Диссертация (Методы исследования и разработки сетевых контроллеров канального уровня для высокоскоростных бортовых вычислительных сетей космических аппаратов), страница 6

Параллельная обработка информации в сети SpaceWireможет быть обеспечена посредством передачи квазиреального времени, что позволяетсинхронизировать работу узлов сети [30]. Критическая информация и управлениевысокоприоритетными узлами сети может осуществляться с помощью механизмараспределенных прерываний [31]. Таким образом, на борту космического аппарата сетьSpaceWire может эффективно использоваться как на малоразмерных, так и на среднихкосмических аппаратах. В теории, стандарт SpaceWire предполагает слияние различныхсетей данных, работающих по другим стандартам передачи данных, в единуюунифицированную инфраструктуру SpaceWire, что позволяет упростить созданиебортовой сети. При использовании одной сети упрощается обмен данными, так каксоздание одной общей коммуникационной структуры на базе единого технического ипрограммного решения упрощает сам процесс проектирования сетевой инфраструктурыи ее конечных узлов.

Так как скорости и расстояния данной технологии довольно22значительны (до 800 Мбит/с на 5-10 метров), а широкий спектр частот передачи данных(от 10 МГц) позволяет выстроить сеть практически для любых решений.Технологии SpaceWire может применяться в том числе не только ваэрокосмических решениях – большинство задач, которые предназначены дляобработки и сбора информации, управлением распределенной архитектурой, в томчисле и в серверных решениях, в системах на кристаллах, которые используются дляобмена больших объемов информации и т.д.Стандарт SpaceWire использует специфический способ маршрутизации насетевом уровне, а именно – червячную маршрутизацию.

Данная маршрутизацияпозволяет очень быстро с минимальными задержками передавать данные от одногоузлу к другому. Однако, при возникновении ошибок, это может привести к тому, что всети не будут передаваться данные и работа сети станет неэффективной, поэтомунеобходимо разрабатывать механизмы защиты от подобных ситуаций. Однакопреимущество простой маршрутизации пакетов, устойчивость к помехам и сбоямфизического уровня, возможность передачи высокоприоритетных данных на фоненизкоприоритетных, низкое энергопотребление и т.п. делает SpaceWire одним из самыхудачных протоколов для бортовых систем [32].Технология SpaceWire предполагает работу локальной и глобальной сети на 6-тиуровнях, определенных в стандарте. Если связать уровни передачи, описанных встандарте, с эталонной моделью OSI, то можно отметить, что принципы взаимодействиямежду уровнями не совсем совпадает с принципами обмена классической 7-миуровневой модели.

Например, если рассмотреть символьный уровень стандартаSpaceWire, то на этом уровне определены специализированные символы, называемыеуправляющими кодами. Несмотря на то, что их работа описана именно на канальномуровне (если использовать классическую модель OSI), и их кодирование и функции тожеописаны на этом уровне, данные коды используются в том числе и на сетевом уровне,обеспечивая функцию маршрутизации сетевого уровня стандарта. Если рассматриватьстандарт SpaceWire с точки зрения сети, то можно сказать, что сеть SpaceWire состоит,из конечных узлов-абонентов (так называемые ноды) и узлов, предназначенных для ихсвязи – так называемых маршрутизирующих коммутаторов.

Конечные узлыобеспечивают обмен потоками данных между собой. Они могут быть связаны как скоммутатором, так и дуплексными каналами (линк данных). Каждый узел, передающийинформацию имеет хотя бы 1 линк, для передачи данных в сеть. Узел SpaceWireполучает информацию непосредственно из сети, через линк, или она может поступатьот устройств верхних уровней, интегрированных в узел. Это устройство может бытьконтроллером, процессором, или простым аппаратным решением на ПЛИС(программируемые логические интегральные схемы).

Информация для передачи в линкпоступает от устройства верхнего уровня, узел преобразует эти данные в соответствиис физическим кодированием SpaceWire, разбивает на пакеты, и осуществляет ихпередачу в линк. Приемный узел находится на другой стороне линка. Его задача принять23данные, декодировать, и передать непосредственному адресату. В качестве адресатаможет выступать как устройство верхнего уровня, так и непосредственно порт сетевогокоммутатора. Можно сказать, что контроллер SpaceWire может осуществлять прием ипередачу данных через линк, а также в него интегрировано некое устройство обработкиданных (процессор, контроллер и т.п.).

Контроллер управляет соединением, занимаетсяобработкой передаваемой и принимаемой информацией, и дополнительнообеспечивает управление потоком. Кроме этого, в его задачи входит детектирование иисправление возникающих ошибок, и осуществляет восстановление связи после сбоевв канале. Основное отличие узла-абонента от коммутатора в том, что узел транслируетинформацию между своим линком, только в том случае, если она приходит из сети, илипоступает от узла обработки непосредственно в узел.

