SpaceFibre星载数据网络低延时确定性调度算法_郑静雅.pdf

第 45 卷 第 2 期国防科技大学学报Vol 45 No 22023 年 4 月JOUNAL OF NATIONAL UNIVESITY OF DEFENSE TECHNOLOGYApr 2023doi:10 11887/j cn 202302021http:/journal nudt edu cnSpaceFibre 星载数据网络低延时确定性调度算法*郑静雅1，2，安军社1(1 中国科学院国家空间科学中心 复杂航天系统电子信息技术重点实验室，北京100190;2 中国科学院大学，北京100049)摘要:针对超高速 SpaceFibre 星载网络中多源数据传输的确定性和实时性应用需求，提出一种分类细粒度低延时确定性调度算法。该算法基于差异化调度策略的思想，将数据流划分为三类。为实现网络资源的细粒度分配，引入扩展时隙。该算法采用无冲突均匀调度方法，降低了数据包的平均排队延时。为适应有效载荷组网的航天应用场景，该算法兼顾网络拓扑结构生成调度方案。为验证算法有效性，在 OPNET 仿真平台下利用自定义建模技术搭建网络仿真模型。仿真结果表明:相比优先权调度和无冲突连续调度机制，该算法实现了时间敏感数据流的确定性传输;随着时隙数目的增加，网络的延时性能和抗抖动性能显著提升，吞吐听语音聊科研与作者互动量性能得到保证;该算法具有一定的航天工程实用价值。关键词:星载网络;SpaceFibre;确定性调度;服务质量;性能优化中图分类号:TN9192文献标志码:A开放科学(资源服务)标识码(OSID):文章编号:1001 2486(2023)02 179 09Deterministic scheduling method with low latency for SpaceFibreZHENG Jingya1，2，AN Junshe1(1 Key Laboratory of Electronics and Information Technology for Space Systems，National Space Science Center，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China;2 University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China)Abstract:In order to achieve the deterministic transmission of diverse data streams in a short time on the SpaceFibre network，the fine-grainedlow-latency deterministic scheduling algorithm with classification was proposed According to the differentiated scheduling strategy，space tasks weredivided into three types For the efficient allocation of resources，the extended time-slot was introduced The uniform distribution of time-slotwithout conflict reduced the average delay of data packets To adapt to aerospace applications where payloads were connected with a network，themethod generated scheduling vectors based on the network topology The simulation model of the SpaceFibre network in OPNET was built to verifythe effectiveness of the method Experimental results show that the scheduling scheme generated by the method has better certainty than the classicscheduling based on priority and conflict-free consecutive scheduling;with the increment of the number of time slots，the average delay and jitter ofeach traffic are reduced，and the throughput is guaranteed Therefore，the method has certain practical application value in aerospace engineeringKeywords:onboard network;SpaceFibre;deterministic scheduling;quality of service;performance optimizing随着空间技术的不断发展，卫星综合电子系统内的有效载荷数量和速率 1 2 日益增加。现有的SpaceWire 3 等网络已不能满足超高速率复杂航天应用场景。为此，欧空局提出了超高速 SpaceFibre技术 4，该技术采用服务质量(quality of service，QoS)机制管理各数据流。该机制由优先级优先权、预留带宽和调度子机制组成 5，其中调度子机制为数据流的确定性传输提供了保障。由于星载数据网络具有规模小、实时性和可靠性要求高等特点，不宜直接套用其他网络6 8 调度方案。