提高航天器网络系统可靠性的设计方法与流程

1.本发明涉及载人航天器总体设计技术领域，尤其涉及一种提高航天器网络系统可靠性的设计方法。


背景技术：

2.随着以太网技术和无线通信技术的发展，地面网络已伸至太空，使用以太网技术的宇航产品逐渐增多，部分大型航天器采用以太网技术的宇航交换机为核心，建立了航天器信息高速传输网络。
3.出于对航天器在轨长期运行时数据安全的考虑，在网络设计时，往往会将负责传输与航天器安全相关的数据的网络系统与负责传输其他数据的网络系统彼此隔离，各自形成独立的子网络。每个子网络中均布置多台交换机，其中1台交换机作为子网络的根节点交换机，与航天器的中继设备直接相连，根节点交换机接收的数据可以直接发送至中继设备，通过中继设备下行至地面。子网络中的其他交换机与根节点交换机直接相连，其他交换机接收的数据要先发送至根节点交换机，再由根节点交换机转发至中继设备，通过中继设备下行至地面。以航天器网络系统存在2个子网络为例，此时航天器网络系统的拓扑结构如图1所示。
4.这种网络设计方法虽然可以较好地保证航天器在轨长期运行时的数据安全，但由于每个子网络内的数据都要经过根节点交换机转发，当根节点交换机出现故障时，将导致网络功能失效，整个子网络数据无法下行至地面，严重时甚至会影响到航天器的安全；若将所有的交换机都与中继设备直接连接，则将导致中继设备的网络端口数量大幅提升，并对中继设备并行处理数据的能力提出更高的要求，这种方式的工程实现难度很大。