Коммутатор сети SpaceWire, вотличии от узла сети, передает поступающую информация между своими портами иникогда не отправляет свои данные в сеть.Нужно отметить, что в сети SpaceWire можно напрямую осуществить соединениеузлов-абонентов. При таком соединении коммутаторы не используются, узлы напрямуюсоединяются каналом. Однако в этом случае никакой полноценной сети не создается,так как в такой сети не будет нужна ни адресация, ни коммутация. По сути говоря –сетевой уровень SpaceWire не будет задействован в принципе.

Таким образом –полноценная сетевая архитектура возможна только с использованием полноценныхмаршрутизирующих коммутаторов (Рисунок 3).Рисунок 3. Структура SpaceWireGigabit SpaceWireЕсли рассматривать текущие реализации SpaceWire, то необходимо отметить, чтоткущие реализации по стандарту SpaceWire, ограничены в частоте передачи 400 Мгц.Кроме этого – дополнительные ограничения наложены на длину кабеля, длина непревышает 10 метров. Это связано с особенностями физического кодирования,используемого в SpaceWire. Как показывает практика, частота передачи данных можетбыть и выше, однако это критично отражается на расстояниях передачи. DS-24кодирование (Data-Strob), используемое в SpaceWire позволяет работать на широкомспектре частот без перенастройки передатчиков, как, например, при манчестерскомкодировании, но при этом его использование в космической области ограничено ввидутого, что установка гальванической развязки на линии передачи практическиневозможна.

Это ограничение возникает из-за использования двух линий для передачиданных. Ввиду таких ограничений стандарта SpaceWire, был разработан стандартGigaSpaceWire [33], который позволяет решить существующие проблемы базовогостандарта, по сути являясь его дополнением.SpaceWire и GigaSpaceWire используют единую сетевую инфраструктуру, гдевновь создаваемый стандарт позволяет улучшить уже существующий стандарт, снимаяограничения на длину линии и использование на борту космического и авиационногоаппарата. Несмотря на замену нижних уровней в новом стандарте, верхние уровни (науровне сети и пакетов) остались неизменные. Это позволило увеличить частотыпередачи до 1 Ггц и выше, увеличить пропускную способность как на медном, так и наоптическом кабеле. Как показали практические исследования – удалось увеличитьрасстояния на передачу до 100 метров и выше без снижения скоростей передачи.Дополнительно, внедрение нового кодирования на физическом уровне (8b/10b)позволило значительно упростить процесс имплементации новых сетевых контроллеровканального уровня, так как DS-кодирование довольно сложно в реализации, ввиду того,что размеры символов в этом кодировании разные, а символы 8b/10b выровнены по 10бит.

В результате реализации нового стандарта стек протоколов, используемый вGigaSpaceWire, практически совпадает со стандартом SpaceWire (Рисунок 4).Рисунок 4. Сопоставление GigaSpaceWire и SpaceWireНеобходимо отметить, что стандарт GigaSpaceWire не может служитьполноценной заменой стандарту SpaceWire, так как преимущества DS-кодированияпроявляются в вопросах коммутации разноскоростных устройств без перенастройкипараметров сетевых контроллеров сети.25Avionics Digital Video BusСтандарт «Цифровой видеоинтерфейс авиационного радиоэлектронногооборудования с высокой скоростью передачи данных (Avionics Digital Video Bus, ADVB)»,получивший официальное название ARINC 818 [34], впервые был принят в октябре 2006г.

при полной поддержке со стороны производителей и разработчиков аппаратурыспециального назначения. К настоящему времени этот стандарт используется дляпередачи видеоинформации на дисплеи пилотских кабин таких самолетов, как Boeing787, Airbus A350 и других, а также при модернизации других моделей. Стандарт широкоприменяется во множестве других летательных аппаратах. В 2013 г. комитет ARINC 818выпустил новую версию стандарта. Целью этого обновления являлось добавлениеновых функций и стандартизация некоторых новшеств, внесённых в процессеиспользования стандарта пользователями и производителями самолётов.

ARINC 818способствует лучшей совместимости и практике использования авиационногооборудования. В процессе работы над стандартом ARINC 818-2 [35] принимали участиепредставители как производители оборудования, так и пользователи (пилотылетательных аппаратов).

Эти встречи и дальнейшая модернизация стандартапоказывает важность и необходимость самого стандарта и открывает перспективы егоразвития. Предшественником ARINC 818 был стандарт FC-AV (Fibre Channel, AudioVideo) [36]. В документе стандарта описывается использование первых пяти уровнейстандарта Fibre Channel [37]. Как в стандарте HOTLink [38], так и в FC-AV в качествесреды передачи физического (нулевого) уровня могут использоваться медные иоптические волокна, а для кодирования информации на первом уровне (FC-1) протоколапередачи данных – кодирование 8B/10B.

Уровень FC-2 определяет контейнер дляхранения передаваемой видеоинформации, описывая способ упаковки видеокадров вкадры Fiber Channel, а также структуру заголовков и объектов кадра FC. Эти объектысодержат вспомогательную информацию, аудио и видеоданные, в то время какзаголовок описывает формат видео и порядок размещения видеокадров в последующихкадрах протокола FC. В FC-AV, как правило, не используется уровень управления FC-3,но в то же время используется уровень отображения FC-4, особенно Frame HeaderControl Protocol (FHCP).