Диссертация (Методы исследования и разработки сетевых контроллеров канального уровня для высокоскоростных бортовых вычислительных сетей космических аппаратов), страница 5

Причина этого в том, что внедрениенового стандарта в бортовую сеть довольно сложно. Рассмотрим существующиеприменяемые стандарты для бортовых вычислительных сетей.Fibre ChannelFibre Channel [22] - это высокоскоростная сетевая технология, работающая наскоростях от 1 до 128 гигабит в секунду, которая в основном используется дляподключения хранилища данных через сеть. Fibre Channel в основном используется всетях хранения данных. На данный момент сети Fibre Channel образуют большуюкоммутируемую структуру с использованием каналов точка-точка.

Fibre Channelразрабатывается группой Т11.Большинство блочных хранилищ проходит через Fibre Channel Fabrics иподдерживает множество протоколов верхнего уровня. Протокол FCP - этотранспортный протокол, который преимущественно передает команды SCSI по сетямFibre Channel. Большие суперкомпьютеры используют Fibre Channel из-за высокой18надежности и высокой пропускной способности. Fibre Channel может использоваться длятранспортировки данных из систем хранения, которые используют твердотельныйноситель флэш-памяти, путем переноса команд протокола NVMe (Non-Volatile MemoryExpress) [23].Первоначальная версия физического уровня Fibre Channel (FC-0) определяладуплексную передачу данных и позволяла использовать коаксиальные кабели и витуюпару. Последующие версии увеличили количество физических сред передачи, добавивоптические кабели и передачу посредством технологии Wi-Fi [24].

Изначально встандарте использовалась линейка скоростей от 132,8125 Мбит/с до 531,25 Мбит/с,однако на данный момент она уже не используется. С 1996 года стандарт Fibre Channelфункционирует на скоростях выше 1 Гбит/с, достигая 128 Гб/c. На данный момент вразработке находится версия на 256 Гб/с.Канальный уровень Fibre Channel (FC-1) долгое время не менялся, используякодирование 8b/10b [25], однако с 2008 года произошла полная переработка канальногоуровня с внедрением и нового кодирования 64b/66b, а также полной заменой управленияпотока и синхронизации физического сигнала. На текущий момент предельнаяпропускная способность канального уровня Fibre Channel составляет более 13 Гб/c.

Также данный уровень протокола описывает структуру связи между портами Fibre Channel.В первоначальных версиях использовалось 3 топологии – кольцо, точка-точка икоммутирующая система (Рисунок 1). В современных реализациях стандарт используеткоммутирующую систему с использованием каналов точка-точка [26].Рисунок 1. Различные способы соединения узлов Fibre ChannelУровни FC-2 и FС-3, являющиеся, соответственно, сетевым и транспортнымуровнем отвечают за адресацию и маршрутизацию пакетов, позволяет использованиестрайпинга.Передача информации в протоколе Fibre Channel осуществляется кадрами. КадрыFibre Channel пересылают информацию между оконечными узлами сети.

Перед19передачей фрейма узел формирует специальное служебное слово, которое означаетначало фрейма, состоящее из нескольких байт. Сразу за данным словом располагаютсянесколько слов заголовка и до пятьсот двадцать восьми слов данных. После отправкипоследнего слова данных – кадр завершается специальным словом для проверкиконтрольной суммы и словом конца фрейма.

Как видно из описания – каждый кадрпротокола Fibre Channel может содержать до пятьсот тридцати семи слов. Это позволяетиспользовать кадры Fibre Chаnnel максимально эффективно, формируя размер кадранужной длинны в зависимости от передаваемых данных. Проверка контрольной суммысостоит из 4-х байт и обязательно присутствует в каждом фрейме и располагается передконцом фрейма Fibre Channel.Avionics Full-Duplex Switched EthernetСтандарт Avionics Full Duplex Ethernet (AFDX [27]) предназначен для бортовыхсетей. На базе оригинального стандарта Ethernet 802.3 [28] был разработан новыйпротокол передачи данных. Согласно AFDX стандарту, вся сеть содержит несколькоустройств сети (Рисунок 2), таких как: абоненты, оконечные системы и пакетныекоммутаторы.Абоненты занимаются непосредственной передачей информации, оконечныесистемы обеспечивают механизм взаимодействия абонентов и остальной сетью, апакетные коммутаторы занимаются регулированием потоков данных сети.Передача данных в соответствии со стандартом AFDX осуществляется наинфраструктуре стандарта Ethernet.

Если рассматривать стек протоколов стандарта, тоон базируется на базовом семиуровневом стеке протоколов TCP/IP. Канальный уровеньстандарта ADFX полностью совпадает с уровнем Ethernet протокола. Необходимоотметить, что дополнительно на канальном уровне поддерживается использованиевиртуальных каналов.