技术实现要素：

5.鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种提高航天器网络系统可靠性的设计方法，利用宇航以太网交换机特有的1553b总线通信功能，实现网络拓扑的自主切换，提高航天器网络系统的整体可靠性。
6.本发明提供一种提高航天器网络系统可靠性的设计方法，包括如下步骤：s1、每个子网络内的根节点交换机分别与本子网络内的非根节点交换机以及其他子网络内的非根节点交换机相连，将每个子网络内的根节点交换机与本子网络内的非根节点交换机相连的网络端口设置为使能状态，以及将每个子网络内的根节点交换机与其他子网络内的非根节点交换机相连的网络端口设置为禁止状态；s2、所有的根节点交换机与非根节点交换机均通过1553b总线与总线控制器相连，并在总线控制器内建立根节点交换机故障与特定总线指令的映射关系表，以及在每个根节点交换机与每个非根节点交换机内建立正常工况、各类故障工况下，网络端口状态、路由表配置参数与特定总线指令的对应关系表；s3、所有的根节点交换机均通过1553b总线定期向总线控制器发送自身的状态信
息，当总线控制器判断某个根节点交换机发生故障时，将故障子网络内的非根节点交换机与故障的根节点交换机相连的网络端口设置为禁止状态，并将故障子网络内的非根节点交换机与相邻子网络内的根节点交换机相连的网络端口设置为使能状态；同时将相邻子网络内的根节点交换机与故障子网络内的非根节点交换机相连的网络端口设置为使能状态；以及总线控制器根据映射关系表寻找对应的特定总线指令下发至每个根节点交换机与每个非根节点交换机内，每个根节点交换机与每个非根节点交换机在收到特定总线指令后，根据对应关系表配置自身的网络端口状态和路由表；s4、在每个根节点交换机与每个非根节点交换机完成新的网络配置后，故障子网络中的网络数据通过相邻的子网络传输至中继设备。
7.优选地，根节点交换机自身的状态信息包括交换机当前工作模式、交换机各网络端口状态、自诊断信息和消息计数。
8.优选地，总线控制器判断根节点交换机是否发生故障的方式包括：a、交换机是否按照协议及时反馈状态信息；b、交换机反馈的状态信息中当前工作模式是否与实际工况相符；c、交换机各网络端口状态是否与正常工况相符；d、自诊断信息中是否出现自诊断故障码；e、相邻的状态信息的消息计数是否连续。
9.优选地，任意一个根节点交换机的mac地址数值小于所有非根节点交换机的mac地址数值。
10.本发明能够取得的有益效果如下：利用宇航以太网交换机特有的1553b总线通信功能，对各子网络内的根节点交换机进行状态监测，当某子网络内的根节点交换机出现故障时，自主切换网络拓扑，利用相邻子网络内的根节点交换机将故障子网络内的网络数据下行至地面，提高航天器网络系统的整体可靠性。
附图说明
11.图1是现有的航天器网络系统存在2个子网络时的网络拓扑结构图。
12.图2是根据本发明实施例提供的提高航天器网络系统可靠性的设计方法的流程示意图。
13.图3是根据本发明实施例提供的航天器网络系统存在2个子网络且两个根节点交换机未发生故障时的网络连接状态图。
14.图4是根据本发明实施例提供的航天器网络系统存在2个子网络且一个根节点交换机发生故障时的网络连接状态图。
具体实施方式
15.在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
16.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施
例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
17.图2示出了根据本发明实施例提供的提高航天器网络系统可靠性的设计方法的流程。
18.如图2所示，本发明实施例提供的提高航天器网络系统可靠性的设计方法，包括如下步骤：s1、每个子网络内的根节点交换机分别与本子网络内的非根节点交换机以及其他子网络内的非根节点交换机相连，将每个子网络内的根节点交换机与本子网络内的非根节点交换机相连的网络端口设置为使能状态，以及将每个子网络内的根节点交换机与其他子网络内的非根节点交换机相连的网络端口设置为禁止状态。
19.以航天器网络系统存在2个子网络为例，此时网络连接状态如图3所示，设备间的实线表明既有网络连接，又可以进行数据传输；设备间的虚线表明虽然有网络连接，但通过软件配置为禁止进行数据传输。
20.所用交换机的mac地址均不相同，且任意一个根节点交换机的mac地址数值要小于所有非根节点交换机的mac地址数值。
21.s2、所有的根节点交换机与非根节点交换机均通过1553b总线与总线控制器相连，并在总线控制器内建立根节点交换机故障与特定总线指令的映射关系表，以及在每个根节点交换机与每个非根节点交换机内建立正常工况、各类故障工况下，网络端口状态、路由表配置参数与特定总线指令的对应关系表。
22.在进行航天器1553b总线系统设计时，所有的交换机（包括根节点交换机和非根节点交换机）均处于1条1553b总线内，所有的交换机均作为1553b总线的rt（remote terminal，远程终端）。
23.所有的交换机均通过1553b总线按照设计约定定时向1553b总线的bc（bus control，总线控制端）发送自身状态信息的总线数据，如设备工作状态、逐次递增的消息计数等。
24.在进行bc软件设计时，建立各根节点交换机故障与特定指令的映射关系表，即当某根节点交换机出现故障时，bc即可生成对应的特定指令。
25.在各个交换机（包括根节点交换机和非根节点交换机）的软件中建立正常工况、各种故障工况下，端口状态、路由表配置参数与特定总线指令的对应关系，即当交换机收到某条特定指令时，就会按照软件中的对应关系即刻配置自身的网络端口状态和路由表。
26.s3、所有的根节点交换机均通过1553b总线定期向总线控制器发送自身的状态信息，当总线控制器判断某个根节点交换机发生故障时，将故障子网络内的非根节点交换机与故障的根节点交换机相连的网络端口设置为禁止状态，并将故障子网络内的非根节点交换机与相邻子网络内的根节点交换机相连的网络端口设置为使能状态；同时将相邻子网络内的根节点交换机与故障子网络内的非根节点交换机相连的网络端口设置为使能状态；以及总线控制器根据映射关系表寻找对应的特定总线指令下发至每个根节点交换机与每个非根节点交换机内，每个根节点交换机与每个非根节点交换机在收到特定总线指令后，根据对应关系表配置自身的网络端口状态和路由表。
27.bc通过153b总线定期（如500ms）采集各交换机（包括根节点交换机和非根节点交
换机）的状态信息，状态信息包括交换机当前工作模式、交换机各网络端口状态、自诊断信息和消息计数等参数，bc根据交换机是否能够按照协议及时反馈状态信息、交换机反馈的状态信息中当前工作模式是否与实际工况相符、交换机各网络端口状态是否正常工况相符、自诊断信息是否出现自诊断故障码、相邻的状态信息的消息计数是否连续等判断依据对交换机是否出现故障进行判断。
28.此处的对交换机是否发生故障的判断包括对根节点交换机的判断，也包括对非根节点交换机的判断。
29.针对正常工况，各子网络之间彼此隔离，没有数据交互，交换机之间跨子网络相连的端口虽然物理相连，但彼此均设置为禁止状态，彼此之间无法通信。各子网络内的网络数据均通过本子网络的根节点交换机传输至中继设备，再下行至地面。以航天器网络系统存在2个自网络为例，此时网络连接状态如图3所示。
30.当某个子网络内的根节点交换机发生故障时，则将本子网络内的全部非根节点交换机与故障根节点交换机之间的网络端口设置为关闭状态，并将与相邻子网络内的根节点交换机相连的网络端口设置为使能状态；同时相邻子网络内的根节点交换机也将与故障子网络内的非根节点交换机相连的网络端口设置为使能状态，再将这两个子网络内全部非根节点交换机的路由表配置为所有数据经未发生故障的子网络内的根节点交换机下行。以航天器网络系统存在2个自网络为例，此时网络连接如图4所示，设备间的实线表明既有网络连接，又可以进行数据传输；设备间的横虚线
“‑ꢀ‑ꢀ‑ꢀ‑”
表明虽然有网络连接，但通过软件配置为禁止进行数据传输；设备间的点虚线
“……”
表明虽然有网络连接，但因设备故障无法进行数据传输；设备间的点横虚线
“‑
.-.-.
‑”
表明虽然有网络连接，但因设备故障无法进行数据传输，同时未故障的设备也通过软件配置禁止进行数据传输。
31.s4、在每个根节点交换机与每个非根节点交换机完成新的网络配置后，故障子网络中的网络数据通过相邻的子网络传输至中继设备。
32.如图4所示，当子网络1的根节点交换机发生故障时，子网络1内的网络数据通过子网络2的根节点交换机传输至中继设备，再下行至地面。
33.应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
34.上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

