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(jí)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(jí)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(shí)星載設(shè)備對(duì)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(duì)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(wèn)題均有待于進(jìn)行深入研究。

    對(duì)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(wèn)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(duì)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(duì)于星載設(shè)備來(lái)說(shuō)是難以承受的。
    （2）系統(tǒng)可靠性：星上設(shè)備對(duì)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(wèn)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(wú)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(jí)元器件（如低速SRAM、處理器和存儲(chǔ)器）的基礎(chǔ)上實(shí)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(wú)法直接使用，所以部分傳統(tǒng)上采用軟件實(shí)現(xiàn)的功能和算法要采用硬件固化的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。這就需要簡(jiǎn)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(chǔ)器容量不能像地面那樣寬裕，隊(duì)列長(zhǎng)度受限，而衛(wèi)星空中接口的往返傳播時(shí)延又大于地面，為了更好地設(shè)計(jì)流量控制，需要在星載交換機(jī)結(jié)構(gòu)中使用一個(gè)復(fù)雜度低且有效的隊(duì)列管理器，減少對(duì)緩存區(qū)容量的要求，保證低時(shí)延，降低掉包率，達(dá)到用戶(hù)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(shí)現(xiàn)IP數(shù)據(jù)包快速轉(zhuǎn)發(fā)，一般采用基于定長(zhǎng)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(zhǎng)度的分組（下文統(tǒng)稱(chēng)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(duì)于一個(gè)N×N交換結(jié)構(gòu)，輸出緩存中存儲(chǔ)器的訪(fǎng)問(wèn)速度是線(xiàn)路速率的（N+1）倍；采用共享緩存方式是線(xiàn)路速率的2×N倍；而對(duì)于輸入緩存方式，存儲(chǔ)器的訪(fǎng)問(wèn)速度是線(xiàn)路速率的兩倍，與交換機(jī)的端口數(shù)目無(wú)關(guān)。為了增大交換機(jī)的容量，支持更高的線(xiàn)路速率，在星載交換機(jī)中有必要研究輸入緩存的方式。
    對(duì)于輸入緩存中存在的隊(duì)頭阻塞HOL（Head of Line blocking）問(wèn)題，采用虛擬輸出排隊(duì)（VOQ）技術(shù)可改善該問(wèn)題，使吞吐量達(dá)到100％。VOQ要獲得高的性能，關(guān)鍵問(wèn)題是要設(shè)計(jì)一個(gè)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(wèn)題。
    采用虛擬輸出排隊(duì)機(jī)制的輸入排隊(duì)交換結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。在每個(gè)輸入端口的緩存區(qū)中，設(shè)置N個(gè)（N為交換機(jī)端口數(shù)目）FIFO隊(duì)列，每個(gè)FIFO隊(duì)列對(duì)應(yīng)一個(gè)輸出端口。也就是說(shuō)，將輸入端口為i，輸出端口為j的分組緩存到虛擬輸出隊(duì)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(duì)列管理器結(jié)構(gòu)
    隊(duì)列管理器由輸入控制接口電路、多隊(duì)列請(qǐng)求處理電路、多端口請(qǐng)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(duì)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(zhǎng)度為64 B的信元，并做必要的標(biāo)識(shí)，以便進(jìn)行IP數(shù)據(jù)包的重組。每個(gè)信元都包含一個(gè)信頭，信頭結(jié)構(gòu)包括目的輸出端口、優(yōu)先級(jí)和可以擴(kuò)展的標(biāo)識(shí)。多隊(duì)列請(qǐng)求處理電路根據(jù)信元的輸出端口和優(yōu)先級(jí)將信元流分成多個(gè)VOQ隊(duì)列，多端口請(qǐng)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(gè)輸出端口，信元有N個(gè)優(yōu)先級(jí)。信元緩沖區(qū)（SRAM）的地址空間被劃分成K個(gè)私有區(qū)和1個(gè)共享區(qū)。私有區(qū)k（1≤k≤K）只能被去往第k個(gè)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(gè)私有FIFO（PFIFO1，PFIFO2，…，PFIFOK）和1個(gè)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(gè)輸出端口均維持N個(gè)邏輯隊(duì)列，第n（1≤n≤N）個(gè)邏輯隊(duì)列對(duì)應(yīng)于第n種優(yōu)先級(jí)信元。每個(gè)邏輯隊(duì)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(duì)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(gè)邏輯隊(duì)列。
    在電路模塊中，設(shè)置N×K組寄存器，每個(gè)邏輯隊(duì)列分別使用一組寄存器來(lái)控制信元的寫(xiě)入與讀出，每組寄存器包括：header、tailer、depth 3個(gè)寄存器。其中header為隊(duì)首寄存器，記錄每條邏輯隊(duì)列的隊(duì)首地址；tailer為隊(duì)尾寄存器，記錄每條邏輯隊(duì)列的隊(duì)尾地址；depth為深度寄存器，記錄每條邏輯隊(duì)列的信元個(gè)數(shù)。每條邏輯隊(duì)列中上(前)一個(gè)信元和下(后)一個(gè)信元的存儲(chǔ)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(chǔ)地址之間關(guān)系的一個(gè)示例。圖中所示的邏輯隊(duì)列的隊(duì)首地址由header記錄，隊(duì)尾地址由tailer記錄。該邏輯隊(duì)列中信元的存儲(chǔ)地址依次是4（隊(duì)首），7 026，3 900，5 732，5 733，7 025，1（隊(duì)尾）。

