jù)包切割成許多長度為64 B的信元，并做必要的標(biāo)識，以便進(jìn)行IP數(shù)據(jù)包的重組。每個信元都包含一個信頭，信頭結(jié)構(gòu)包括目的輸出端口、優(yōu)先級和可以擴(kuò)展的標(biāo)識。多隊列請求處理電路根據(jù)信元的輸出端口和優(yōu)先級將信元流分成多個VOQ隊列，多端口請求處理電路在調(diào)度器的控制下將信元從信元緩沖區(qū)讀出。
    設(shè)星載交換機(jī)有K個輸出端口，信元有N個優(yōu)先級。信元緩沖區(qū)（SRAM）的地址空間被劃分成K個私有區(qū)和1個共享區(qū)。私有區(qū)k（1≤k≤K）只能被去往第k個輸出端口的信元占用，而共享區(qū)可以被去往任何輸出端口的信元占用。設(shè)置K個私有FIFO（PFIFO1，PFIFO2，…，PFIFOK）和1個共享FIFO（SFIFO）。私有區(qū)k（1≤k≤K）的全部可用地址被記錄在（PFIFOK）中，共享區(qū)的全部可用地址被記錄在SFIFO中。
    每個輸出端口均維持N個邏輯隊列，第n（1≤n≤N）個邏輯隊列對應(yīng)于第n種優(yōu)先級信元。每個邏輯隊列由兩部分組成；第一部分位于私有區(qū)，第二部分位于共享區(qū)。邏輯隊列可能只存在第一部分，而不存在第二部分。在信元緩沖區(qū)中一共形成N×K個邏輯隊列。
    在電路模塊中，設(shè)置N×K組寄存器，每個邏輯隊列分別使用一組寄存器來控制信元的寫入與讀出，每組寄存器包括：header、tailer、depth 3個寄存器。其中header為隊首寄存器，記錄每條邏輯隊列的隊首地址；tailer為隊尾寄存器，記錄每條邏輯隊列的隊尾地址；depth為深度寄存器，記錄每條邏輯隊列的信元個數(shù)。每條邏輯隊列中上(前)一個信元和下(后)一個信元的存儲地址分別由前向地址指針pre_addr、后向地址指針nxt_addr記錄。
    圖3中給出了前向地址指針pre_addr、后向地址指針nxt_addr以及信元存儲地址之間關(guān)系的一個示例。圖中所示的邏輯隊列的隊首地址由header記錄，隊尾地址由tailer記錄。該邏輯隊列中信元的存儲地址依次是4（隊首），7 026，3 900，5 732，5 733，7 025，1（隊尾）。

    在本隊列管理器設(shè)計中，交換機(jī)的端口數(shù)目和信元的優(yōu)先級可以根據(jù)星載交換機(jī)的設(shè)計要求和交換容量進(jìn)行動態(tài)地擴(kuò)展，私有區(qū)和共享區(qū)的存儲容量也可以根據(jù)流量管理的要求進(jìn)行動態(tài)地擴(kuò)展。前向地址指針pre_addr、后向地址指針nxt_addr利用FPGA內(nèi)置RAM實現(xiàn)；PFIFO1、PFIFO2，…，PFIFOK和SFIFO利用FPGA內(nèi)置FIFO實現(xiàn)；隊首寄存器header和隊尾寄存器tailer利用寄存器實現(xiàn)。
3 隊列管理器工作方法
    當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位后，隊列管理器對地址空間進(jìn)行初始化，將可用的地址指針寫入到地址空間。信元存儲空間分為兩部分，一部分為共享存儲空間，另一部分為K個針對每個端口固定分配的信元空間，以確保每個端口都有可用的存儲空間。當(dāng)一個信元到達(dá)時，如果固定分配的空間和共享空間剩余容量之和不能滿足該信元時，則拒絕該信元。隊列管理器只需要知道到達(dá)信元的輸出端口和優(yōu)先級，就可以確定其進(jìn)入哪個邏輯隊列。信元的寫入和讀出采用狀態(tài)機(jī)進(jìn)行控制。
    當(dāng)有新的信元（n，k）到達(dá)時，其中n為優(yōu)先級，1≤n≤N；k為輸出端口，1≤k≤K。信元寫入控制流程如圖4所示。最后根據(jù)wr_addr，將信元寫入緩沖區(qū)。如果發(fā)生隊列擠占，則被擠占的邏輯隊列需要被更新，如果僅有一個信元，則header和tailer都被置0；反之，用前一個信元的地址來更新tailer。寫入信元的邏輯隊列需要被更新：如果該邏輯隊列沒有信元，則header和tailer都被置為wr_addr；反之，將tailer的內(nèi)容記錄在pre_addr的第wr_addr個地址中，將wr_addr記錄在nxt_addr的第tailer個地址中，tailer的內(nèi)容被更新為wr_addr。

    當(dāng)有信元讀出時，各輸出端口采用輪詢的方式，信元讀出控制流程如圖5所示。讀出信元的邏輯隊列需要被更新：如果僅有一個信元，則header和tailer都被置0；反之，用下一個信元的地址來更新header，tailer不變。
4 仿真結(jié)果
    本設(shè)計采用Xilinx Vertex-5 FPGA實現(xiàn)，開發(fā)環(huán)境是Xilinx集成開發(fā)環(huán)境ISE13.1，電路核心模塊用Verilog HDL編程實現(xiàn)，仿真工具采用ModelSim SE。星載交換機(jī)有16個輸出端口，信元有4個優(yōu)先級，PFIFOk為256，SFIFO為4 096。仿真驗證結(jié)果表明電路功能符合設(shè)計要求。
4.1 寄存器讀寫指針時序仿真
    由仿真時序圖6可以看出，初始狀態(tài)時，PFIFO0、PFIFO2、…、PFIFO15和SFIFO都為空，隊列管理器將空閑指針依次寫入PFIFO0、PFIFO2、…、PFIFO15中，當(dāng)它們都為滿時，最后寫入SFIFO中。

    由仿真時序圖7可以看出，隊列管理器首先從PFIFO0中讀出可用指針，當(dāng)其為空時，就從SFIFO中讀出，然后依次從PFIFO0、PFIFO2、…、PFIFO15中讀出可用指針。當(dāng)它們都為空時，則從SFIFO中讀出，直到no_ptr=1，說明地址空間無可用指針。

4.2 信元的讀寫時序仿真
    由仿真時序圖8可以看出，隊列管理器根據(jù)信頭中的輸出端口和優(yōu)先級，依次將信元寫入信元存儲器，信元存儲器形成64個邏輯隊列，然后在調(diào)度器的控制下，依次將信元從相應(yīng)的邏輯隊列中讀出。

    在衛(wèi)星通信中，業(yè)務(wù)種類繁多且突發(fā)性強(qiáng)，用戶對服務(wù)質(zhì)量（QoS）要求較高，而衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化快，傳播時延大，這就要求星載交換機(jī)具有較小的交換時延和丟包率。本文設(shè)計了一種高性能隊列管理器，通過硬件仿真驗證，其基本能夠滿足星載交換機(jī)的各種性能指標(biāo)要求，本隊列管理器采用動態(tài)擴(kuò)展的設(shè)計方式，靈活度較大，但也存在許多不足之處，如組播信元的處理考慮不足、可能存在隊頭阻塞問題及IP包的管理問題，有可能由于一個信元的丟失導(dǎo)致整個IP包無法接受，這些都是今后進(jìn)一步的研究工作。
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