Автореферат (Методы исследования и разработки сетевых контроллеров канального уровня для высокоскоростных бортовых вычислительных сетей космических аппаратов), страница 2

По результатам исследования были получены 6 патентов. Разработан улучшенный методуправления потоком для протокола канального уровня GigaSpaceWire.Апробация диссертационной работы. Основные положения диссертационной работыдокладывались на международных конференциях SpaceWire (2007, 2010, 2013, 2014) и FRUCT(15 и 16 конференции русско-финского сотрудничества университетов), на международнойнаучно-технической конференции «Измерение, контроль, информатизация» в Барнауле (2010),наIXВсероссийскойнаучно-практическойконференции«Актуальныепроблемымашиностроения» в Самаре (2017), на научных сессиях ГУАП в Государственном университетеАэрокосмического приборостроения в 2010-2018 г, на семинаре на кафедре «Компьютерныхсистем и программных технологий» Санкт-Петербургского Политехнического Университета.Личный вклад соискателя состоит в непосредственном участии во всех этапахдиссертационного исследования, в планировании научной работы, наборе материала,углубленноманализеотечественнойизарубежнойнаучнойлитературы,анализеиинтерпретации лабораторных и инструментальных данных, их систематизации, статистическойобработке с описанием полученных результатов, написании и оформлении рукописидиссертации, основных публикаций по выполненной работе.Достоверностьиобоснованностьрезультатовисследованияобеспечиваютсяиспользованием комплекса современных теоретических методов, таких как теория массовогообслуживания, применяемых в работе, адекватных объекту, предмету, целям и задачамдиссертации, природе изучаемой области, репрезентативностью базы исследования, а такжеуспешным внедрением результатов в серийное производство.Публикации результатов диссертационной работы.

По материалам диссертационнойработы были опубликованы 21 научная работа, в том числе 15 статей и докладов, 7 из которыхвходят в перечень ВАК, 2 в издании, индексируемых SCOPUS, получено 3 патента РФ наполезную модель и 3 патента на изобретения.7Внедрение результатов диссертационной работы. Результаты диссертационной работы былииспользованы в патентах на изобретение и полезную модель. Наличие патентов, полученных порезультатам исследования, подтверждает новизну его результатов. Результаты научныхисследований реализованы в серийных, опытных и разрабатываемых образцах АО НПЦ Элвисотечественных СБИС, в микросхемах 1892ВМ14Я, 1892ВМ7Я, 1892ВМ15АФ, 1892ВМ12АТ,1892КП1Я и 1892ХД1Я, выпускаемых серийно.Объем и структура работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырехразделов, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 138 страницмашинописного текста, 76 рисунков, 1 приложение. Перечень литературных источниковсодержит 110 наименований.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность работы, представлены основные задачи,сформулирована основная цель исследования, научная новизна и практическая ценностьрезультатов работы, приведено краткое описание структуры диссертации.В первой главе даны обзор тенденций развития современных сетевых устройств,перспективы их дальнейшего развития, способы проектирования таких устройств, приведеныпримеры моделей сетевых контроллеров канального уровня.Текущие алгоритмы создания высокоскоростных сетей и систем проектирования узловыхустройств не в полной мере подходят для выполнения текущих проектов, которые на данныймомент выходят на уровень миллиардов транзисторов.

Текущий подход к созданию сетей ивысокопроизводительных блоков может оказаться неэффективным из-за сильно возросшейсложности проектирования блоков c самого начала разработки. Тенденции развития бортовыхсетей спутника или самолета показывают, что такая сеть должна обеспечивать непрерывныйобмен данными между управляющей системой и датчиками связи, которые передаютинформацию между собой посредством узлов связи. До сих пор в таких сетях используютсяотработанные стандарты связи, такие как MIL-STD-810, CAN и даже Ethernet.

Несмотря набыстрое развитие стандартов обмена данными «на земле», бортовые системы не успевают засовременными тенденциями, ввиду более сложного проектирования и сложности замены вслучае поломки узла.На основании вышеизложенного был сделан обзор существующих стандартов передачиданных, предназначенных для бортовых сетей, таких как ADFX, Ethernet, ARINC, FibreChannel,SpaceWire, GigaSpaceWire и др. На основании обзора данных стандартов был сделан вывод о том,что чаще всего изменения касаются именно канальных и физических уровней модели OSI.8Особенности проектирования физического уровня модели OSI находится за рамкамиисследования данной диссертации, когда как канальный уровень является предметомисследования.Дополнительно в данном разделе были определены способы проектирования моделейсетевых контроллеров канального уровня, приведены конкретные реализации.