    在本隊(duì)列管理器設(shè)計(jì)中，交換機(jī)的端口數(shù)目和信元的優(yōu)先級(jí)可以根據(jù)星載交換機(jī)的設(shè)計(jì)要求和交換容量進(jìn)行動(dòng)態(tài)地?cái)U(kuò)展，私有區(qū)和共享區(qū)的存儲(chǔ)容量也可以根據(jù)流量管理的要求進(jìn)行動(dòng)態(tài)地?cái)U(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(shí)現(xiàn)；PFIFO1、PFIFO2，…，PFIFOK和SFIFO利用FPGA內(nèi)置FIFO實(shí)現(xiàn)；隊(duì)首寄存器header和隊(duì)尾寄存器tailer利用寄存器實(shí)現(xiàn)。
3 隊(duì)列管理器工作方法
    當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位后，隊(duì)列管理器對(duì)地址空間進(jìn)行初始化，將可用的地址指針寫(xiě)入到地址空間。信元存儲(chǔ)空間分為兩部分，一部分為共享存儲(chǔ)空間，另一部分為K個(gè)針對(duì)每個(gè)端口固定分配的信元空間，以確保每個(gè)端口都有可用的存儲(chǔ)空間。當(dāng)一個(gè)信元到達(dá)時(shí)，如果固定分配的空間和共享空間剩余容量之和不能滿(mǎn)足該信元時(shí)，則拒絕該信元。隊(duì)列管理器只需要知道到達(dá)信元的輸出端口和優(yōu)先級(jí)，就可以確定其進(jìn)入哪個(gè)邏輯隊(duì)列。信元的寫(xiě)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(shí)，其中n為優(yōu)先級(jí)，1≤n≤N；k為輸出端口，1≤k≤K。信元寫(xiě)入控制流程如圖4所示。最后根據(jù)wr_addr，將信元寫(xiě)入緩沖區(qū)。如果發(fā)生隊(duì)列擠占，則被擠占的邏輯隊(duì)列需要被更新，如果僅有一個(gè)信元，則header和tailer都被置0；反之，用前一個(gè)信元的地址來(lái)更新tailer。寫(xiě)入信元的邏輯隊(duì)列需要被更新：如果該邏輯隊(duì)列沒(méi)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(gè)地址中，將wr_addr記錄在nxt_addr的第tailer個(gè)地址中，tailer的內(nèi)容被更新為wr_addr。

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

    由仿真時(shí)序圖7可以看出，隊(duì)列管理器首先從PFIFO0中讀出可用指針，當(dāng)其為空時(shí)，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(shí)，則從SFIFO中讀出，直到no_ptr=1，說(shuō)明地址空間無(wú)可用指針。

4.2 信元的讀寫(xiě)時(shí)序仿真
    由仿真時(shí)序圖8可以看出，隊(duì)列管理器根據(jù)信頭中的輸出端口和優(yōu)先級(jí)，依次將信元寫(xiě)入信元存儲(chǔ)器，信元存儲(chǔ)器形成64個(gè)邏輯隊(duì)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(duì)列中讀出。

    在衛(wèi)星通信中，業(yè)務(wù)種類(lèi)繁多且突發(fā)性強(qiáng)，用戶(hù)對(duì)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(shí)延大，這就要求星載交換機(jī)具有較小的交換時(shí)延和丟包率。本文設(shè)計(jì)了一種高性能隊(duì)列管理器，通過(guò)硬件仿真驗(yàn)證，其基本能夠滿(mǎn)足星載交換機(jī)的各種性能指標(biāo)要求，本隊(duì)列管理器采用動(dòng)態(tài)擴(kuò)展的設(shè)計(jì)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(duì)頭阻塞問(wèn)題及IP包的管理問(wèn)題，有可能由于一個(gè)信元的丟失導(dǎo)致整個(gè)IP包無(wú)法接受，這些都是今后進(jìn)一步的研究工作。
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