Методы и средства поддержки высокоскоростных сетевых технологий на реконфигурируемых вычислителях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.11, кандидат наук Котляров Александр Сергеевич

• Котляров Александр Сергеевич
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Котляров Александр Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ПОДДЕРЖКИ СЕТЕВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

1.1. Транспортные протоколы передачи данных

1.2. Обзор сетевых технологий

1.3. Аппаратные средства поддержки сетевых технологий

1.4. Типы организации ускоренных вычислений

1.5. Выводы

2. ЭФФЕКТИВНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ОБРАБОТКИ СЕТЕВЫХ ПАКЕТОВ

2.1. Организация обработки сетевых пакетов с помощью макроконвейера

2.2. Организация обработки сетевых пакетов методом вложенного конвейера

2.2. Оптимизация схемы обработки данных сетевого потока методом вложенного конвейера

2.3. Программная модель обработки пакетов данных методом вложенного конвейера

2.3.1. Общая структура и алгоритмы работы программной модели

2.4. Анализ результатов работы программной модели обработки сетевых пакетов

2.5. Выводы

3. МАРШРУТИЗАЦИИ СЕТЕВЫХ ПАКЕТОВ СРЕДСТВАМИ РВС

3.1. Процедура маршрутизации в бесклассовых компьютерных сетях

3.2. Использование метода хеширования для ускорения маршрутизации сетевых пакетов

3.3. Использование метода половинного деления для ускорения поиска по таблице маршрутизации

3.4. Организация макроконвейера для ускорения поиска по таблице маршрутизации

3.5. Использование ассоциативной памяти, для ускорения поиска по таблице маршрутизации

3.6. Использование блочного поиска для ускорения поиска записей в таблице маршрутизации

3.7. Программная модель маршрутизации сетевых пакетов

3.7.1. Общая структура и алгоритмы работы программной модели

3.8. Анализ результатов работы программной модели маршрутизации сетевых пакетов

3.9. Выводы

4. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ ОБРАБОТКИ СЕТЕВЫХ ПАКЕТОВ НА РВС

4.1. Задача маршрутизации транзитных данных

4.2. Задача преобразования данных сетевого потока рекурсивными алгоритмами

4.3. Экспериментальные исследования

4.4. Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы и средства поддержки высокоскоростных сетевых технологий на реконфигурируемых вычислителях»

ВВЕДЕНИЕ

Компьютерные сети передачи данных представляют собой совокупность узлов (рабочих станций, серверов, сетевых устройств), соединённых коммуникационными каналами для обмена информации. Для построения компьютерных сетей используются различные сетевые технологии, в узком смысле этот термин означает согласованный набор стандартных протоколов и реализующих их программно-аппаратных средств, достаточный для функционирования сети. В настоящее время используется расширенное толкование термина «сетевые технологии», включающее любой набор методов, средств и правил для построения сети, например: «технология маршрутизации», «технология создания защищенного канала», «технология сжатия сетевых пакетов» [1].

Увеличение мощности компьютеров, повсеместное развитие широкополосного доступа в Интернет, появление большого количества новых сервисов, использующих для работы компьютерные сети, требуют постоянного увеличения скорости каналов компьютерных сетей, что в свою очередь приводит к необходимости совершенствовать существующие и создавать новые, эффективные технологии для высокоскоростной обработки данных [2].

Важнейшей задачей при передаче данных между узлами является поддержание заданной производительности сети - меры мощности сети, определяющей количество работы, выполняемой сетью в единицу времени [3]. При высокой интенсивности поступления данных программно-аппаратные средства не могут обеспечить эффективную работу сетевых технологий, в результате невозможно использовать всю доступную в канале скорость передачи данных, и производительность сети снижается [3]. Это обусловлено особенностями протоколов сетевого обмена, алгоритмами работы сетевого стека операционных систем (ОС), а также архитектурой устройств передачи данных.

Современные сетевые технологии основываются на передаче данных в пакетном режиме. Правила обработки пакетов задаются стандартами сетевых протоколов. В настоящее время основным протоколом межсетевого взаимодействия является стек протоколов TCP/IP, который создавался с целью гарантированной доставки пакетов данных по сети. При появлении ошибок или увеличении времени задержки при передаче данных TCP-протокол считает, что канал перегружен и самостоятельно уменьшает скорость передачи пакетов [3]. На крупных магистралях данное ограничение компенсируется использованием других протоколов, но в сетях локального масштаба, корпоративных сетях и т.д. отказаться от использования данного протокола невозможно, так как существующие альтернативные протоколы не удовлетворяют параметрам безопасности либо требуют модернизации сетевой инфраструктуры [3, 4, 5]. Необходимо максимально сократить задержки при передаче данных, не меняя основной протокол, для чего можно использовать различные программно-аппаратные средства.

