Лекция 9. Коммутируемые сети (Лекции 2015-2016)

ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫРЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИЛекция 9:Коммутируемые сетиКафедра АСВК,Лаборатория Вычислительных КомплексовБалашов В.В.Бортовые сетиБортовые сети – обеспечение связи между бортовыми подсистемамиНадежная доставкаСоблюдение требований реального времениКаналы точка-точкаМного кабелейПропускная способность: недоиспользование, нехватка, сложность наращиванияСложно закладывать резервПроблемы с передачей данных по сложному маршрутуНизкая адаптивность (невозможна реконфигурация)Интеграция каналов,мультиплексирование трафикаМного каналов точка-точка  общая шина для многих потоков данныхПроблема коллизий при доступе к шинесинхронизация доступа (нужно единое время)либо централизованное управление (накладные расходы…)Последовательная обработка запросов => задержкиНет устойчивости к «генерации» в канале при выходе абонента из строяКоммутатор: параллелизм обменаBACSWEДуплексные (двунаправленные) каналыЧастичный параллелизм обменаDAB || BC || CDAB, CB– нет конфликта– конфликт на линии SWB; как делить линию?Неустойчивость к «генерации»Проблема мультиплексирования потоков данных при отправкеОставшиеся конфликты – как лечить?синхронизация доступа (нужно единое время)централизованное управление (накладные расходы…)верхние оценки задержек (а если между A и B большой поток?)Виртуальные каналыРазделение пропускной способности, разграничение потоков данных=> пригодность для сложного трафика из множества потоков данныхГарантированные верхние границы задержекРезервирование, гибкость реконфигурацииРеализация: согласованные действия отправителя и коммутаторовУстойчивость к «генерации»коммутатор сбрасывает слишком частые кадрыПротоколы коммутируемых сетейс поддержкой ВКAFDX (на базе 100 Мбит Ethernet)FC-RT (на базе Fibre Channel)Программно-конфигурируемые сетиСтандарт AFDXAvionics Full-Duplex Ethernet (AFDX) –стандарт построения бортовых сетей наоснове протокола EthernetОснован на протоколеEthernetПолнодуплексная передачаданныхТеоретическая пропускнаяспособность – до 100 Мбит/сна одном физическомсоединенииАрхитектура сети AFDXКомпоненты:Абоненты (бортовые подсистемы, отправители иполучатели данных)Оконечные системы – интерфейс междуабонентами и сетьюКоммутаторы и физические соединенияАрхитектура сети AFDXДублирование сети для увеличения надежности передачиКадры передаются одновременно в обе сетиПри диагностировании ошибки (например, несовпадениеконтрольной суммы) в одной сети данные берутся из другой сетиНа оконечной системе производится сброс кадра в случае, есликадр уже пришел из другой сетиСтек протоколовКанальный уровеньEthernetВиртуальные каналыМаршрутизацияСетевой уровеньIP (без маршрутизации)Транспортный уровеньUDPСтек протоколовВиртуальные каналыОдна оконечная система – отправитель; одна или болееоконечная система – получательМаршрут следования кадров виртуального каналапрописан статически в коммутаторахПередача данныхПараметры виртуальных каналовДля каждого виртуального каналавводятся следующие параметры:BAG – Bandwidth Allocation Gap –минимальный интервал времени веждуначалами выдачи последовательных кадровна одном виртуальном канало (1-128 мс,является степенью двойки)Lmax – максимальный размер кадра(<=1518байт)Jmax – максимально допустимое отклонениемежду кадрами от BAGПараметры виртуальных каналов:BAGИспользование BAG для достижения максимальнойвыделенной пропускной способности:Альтернативный вариант:В дальнейшем рассматривается только первый вариантпередачи, без промежутков между соседними BAGинтерваламиПропускная способностьвиртуальных каналовВычисление:Bandwidth = Lmax / BAGBAG = 32 мсLmax = 200 байтBandwidth = 200 байт / ( 32 / 1000 ) сек = 6250 байт/секОграничение на зарезервированную пропускнуюспособность на физическом канале (проводе):LVL 1..