Рассмотренынесколько способов проектирования данных моделей, такие как – статические, динамические истатико-динамические модели, включая примеры уже существующих моделей.Определены основные достоинства и недостатки каждой группы моделей. Показананеобходимостьиспользованияматематическихмоделейконтроллеров. Сформулирована проблема разработкидлямоделейпроектированиясетевыхсетевых контроллеров.Определены требования к параметрам проектируемых сетевых контроллеров, выбраныпараметры для их исследования. Определено влияние каждого параметра на проектированиесетевого контроллера канального уровня, выбран математический аппарат для его исследования.Во второй главе рассмотрены особенности проектирования сетевых контроллеровканального уровня с помощью теории массового обслуживания.

Предложена модель сетевогоконтроллера канального уровня. Описано влияние управления потоком на данный сетевойконтроллер, представлена обобщенная модель различных схем управления потоком.В соответствии с описанными требованиями представлена обобщенная математическаямодель сетевого контроллера канального уровня. При проектировании математических моделейсетевых контроллеров канального уровня практически всегда не учитываются внутренняяспецифика контроллера и часто такие модели строятся на очень упрощенных характеристиках(например – модель Кнудсена/Мадсена для канала передачи данных). Для построения болееадекватной реализации модели представим обмен данных такого сетевого контроллера какконвейерную систему, которая осуществляют передачу данных. Данные поступают в сетевойконтроллер со стороны передающей части сетевого контроллера и покидают сетевой контроллериз приемной части.

Поступление данных в сетевой контроллер носит последовательныйхарактер, так как одновременно во всей системе может находиться несколько данных в стадииобработки, на разных этапах. Сетевой контроллер канального уровня представляется в видеконвейерной системы. Построение такой системы в виде конвейера позволяет рассчитатьзаявленные характеристики сетевого контроллера, таким образом улучшив их, и, в целом –увеличить общую производительность сетевого контроллера канального уровня по заявленнымхарактеристикам.

Было сделано предположение, что всю систему передачи символов можнопредставить в виде конвейерной системы (Рисунок 1), состоящую из пяти частей: блокипоследовательной обработки, блок выбора, среда передачи, блоки сортировки и блок выдачи.9Передающая часть контроллераПриемная часть контроллераСимвол 1Блоки последовательной обработкиБлоквыдачи 1Символ 2Блоквыбора...КоммуникационнаясредаБлоквыдачи 2Блокисортировки...Символ n...Блоквыдачи 3Рисунок 1. Представление сетевого контроллера канального уровня в виде конвейераБлоки последовательной обработки могут находиться как в приемной, так и в передающейчасти блока.

Количество таких блоков определяет не только время нахождения данных в системеэтих блоков (что влияет на время прохождения данных через все блоки), но и на количестводанных, которые могут одновременно обрабатываться внутри этих блоков. Каждый блокобладает своей задержкой и данные проходят через каждый из них. Основная задача данныхблоков – обрабатывать поступающие на обработку символы – например – формированиепроверочной информации для символа (CRC), формирование заголовка пакета, кадра и т.п.Практически во всех сетевых контроллерах канального уровня передаются символы (иликадры) разных типов и приоритетов.

Все символы могут поступать в любой момент времени. Вканал символы отправляются в определенном порядке. За последовательность отправки отвечаетблок выбора символов по приоритету. Этот блок вносит довольно большие задержки внизкоприоритетные данные, но практически не влияет на высокоприоритетные.К среде передачи относятся физические характеристики канала, например, медные илиоптические кабели. Среда передачи вносит свои задержки в процесс передачи данных, однакоданные задержки являются наиболее предсказуемыми для расчета, так как практически всегдазависят от физических характеристик и не относятся к вероятностным характеристикам. Большаядлина кабеля может существенно влиять на характеристики канала. Чаще всего среда передачиопределяется непосредственно стандартом передачи данных (например – FibreChannel, RapidIOили SpaceWire).

На расстояние между приемником и передатчиком разработчик имеет весьмаопосредованное влияние, так как оно определяется техническим заданием и физическимизаконами распространения сигнала.К блокам сортировки относятся блоки, осуществляющие задержку данных, но, в отличиеот блоков последовательной обработки, не осуществляющие обработку данных внутри.Например, к данным блокам можно отнести практически все блоки в приемной части сетевогоконтроллера канального уровня, например – блок декодирования. Данные блоки вносят10некоторую базовую задержку, которые просто задерживают данные на определенное точновычисляемое время.