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

2ОглавлениеСтр.ВВЕДЕНИЕ ............................................................................................................................ 4ГЛАВА 1. РАЗВИТИЕ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА СЕТЕВЫЕКОНТРОЛЛЕРЫ КАНАЛЬНОГО УРОВНЯ ........................................................................ 121.1 ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ СОВРЕМЕННЫХ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ .. 121.2 ОБЗОР КАНАЛЬНОГО УРОВНЯ МОДЕЛИ ЭТАЛОННОЙ МОДЕЛИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ОТКРЫТЫХСИСТЕМ .............................................................................................................................. 141.3 БОРТОВЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СЕТИ АВИАЦИОННОГО И КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ.

..... 171.4 ПОКАЗАТЕЛИ КОНТРОЛЛЕРОВ КАНАЛЬНОГО УРОВНЯ ........................................................ 311.5 ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СЕТЕВЫХ КОНТРОЛЛЕРОВ ................................................ 321.6 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СЕТЕВЫХ КОНТРОЛЛЕРОВ ....................................... 401.7 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1 .....................................................................................................

46ГЛАВА 2. МОДЕЛЬ СЕТЕВОГО КОНТРОЛЛЕРА КАНАЛЬНОГО УРОВНЯ .................. 482.1 РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ СЕТЕВОГО КОНТРОЛЛЕРА КАНАЛЬНОГО УРОВНЯ .............................. 482.2 УПРАВЛЕНИЕ ПОТОКОМ.................................................................................................. 512.3 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ МАССОВОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ....................................... 572.4 РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ СЕТЕВОГО КОНТРОЛЛЕРА .............................................................. 592.5 МОДЕЛЬ БЕЗ УПРАВЛЕНИЯ ПОТОКОМ .............................................................................. 602.6 БЛОКИ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ ........................................................................

612.7 БЛОК ВЫБОРА ЗАЯВКИ ................................................................................................... 632.8 БЛОК ВЫДАЧИ................................................................................................................ 682.9 РАЗМЕР БУФЕРА ............................................................................................................ 682.10 ИТОГОВЫЙ ВЫВОД ФОРМУЛ..........................................................................................

692.11 УПРАВЛЕНИЕ ПОТОКОМ ................................................................................................ 702.12 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2 ................................................................................................... 76ГЛАВА 3. МЕТОДЫ АНАЛИЗА И СИНТЕЗА СЕТЕВЫХ КОНТРОЛЛЕРОВКАНАЛЬНОГО УРОВНЯ ..................................................................................................... 783.1 ВВЕДЕНИЕ.....................................................................................................................

783.2 SPACEW IRE .................................................................................................................. 803.3 GIGABIT SPACEW IRE ..................................................................................................... 983.4 ИССЛЕДОВАНИЕ СЕТЕВОГО КОНТРОЛЛЕРА SPACEFIBRE................................................. 1093.5 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3 ................................................................................................... 116ГЛАВА 4.

ВНЕДРЕНИЕ ..................................................................................................... 1194.1 РЕАЛИЗАЦИЯ СУЩЕСТВУЮЩИХ МОДЕЛЕЙ ...................................................................... 1194.2 ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ.................................................................................... 12334.3 ВНЕДРЕНИЕ В СЕРИЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО..................................................................... 1244.4 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4 ...................................................................................................

128ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................................................................... 129СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ .................................................................................................. 131СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ................................................................................................... 132ПРИЛОЖЕНИЕ А.

АКТ О ВНЕДРЕНИИ ........................................................................... 1394ВведениеАктуальность темы исследованияРазвитие новых сетевых технологий открывает широкие перспективы передразработчиками современных вычислительных устройств. Одним из активноразвиваемых направлений является стандарты передачи данных, в том числе и длябортовых вычислительных технологий. Развитие современных стандартов, а такжемодификация уже существующих, ставит перед разработчиками новые задачи посозданию устройств передачи информации по каналам связи.

Необходимо отметить тотфакт, что изменения чаще всего касаются нижних уровней, что доказывается развитиемсовременных стандартов таких как FibreChannel, PCI т.п.Разработка современных коммуникационных устройств являются перспективнымнаправлением для повышения пропускной способности современных бортовых сетей.Множество отечественных и зарубежных разработок посвящены развитиюкоммуникационных устройств различных уровней модели OSI (Open SystemsInterconnection Basic Reference Model). Так как процесс создания любого устройствасложен, исследование характеристик создаваемого устройства до его полноценнойимплементации в железе является важной проблемой.

