Автореферат (Методы исследования и разработки сетевых контроллеров канального уровня для высокоскоростных бортовых вычислительных сетей космических аппаратов), страница 3

Перед ними никогда не образуется очереди из символов.Блок выдачи данных представляет собой блок, который отдает данные по запросупринимающей стороной из самого контроллера. Если блок выдачи работает медленно, то именнов этом блоке возможны значительные задержки. При значительных задержках это является илинеустранимой характеристикой, или требованием, которое предъявляется к хост системе.

В этомслучае остальной сетевой контроллер канального уровня можно будет спроектировать, исходя изданных задержек.Для каждого блока описана схема представления символов в заявки с определеннымприоритетом. Для каждого блока определена формула задержки заявок передачи черезсоответствующую часть контроллера:Для блоков последовательной обработки: =()– задержка в одном блоке – суммарная задержка во всех блокахконв = ∑Для блока выбора заявки:∑выбр = µ + (⋯)(⋯)– для относительных приоритетов заявок k-гоприоритета, где k=1,2,3 … Nвыбр = (µ(⋯⋯))(∑⋯)– для абсолютных приоритетов приоритетов заявокk-го приоритета, где k=1,2,3 … NДля блока выдачи i-й заявки: =()Представлена формула общей задержки общ любой заявки i в системе равная суммеполученных задержек при прохождении через систему:общ = конв + сред + выбр + сорт + выхВыведены формулы размеров буферов и процентиля размера буфера = – средний размер буфера = log (1 − ) – процентиль размера буфераВыведена формула пропускной способности, которая зависит от типа самой заявки иколичества полезной информации, передающейся через систему.

=11Исследована проблема управления потока канального уровня, выявлены ограничения,накладываемые каждым из способов. Вычислены формулы для различных форм управленияпотоком: =⎧= конв + сред + выбр + сорт + вых - система с абсолютным кредитованием⎨ общ < (µконв , µвыбр , µвых )⎩ < (µконв , µвыбр , µвых )⎧общ = конв + сред + выбр + сорт + вых – система с относительным кредитованием⎨≤⎩⎧⎪=подтвзаявк– система со скользящим окномзаявк ≤ ( − )подтв⎨⎪⎩ общ = конв + сред + выбр + сорт + выхВ результате исследования во второй главе была разработана система показателей дляоценки функционирования внутренних компонентов сетевого контроллера канального уровня,важных для бортовых систем: задержка передачи, пропускная способность и размер буфера.

Дляанализа данных характеристик была разработана формальная модель с использованиемклассических систем массового обслуживания M/M/1 с учетом особенностей реализациисетевого контроллера канального уровня.На основании исследования сетевых контроллеров канального уровня были описаныпринципы их функционирования для канала точка-точка и с использованием управленияпотоком.

Был предложен метод анализа и разработки сетевого контроллера канального уровнявычислительной сети с заявленными начальными характеристиками.Был разработан метод анализа характеристик сетевого контроллера канального уровня сучетом не только аппаратных особенностей контроллера, но и с учетом ограничений, задаваемыхфункцией управления потоком.По итогам исследования данной главы была разработана методика оценки среднеговремени прохождения заявки, методика оценки средней пропускной способности и методикаоценки размера буфера в зависимости от количества заявок в системе, интенсивности отправкизаявок и времени задержки прохождения заявки. Дополнительно был предложен метод расчетапроцентиляданныххарактеристик.Этиметодикипозволяютоценитьаппаратныехарактеристики внутренних блоков проектируемого сетевого контроллера канального уровня.В третьей главе рассмотрены несколько сетевых протоколов канального уровня сподстановкой и расчетом получившихся характеристик.

Эффективность функционированиясетевого контроллера сильно зависит от организации приоритетов и системы управления12потоком внутри него. Модель SpaceWire представлена на рисунке 2.Символ меткивремени, l1Символкредитования,l2Символ данных,l3Конвейер S1mS1Буфер S1Конвейер S2Конвейер S3Символ концапакета, l4Конвейер S4Символ Null,l5Конвейер S5mS2mS3Выборзаявок напередачуЗадержкикоммуникационной средыБуфер S2СортировказаявокБуфер S3Буфер S4mS4Буфер S5m'S1m'S2m'S3m'S4m'S5mS5Рисунок 2.

