Диссертация (Методы исследования и разработки сетевых контроллеров канального уровня для высокоскоростных бортовых вычислительных сетей космических аппаратов), страница 7

Заголовок кадра используется для передачи информации,которая необходима для реконструкции видеоизображения, инкапсулированного вконтейнере. Следует отметить, что FC-AV является двунаправленным протоколом.Основной идеей стандарта является унификация множество отраслевых стандартов,использовавшихся поставщиками авиакосмического электронного оборудования.Помимо этого, новый стандарт обладает повышенной пропускной способностью. Можносделать вывод, что основной целью разработки ARINC 818 было создание надёжногопротокола, отвечающего повышенным потребностям современных видеосистем впропускной способности, и позволяющего осуществлять прецизионное тактированиепередачи для чёткой синхронизации дисплеев. В качестве физического уровня передачиданных по-прежнему используется Fibre Channel. Преимуществом FC, как описывалось26выше, является детерминированность протокола и низкая латентность.

В то же время встандарте ARINC 818 включены операции обнаружения ошибок. На данный момент,оптоволоконный канал поддерживает скорости передачи 1,0625, 2,125, 4,25, и 8,5 Гбит/с.К настоящему времени скорость передачи достигла 14,025 и 28,05 Гбит/с и, по мерероста спроса, планируются ещё более высокие скорости. Малые задержки являетсяодной из наиболее важных особенностей ARINC 818 является способность передаватьнесжатое видео с чрезвычайно малыми временными задержками, в большинствеслучаев не превышающими длительности одного кадра. В общем случае задержкаопределяется конкретной реализацией системы отображения. В некоторых случаяхизображение проходит потоком через несколько стеков и может быть отображенопрактически в режиме реального времени. В других случаях используется двапопеременно заполняемых графических буфера, один из которых служит дляотображения, а другой – для заполнения, получая при этом задержку выводаизображения в один кадр.

При частоте развёртки 30 Гц задержка равна 33 мс, а при 60Гц она уменьшается уже до 16 мс, что уже достаточно мало даже для самыхтребовательных приложений. В ARINC 818 отсутствуют ограничения на частоту кадров,что позволяет за счёт её повышения добиться ещё меньших задержек. Ключевойзадачей данного протокола является передача кадров видео с малыми задержками ибольшей пропускной способностью.RapidIORapidIO [39] создавался для встроенных приложений и особенно приложенийсвязи, которые характеризуются десятками и сотнями параллельных последовательныхэлементов.Первоначально определенный Motorola, RapidIO теперь поддержан АссоциациейRapidIO, которая предлагает спецификации параллельного и последовательногоRapidIO. Две спецификации RapidIO (параллельного и последовательного), отличаютсятолько в спецификации физического уровня.

Соответственно программные модели,транзакции, механизмы адресации, и обработка ошибок являются одинаковыми дляпараллельного и последовательного RapidIO. Параллельный интерфейс определен как8-ми или 16-битный интерфейс, с физическими LVDS (low-voltage differential signaling)каналами, использующий схему тактирования плюс набор сигналов управления (PRIO).Последовательный интерфейс (SRIO) может использовать страйпинг на 1, 2, 4, 8 и 16дуплексных каналов точка-точка. На данный момент вариант с параллельным RapidIOпрактически не используется.Спецификация RapidIO определяют архитектуру с тремя уровнями:1)логический уровень, определяющий протокол и форматы пакета,соответствует транспортному уровню модели OSI;2)транспортный уровень, определяющий информацию для продвиженияпакета через сеть, соответствует сетевому уровню модели OSI;273)физический уровень, определяющий особенности интерфейса физическогоустройства, таких как механизмов передачи пакета, управления потока, электрическихособенностей и обработка ошибок физического уровня; соответствует физическому иканальному уровню модели OSI.Физический уровень SRIO [40] изначально использовал кодирование 8b/10b.

Вдальнейшем, из-за возрастания скоростей и для увеличения полезной пропускнойспособности в 2013 году кодирование было заменено на 64b/67b. Также, первоначальноSRIO использовал 1 или 4 канала для передачи данных, однако в 2012 добавилисьреализации с 2-мя, 8-ю и 16-ти дуплексными каналами. Кардинальные изменениякоснулись и каналов связи – дополнительно RapidIO начал использовать оптические ибеспроводные каналы связи (Рисунок 5). На рисунке контроллеры канального уровняприсутствуют с двух сторон на каждой связи точка-точка, формируя дуплексный каналмежду всеми блоками, таким образом формируя сеть канального уровня.Транспортный и логический уровень, отвечающие за адресацию и маршрутизацию,не подвергались кардинальным изменениям.Рисунок 5.

Коммутационная структура на базе Serial RapidIOСамая высокая частота передачи PRIO соответствует 1.0 GHz, соответственномаксимальная пропускная способность – 4 Гбит/с при 8-ми линиях, и 8 Гбит/с при 16-тилиниях. SRIO реализуется на частотах от 1 до 5 Гб/c на каждую линию.SpaceFibreSpaceFibre [41] – это высокоскоростной канал, который специально создан длябортового космического оборудования.

