Диссертация (Методы исследования и разработки сетевых контроллеров канального уровня для высокоскоростных бортовых вычислительных сетей космических аппаратов), страница 4

Ифизический, и канальный уровень протокола зависит от используемой технологии и длякаждого протокола используется свой сетевой контроллер. Таким образом – для каждойновой технологии (нового протокола связи) заново создаются оба этих уровня.3)Сетевой уровень описывает способ передачи пакета через сеть. Данныйуровень так же зависит от используемого протокола, но в гораздо меньшей степени, чем2 вышеозначенных уровня.144)Транспортный уровень не зависит от используемой технологии и отвечаетза общую маршрутизацию сети.На текущий момент в современном мире существует огромное число различныхпротоколов и их число постоянно возрастает [11].1.2 Обзор канального уровня модели эталонной моделивзаимодействия открытых системКанальный уровень связи – это 2-й уровень семиуровневой моделей OSI [12] (еслиначинать с физического), для построения компьютерных сетей.

Этот уровеньпредставляет собой механизм, который обеспечивает передачу данных междусоседними узлами глобальной сети или между узлами в локальном сегменте той жесамой сети. Канальный уровень описывает различные функции и методы для передачиданных между объектами в сети и также предоставляет средство для обнаружения иисправления ошибок (если такая задача поставлена), который может произойти нафизическом уровне во время передачи данных.Канальный уровень непосредственно связан с локальной доставкой данных междуустройствами в той же самой локальной сети. Сетевая маршрутизация и глобальныесообщения касаются более высоких уровней модели OSI, на канальном уровнепередача идет на локальном уровне.

Таким образом, уровень ответственен закоммуникацию и передачу данных, арбитражем устройств сети, предоставления доступак физическому уровню и т.п. Когда два или более устройств пытаются использоватьфизическую среду передачи в одно и то же время, произойдет столкновениепередаваемой информации, и задача канального уровня состоит в том, чтобыопределить эту ситуацию и после восстановить нормальную работу сети. Всовременных каналах передачи данных вероятность столкновений уменьшена до ноля,так как современные протоколы используют дуплексные каналы связи на основекоммутаторов, которые исключают возможность столкновений внутри этой структуры.Основная задача канального уровня можно назвать обеспечение передачи данныхчерез физическую среду. Данная передача может быть как надежной, так и ненадежной,однако, подавляющее большинство протоколов слоя канального уровня не используютмеханизм подтверждения успешного приема данных. Большая часть протоколов неиспользует сложных механизмов проверки ошибок, таких как проверка контрольнойсуммы, для проверки ошибок при передаче.

В этом случае проверка на ошибки должнаосуществляться протоколами более высокого уровня. При обнаружении ошибок данныепротоколы должны определить где начались ошибки и перепослать правильные данные.В целом данный уровень поддерживает довольно большой комплект функций длярегулирования передачи сообщений между узлами в сети. При рассмотренииархитектуры сети с точки зрения модели OSI можно отметить, что протоколы передачиданных канального уровня отвечают на сообщения от сетевого уровня, и выполняют15отправку запросов к физическому уровню для последующей передачи в сеть илидругому узлу.Канальный уровень подразделяется на два подуровня: LLC, который управляетнаправлением потока данных и MAC, обеспечивающий связь с физическим уровнем [13].Более низкий подуровень (MAC) обеспечивает обмен с физическим уровнем исмотрит его готовность как на передачу, так и на прием данных.

Дополнительно онобеспечивает частотную синхронизацию с физическим уровнем (при наличии оной) ивыравнивание символов данных, поступающих из канала. Подводя итог, можно сказать,что этот подуровень отвечает за правильное функционирования механизма обменамежду канальным и физическим уровнем семиуровневой модели.Верхний подуровень выполняет другие задачи:1)Основной задачей является управление потоком данных.

Данныеканального уровня могут быть переданы только в том случае, если приемникпротивоположной стороны готов к приему и у него есть свободное буферное место. Также в функцию управления потоком входит перепосылка данных, которые не былидоставлены, и отправка информации о доставке соответствующего кадра.2)Контроль ошибок является второй функцией данного подуровня. Любойканальный уровень должен обеспечивать достоверность передаваемой информации ине обрабатывать кадр, содержащий ошибки. Чаще всего на канальном уровнеприменяются различные схемы контроля, такие как CRC [14] или биты паритета.Уровень MAC уровень влияет на способ обмена данными с физическим уровнем,его основной особенностью является представление данных для физического уровня.Данный подуровень не влияет на пропускную способность канала, но влияет на общуюзадержку.Уровень LLC описывает 2 функции, где функция определения и исправленияошибок оказывает влияние на общую количество ошибок, которое происходит припередаче, не оказывая на пропускную способность очень большого влияния.