技术特征：
1.一种提高航天器网络系统可靠性的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：s1、每个子网络内的根节点交换机分别与本子网络内的非根节点交换机以及其他子网络内的非根节点交换机相连，将每个子网络内的根节点交换机与本子网络内的非根节点交换机相连的网络端口设置为使能状态，以及将每个子网络内的根节点交换机与其他子网络内的非根节点交换机相连的网络端口设置为禁止状态；s2、所有的根节点交换机与非根节点交换机均通过1553b总线与总线控制器相连，并在总线控制器内建立根节点交换机故障与特定总线指令的映射关系表，以及在每个根节点交换机与每个非根节点交换机内建立正常工况、各类故障工况下，网络端口状态、路由表配置参数与特定总线指令的对应关系表；s3、所有的根节点交换机均通过1553b总线定期向总线控制器发送自身的状态信息，当总线控制器判断某个根节点交换机发生故障时，将故障子网络内的非根节点交换机与故障的根节点交换机相连的网络端口设置为禁止状态，并将故障子网络内的非根节点交换机与相邻子网络内的根节点交换机相连的网络端口设置为使能状态；同时将相邻子网络内的根节点交换机与故障子网络内的非根节点交换机相连的网络端口设置为使能状态；以及总线控制器根据映射关系表寻找对应的特定总线指令下发至每个根节点交换机与每个非根节点交换机内，每个根节点交换机与每个非根节点交换机在收到特定总线指令后，根据对应关系表配置自身的网络端口状态和路由表；s4、在每个根节点交换机与每个非根节点交换机完成新的网络配置后，故障子网络中的网络数据通过相邻的子网络传输至中继设备。2.根据权利要求1所述的提高航天器网络系统可靠性的设计方法，其特征在于，根节点交换机自身的状态信息包括交换机当前工作模式、交换机各网络端口状态、自诊断信息和消息计数。3.根据权利要求2所述的提高航天器网络系统可靠性的设计方法，其特征在于，总线控制器判断根节点交换机是否发生故障的方式包括：a、交换机是否按照协议及时反馈状态信息；b、交换机反馈的状态信息中当前工作模式是否与实际工况相符；c、交换机各网络端口状态是否与正常工况相符；d、自诊断信息中是否出现自诊断故障码；e、相邻的状态信息的消息计数是否连续。4.根据权利要求1所述的提高航天器网络系统可靠性的设计方法，其特征在于，任意一个根节点交换机的mac地址数值小于所有非根节点交换机的mac地址数值。

技术总结
本发明属于载人航天器总体设计领域，尤其涉及一种提高航天器网络系统可靠性的设计方法，利用宇航以太网交换机特有的1553B总线通信功能，对各子网络内的根节点交换机进行状态监测，当某子网络内的根节点交换机出现故障时，自主切换网络拓扑，利用相邻子网络内的根节点交换机将故障子网络内的网络数据下行至地面，提高航天器网络系统的整体可靠性。提高航天器网络系统的整体可靠性。提高航天器网络系统的整体可靠性。


技术研发人员：赵振昊 尹钊 杨金禄 王正义 郭佩 宋研 刘彦伟 王爱明 程超 刘贵林
受保护的技术使用者：北京空间飞行器总体设计部
技术研发日：2023.09.05
技术公布日：2023/10/11