Диссертация (Методы исследования и разработки сетевых контроллеров канального уровня для высокоскоростных бортовых вычислительных сетей космических аппаратов), страница 8

Она используется в сетях на базе как персональныхкомпьютеров, так и в космических аппаратах. Изначально данный стандарт использовалразделяемую среду на коаксиальных кабелях. Однако в последующих разработкахсостоялся переход на каналы точка-точка с использованием коммутаторов вместоконцентраторов. Стандарт Gigabit Ethernet еще больше модифицировал среду передачудля базового 100 мегабитного стандарта Ethernet. Стандарт же 10G Ethernet полностьюпоменял как физическую среду, так и канальный уровень.Сетевой уровень и выше практически не менялись, в отличии от канального ифизического. Изначально Gigabit Ethernet использовал физический и канальный уровеньFibre Channel, позднее перейдя на уникальную свою разработку.

Данный стандартпредполагает использует кодирования 8b/10b.Изначально в сети предполагалось использование коаксиального кабеля стерминаторами на концах, дальнейшая модификация стандарта расширило физическийуровень и количество кабелей для физической передачи увеличилось, добавив встандарт Ethernet как витую пару, так и оптику.Несмотря на то, что, коаксиальный кабель обладает лучшими характеристикамипо затуханию сигнала, чем витая пара, на данный момент именно витая пара являетсяосновным физическим кабелем для сети Ethernet. Витая пара обладает очевиднымпреимуществом в пропускной способности, так как на коаксиальном кабелеиспользование дуплексного режима невозможно.

Таким образом, в итоге это уменьшилостоимость проектирования сети, увеличило надежность соединения в самой сети, таккак обрыв одного кабеля приведет к потере связи только одного соединения сегментасети, в то время как обрыв коаксиального кабеля не даст обмениваться информациейвсем компьютерам сети. Оптический же кабель позволяет прокладку на значительныерасстояния без использования повторителей и обладает самым малым коэффициентомзатуханием сигнала.Метод управления доступом в первоначальных версиях – это множественныйдоступ с контролем несущей и обнаружением коллизий. Изначальная скорость передачиданных сети Ethernet составляла всего 10 Мбит/с, при размере пакета до тысячи пятисотдвадцать шести байт. Данная сеть использовала полудуплексный режим работы, чтопозволяло или принимать, или передавать в один момент времени.В 1995 году принят стандарт Fast Ethernet [49] со скоростью 100 Мбит/с и появиласьвозможность работы в режиме полный дуплекс.

В 1997 году был принят стандарт GigabitEthernet [50] со скоростью 1000 Мбит/с для передачи по оптическому волокну и ещёчерез два года для передачи по витой паре. Последним появился десятигигабитныйEthernet [51], полностью изменивший физический уровень передачи данных.На данный момент Ethernet практически не использует как разделяемую среду, таки низкие скорости передачи данных.

Построение современной сети исключает31использование повторителей и концентраторов и практически полностью основана накоммутаторах (Рисунок 7). Так же сеть Ethernet используется для передачи пакетовдругих стандартов, которые изначально работают в другом адресном пространстве,например, стандарт SpaceWire [52][53].Рисунок 7. Структура на базе EthernetСоответственно, можно заметить, что в подавляющем большинстве современныхпротоколов, таких как Ethernet, RapidIO, PCI Express, SpaceWire и др.

используютсяканалы точка-точка как основной канал для передачи полезной информации. Различныедругие топологии, такие как Token Ring [54], шина и прочие топологии с разделяемойсредой на сегодняшний день являются устаревшими. Основной тип связи, используемойна канальном уровне модели OSI, является канал точка-точка.1.4 Показатели контроллеров канального уровняЕсли посмотреть на основные изменения в стандартах, то можно сделатьзаключение, что все изменения касались во-первых – увеличению полезной пропускнойспособности, а если точнее – данных, которые передаются между текущим уровнем ивышележащим. Вся другая информация, которая передается через канал, можетсчитаться издержками, которые необходимо минимизировать.

Это необходимо для того,чтобы минимизировать потерю полезной пропускной способности в канале, так как онаявляется частью предельной пропускной способности канала, которая определяетсячастотой передаваемых данных. Можно сказать, что полезной пропускной способностьюканала можно считать только данные, передаваемые от сетевого уровня, все остальныеданные (включающие в себя служебную информацию канального уровня) исключаютсяиз нее. Проектирование сетевого контроллера канального уровня имеетнепосредственное влияние на полезную пропускную способность.Кроме полезной пропускной способности необходимо выделить задержки,возникающие в процессе передачи.