Модель SpaceWireВведем обозначения для времен задержек каждой заявки символа SpaceWire. Каждойзаявки. На основе модели были посчитаны характеристики временных задержек для этогоконтроллера:отпр пост(196 + 16 + 100 + 16 + 64 )1++ 14 +++11(1 − 14 )пост − отпр − отпр пост(196 + 16 + 100 + 16 + 64 )1общ = пост +++4+++11(1 − 14 )(1 − 14 − 4 )пост − отпр − отпр пост(196 + 16 + 100 + 16 + 64 )1общ = пост +++ 10 +++11(1 − 14 − 4 )(1 − 14 − 4 − 10 )пост − отпр − отпр пост(196 + 16 + 100 + 16 + 64 )1общ = пост +++4+++11(1 − 14 − 4 )(1 − 14 − 4 − 4 )пост − отпр − где общ – задержка передачи управляющих кодов, общ - задержка передачи символовобщ = пост +кредитования, общ – задержка передачи символов данных, общ – задержка передачи символов концапакета, … – соответствующие интенсивности отправки данных символов, – статичнаязадержка блоков сортировки, отпр – время, затрачиваемое на обработку заявок выходным блоком,и пост – среднее время задержки в блоках последовательной обработки.Построены ограничения для системы относительного кредитования:отпр пост(196 + 16 + 100 + 16 + 64 )1⎧общ = пост +++ 10 +++11(1 − 14 − 4 )(1 − 14 − 4 − 10 )⎪−−постотпр⎪отпр пост(196 + 16 + 100 + 16 + 64 )1⎪= пост +++4+++⎪ общ11(1 − 14 − 4 )(1 − 14 − 4 − 4 )⎪пост − отпр − ⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎩ общ + общ ≤ 5611 < max;пост отпр11 < max;пост отпр14 + 4 + 10 + 4 + 8 < 113На основе данных формул получены графики для характеристик сетевого контроллера60,00200,0040,00150,00100,0020,0050,00Интенсивность, 10E-3Пропускная способность69,4467,5765,7964,1062,5060,9859,5258,1456,8255,5654,3553,1952,0851,0250,0049,0248,0847,1746,3045,4544,6443,8643,100,0042,370,00Заявки в очереди250,0041,67Пропускнаяспособность, Мбит/c(Рисунки 3, 4, 5 и 6).ЗаявкиРисунок 3.

Зависимость размера буфера и пропускной способности от интенсивности503010-10Проп спос данныхИнтенсивность меток времени, 10e-3Проп спос метки времДанных в системеКоличество данных702001601208040012,5012,9013,3313,7914,2914,8115,3816,0016,6717,3918,1819,0520,0021,0522,2223,5325,0026,6728,5730,7733,3336,3640,0044,4450,0057,1466,67Пропускнаяспособность, Мбит/cотправки управляющих кодовМеток в системеРисунок 4.

Зависимость пропускной способности заявок и количество данных в системе от400,005000,00300,004000,003000,00200,002000,00100,001000,000,00250,00150,38107,5383,6868,4957,9750,2544,3539,6835,9132,7930,1727,9326,0124,3322,8621,5520,3919,3418,4017,5416,7616,0515,4014,7914,2313,7213,240,00Срденяя задержка,btПропускнаяспособность,Мбит/cинтенсивности заявки высшего приоритетаИнтенсивность обслуживания, 1e-3Рисунок 5. Зависимость пропускной способности и задержки от интенсивностиобслуживания приемной стороныРазмер буфера1358535-1513579 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55Среднее количество заявок в буферахСреднее значениеПроцентиль 50Процентиль 70Процентиль 90Рисунок 6. Зависимость процентиля размера буфера от количества заявок в буферах14Следующая модель была разработана для стандарта GigaSpaсeWire (Рисунок 7).Символподдержкисвязи, l1Символ меткивремени, l2Символкредитования,l3Конвейер S1Конвейер S2Конвейер S3Символ данных,l4Конвейер S4Символ концапакета, l5Конвейер S5Символ Null,l6Конвейер S6mS1Буфер S1mS2mS3mS4Буфер S2Выборзаявок напередачуЗадержкикоммуникационной средыСортировказаявокБуфер S3Буфер S4Буфер S5Буфер S6mS5m'S1m'S2m'S3m'S4m'S5m'S6mS6Рисунок 7.

Модель GigaSpaceWireПосчитаны временные характеристики для модели и заявлены ограничения для системыкредитования:отпр пост(100⎧общ = пост +++ 20 +1⎪−пост⎪отпр пост(100⎪++ 10 +⎪общ = пост + 1(1−10−⎪пост⎪отпр пост(100⎪общ = пост +++ 10 +1(1 − 10⎪−пост+ 200 + 100 + 100 + 100 + 100 )1++1(1 − 10 )(1 − 10 − 20 )−отпр+ 200 + 100 + 100 + 100 + 100 )1++1− 20 − 10 )(1 − 10 − 20 − 10 − 10 )−отпр+ 200 + 100 + 100 + 100 + 100 )1++1− 20 − 10 )(1 − 10 − 20 − 10 − 10 )−отпр общ + общ ≤ 5611 < max;пост отпр11 < max;пост отпр10 + 20 + 10 + 10 + 10 + 10 < 1 +≤7⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩На основании данных формул была доказана неэффективность системы кредитования4000,003000,002000,001000,000,006257659051045118513251465160517451885202521652305244525852725286530053145328534253565370538453985412542654405454546854825496551055245Пропускная способность,Мбит/cданной версии GigaSpaceWire (Рисунки 8 и 9).Частота передачи, МгцПосчитанная пропускная способностьПредполагаемая пропускная способностьРисунок 8.

