空间站网络新型以太网交换机的设计与实现

摘要

航天工业飞速发展，载人航天向着建设空间站进军，现有航天器的通信网络系统在传输速度、服务质量和扩展性等方面已无法满足发展需求，迫切需要为大规模星载通信电子设备提供新的数据通信网络。
　　传统的以太网因交换技术因其巨大的网络基础和长期的技术积累已成为当前局域网的主流传输技术。以太网技术不仅仅局限于商业应用，通过适当地改进可以应用于工业、国防等应用领域。例如基于IEEE802.3以太网技术的航空全双工以太网(AFDX)已应用于航空工业领域，因此以太网交换机在空间站的应用也就愈发重要。
　　本文从空间站高速网络选型、新型以太网交换结构、可靠性冗余设计、关键指标系统测试四个方面进行了深入研究，论文主要成果:
　　首先充分分析现有交换机所采用的交换结构，结合空间站的具体应用环境，提出新型交换结构CICQ_P，满足相应要求的支持指令流传输的优先级;其次针对单粒子等辐照效应对数据交换的影响，首次对交换机内重要数据流采用CRC冗余，转发表三模冗余的可靠性设计，并对其进行ModelSim仿真;最后基于空间站特殊的器件要求，针对特定芯片(A3PE1500)提出空间站千兆以太网交换机原型系统设计方案，并对关键指标进行系统级测试。
　　针对空间站数据传输的特殊性，满足指令帧及时、优先处理，数据帧分优先级传输的需求，本文提出改进的交叉开关型结构——CICQ_P、数据流CRC冗余设计、转发表三模冗余设计及交换机测试方法，研制抗辐照高容错千兆以太网交换机，交换帧吞吐率达到100％、丢失率达到0，满足线速交换，为进一步研究交换式以太网的可靠性设计和工程实践奠定基础。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题背景及研究意义

1．2 空间站交换机的研究现状

1．3 主要研究内容

1．4 论文的组织结构

2 以太网交换结构研究与改进

2．1 交换结构比较分析

2．1．1 共享媒体型

2．1．2 共享存储器型

2．1．3 交叉开关型

2．1．4 交换结构的对比

2．2 交叉开关型缓冲队列排队方式

2．2．1 输入队列排队方式(IQ)

2．2．2 输出队列排队方式(OQ)

2．2．3 联合输入和输出队列排队方式(CIOQ)

2．2．4 交叉点队列排队方式(CQ)

2．2．5 联合输入和交叉点队列排队方式(CICQ)

2．2．6 排队方式的对比

2．3 交叉开关型交换结构的改进——CICQ_P

2．3．1 空间站载荷通信的特殊需求

2．3．2 CICQ_P交换结构

2．3．3 CICQ_P输出调度机制

2．3．4 CICQ_P内部流控机制

2．4 本章小结

3 交换机可靠性与冗余技术研究

3．1 空间辐照环境的影响

3．2 CRC冗余与三模冗余技术研究

3．2．1 CRC冗余技术

3．2．2 三模冗余技术

3．3 CRC冗余与三模冗余设计

3．3．1 数据流CRC冗余设计

3．3．2 ModelSim仿真波形及结果分析

3．3．3 转发表三模冗余设计

3．3．4 ModelSim仿真波形及结果分析

3．4 本章小结

4 千兆以太网交换机设计

4．1 芯片选型

4．2 技术指标

4．3 交换机总体结构

4．4 MAC模块设计

4．4．1 MAC层功能模块

4．4．2 转发表模块设计

4．5 CrossBar交换模块设计

4．6 MAC芯片与交换芯片接口设计

4．7 时钟和复位模块设计

4．7．1 时钟模块设计

4．7．2 复位模块设计

4．8 物理层和光模块设计

4．9 本章小结

5 系统测试及分析

5．1 转发模块测试

5．1．1 设置EtherPeek

5．1．2 测试结果及分析

5．2 大数据量突发测试

5．2．1 设置EtherPeek

5．2．2 测试结果及分析

5．3 本章小结

6 结束语

6．1 研究工作总结

6．2 展望

致谢

参考文献

附录