Несмотря на то, что функция маршрутизации пакетов определенана сетевом уровне, в стандарте ADFX на этом уровне она не осуществляется, за этоотвечает канальный уровень данного протокола.Транспортный уровень использует протокол UDP (User Datagram Protocol), хотявозможна реализация и через TCP.Рисунок 2. Сетевая инфраструктура AFDXКак видно из схемы подключения, абонент использует для подключения оконечнуюсистему. К такой системе можно подсоединить несколько узлов абонентов. хотя это20нетипично для данной сети, так как слоты для передачи информации выделяются этимиоконечными системами.

Стандарт ADFX, в отличии от стандарта Ethernet, необеспечивает высокой пропускной способности, но обеспечивает высокуюпредсказуемость передачи данных именно благодаря выделению заранее известныхвременных слотов. Виртуальный канал стандарта ADFX означает соединение двухабонентов посредством сети. Данные, передаваемые абонентами, поступают в сетьпосредством виртуальных каналов. Каждый маршрут виртуального канала в сетиAFDX известен изначально, таким образом никаких сторонних незапланированныхпередач между узлами в сети AFDХ не осуществляется. Каждому виртуальномуканалу присваивается одна и только одна оконечная система, которая осуществляетотправку данных, и вторая оконечная система (тоже в единственном экземпляре),которая их принимает.

Соответственно, каждый уникальный виртуальный каналосуществляет передачу данных одного единственного абонента сети. Несмотря на это,в виртуальном канале может присутствовать несколько сообщений от этого абонента.Это позволяет оптимизировать передачу данных в сети AFDX и обеспечитьгарантированную предсказуемую доставку сообщений.Абонент отправляет данные через специально определенный порт. Через этотпорт данные поступают в оконечную систему. Оконечная система, отвечающая запередачу сообщений, разделяет его на группу кадров для отправки, причем каждый кадрсодержит свой заголовок, определенный в соответствии с уровнем стека протоколаTCP/IP, таким образом, в зависимости от протокола, а именно, канального, сетевого(IP), или транспортного (UDP).

Кадры, на которые было разбито изначальноесообщение, передаются на физический уровень. Поле MAC-адреса каждого кадрасодержит информацию о виртуальном канале, который используется для передачи. Этаинформация читается каждым коммутаторам с е т и AFDX и в соответствии с нейосуществляется маршрутизация. В базовом стандарте Ethernet передача сообщенийможет осуществляться в том числе и по MAC-адресу, но AFDX стандарт это непредусматривает. После того, как оконечная система-получатель принимает кадр, оназаписывает его во внутренний буфер.

После получения всех кадров сообщения –оконечная система отправляет его получателю.Дополнительно надежность системы обеспечивается за счет резервирования.Сообщение в сети может отправляться сразу нескольким оконечным системам длянескольких абонентов.Кроме этого, любая оконечная система сети ADFX использует две независимыхсети ADFX. Оконечная система-передатчик отправляет сообщение сразу в обе сети,причем в каждой сети сообщения передаются одинаковыми маршрутами, и привозникновении ошибочной ситуации при передаче кадра из сообщения в любой сети(например – пропажа части данных, или несовпадение CRC), то кадр берется из второйсети, где ошибочной ситуации не было. Система-получатель, при сборке сообщения изкадров проверяет как их наличие, так и целостность, и если кадр с нужным номером уже21был прочитан из буфера оконечной системы, то дублирующая информацияотбрасывается.Как и в случае с виртуальными каналами, коммутаторы в сети AFDXнастраиваются до начала передачи, таким образом – их таблицы маршрутизации ужеизвестны при запуске сети.

На коммутаторы дополнительно возложена функцияфильтрации и контроля кадров. Функция фильтрации кадров позволяет проверитьпорядок следования кадров по сети, а также обеспечивает проверку контрольной суммы.Функция контроля трафика отвечает за гарантированную доставку данных.Так как динамическая маршрутизация для коммутаторов сети не предусмотрена встандарте ADFX, поэтому перед запуском сети изначальные маршруты загружаются вовсе коммутаторы сети статически. Для обеспечения гарантированной пропускнойспособности коммутаторы сети используют алгоритм дырявого ведра.

В итоге, можносказать, что основной задачей сети ADFX является предсказуемость передачи данных.SpaceWireС помощью технологии SpaceWire [29] можно построить коммуникационнуювысокоскоростную сеть для практически любых передач данных в бортовых системах.При помощи технологии SpaceWire можно обеспечить высокоскоростной обменданными между узлами с большой производительностью данных, таких как процессоры,которые занимаются цифровой обработкой больших объемов данных, узлами, которыеобеспечивают распределенные вычисления и требовательны к скорости обменаинформации, узлы параллельной обработки информации, и, следовательно,требовательные к задержкам при обмене синхронизацией. Исходя из стандарта, можносделать вывод, что сеть SpaceWire, предназначена для бортового аэрокосмическогооборудования, и позволяет передавать большие объемы информации на высокойскорости, передача команд для управления тоже может осуществляться поверх потокаданных и имеет более высокий приоритет, чем простые данные, что минимизируетзадержки при ее передаче.