Данный стандарт описывает высокоскоростнуюпередачу данных по с использованием оптоволоконных и электрических линий связи.Широкая линейка частот позволяет передавать информацию на высоких скоростяхпередачи данных, таких как 1 Гбит/с и выше в пределах 5 Гбит/с. Этот стандартпредназначен для расширения возможностей уже существующего стандарта передачиданных для бортовых устройств, а именно – SpaceWire. В результате увеличения28скоростей, изменения способа кодирования передаваемой информации, и уменьшениямассы кабеля этот стандарт позволил использовать сеть SpaceWire не только примежплатовых передачах, но и в межблоковых соединениях.Использование возможности страйпинга в перспективе позволит увеличитьпропускную способность канала SpaceFibre до 20 Гбит/с и более.Стандарт SpaceFibre, в отличии от SpaceWire описывает в стандарте целый наборсредств для улучшения качества обслуживания (QoS).

В стандарте описано несколькомоделей этого качества сервиса, таких как планирование, негарантированная игарантированная доставка пакетов, гарантированная полоса пропускания, иприоритетный доступ к ресурсам. Кроме этого, в стандарте SpaceFibre значительноулучшены механизмы по обнаружение ошибок, локализации, и их исправлению, безпотери связи, как в стандарте SpaceWire. Дополнительно, был значительно переработанмеханизм восстановления соединения после ошибок [42].Как отмечалось выше – стандарт SpaceFibre предназначен для увеличения частотпередачи и, как следствие, увеличения пропускной способности сетей SpaceWire.Так как пропускная способность каналов SpaceFibre значительно выше, чем встандартах SpaceWire, это позволяет использовать механизм виртуальных каналов, что,в свою очередь, позволяет обеспечивать передачу данных через один канал несколькимустройствам сети SpaceWire.

Устройства SpaceWire смогут общаться посредствомодного канала SpaceFibre, не подозревая о наличии других параллельных соединений.В конечном итоге SpaceFibre позволяет спроектировать большую распределеннуюбортовую сеть для различных задач, что в итоге позволит существенно сократитьфинансовые издержки при проектировании всей инфраструктуры и позволитиспользовать однократно спроектированные решения повторно. Так как формат пакетаSpaceFibre и SpaceWire совпадает, то обеспечение стандартизации соединения насетевом уровне представляется довольно простой задачей и обмен данными будетосуществляться без замены всего оборудования сети SpaceWire.

Дополнительно ипрограммные решения, разработанные для стандарта SpaceWire, могут быть легкоимплементированы под протокол SpaceFibre.Подводя итог, можно сказать, что стандарт SpaceFibre описывает протокол,который обеспечивает простой механизм обмена между двумя устройствами сетиSpaceWire посредством канала точка-точка. Он не вводит никаких новых пакетов длясети SpaxeWire таким образом, сеть SpaceFibre, обеспечивает полную совместимость спротоколом SpaceWire на уровнях от сетевого и выше, что существенно упрощаетпроектирование бортовой архитектуры. На данный момент стандарт находится взакрытом доступе.Peripheral Component Interconnect ExpressPCI Express [43] является стандартом передачи данных, пришедший на сменуустаревшим стандартам шин PCI и AGP [44]. С помощью данного стандарта устаревшие29нижние уровни (начиная с сетевого) были заменены более скоростными исовременными дуплексными каналами точка-точка.

Последовательный канал исключаетдополнительные сигналы управления. Каждая группа каналов включает в себя свойсигнал частоты, сигналы статуса, информацию о данных и адресах.В отличии от RapidIO, PCI Express не использует базовую спецификацию IEEE [45],а использует свой уникальный физический уровень. Подуровни физического уровня PCSи PMA [46] для PCI Express похожи по своей сути на подуровни RapidIO.

СпецификацияPCI Express определяет 3 уровня протокола: транзакций, канальный и физический.Максимальная скорость передачи PCI Express составляет 2.5 Гбит/с,соответственно без вспомогательной информацию на подстройку частоты икодирование, около 2.0 Гбит/с.Управляющая информация добавляется в пакет на канальном уровне, полезнаяинформация формируется на уровне транзакций.

Пакет канального уровня PCI Expressпередается на физический уровень. Управляющая информация может содержать кактрадиционные функции шины PCI (Рисунок 6), так и новые функции PCI Express(например, управления потоком).Изначально на канальном уровне PCI Express [47] использовал кодирование8b/10b, однако в 2010 году начал использование своего кодирования 128b/130b.Изначальная пропускная способность составляла 250 Мб/c на каждый канал, сейчас жеона составляет 2 Гб/c.Рисунок 6. Коммутационная структура на базе PCI Express30EthernetТехнология Ethernet [48] на данный момент является одной из самыхраспространенных в мире.