nVL , max/ BAGVL  100Мбит / секУправление виртуальными каналами• Разбиение сообщений на кадры• Мультиплексирование виртуальныхканаловФормирование трафика• При формировании трафика на отправителе –мультиплексирование• При мультиплексировании определяетсязначение джиттера• С нулевым джиттером:Кратность BAG-ов, известность всех Lmax, отсутствиеджиттера готовности кадров в каждом ВК=> исключено взаимное влияние ВК,отсутствует джиттер выдачи кадров в каждом ВКФормирование трафикаМультиплексирование с ненулевымджиттеромТакого варианта стремятся избегатьКоммутаторФункции коммутатора:Маршрутизация кадров по пути следованиявиртуальных каналов (пути виртуальныхканалов конфигурируются статически)Фильтрация трафика (контроль целостностикадра, контроль следования кадра повиртуальному каналу)Контроль трафикаразмер кадра (не должен превышать Lmax)BAG, Jmaxнарушение => сброс кадраКонтроль трафика на коммутаторе• Контроль времен прихода кадров на соответствие BAG и Jmax:• Производится на входном порту коммутатора• Используется алгоритм, основанный на вычислениикредита• АС – кредит, растет с течением времени до значенияACmax• При приходе кадра AC уменьшается на размер кадра; есликредита не хватает – кадр сбрасываетсяКонтроль трафика на коммутаторе• Кредит соответствует количеству байт, которыепропускает канал• За время BAG кредит увеличивается на Lmax• ACmax – соответствует количеству байт, котороепозволяет пропустить 2 кадра за (BAG – Jmax)• Случай с неравномерной передачей кадров:Задачи проектирования сети AFDXДано: потоки данных, требования к их передаче вреальном времениразмер сообщениячастота передачимакс.

допустимый джиттер (end-to-end)макс. допустимая задержка (end-to-end)Требуется:построить систему виртуальных каналов:маршрутыпараметры (BAG, Lmax)рассчитать конфигурационные параметры сетевыхустройств – коммутаторов, абонентов (в т.ч. Jmax)Оценка длительности передачикадраНеобходима для оценки длительностипередачи сообщенияАктуальность: требования реального времени –длительность не должна превышать заданныхзначенийДлительность вычисляется с моментапоступления кадра для выдачи в канал домомента поступления кадра на оконечнуюсистему-получательОценка длительности передачикадраОценка длительности передачикадра• Длительность передачи кадра:– максимальный джиттер на отправителе– длительность передачи по каналам– задержки на выходных портах коммутаторовОценка длительности передачикадраМультиплексированиеПри мультиплексировании может возникать джиттер Максимальная задержка – при максимальном джиттере Максимальное значение джиттера – при ожиданиикадров всех других виртуальных каналовОценка длительности передачикадраМультиплексированиеВычисление максимального джиттера на отправителеLJ max  J T  iVLsi , maxRVLs – множество виртуальных каналов, формируемыхна оконечной системе-отправителе R – скорость выдачи данных на канал (100 Мбит/сек) JT – технический джиттер (время обработки кадра),в AFDX равен 40 мксОценка длительности передачикадраДлительность передачи кадров по каналамR – скорость выдачи данных на канал (100 Мбит/сек) n – количество каналов передачи данных на путиследования кадра формула расчета длительности передачи кадра поканалам:tlinksLmax nRОценка задержки кадра накоммутаторе• В очереди перед кадром: кадры с других ВК,идущие на тот же выходной порт• Сколько этих кадров?•интервал накопления M: макс.