Пропускная способность в зависимости от частоты передачи2600240022002000180016001400120010008006004005053565962656871747780838689929598101104107110113116119122125128131134137140143146149Пропускная способность, Мбит/c15Длина кабеля, м1062,5 Мгц3125 Мгц5325 МгцРисунок 9. Пропускная способность сетевого контроллера GigaSpaceWire в зависимостиот длины кабеляНа основании исследования построена модель второй версии контроллера GigaSpaceWire.отпр пост(100⎧общ = пост +++ 20 +1⎪−пост⎪отпр пост(100⎪++ 10 +⎪общ = пост + 1(1−10−⎪пост⎪отпр пост(100⎪общ = пост +++ 10 +1(1 − 10⎪−пост+ 200 + 100 + 100 + 100 + 100 )1++1(1 − 10 )(1 − 10 − 20 )−отпр+ 200 + 100 + 100 + 100 + 100 )1++1− 20 − 10 )(1 − 10 − 20 − 10 − 10 )−отпр+ 200 + 100 + 100 + 100 + 100 )1++1− 20 − 10 )(1 − 10 − 20 − 10 − 10 )−отпр общ + общ ≤ 51211 < max;пост отпр11 < max;пост отпр10 + 20 + 10 + 10 + 10 + 10 < 1 +≤ 32⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩На основании модели было доказано, что ошибки кредитования больше не существует798,50794450400350300250200150100500Количество заявок790,00740,00690,00640,00590,00540,00490,00440,00390,00340,00290,00240,00190,00140,0090,0020,0020,5121,0521,6222,2222,8623,5324,2425,0025,8126,6727,5928,5729,6330,7732,0033,3334,7836,3638,1040,0042,1144,4447,0650,0053,3357,1461,5466,6772,7380,0088,89Пропускная способность,Мбит/с(Рисунок 10).Интенсивность, 1e-3На основе моделированияНа основе физической реализацииКоличество заявокРисунок 10.

Пропускная способность канала и количество заявок в дуплексном режиме отинтенсивности заявок данных16По тому же принципу была сформирована модель канального контроллера сети SpaceFibre(Рисунок 11).Широковещательныйфрейм, l1Конвейер S1Фреймподтвержденияданных, l2Фреймкредитован ия,l3mS1Буфер S1Конвейер S2Конвейер S3Фрейм данных,l4Конвейер S4Символ Null,l5Конвейер S5mS2mS3Выборзаявок напередачуЗадержкикоммуникационной средыБуфер S2СортировказаявокБуфер S3Буфер S4Буфер S5mS4m'S1m'S2m'S3m'S4m'S5mS5Рисунок 11. Модель канального контроллера сети SpaceFibreобщ = пост +общ = пост +общ = пост +общ = пост + пост11+++11(1 − − )(1 − )пост − отпр − пост11+++11(1 − − − )(1 − − )−постотпр − ( + 2) пост + 2 − ( + 1)( + + )1+++11(1 − − − − ( + 2) )(1 − − − )−− ( + 2)постотпр⎧общ = пост +⎪⎨⎪⎩ пост11+++111−−постотпр − ( + 2) пост + 2 − ( + 1)( + + )1+++11(1 − − − − ( + 2) )(1 − − − )−− ( + 2)постотпр64≤Рассчитаны характеристики для построенной модели.

Проведено сравнение с физической800,00725,00650,00575,00500,00425,00350,00275,00200,00790,37781,615,005,105,205,305,415,525,645,775,906,036,176,326,486,646,816,997,187,397,607,828,068,328,598,889,199,529,8810,2710,6811,1411,6312,1712,7613,4014,12Пропускнаяспособность, Мбит/cреализацией, подтвердившее адекватность построенной аналитической модели (Рисунок 12).интенсивность, 1е-3Пропускная способность (теоретич)Пропускная способность (физич)Рисунок 12. Пропускная способность при дуплексном режимеНа основании данных исследований выведены результаты практической реализациисетевых контроллеров с помощью построенной модели.17В четвертой главе представлены примеры применения разработанных методов и моделейв аппаратные реализации и патентные разработки.Продемонстрирована методика разбиения на подблоки для дальнейшего моделирования постандартам SpaceWire, GigaSpaceWire и SpaceFibre, которое было представлено в главе 2.Показано применение результатов исследования и методик при проектировании сетевыхконтроллеров канального уровня по стандарту SpaceWire, GigaSpaceWire, SpaceFibre.