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网络与交换方向研究进展(2019.8)

发布时间:2019-08-02 16:15:09 审核人: 点击:

一、网络与交换团队简介

重点实验室网络与交换团队是国内最早一批开展网络交换技术研究的团队,从上世纪九十年代成功研制我国第一台具有信令功能的ATM交换机开始,到2015年团队研制的星载交换系统随02星顺利升空并稳定运行,再到2016年推出国内首款具有完全自主知识产权的HINOC2.0芯片并进行产业化推广应用,2019年推出TTE网络(时间确定性网络)演示验证系统,网络与交换团队20余年一直秉承“工匠”精神,坚定执着地从事宽带综合业务网络与交换的理论研究与应用开发工作。

长期的技术积累使我们对互联网架构、网络节点交换技术、通信协议具有更深刻的理解和认识,掌握了二层及三层的核心交换技术,能够根据用户的特殊需要,采用FPGA快速实现专用定制交换单元与相关系统。近五年来获得国际标准两项,国家标准两项,专利授权50余项,并转让/许可发明专利7项,获软件著作权14项。

团队主要有三个研究方向:

1、航天专用星载交换的设计与实现;

2、基于确定性以太网(TTE)的新型航空航天总线与组网技术;

3、高性能同轴电缆宽带接入技术。

二、航天专用星载交换的设计与实现

由于卫星系统的功能、接口及收发分组格式都具有专用性,决定了星载交换只能使用FPGA根据用户的特殊需求,采用定制方式设计实现。团队近些年间参与了十余项相关的星载交换设计开发项目,在高可靠星载二层及三层路由交换方面积累了丰富的经验。

演示视频链接:https://v.qq.com/x/page/r0908zbwm35.html?sf=qz

几个主要的项目研究内容简单介绍如下:

1、面向航天应用环境的多级变长分组交换网络设计与实现

项目介绍:

针对交换式卫星及空间站等航天器的特殊应用环境,为防止空间粒子对通信器件的干扰,能够应用于太空环境的FPGA容量有限,无法采用一片FPGA来完成系统所需要的交换网络容量,因此必须利用小容量的FPGA(30万门)自主设计小规模的交换单元,并利用这些交换单元构成任意大容量的三级CLOS分组交换网络。

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项目成果:

• 提出适用于卫星和空间站的多级无阻塞分组交换网络实现方案;

• 支持静态VL虚链路,以保证业务服务质量;

• 支持动态地址自学习,以提供用户即插即用的灵活性;

• 提出一种能够提高交换网络吞吐能力的集中式路由选择算法;

• 自主设计3种能够构成多级分组交换网络的小容量交换单元及FPGA验证芯片;

• 搭建了8端口的(每端口千兆以太网)三级CLOS分组交换网络演示验证系统。

2、星载专用路由器交换单元

项目介绍:

采用FPGA自主设计专用星载路由器交换单元,可实现三层IP分组的处理与交换,2013年10月完成联调,2015年11月4日搭载“中星2C”卫星升空并稳定运行至今。

3、星载专用电路与分组混合交换单元

项目介绍:

采用FPGA自主设计专用电路与分组混合交换单元,采用单一交换平面同时实现电路业务与IP分组业务的处理与交换。

4、星载10G分组交换单元

项目介绍:

团队2016年为某单位开发了一款基于FPGA的单端口速率为10G的分组交换单元,2017年12月已完成系统联调、测试。

关键技术积累:

• 10G以太网接口的分组线速处理

• 高速IP地址查表

• 支持VLAN

• 单播转发表:深度不少于1k

• 组播转发表:深度不少于128

• 队列优先级:每个接口支持8个优先级队列

• 在无CPU与操作系统的情况下,采用硬件实现UDP/IP协议的拆包与打包。

5、大容量柔性交换平台

项目介绍:

近期为某合作单位设计开发一款基于FPGA的64G大容量柔性分组交换单元,

2016年完成联调并顺利通过测试验收。

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关键技术积累:

• 4Gbps高速GTH接口设计;

• 64G大容量交换网络结构设计。

6、低轨卫星星载路由器(鸿雁)

团队近期为某几家单位设计开发了多款适用于低轨卫星的星载路由交换器,目前均已完成系统联调测试。

关键技术积累:

• 采用高速GTH接口实现FPGA片间连接;

• 采用多片小容量的航天级FPGA实现大容量的交换网络结构。

三、时间触发以太网技术(TTE)

近几年,时间触发以太网技术在航空航天、自动驾驶、轨道交通、高端工业控制等领域越来越受到重视,团队已经与航空、航天及轨道交通等多个领域的核心单位开展合作。

目前已经自主研发了TTE的六项核心技术,分别是:

➢ 网络同步技术:6802或1588时钟同步协议;

➢ 调度表生成算法及生成软件;

➢ 615A文件分发协议;

➢ 千兆TTE交换机设计;

➢ 三种TTE端系统设计—主机式、嵌入式及瘦终端;

➢ TTE网络管理及监控技术—配置、读取、监控网络设备的工作状态。

演示系统视频链接:https://v.qq.com/x/page/x08980oral7.html?sf=qq

已交付给合作单位的TTE设备

(1)航天TTE交换机

(2)航天TTE端系统

(3)列车车载TTE交换机及端系统

(4)航空专用TTE端系统

(5)自研16口千兆TTE/AFDX交换机与端系统板卡

16口千兆TTE/AFDX交换机

端系统板卡

四、高性能同轴电缆宽带接入技术(HINOC)

HINOC是一种利用分布广泛的有线电视网同轴电缆,实现最后100米高性能双向信息传输的宽带接入解决方案。该技术由北京大学、西安电子科技大学与广电总局广播电视科学研究院等单位共同提出,以自主创新为核心,具有自主知识产权,达到国际先进水平。

该技术在光纤到楼(FTTB)或光纤到户(FTTH)的网络结构基础上,利用小区楼道和户内分布广泛的有线电视同轴电缆,无需对入户电缆线路进行任何改造,只需在家庭入口和住户家中分别布放头端设备HB(HINOC Bridge)和终端设备HM(HINOC Modem),即可构建高速的信息接入网,实现多种高速数据业务的双向传输。该技术为促进“三网融合”提供了一种便捷、实用的解决方案,目前已提供吉比特每秒(Gbps)级别接入速率,并正在向万兆(10Gbps)接入速率迈进,可媲美光纤接入且部署维护成本低。

演示视频链接:https://v.qq.com/x/page/v08674pk274.html?sf=qz

HINOC组网示意图

1. 从HINOC1.0到HINOC2.0

团队经过10余年努力,共同提出并研发了HINOC1.0(百兆同轴接入)和2.0(千兆同轴接入)两代HINOC技术,取得如下成果:

(1)作为HINOC研究核心团队成员之一,最早共同提出HINOC1.0和2.0整体解决方案,并全程参与了HINOC研发工作。

(2)全程负责MAC层解决方案的设计与实现。设计实现MAC层协处理器、系统软件及MAC层协议软件。

(3)共同制定广电行业标准2项,以及ITU-T国际标准2项;

● 行业标准:HINOC1.0(GY/T 265-2012),HINOC2.0(GY/T 297-2016)

● ITU-T标准:HINOC1.0(ITU-T J.195,2014.10),HINOC2.0(ITU-T J.196,2016.10)

(4)共同研发了HINOC 1.0和HINOC 2.0芯片4款;

(5)独立或牵头申请相关国家发明专利20余项,其中授权13项,6项为HINOC标准必要(核心)专利。

(6)牵头获得HINOC项目第一个国家级(863)课题资助,主持和联合承担国家863计划、核高基国家重大专项、国家科技支撑计划等相关国家级课题8项(其中863课题5项,核高基子课题1项,支撑计划2项),累计获得国拨科研经费到款1300余万元。

HINOC1.0到2.0的发展之路

2.向HINOC3.0(万兆同轴宽带接入技术)迈进

目前,团队与国内其他HINOC研发团队一起,共同合作承担了国家重点研发计划“宽带通信和新型网络”专项“同轴宽带接入关键技术研究及规模应用示范”项目(起止时间:2019年-2013年),该项目将研发万兆同轴宽带接入技术(HINOC3.0),提出具备超宽通信模拟带宽(不低于1GHz)、超高频谱效率(不低于10bit/s/Hz)、超低延迟(平均1ms以内)、超精细带宽分配颗粒度(带宽分配粒度256Kbps)、灵活适应多业务需求QoS保证、支持10Gb/s接入速率的万兆同轴宽带接入技术解决方案,提交广电行业标准草案和ITU-T标准建议,并研制相关系统设备和系统芯片。在该HINOC3.0项目中,课题组将承担HINOC万兆系统MAC层相关工作,包括:万兆同轴带宽接入MAC层总体技术方案的研究;MAC层核心通信机制研究;HINOC万兆同轴宽带接入原型样机MAC层部分研制,并参与完成行业标准化与国际标准化工作。

HINOC3.0万兆同轴宽带接入系统研究内容

五、部分团队成员及联系方式

邱智亮个人简介: 邮箱:zlqiu@mail.xidian.edu.cn

 