SpaceFibre 协议中没有描述调度表生成方法，目前对 SpaceFibre 网络确定性调度问题的研究尚少:文献 9给出了实时视频流传输的抖动 特 性，但 没 有 说 明 具 体 的 调 度 方 案;文献 10 提出二进制序列均匀调度算法，可实现点到点数据的确定性传输;文献 11 和文献 12 采用遗传算法生成调度表，可获得较优的点到点确定性调度方案。SpaceWire 网络的确定性调度算法对 SpaceFibre 具有一定参考意义，该网络使用图着色13、模拟退火14、多时间窗并行15、多协议并行16 等方法进行调度。但上述方案不适用于服务质量需求差异较大的星载数据网络。部分*收稿日期:2021 04 09基金项目:中国科学院战略性先导科技专项基金资助项目(XDA15020205)作者简介:郑静雅(1995)，女，山东德州人，博士研究生，E-mail:zhengjingya nssc ac cn;安军社(通信作者)，男，陕西渭南人，研究员，博士，博士生导师，E-mail:anjunshe nssc ac cn国 防 科 技 大 学 学 报第 45 卷算法因不涉及网络拓扑信息，所以无法应用于卫星有效载荷组网的航天场景。文献 17考虑了不同数据流特点和网络拓扑信息，通过无冲突连续 调 度(conflict-freeconsecutivescheduling，CFCS)实现了 SpaceWire 网络的确定性传输，然而该算法不适用于 SpaceFibre 网络和延时性能要求较高的应用场景。本文提出一种面向 SpaceFibre 网络的分类细粒度低延时确定性调度(classified fine-grainedlow-latency deterministic scheduling，CFLDS)算法，该算法依据网络中各数据流对延时、带宽和可靠性的不同需求将数据流划分为周期、异步和载荷数据流三类，采用带扩展时隙的 CFCS 方法，兼顾网络拓扑结构，生成各类数据流对应的调度方案。该算法在保证数据流确定性传输的基础上，显著改善了网络延时和抗抖动性能，可适用于服务质量需求差异较大且延时性能要求较高的端到端星载数据网络，对构建确定性 SpaceFibre 星载数据网络具有参考意义。1SpaceFibre 网络确定性调度问题描述1 1网络服务质量机制SpaceFibre 单条物理链路包含多条可传输不同数据流的虚拟通道(virtual channel，VC)。多条输出 VC 竞争链路资源时，SpaceFibre 采用 QoS机制进行仲裁，该机制主要由介质访问控制器(medium access controller，MAC)实现。优先级优先权是最基本的 QoS 子机制，优先级值越小，优先级优先权越大。预留带宽是一种依据 VC 预留带宽和带宽使用率计算带宽信用的 QoS 机制。VC 优先权是优先级优先权和带宽信用之和。当高优先权数据带宽较高时，低优先权数据的传输延时可能会超出截止时间。为保障数据传输的确定性，进而保证星载数据网络的稳定性和实时性，应采用调度 QoS 子机制对网络资源进行统一分配。在 SpaceFibre 网络中基本的周期性时间单元称为时帧。每个时帧又被划分为若干时隙，时隙是该网络中最小的时间单位。各输出虚拟通道数据流均具有二进制时帧调度向量，该向量记录 VC数据流在各时隙中的调度信息:1 表示当前时隙为该虚拟通道的有效时隙，即当前时隙允许该 VC参与链路资源的竞争;0 表示空闲时隙，即在指定时隙不允许该 VC 发送任何数据。当采用基于优先权 的 经 典 调 度(classic scheduling based onpriority，CSBP)方法时，所有 VC 数据流时帧调度向量的元素均为 1。单一时隙中多条 VC 数据流请求发送数据时，MAC 选择优先权最大且被允许参与调度的 VC 进行数据发送操作。典型的 SpaceFibre 服务质量混合使用实例如表 15 所示。表 1 中 VC0和 VC1优先级最高，VC2 VC5的优先级较低且相同。在编号为 1 的时隙内，除 VC1外，其他虚拟通道均被允许参与调度。VC0拥有最高优先权，所以在时隙 1 优先选择 VC0。当 VC0缓冲区为空时，MAC 选择剩余虚拟通道中具有发送数据请求且带宽信用最高的进行调度。表 1SpaceFibre 网络 QoS 机制混合使用实例Tab 1SpaceFibre QoS mechanism mixed instanceVC 号时隙编号12345678VC010001000VC101000000VC211111111VC311111111VC411111111VC5111111111 2网络数据流传输模型SpaceFibre 网络拓扑具有很高的自由度4，可根据工程应用需求进行设计。为保证网络结构的可靠性、灵活性和可扩展性，复杂星载数据网络的拓扑结构需满足以下条件17:网络中任一节点的数据包可通过单级或多级路由器到达网络中的其他节点;单一节点通过路由器接入网络，单一路由器可连接到多个节点或其他路由器设备。为进行形式化描述，将 SpaceFibre 数据网络抽象为有向连通图 G=(V，E，F)。其中:V 是由网络节点N=n1，n2，np 和路由器 =r1，r2，rq 构成的顶点集合，p 和 q 分别为网络节点和路由器的数目。有向连通图的边集合 E=l1，l2，l3，lk 为物理通信链路集合，k 表示网络链路编号。设 G 中存在 M 条端到端数据流，则网络中数据流集合为 F=f0，f2，fM 1。若网络的拓扑信息已知且满足星载数据网络的拓扑结构需求，则数据流 fi在网络中占用的链路资源可由 Efi(EfiE)唯一确定。为 保 证 传 输 的 规 范 性，数 据 流 按 照SpaceFibre 协议4 进行传输。图 1 为网络端口示意图，每个端口分为发送端和接收端。发送端主要包含 MAC 和输出 VC 缓冲区。接收端采用输081第 2 期郑静雅，等:SpaceFib