Большой спектр научныхисследований посвящен измерению сетевых характеристик, таких как надежность и/илипропускная способность.Необходимо учитывать тот факт, что при создании коммутирующих устройстводним из самых важных факторов становится время, затрачиваемое на их разработку.Ввиду ввода новых технологий, это время постоянно сокращается. Постепенный уход отнизкоскоростных протоколов передачи данных (до 10 Мбит в секунду) ксреднескоростным (до 100 Мбит/c) и высокоскоростным (более 100 Мбит/c) увеличилсложность создаваемых устройств и, таким образом, усложнил процесс общегомоделирования. Вследствие этого необходимо принимать в расчет как время созданиямодели, так и само моделирование.

В общем случае время, которое тратится намоделирование устройства, может быть довольно значительно, то возможновозникновение ситуации, когда решение о выпуске очередного устройства уже будетнеактуально. Таким образом можно заключить, что время, затрачиваемое на построениеи тестирование модели устройства, должно быть в разумных рамках относительновремени создания самого устройства.В данной работе рассмотрены аспекты построения модели коммуникационныхустройств канального уровня на базе теории массового обслуживания.

Предлагаетсяиспользовать разбиение создаваемого устройства на несколько частей. Построениемодели устройства осуществляется на базе данных стандарта передачи данных,физических характеристик линий передаче, частотах и интенсивности передаваемыхданных и других условиях.5Несмотря на большое количество разработок и инструментов для моделирования,проблема создания моделей сетевых контроллеров канального уровня по-прежнемуактуальна. Анализ характеристик канального уровня до сих пор является большойпроблемой. Например, модель Кнудсена-Мадсена [1], разработанная для подсчетапропускной способности сетевого контроллера канального уровня, оказываетсяслишком простой, и не учитывает ни приоритетность передачи символов внутриконтроллера, ни управление потоком контроллера.В то же время существует большое количество различных языковпрограммирования, которые позволяют строить имитационные модели устройств.Например способы моделирования, описанные в [2], акцентирует написание моделей сиспользованием динамических моделей на языках высокого уровня, что делает ихповторное применение для других подобных устройств практически невозможным.Система Network Calculus тоже часто используется для построения моделейканального уровня.

На основании данной модели строится большое число моделей длясети с коммутаторами [3, 4]. Основным недостатком данных моделей является ихузконаправленность, так как, во-первых, перерасчет характеристик модели являетсяочень сложным и затратным процессом, и, во-вторых, данное моделирование непредназначено для расчета характеристик узлов канальных уровней.Подводя итог, можно сказать, что расчет характеристик канального уровняявляется актуальной задачей.

Несмотря на большое количество разработок в даннойобласти – построение модели сетевого контроллера канального уровня все ещевызывает довольно большие затруднения.В данной работе определен набор параметров, оказывающих существенноевлияние на построение модели коммутатора канального уровня, позволяющая оценитьзадержку, пропускную способность и буферное пространство, необходимое длясоздания данного коммутатора. На базе этих параметров определена методика выборанужных значений данных характеристик и их зависимость друг от друга.На основании выходных и входных характеристик сформулирована проблемасоздания контроллера канального уровня. Доказано, что максимизация одниххарактеристик неизбежно ведет к ухудшению других. В итоге, построение моделисводится к максимизации одних характеристик без значительного ухудшения других наосновании моделирования.

На основании этого была предложена математическаямодель канала контроллера канального уровня.Необходимые базовые физические характеристики для построения модели,берутся из стандарта передачи данных, или формируются, исходя из структурной схемы,или опыта разработчика. Однако построение модели должно происходить всоответствии с определенными принципами. В данной диссертации была сформированпринцип построения данной модели на основе конвейерной обработки.Кроме этого необходимо учитывать то, что контроллер канального уровняосуществляет важную функцию управления потоком, которая напрямую влияет на все6характеристики данного контроллера. В соответствии с исследованием быласформирована методика оценки эффективности контроллера канального уровня сучетом особенности модели управления потоком.В работе исследованы возможности разбиения сетевого контроллера канальногоуровня на блоки для моделирования и в соответствии с этим была использована теориямассового обслуживания для расчета характеристик каждой части модели контроллераканального уровня.