Диссертация (Методы исследования и разработки сетевых контроллеров канального уровня для высокоскоростных бортовых вычислительных сетей космических аппаратов), страница 12

Вследствие большого количества сообщений с разными приоритетами иразличными способами управления потоками в зависимости от типа сетевогоконтроллера расчет полезной пропускной способности каждого типа сообщенийпредставляется довольно большой проблемой. В текущих моделях расчета пропускнойспособности эта проблема практически не рассматривается.Исследование сетевых контроллеров канального уровня с помощью языковаппаратной реализации бесперспективно ввиду очень большого временимоделирования и нагрузки на аппаратные системы.Для начального моделирования необходимо использовать статические(математические) модели канального уровня, так как динамические или статикодинамические требуют намного большого времени на написание такой модели.Существующие статические модели сетевых контроллеров канального уровняочень просты и практически не охватывают проблемы с приоритетностью передаваемыхслов данных.

В существующих статических моделях не рассматриваются спецификауправления потоком канального уровня.Необходимо учитывать, что сетевой контроллер канального уровня работает врежиме полного дуплекса, предполагающий обмен информации между двумя сетевымиустройствами. Текущие модели коммуникационных каналов и сетевых контроллеровданную ситуацию не учитывают.47Наряду с пропускной способностью необходимо учитывать задержки, которыемогут появится в результате передачи сообщений с различным приоритетом.

Текущиемодели учитывают только физические задержки, основанные на тактах текущих частоти преобразовании слов, но совершенно не учитывают приоритетность сообщений. Еслисообщений с разными приоритетами будет много – это может вылиться в серьезныезадержки при передаче сообщений с более низким приоритетом.Еще одной проблемой сетевого контроллера канальном уровне являетсянеобходимость расчета буферов для управления потока. Так как элементы памятиявляются потребляют больше всего электроэнергии – это очень важный параметр дляучета при проектировании сетевых контроллеров бортовых сетей космическихаппаратов, который на данный момент практически не учитывает специфику режимаобмена между устройствами канального уровня.По рассмотренному материалу можно сделать несколько заключений.1)Современные высокоскоростные вычислительные сети авиационного икосмического назначения строятся по архитектуре сетей с коммутацией пакетов, скоммутаторами (маршрутизирующими коммутаторами) и высокоскоростными каналамиточка-точка.

Характеристики сетевых контроллеров канального уровня и эффективностьих функционирование оказывают большое влияние на характеристики бортовыхвычислительных сетей.2)Ключевыми характеристиками сетевых контроллеров канального уровнявысокоскоростных вычислительных сетей авиационного и космического назначенияявляются характеристики пропускной способности, задержки и аппаратных затрат на ихреализацию.3)Существующие методы и модели проектирования сетевых контроллеров непокрывают потребностей создания высокоэффективных сетевых контроллеровканального уровня для высокоскоростных вычислительных сетей авиационного икосмического назначения.4)Необходима разработка новых моделей и методов для проектирования ианализа сетевых контроллеров канального уровня, обеспечивающих анализ на основеих внутренней структуры, а также особенности управления потоком на канальном уровне5)Построение модели должно быть возможно на начальном этапепроектирования сетевых контроллеров канального уровня на основе анализаизначальной документации стандарта или технического задания.48Глава 2.

Модель сетевого контроллера канального уровня2.1 Разработка модели сетевого контроллера канального уровняСетевой контроллер канального уровня состоит из 2 основных частей: приемнаячасть, передающая часть и коммуникационная среда, через которую осуществляетсяпередача данных. Два сетевых контроллера осуществляют передачу с использованиемкоммуникационной среды. В подавляющем числе случаев используется дуплексныйрежим передачи, когда передача данных идет в обе стороны (Рисунок 15).Рисунок 15.

Простая схема сетевого контроллера канального уровня каналаточка-точкаКак видно из рисунка 15 осуществляется параллельная передача в обанаправления. Данные могут передаваться с одним или с различными приоритетами.Дуплексный сетевой контроллер позволяет передавать и принимать данныеодновременно.Основная задача сетевого контроллера канального уровня – передавать данныеуровня сетевого уровня через сам сетевой контроллер и среду передачи. Разныесимволы передаваемых данных могут иметь разные требования к передаче, так какнекоторым символам критично время прохождения через сеть и, соответственно,физическую среду и сам контроллер, для других же – основной характеристикойявляется пропускная способность.

