Автореферат (Методы исследования и разработки сетевых контроллеров канального уровня для высокоскоростных бортовых вычислительных сетей космических аппаратов)

На правах рукописиЯБЛОКОВ ЕВГЕНИЙ НИКОЛАЕВИЧМетоды исследования и разработки сетевых контроллеров канальногоуровня для высокоскоростных бортовых вычислительных сетейкосмических аппаратовСпециальность: 05.13.05 – Элементы и устройства вычислительной техники исистем управленияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукСанкт-Петербург – 20192Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете аэрокосмическогоприборостроенияНаучный руководитель:Шейнин Юрий Евгеньевич, доктор технических наук,профессор,заведующийкафедройаэрокосмическихкомпьютерных и программных систем ФГАОУ ВО «СанктПетербургскийгосударственныйуниверситетаэрокосмического приборостроения»Официальные оппоненты:Куприянов Михаил Степанович, доктор технических наук,профессор, заведующий кафедрой вычислительной техникиФГАОУВО"Санкт-Петербургскийгосударственныйэлектротехнический университет "ЛЭТИ" им.

В. И. Ульянова(Ленина)Кустарев Павел Валерьевич, кандидат технических наук,доцент, декан факультета программной инженерии икомпьютерной техники, ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургскийнациональныйисследовательскийуниверситетинформационных технологий, механики и оптики»Ведущая организацияОткрытое акционерное общество «Центральное научноепроизводственное объединение «Ленинец»Защита состоится 30 мая 2019 года в 16:00 часов на заседании диссертационного советаД212.229.18, созданного при Федеральном государственном автономном образовательномучреждении высшего образования "Санкт Петербургский политехнический университет ПетраВеликого" по адресу 195251, г. Санкт-Петербург, Политехническая ул., д.

21, 9-й учебныйкорпус, ауд. 325.С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке Санкт Петербургскогополитехнического университета Петра Великого: 195251, г. Санкт-Петербург, Политехническаяул., д. 29, Главный учебный корпус, ауд. 251 и на сайте www.spbstu.ru.Автореферат разослан «Ученый секретарьдиссертационного советаканд. техн. наук, доцент» ________ 2019 г.ВасильевАлексей Евгеньевич3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы исследования. Развитие новых сетевых технологий открывает широкиеперспективы перед разработчиками современных вычислительных устройств. Одним из активноразвиваемых направлений являются стандарты передачи данных, в том числе и для бортовыхвычислительных технологий.

Развитие современных стандартов, а также модификация ужесуществующих, постоянно ставят перед разработчиками новые задачи по созданию устройствпередачи данных по сетевым каналам. Необходимо отметить тот факт, что чаще изменениякасаются нижних уровней, что доказывается развитием современных стандартов таких какFibreChannel, PCI, Ethernet, и т.п.Разработкасовременныхкоммуникационныхустройствявляетсяперспективнымнаправлением повышения пропускной способности современных бортовых вычислительныхсетей.Множествоотечественныхизарубежныхразработокпосвященоразвитиюкоммуникационных устройств различных уровней модели OSI. Так как процесс создания любогоустройства сложен, исследование характеристик создаваемого устройства до его полноценнойимплементации в железе является важной проблемой.

Большой спектр научных исследованийпосвящен анализу сетевых характеристик, таких как пропускная способность, задержки и др.Необходимо учитывать тот факт, что при создании сетевых устройств одним из самыхважных факторов становится время, затрачиваемое на их разработку, так как запаздывание сразработкой может делать решение о выпуске очередного устройства уже неактуальным. Такимобразом, время создания и анализа моделей должно быть адекватно времени создания самогоустройства.Несмотря на большое количество разработок и инструментов, проблема создания иисследования моделей сетевых контроллеров канального уровня по-прежнему актуальна.

Можноотметить следующие работы российских и зарубежных ученых: В.К. Битюкова, И. С. Якушева,А.Е. Емельянова, P. Knudsen, J. Madsen, R. Kruz, G. Schimer, R. Domer, L. Lahiri, A. Raghunathan,S. Dey, Z. Cheng, T. Schmidt, Fidler M, M. Loghi, F. Angiolini, D. Bertozzi, L. Benini, R. Zafalon идр. Среди аналитических работ, посвященных исследованию сетевых котроллеров канальногоуровня для бортовых вычислительных систем, наиболее значимыми можно выделить работы И.С.

Якушева, R. Kruz, P. Knudsen, J. Madsen, T. Schmidt. Большинство данных работ посвященоуменьшению задержки и повышению пропускной способности при передаче данных.В данных работах основным ограничением аналитических моделей является ихузконаправленность, так как, во-первых, перерасчет характеристик модели является оченьсложным и затратным процессом, а во-вторых данное моделирование не предназначено длярасчета характеристик устройств канальных уровней.

