Диссертация (Методы исследования и разработки сетевых контроллеров канального уровня для высокоскоростных бортовых вычислительных сетей космических аппаратов), страница 11

Модель Кнудсена-МадсенаРисунок 13 (б) показывает параметры канала, которые используются в моделиканала. Количество слов канала nc передаются пакетом ( nb  1 ) слов канала ширинойs b , и конечной частью s r , причем 0  s r  sb :nc  (nb  1)sb  srОпределим способ выбора параметра nb . Предположим, что bm выбирается,исходя из одного из трех видов передачи – фиксированной, при которой длины всехпакетов будут полностью одинаковыми (fixed), максимальная, при которой существуетпакет определенной длины, причем ни один другой пакет не может быть больше этогопакета, но более маленькие могут присутствовать (max) и бесконечная, при которомпередаваться могут пакеты абсолютно любой длины без ограничений (inf).

Если43рассмотреть все 3 варианты передачи, то параметр nb можно будет высчитать, исходяиз следующего выражения:bm  inf 1nb  ,| ncd sb | bm  fixed , maxгде ncd - число слов канала в отношении к количеству входящих слов драйвера n tшириной wt , которые были преобразованы в слова канала шириной wc .При любой передаче требуется синхронизация между посылками пакетов(например, такты выборки управляемых устройств, или обмен настройками). Числотактов, необходимых для синхронизации обозначим c sb . Передача же всех nc словпотребует дополнительной общей синхронизации перед всеми пакетами, которое мыобозначим css . Общее количество тактов синхронизации для передачи nc слов будетравно:ccs  nbcsb   cssТаким образом, для частоты передачи канала f c , при количестве тактов передачичерез канал одного слова cct , и количестве передаваемых слов nc , задержки в каналепередачи будут равны:t cd  ccs  cct nc  / f cРасчет данной задержки предполагает, что соединение уже установлено, такимобразом не берутся в расчет задержки на установку соединения и арбитраж.Рисунок 13 (в) показывает расчетные параметры для построения приемной моделидрайвера.

Для построения модели будет сделано допущение, что приемник знаетпараметры wt и w g , таким образом зная принцип преобразования данных. Так жеделается допущение, что wr ≥ wt , чтобы каждое передаваемое слово помещалось в однослово приемное слово. При частоте приемного процессорного узла f r , числе тактов дляинициализацииприемногодрайвераc rc ,ичислатактовприемаодногонепреобразованного слова данных c rp , задержки на приемной части драйвера будутравныt rd  c rc  c rp nt  / f rПринимая в расчет то, что передающая часть, канал и приемная часть работаютпараллельно (туннельная передача), то можно сделать вывод, что самая большаязадержка из вышеперечисленных даст нам задержку:t m  max(t td , t cd , t rd )А полную задержку можно высчитать по формулеt m  t m  2t m / nt44Второй компонент представляет собой приблизительную задержку на запуск изавершение передачи через туннель.

Данная задержка является худшим случаем.Таким образом, получается простая модель расчета задержек при соединениидвух процессорных узлов.Недостатки данной модели довольно очевидны – не учитываются задержкиприоритета при проектировании данной модели, пропускная способность учитываетсятолько для всего контроллера, а не для данных различных типов. Так же не учитываетсяобратная связь с приемной стороной.TX-SW моделиTX-HW моделиTX-HW моделипроцесс(1)МоделипротоколовМоделиканаловRX-SW моделиRX-HW моделипроцесс(2)RX-HW моделиРисунок 14. Коммуникационная модель РенераКоммуникационная модель Ренера [81] показана на рисунке 14.

Такая модельпредполагает не только задержки приемной, канальной и передающей модели, но изадержки, которые появляются в результате выбора определенного протокола.Используя дополнительные задержки, определенные в протоколе, строятся моделиприемной, передающей и канальной части.Формула для расчета задержек передающей стороны:t oT ntcSW ntcHW HWf tcSWf tcгде ntc - количество тактов, необходимых для передачи данных в канал, а f tc частота передающей части драйвера (обозначение sw – означает программнуюреализацию драйвера, hw – аппаратную реализацию драйвера).