Необходимо отметить, что максимизация параметровне всегда является целью создания сетевого контроллера, так как в некоторых случаяхдостаточно достичь некоторого значения (например – указанного в техническомзадании) и не заниматься улучшением одного из параметров, так как это может ухудшитьдругие параметры, например – увеличение пропускной способности может увеличитьстоимость создания сетевого контроллера, а уменьшение задержек – повышениюэнергопотребления из-за повышения частоты. Каждый параметр необходимо учитыватьвместе с другими, так как каждый из них может оказывать воздействие на любой другой.Расчет заявленных характеристик перед началом проектирования как самого узла, так ивнутренних элементов сетевого контроллера необходимо ввиду того, что возможныхвариантов решений может быть, во-первых, довольно много, а во-вторых – можно49сократить сложность и, следовательно, стоимость производства устройства.

Однакосложная модель на начальном этапе проектирования только усложнит процессразработки сетевого контроллера и негативно отразится на сроках производства.Поэтому при начале проектирования можно построить математическую модель длярасчета характеристик контроллера в зависимости от входных параметров (как правило– от протокола передачи данных).Для реализации такой модели представим обмен данных сетевого контроллера какконвейерную систему, которая осуществляют передачу данных. Рисунок 15 показывает,что данные поступают в сетевой контроллер со стороны передающей части сетевогоконтроллера и покидают сетевой контроллер из приемной части.

Данные поступают всетевой контроллер последовательно и одновременно во всей системе может находитсянесколько данных в стадии передачи, на разных этапах их обработки сетевымпротоколом. Представим сетевой контроллер в виде конвейерной системы. Такойспособ используется при проектировании математических моделей, но он не учитываетвнутренней специфики и обычно строится на очень упрощенных характеристиках(например – модель Кнудсена [86][87] для канала передачи данных). Построение такойсистемы в виде конвейера позволяет рассчитать заявленные характеристики сетевогоконтроллера, таким образом улучшив их, и, в целом – увеличить общуюпроизводительность сетевого контроллера по заявленным характеристикам. Всюсистему передачу символов представим, как конвейерную систему передачи [88],состоящую из пяти частей (Рисунок 16):1)блоки последовательной обработки;2)блок выбора;3)среда передачи;4)блоки сортировки;5)блок выдачи.Передающая часть контроллераПриемная часть контроллераСимвол 1Блоки последовательной обработкиБлоквыдачи 1Символ 2Блоквыбора...Символ nСреда передачиБлоквыдачи 2Блокисортировки......Блоквыдачи 3Рисунок 16.

Представление канального уровня с сетевыми контроллерами в видеконвейераБлоки последовательной обработки могут находится как в приемной, так и впередающей части блока. Количество таких блоков определяет не только времянахождения данных в системе этих блоков (что влияет на время прохождения данных50через все блоки), но и на количество данных, которые могут одновременнообрабатываться внутри этих блоков.

Каждый блок обладает своей задержкой и данныепроходят через каждый из них. Основная задача данных блоков – обрабатыватьпоступающие на обработку символы – например – формирование проверочнойинформации для символа (CRC), формирование заголовка сообщения и т.п.Практически во всех сетевых контроллерах канального уровня передаютсясимволы (или кадры) разных типов и приоритета. Все символы могут поступать в любоймомент времени. Однако в канал они должны отправиться по очереди в приоритетномпорядке.

За это отвечает блок выбора символов по приоритету. Этот блок вноситдовольно большие задержки в низкоприоритетные данные, но практически не влияет навысокоприоритетные.К среде передачи относится физическая среда передачи, такие как медные илиоптические кабели. Среда передачи вносит свои задержки в процесс передачи данных,однако – данные задержки являются наиболее предсказуемыми в плане подсчета, таккак практически всегда зависят от физических характеристик и не относятся квероятностным характеристикам. Несмотря на это – большие длины кабеля могутсущественно влиять на характеристики канала.

Чаще всего определяетсянепосредственно стандартом передачи данных (например – Fibre Channel [89], RapidIO[90] или SpaceWire [91]). На расстояние между приемником и передатчиком разработчикимеет весьма опосредованное влияние, так как оно определяется техническимзаданием и определяется физическими законами распространения сигнала.К блокам сортировки относятся блоки, осуществляющие задержку данных, но, вотличии от блоков последовательной обработки, не осуществляют обработку данныхвнутри.