Имитационные модели сетевых устройств4на языках высокого уровня, описанные в литературе, практически не применимы для другихподобных устройств. Таким образом, существующие аналитические модели и методики анализалибо невозможно использовать для расчета сетевого контроллера канального уровня с другимпротоколом, что повлечет за собой потерю времени, или же результат окажется неточным ввидутого, что расчет характеристик был проведен без учета внутренних особенностей сетевогоконтроллера. Кроме этого необходимо учитывать то, что контроллер канального уровняосуществляет важную функцию управления потоком, которая напрямую влияет на размербуферной памяти сетевого контроллера канального уровня, что особенно актуально длябортовых вычислительных систем космических аппаратов.

В связи с вышеизложенным можнозаключить, что необходимо разработать методику оценки вновь создаваемых и ужесуществующих сетевых контроллеров канального уровня для бортовых вычислительных системдля оценки их характеристик, разработать адекватную аналитическую модель данного сетевогоконтроллера, методику проектирования сетевых контроллеров канального уровня.Целью диссертационной работы является разработка научных основ и методовпостроения устройств вычислительной техники и систем управления в части сетевых устройствканального уровня с каналами точка-точка.Задачами диссертационной работы являются:1.Исследование существующих тенденций развития современных вычислительных сетей,анализ канального уровня модели OSI;2.Анализ бортовых вычислительных сетей космического назначения;3.Разработка критериев оценки сетевого контроллера канального уровня;4.Исследование существующих моделей для анализа сетевых контроллеров канального уровня;5.Разработка методики проектирования сетевого контроллера канального уровня;6.Разработка научных основ и методики построения формальной модели сетевых котроллеровканального уровня;7.Исследование систем управления потоком на канальном уровне;8.Разработка метода расчета характеристик систем управления потоком;9.Применение разработанной методики для анализа существующих контроллеров исовершенствования механизмов управления потоком на канальном уровне;10.

Внедрение результатов исследования и разработки в проектирование отечественных СБИС.Методы исследования. Для достижения поставленной цели в работе используютсяметоды теории систем массового обслуживания, теории вероятности и теории вычислительныхсистем.5Предметомисследованиядиссертационнойработыявляетсятеоретическоеиэкспериментальное исследование функционирования контроллеров канального уровня длявычислительных и управляющих систем космических аппаратов с целью улучшения техникоэкономических и эксплуатационных характеристик.Объектом исследования является методы разработки и анализа сетевых контроллеровканального уровня для бортовых сетей космических аппаратов.Научные положения, выносимые на защиту:1.Сформулирована проблема научно-обоснованного проектирования сетевых контроллеровканального уровня.

Предложены критерии оценки качества сетевого контроллера канальногоуровня, разработаны методы оценки данных критериев;2.Разработаны принципы функционирования сетевых контроллеров канального уровня наоснове конвейерной организации для достижения заданных характеристик;3.Разработана аналитическая модель сетевого контроллера канального уровня как системымассового обслуживания для оценки его характеристик;4.Разработана методика анализа характеристик сетевых контроллеров канального уровня сучетом особенности управления потоком.Научная новизна:1.Проведен теоретический анализ и экспериментальное исследование функционированиясетевых контроллеров канального уровня бортовых сетей космических аппаратов;2.Разработана аналитическая модель сетевого контроллера канального уровня как системымассового обслуживания для оценки его характеристик;3.Разработана новая математическая модель сетевого контроллера канального уровня с учетомаппаратных задержек;4.Предложен набор показателей передачи данных, и базирующаяся на нем методика их оценкидля канала точка-точка с сетевыми контроллерами канального уровня;5.Поставлена проблема и разработана методика оценки характеристик канала точка-точка наоснове анализа управления потоком сетевого контроллера канального уровня.Практическая ценность:1.Разработан принцип построения сетевых контроллеров канального уровня на основеконвейерной организации для повышения производительности при проектировании ихаппаратной реализации в микросхемах;2.Разработана методика проектирования сетевых контроллеров канального уровня с учетомфункции управления потоком;63.Разработан новый отечественный протокол канального уровня для сетей SpaceWire,получивший название GigaSpaceWire;4.Разработанные методики применены для проектирования микросхем, включающие сетевыеконтроллеры канального уровня, для бортовых сетей космических аппаратов.Результаты работы используются в проектировании сетевых узлов канального уровня наотечественных СБИС для высокоскоростных бортовых вычислительных сетей космическихаппаратов.Результаты диссертационной работы были внедрены в серийное производство микросхемАО НПЦ (научно-производственный центр) ЭЛВИС, таких как 1892ВМ14Я, 1892ВМ12АТ идругие.