Вторая жефункция, которая является основной функцией данного уровня, а именно – управлениепотоком, определяет пропускную способность и задержку данных во всей системеканального уровня.Топологии связи на канальном уровне можно разделить на 2 больших группы –топологии с разделяемой средой и топология без разделяемой среды. К первой группеотносятся такие структуры как шина и кольцо, ко второй топологии имеет отношениесоединения типа точка-точка.В области телекоммуникаций, соединение типа точка-точка относится к связимежду двумя узлами или конечными точками. Как пример можно привести модемноесоединение, в котором один модем связан с другим, таким образом, что связь и передачаданных осуществима только между этими абонентами.

Это контрастирует со связьюмноготочка-точка, или широковещательного соединения, в котором несколько узловмогут получать информацию, передаваемую одним узлом.16Шина — это самая простая топология, которая предназначена для обменаинформацией между большим количеством устройств. Шина является сетью сразделяемой средой, таким образом – в один момент времени только 2 устройства могутосуществлять обмен информацией. Шина является самым дешевым архитектурнымрешением, в отличии от дуплексных индивидуальных каналов.

Алгоритм работы каждойшины с ее структурой и функциональными особенностями определяетсясоответствующим стандартом передачи данных.Кольцо — это устаревшая топология, где компьютер, как и в случае с шиной,соединён линиями связи с общей средой передачи. Узел кольца получает информациюот одного, и только одного узла и передает ее другому, следующему за ним, узлу. Как ив случае с шиной, всегда работает только один узел осуществляет передачу и один узелпринимает информацию.Передача информации в сети не может происходить спонтанно, столкновениекадров в кольце недопустимо, поэтому каждый компьютер выступает в роли некоторогопередатчика информации. Передавать информацию можно только при наличии маркерапередачи, который приходит из сети. Каждый компьютер такой сети передает всюинформацию, которая поступает ему по сети и добавляет свою в конец передачи, еслиу него есть информация.

Проблема затухание электрического сигнала в кольцесуществует только при анализе двух соседних машин, так как, как мы писали выше,каждаямашинаявляетсяповторяющимустройством.Главноймашины,осуществляющей арбитраж, в этой структуре нет. В некоторых реализациях можетприсутствовать специальный компьютер, который назначается арбитром. В его задачувходит анализ ситуации в кольце, например, если в сети появилось одновременнонесколько маркеров на передачу данных, или пропали все маркеры в сети. Наличиеабонента арбитра влияет на надежность и безопасность сети, так как поломка такогоабонента приведет к останову всей сети данных.Однако современные стандарты передачи данных строятся на базе другихтопологий.Нужно отметить, что развитие современных технологий и протоколов приводит ктому, что наиболее часто изменяемыми блоками в сети являются блоки, отвечающие заканальный и физический уровень, что видно из тенденций развития стандартовпередачи данных.

Это легко проверить, если просмотреть развитие основныхстандартов передачи данных, таких как:1)переход от PCI [15] к PCI Express [16], где произошла замена нижнихуровней при сохранении верхних уровней;2)эволюция самого стандарта PCI Express с 2.0 до 3.0, в результате которогобыл полностью переработан канальный уровень, и разработано несколькодополнительных физических;173)в стандарте RapidIO [17] при переходе с версии 1.0 до 2.0 произошлодобавление физического страйпинга, в версии 3.0 произошло изменение физического иканального уровня, верхние уровни остались без изменений;4)cтандарт GigaSpaceWire [18], как развитие стандарта SpaceWire, полностьюизменяет канальный и физический уровень, не затрагивая вышележащие [19].На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что на сетевыеконтроллеры, сочетающие в себе физический и канальный уровни передачи данных,ложится большая задача по передаче информации и обеспечении связи междуконечными узлами.1.3 Бортовые вычислительные сети авиационного икосмического назначения.Если рассматривать развитие аэрокосмического оборудования, то необходимоотметить, что тенденцией, преобладающей в области совершенствованияаэрокосмической техники, является попытка унификации блоков и стандартизацииоборудования, которое используется на борту космического корабля.

Интерфейсыкомплексов бортового оборудования так же двигаются в сторону унификации истандартизации. Важнейшим элементом любого такого современного комплексаявляется бортовая система передачи информации. Продвижение нового стандартапередачи данных на «борт» летательного или космического аппарата это очень долгийи трудоемкий процесс, это легко увидеть из используемой до сих пор стандартов MILStd-1553B [20], который является первым бортовым стандартом, несмотря на то, что онбыл утвержден еще 1973 году [21]. Дополнительно, до сих пор, несмотря на устаревшуюструктуру и очень низкую скорость передачи, используется низкоскоростной стандартCAN. Cеть на этом стандарте до сих пор используется в бортовом оборудовании приуправлении датчиками на космических аппаратах.