一种高性能星载计算集群网络的制作方法

本发明涉及星载计算领域，特别涉及一种构建高性能星载计算集群网络的方法。

背景技术：

1、星上计算(on-orbit computing)是指在航天器上进行计算和数据处理的技术。随着星载应用产生的数据量越来越大，产生了更多的数据处理需求和更复杂的网络处理需求。而星地传输链路能力有限，星地传输窗口时间较短，无法将大量数据和处理任务卸载到地面。为了提升星载应用的性能、提供较高的计算能力、降低卫星建设成本，需要设计新型的高性能星载计算模块，进一步使用集群的方式构建高性能星载计算平台，提供高可靠、高性能、低成本的星载计算系统。

2、ip转发技术是指路由器或者网络设备将数据包从一个网络接口传输到另一个网络接口的过程，涉及到对数据包的分析、转换和路由操作。当一个数据包到达路由器时，路由器会检查数据包的目的地址，然后根据路由表和路由协议的规则将数据包转发到正确的接口。

3、动态路由技术的核心思想是将网络中的路由器连接起来，使得路由器能够相互通信并交换路由信息。每个路由器通过动态路由协议学习到网络中的拓扑结构，计算出最优路径，并将其存储到自己的路由表中。当网络拓扑发生变化，路由器会重新计算路径，并将新的路由信息告知其他路由器，从而实现网络的动态调整。

4、目前，为了满足星载交换设备的可靠性需求，需要在板级和设备级进行大量额外的抗辐照设计工作，随之而来面临一系列体积过大、散热困难等问题，极大的提高了设备成本。

5、还有一种星载网络互联方案就是通过点对点实现mesh组网，这种方式需要更多的硬件资源和更复杂的软件支持，使得它的成本更高。并且mesh网络中的各个节点的连接方式更加复杂，使得网络的配置和管理十分困难。

技术实现思路

1、本公开面向低轨卫星，提供一种高性能星载计算集群内部组网的方案。集群中计算单元选用高性能星载计算模块，每个计算单元可对外提供两路以上以太网口，满足计算单元之间组网的使用需求。

2、本公开提供的高性能星载计算集群网络，基于ip协议实现数据传输，网络中包括若干星上计算单元，其中：

3、每个计算单元均通过ip转发和动态路由实现软路由功能，包括：实现网络包转发功能；获取整个集群的网络拓扑架构；根据拓扑架构计算路由信息；以及实现各计算单元之间跨网段通信；

4、该网络还包括：

5、网络链路控制模块，各计算单元与该模块相连，经由该模块构成双向环形网络，该模块只通过固定的路径向相邻的网口转发数据，而不对网络包进行解析；同时，当该模块与某个计算单元的连接出现故障时，为连接该计算单元的接口之间提供直连通路，用于保持所述环形网络的联通。

6、进一步的，所述网络链路控制模块为每个计算单元均提供两个接口，以设置两条双向连接线路，用于接收上一计算单元发出的数据，以及将数据发往相邻的下一计算单元；同时，为同一个计算单元提供的两个接口之间设有直连通路，在正常状态下，该通路保持常断状态，当所述网络链路控制模块与该计算单元的连接断开时，该通路闭合。

7、进一步的，所述网络链路控制模块硬件采用宇航级fpga芯片。

8、进一步的，每个计算单元中均包含一个动态路由模块，用于获取整个集群的网络拓扑架构，以及根据拓扑架构计算路由信息。

9、本公开还提供了一种应用于上述高性能星载计算集群网络的组网方法，包括以下步骤：

10、各计算单元的动态路由模块收集区域内所有路由设备的链路状态信息，生成网络拓扑结构，形成路由表，存在各个计算单元内；

11、计算单元发出的数据通过所述网络链路控制模块，沿环形网络进行转发；

12、当计算单元收到网络数据并进行拆包后发现目的地址不是自身的网口时，查找路由表，然后根据路由信息将数据包转发到下一跳地址；

13、当网络链路控制模块与某个计算单元的连接出现故障时，连接该计算单元的两个接口之间的直连通路闭合，以保持所述环形网络的联通。

14、进一步的，该方法还包括以下步骤：

15、当网络拓扑架构发生变化后，动态路由模块自动更新网络结构并重新计算路由信息，并由计算单元向网络链路控制模块发送网络拓扑结构信息；

16、当网络链路控制模块收到该信息后，自动对内部网络链路按拓扑结构进行相应调整。

17、本公开在组网过程中不使用交换机和路由器设备，而是使用ip转发和动态路由技术为计算单元赋予路由功能，实现了无交换路由服务。将所有计算单元组成环形网络，并且基于宇航级fpga芯片设计了网络链路控制模块，实现软硬件结合的组网方式。与现有技术相比，本公开的有益效果是：1)基于ip转发和动态路由实现计算单元的软路由功能，构建环形网络拓扑结构，对硬件资源要求低；2)网络拓扑结构简单，并且可以根据节点存活状态自适应的调节网络拓扑，寻找最优路由线路；3)不使用交换机和路由器设备，避免了因为交换设备可靠性差导致的整个计算系统的可靠性降低的风险，同时也大大降低了卫星建设的成本；4)基于ip网络构建了软件定义的网络环境，现有的网络应用可直接基于本平台部署，无需进行修改，具有更强的通用性。

技术特征：

1.一种高性能星载计算集群网络，基于ip协议实现数据传输，网络中包括若干星上计算单元，其特征在于，

2.根据权利要求1所述的网络，其特征在于，所述网络链路控制模块为每个计算单元均提供两个接口，以设置两条双向连接线路，用于接收上一计算单元发出的数据，以及将数据发往相邻的下一计算单元；同时，为同一个计算单元提供的两个接口之间设有直连通路，在正常状态下，该通路保持常断状态，当所述网络链路控制模块与该计算单元的连接断开时，该通路闭合。

3.根据权利要求1所述的网络，其特征在于，所述网络链路控制模块硬件采用宇航级fpga芯片。

4.根据权利要求1-3中任一所述的网络，其特征在于，每个计算单元中均包含一个动态路由模块，用于获取整个集群的网络拓扑架构，以及根据拓扑架构计算路由信息。

5.一种应用于权利要求4所述的高性能星载计算集群网络的组网方法，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的网络运行方法，还包括以下步骤：

技术总结
一种高性能星载计算集群网络，通过网络链路控制模块连接各计算单元，构成双向环形网络，其中，网络链路控制模块只通过固定的路径向相邻的网口转发数据，而不对网络包进行解析。该模块采用宇航级FPGA芯片实现。本公开在组网过程中不使用交换机和路由器设备，而是使用IP转发和动态路由技术为计算单元赋予路由功能，实现了无交换路由服务，避免了因为交换设备可靠性差导致的整个计算系统的可靠性降低的风险，同时也大大降低了卫星建设的成本。

技术研发人员：刘佳兴,陈相宇,王士成,唐海,徐帅,纪静,吴春春,李佳桐,陈玉平
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第十五研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13