Данная характеристика являются чуть ли неважнейшей при исследовании канального уровня [55][56] в сетях встроенных и бортовыхсистем. Данные задержки может вносить как сам сетевой контроллер канального уровня,32так и среда передачи данных [57]. И если передаваемая среда вносит задержку, котораярассчитывается исходя из законов физики и не может быть уменьшена, то правильноепроектирование сетевого контроллера, которое сократит задержки при передачеопределенных приоритетных данных, также является его важной характеристикой.Третьей важной характеристикой сетевого контроллера являются аппаратныезатраты.

Например – микросхемы памяти и буферы потребляют больше всегоэлектроэнергии [58], а количество внутренних элементов самого контроллера влияет нетолько на энергопотребление, но и на выделение тепла сетевым контроллером. Длябортовых систем космических и летательных аппаратов эта характеристика имеетособенно важное значение.Основной задачей устройства канального уровня является передача данных вполном дуплексе. Из анализа вышеописанных стандартов можно заключить, чтонесмотря на то, что существуют полудуплексные и симплексные каналы точка-точка –именно дуплексные каналы являются основными каналами связи.

При дуплекснойпередаче канала точка-точка протокола канального уровня каждая сторона должнаосуществлять управление потоком одним из способов, а именно:1)кредитование буферного пространства;2)подтверждение кадров;3)подтверждение пропажи кадров.На канальном уровне могут передаваться данные, которые могут иметьсовершенно различное назначение. Это могут быть как управляющие слова, илифреймы, символы самого канального уровня, высокоприоритетные сообщения и т.п.Некоторые типы данных могут не требовать кредитования, то есть управление потокомдля них требуется не в таком объеме, как для других, однако – они могут обладатьдовольно высоким приоритетом, и, если их передача будет довольно частой –пропускная способность других сообщений будет падать, или наоборот – низкимприоритетом, тогда пропускная способность этих сообщений будет падать из-зазабивания их другими.На базе вышеизложенной информации можно сделать несколько выводов:1)существующие стандарты связи используют дуплексные каналы точкаточка;2)основными характеристиками для сетевых контроллеров являютсяпропускная способность, задержка и аппаратные затраты на их реализацию;3)наиболее часто меняемыми являются физический и канальный уровеньстандартов, что неизбежно влечет за собой замену аппаратной реализации.1.5 Принципы проектирования сетевых контроллеровПри оценке параметров любой аппаратной коммуникационной системы [59],необходимо учитывать, что любая микросхема содержит многочисленные источникизадержки, которые можно разделить на чисто аппаратные, такие как регистры, буферы,33микросхемы память, комбинационная логика и протокольно аппаратные, которыезависят от режима передачи данных, задержек при обработке пакета при занятостиобрабатывающей части, режима передачи, например, режима кредитования, реакций наразрывы передачи, арбитражные механизмы для управления, межсетевых передач,упаковки/распаковки данных в интерфейсах и т.д.

Все эти коммуникационные задержкизначительно влияют на производительность разрабатываемого сетевого контроллера ифактически является узким местом в любом проекте. Поэтому важно рассмотретьзадержки при исследовании контроллера, чтобы получить точную оценку егопроизводительности по нужным параметрам.В качестве основного метода исследования перед разработкой системыприменяется моделирование проекта на основе входных данных и предъявляемыхтребованиях. На рисунке 8 представлена структура разработки физической системы.Рисунок 8.

Процесс разработки аппаратного устройстваРисунок 8 показывает, что при проектировании аппаратных систем исследованиедолжно осуществляться перед имплементацией «в железе», иначе, при неправильномисходном решении можно не достичь заявленных изначально характеристик. Из этогоследует, что построение изначальной модели проектируемой системы позволитизбежать проблем при последующем проектировании, что позволит эффективно34использовать временные и производственные ресурсы, так исследование системы наболее низком (например – RTL (register transfer level) уровне) занимает значительнобольшее время, чем при начальном исследовании системы и процесс исследования икоррекции характеристик разрабатываемой системы становится намного болеетрудоемким.Рассмотрим возможные варианты, используемые для оценки характеристикразрабатываемой системы.

Условно их можно разделить на 3 вида [60]:1)статические, или аналитические методы оценки (основанные наматематическом подходе);2)динамические, или имитационные методы оценки (основанные наимитационном моделировании на языке высокого уровня);3)гибридные методы оценки, которые сочетают в себе части статических идинамических методов.Статические (или математические) методы используют для оценкипроизводительности некоторые математические зависимости, или уже определенныематематические функции. Основной проблемой статических методов можно назватьвыбор параметров для оценки.