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邱智亮:男,1965年出生,博士,教授,博士生导师。主要从事宽带网络与交换技术的研究与教学工作,重点研究是下一代网络体系架构、高性能路由器设计、服务质量保证技术、宽带同轴网络接入技术、星载专用交换技术、低轨卫星通信网、基于确定性以太网的航空航天综合电子总线技术。先后承担过33项包括国家自然科学基金、863计划和预研项目在内的科研项目,获国防科技进步二等奖一次(排名第三,校内第一),获陕西省科学技术二等奖一次(排名第一),国防科技发明二等奖一次;编著“十一五”国家级规划教材一部(《交换原理与技术》);获发明专利32项,在核心期刊发表学术论文60余篇。


张冰个人简介 邮箱:bzhang@mail.xidian.edu.cn

https://faculty.xidian.edu.cn/__local/9/A2/3F/91C12EDECB59DD618F84C9F877B_F292D9DC_333B.jpg    张冰:男,1970年3月出生,工学博士,教授,硕士生导师。西安电子科技大学通信工程学院综合业务网理论及关键技术国家重点实验室教授,中国通信学会IP应用与增值电信技术专委会委员。1992年、1995年和2008年分别获得西安电子科技大学工学学士、工学硕士和工学博士学位。1995年至今在西安电子科技大学综合业务网(ISN)国家重点实验室从事教学、科研工作。主持和承担包括国家863计划、“核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品”国家重大科技专项、国家科技支撑计划、国防预研项目、国家自然科学基金等10余项国家级课题或子课题。先后获得科技奖励6项,授权发明专利10余项,发表国际期刊和国内核心期刊论文10余篇,作为主要完成人之一制订行业标准2项、ITU-T国际标准2项。长期从事宽带接入技术、宽带网络与交换、网络协议设计与测试等方向的研究开发工作。近年具体研究方向涉及:同轴电缆宽带接入、时间确定性网络、卫星星座组网与交换、电力线载波通信等方向的通信协议研究、设计及系统研发。


史琰个人简介 邮箱:yshi@xidian.edu.cn

史琰:男,1975年出生,2005年获得工学博士学位。1998年至2001年就职于华为技术有限公司,2005年至今就职于西安电子科技大学,现为综合业务网理论及关键技术国家重点实验室的教授、博士生导师,主要研究方向为认知无线网络、分布式自组织组网理论与方法。先后主持和承担11项国家自然科学基金、国家科技重大专项(子)课题的研究,共发表核心期刊论文30余篇,其中IEEE重要期刊11篇,获省部级奖励3项,授权国家发明专利24项。


张奭个人简介: 邮箱:shzhang@mail.xidian.edu.cn

http://web.xidian.edu.cn/zhangshuang/images/20110810_210448.png    张奭:男,1975年1月出生,博士,副教授,硕士生导师。1997年、2000年和2005年分别获得西安电子科技大学工学学士、工学硕士和工学博士学位。2000年至今在西安电子科技大学综合业务网(ISN)国家重点实验室从事教学、科研工作。长期从事计算机网络、宽带接入技术等方向的研发,作为课题主要研究人员曾先后承担和参与完成国家自然科学基金、国家863计划、国防型号和预研课题十余项,在国内外重要学术刊物和国际会议发表文章十多篇。在研项目:承担多项国家863计划、国家重大科技(核高基)专项、国家科技支撑计划等国家级课题(或子课题)。课题包括:三网融合新型宽带接入技术与芯片研制,有线电视网同轴电缆宽带接入测试系统等。主要研究方向:宽带通信网、宽带接入技术。


潘伟涛个人简介: 邮箱:wtpan@mail.xidian.edu.cn

http://web.xidian.edu.cn/wtpan/images/20110630_105348.JPG潘伟涛:男,1981年11月出生,博士/副教授,通信与信息系统硕士生导师,校数模竞赛工科教练。分别于2004年7月和2010年6月获西安电子科技大学电子科学与技术专业学士学位和微电子学与固体电子学博士学位。一直从事通信网络与交换相关芯片的设计、FPGA验证等工程实践研究。主持国家自然科学基金项目、国家863项目子课题及多个横向课题。发表学术论文多篇,申请国家发明专利十余项,其中转让授权一项发明专利,获得十余项软件著作权。曾参与起草HINOC2.0国家标准,参与设计并流片多款HINOC系列芯片。最近的研究兴趣在大规模数字集成电路芯片硅后验证中门级结构跟踪信号提取及SDN芯片关键技术研究方面。