Так как драйвер, взависимости от реализации, может быть либо программным, либо аппаратным, то одиниз слагаемых вышеозначенной модели будет равен 0. Данная передающая модель Ренепредусматривает добавление дополнительной задержки для преобразования/сжатияданных. Приемная модель идентична передающей модели.Формула для расчета задержек канала основана на структуре на базекоммутационных элементов, включающие в себя задержки на программируемой логике(FPGA) и задержках на элементах дуплексной памяти (DPRAM), которые используютсядля задания различных задержек протоколов. Она представляется как:t cp  ktsw  t fpga,i  mtDPR  t wire,iiiгде число k обозначает количество коммутационных элементов, t sw - задержкаэлемента, t fpga - задержки на элементах FPGA, число m – количество обращений кпамяти, t ddr - задержка на памяти, t wire - задержки на шинах.

В зависимости от типов45соединения некоторые слагаемые будут равны 0. Параметры для данной моделизадаются табличным способом.pДополнительные задержки в протоколе обозначаются параметром t p . Зависитданный параметр от расходов на арбираж, проверку контрольной суммы и т.п. Общаязадержка будет равна:t p  t Tp  t tC  t tp  t tR .Однако, если соединение представляет из себя туннель, то общая задержка будетравна максимальной задержке из всех:t p  max( t Tp , t tC , t tp , t tR )В данной моделей не предложено способа расчета задержек, а предполагается,что они получены или экспериментальным путем, или известны заранее.

Так же, как и впредыдущей модели – не учитывается управление потоком и различные типы данных,которые могут передаваться через сетевой контроллер.Еще одним популярным вариантом расчета характеристик сети канального уровняявляется алгебраическое моделирование Network Calculus [82][83]. Сетевое исчислениеNetwork Calculus представляет собой теоретическую основу для определения граничныхоценок параметров качества обслуживания заявок в пакетных сетях.Основы сетевого исчисления берут свое начало из математической теориидиоидов, алгебры с двумя операциями в частности, «мин-плюс/макс-плюс» диоида.Теорию также называют «мин-плюс / макс-плюс» алгеброй, относящейся к классуидемпотентных алгебр. «Макс-плюс» алгебра двойственна «мин-плюс» алгебре сподобными концепциями и результатами, когда минимум заменяется максимумом, аинфимум – супремумом [84].

Основные положения теории сетевого исчисления вбольшинстве случаев используют «мин-плюс» алгебру. В отличие от традиционнойалгебры в «мин-плюс» алгебре операции изменяются следующим образом: сложениепревращается в расчет инфимума (или минимума, если он существует), умножениепревращается в сложение. Стоит отметить, что использование таких подходов упрощаетопределение граничных оценок.

Теория Network Calculus развивалась по двумнаправлениям: детерминистическое и стохастическое. Детерминистическая теорияпозволяет определять детерминистические границы, гарантирующие, что реальныепараметры в сети оператора (такие, как границы задержки, загрузки, потери пакетов,эффективная полоса пропускания) будут не хуже запрашиваемых пользователемпараметров или будут в некоторых нормированных пределах. Таким образом,детерминистическая теория подходит в случае, если требуются строгие оценкиграничных характеристик.

Тем не менее, анализ с использованием DNC будет всегдадавать только пессимистичные оценки, что может привести к необходимостирезервирования излишних сетевых ресурсов. Стохастическая теория позволяетопределять стохастические границы, гарантирующие, что реальные параметры снекоторой допустимой вероятностью будут не хуже запрашиваемых пользователем46параметров. Таким образом, стохастическая теория подходит в случае, если нетребуются строгие оценки граничных характеристик и допустимы некоторые нарушениянормируемых параметров, однако, при этом сетевые ресурсы используются болеерационально [85].Несмотря на очевидные преимущества Network Calculus для расчета параметровузловых элементов в сети любой сложности ее основным недостатком являетсябольшая сложность расчета параметров узловых элементов.

Кроме этого на моментрасчета должны быть известны как параметры обработки поступающего потока данныхв узловой элемент, так и характеристики всей сети. Таким образом использованиеNetwork Calculus на начальном этапе разработки сетевого контроллера канальногоуровня представляется весьма затруднительным, если не невозможным. Данный методбольше подходит для улучшения уже существующих сетей и средств коммуникации,направленных на улучшение характеристик сетевого и транспортного уровней.1.7 Выводы по главе 1Специфика технологии реализации сетевых контроллеров канального уровня, ихприменения в бортовых сетях космических и летательных аппаратов заставляет зановооценивать и пересматривать, дополнять сложившиеся методы и критериипроектирования для такого типа устройств. Одним из классических вопросов, методырешения которого подлежат ревизии, является вычисление полезной пропускнойспособности различных типов сообщений, которые передаются через канальныйуровень.