интервал послепредыдущего кадра данного ВК•M = BAG + накопленный макс. джиттер•число кадров с другого ВК, набежавших за интервал М:см. формулы анализа времени отклика•какие-то из набежавших кадров уже выданы ввыходной порт к моменту прихода «нашего» кадра (=>их выдачи не нужно ожидать)Оценка длительности и джиттерапередачи сообщенияDurmax (msg )      =const (разбиение и сборка сообщения)- время выдачи сообщения в канал (выдача последнего кадра) - длительность передачи кадраJ (msg )  Durmax (msg )  Durmin (msg )Fibre Channel,профиль реального времени• Базовая схема обмена данными позаимствована из AFDX– виртуальные каналы– 100% резервирование• В каждом коммутаторе – несколько таблиц ВК– переключение в реальном времени между конфигурациями сети– нет избыточного резервирования пропускной способности дляподдержки нескольких наборов ВК (втч.

в разных режимах ИУС РВ)– поддержка статического набора возможных миграций задач• Управление джиттером отправки целых сообщений• Система приоритетов  поддержка нерегулярных(апериодических) сообщений– низкий приоритет  нет помех для сообщений из ВК– высокий приоритет  доставка без задержек (ценой задержкисообщений из ВК)• Встроенные средства синхронизации времени32Программно-конфигурируемыесети на борту• Бортовая сеть управляется приложением,функционирующем на контроллере• Синхронизация времени: например, протокол PTP• Пассивный режим:– правила формируются заранее и загружаются на коммутаторыдо старта системы– большую часть времени работы ИУС РВ коммутаторыфункционируют автономно (без обращения к контроллеру)• Активный режим:– контроллер постоянно осуществляет мониторинг обменаданными– обнаружены новые потоки данных  новые правилаформируются и загружаются в коммутаторы• Первый шаг внедрения ПКС на борт: схема выделенияпропускной способности– воспроизведение схемы на основе алгоритма текущего ведра(по образцу AFDX)?33Активный или пассивныйрежим?• Отказоустойчивость / резервирование– активный режим: контроллер и управляющая сетьобязательно должны быть продублированы– пассивный режим: более высокая устойчивость ксбоям контроллера и управляющей сети• Реконфигурируемость– потоки данных в ИУС РВ являются предсказуемыми– правила для заранее определенных режимов могутбыть сформированы заранее– правила для динамических режимов (в т.ч.

приотказах оборудования) могут быть сгенерированыконтроллером и в пассивном режиме•  предпочтителен пассивный режим34Функциональность приложениядля контроллера ПКС в ИУС РВ• Построение маршрутов передачи сообщениймежду абонентами сети с обеспечениемтребуемого качества обслуживания, в т.ч.ограниченных задержек передачи данных иограниченного джиттера• Динамическая адаптация маршрутов в случаесбоев сети или миграции задач• Формирование правил для коммутаторов, в т.ч.:– правил проверки трафика на соответствие требованиямкачества обслуживания– правил маршрутизации– правил разделения пропускной способности сети междупотоками данных35Востребованность ПКС в ИУС РВ• Отказоустойчивые системы с миграцией задач– сценарии миграции задач при множественных отказах не могутбыть просчитаны заранее (комбинаторный взрыв числа сценариев)– AFDX: резервирование виртуальных каналов под сбойные режимынепродуктивно расходует пропускную способность сети– FC-RT: ограниченный объем памяти коммутаторов под таблицы ВКдля сбойных режимов• Динамическое формирование и смена режимов ИУС РВ– реконфигурируемость – «изюминка» ПКС• Динамическое подключение оборудования и ПО– подключаемые в режиме plug-and-play устройства (датчики,устройства связи и т.п.)– ПО загружается с подключаемого устройства и выполняется набортовом вычислителе с архитектурой ИМА в отдельном разделе– ВК для обмена бортового вычислителя с подключеннымустройством автоматически настраиваются контроллером ПКС– пример: многофункциональный беспилотник со сменнымидатчиками36Спасибо за внимание!37.