Сетевые устройства для обработки входящих и исходящих данных используют «очереди пакетов». Размеры очереди всегда ограничены, и если сетевые пакеты в очереди не успевают обрабатываться, то очередь переполняется, и поступающие пакеты просто отбрасываются. Потеря пакетов приводит к уменьшению скорости передачи TCP-пакетов. Для поддержания заданной производительности сети необходимо успевать обрабатывать все пакеты из очереди, до того как она переполнится. Можно увеличить размеры очереди, но тогда возрастёт задержка, и протокол снизит скорость передачи данных. В мультигигабитных сетях увеличение времени задержки на 1 мс приводит к падению производительности на 30% [4]. Необходимо искать способы увеличения скорости обработки сетевых пакетов.

При использовании сетевых устройств на базе универсальных процессоров невозможно обеспечивать заданную производительность для мультигигабитных компьютерных сетей. Один процессор или одно ядро процессора может обрабатывать пакеты только из одной очереди [2]. Для сетей,

у которых скорость передачи не превышает 1 Гбит/с, мощности универсального процессора достаточно, но с увеличением скорости сети затраты процессора на межбуферное копирование, сборку/разборку пакетов, проверку контрольной суммы также увеличиваются. При скорости передачи данных в компьютерной сети 40 Гбит/с и размере пакета, равном 1500 байт, сетевое устройство должно обрабатывать около 3,3 млн. пакетов в секунду [5]. В зависимости от задач конкретного оборудования обработка пакета будет включать: маршрутизацию пакета, фрагментацию/дефрагментацию, управление качеством обслуживания, кодирование/декодирование, компрессию/декомпрессию. Выполнение всех

п

стадий обработки пакета за время порядка 10- с невозможно реализовать программно, используя только универсальные процессоры [1 -7].

В настоящее время ведущие производители сетевого оборудования предлагают множество аппаратных решений обработки сетевых пакетов, которые, как правило, строятся на базе заказных кристаллов и позволяют эффективно решать типовые задачи обработки сетевого трафика [8]. Однако если требуется внести изменения в алгоритм обработки или исправить ошибки существующего решения, необходимо производить новый кристалл [9]. Данного ограничения лишены реконфигурируемые вычислительные системы (РВС) на базе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) [1012]. Благодаря адаптации архитектуры под структуру решаемой задачи и возможности реализации сложных параллельных алгоритмов, можно производить обработку сетевого трафика с максимальной эффективностью и оперативно вносить изменения в схему обработки данных. Однако в настоящее время требуется создание новых методов и средств обработки сетевых пакетов на РВС, т.к. существующие решения обладают относительно невысокой удельной производительностью, что приводит к возрастанию аппаратных затрат при увеличении требований к пропускной способности сети [7].

При обработке сетевых пакетов в высокоскоростных сетях наиболее трудоемкие вычисления требуются для выполнения задач маршрутизации транзитных пакетов и при обработке данных на седьмом уровне модели OSI.

При большом размере таблиц маршрутизации время поиска нужной записи может стать определяющим для производительности всей системы в целом. Для обеспечения маршрутизации сетевых пакетов в темпе поступления можно использовать макроконвейерный метод в сочетании с методом половинного деления или использовать ассоциативную память. Однако оба способа потребуют больших аппаратных затрат при реализации на РВС. В этой связи важной является разработка новых методов поиска записи в таблице маршрутизации, позволяющих сократить аппаратные затраты и обеспечивающих выполнение маршрутизации в темпе поступления сетевых пакетов.

Среди задач обработки сетевого трафика существуют процедуры, которые трудно поддаются распараллеливанию. К таким задачам относятся: сжатие трафика, кодирование данных и проверка на ошибки [13-14]. Алгоритмы обработки данных в таких задачах реализуются рекурсивно, новые данные нельзя подавать в обработку, пока не получен результат обработки предыдущего данного. Для обеспечения плотного потока данных необходимо параллельно использовать несколько устройств, каждое из которых будет независимо обрабатывать свой поток данных. При этом нужно организовать буферизацию пакетов на входе и выходе. Максимальная скорость обработки достигается, когда количество таких устройств не меньше числа тактов, требующихся для обработки одного данного, что приводит к большому расходу оборудования. В этой связи становится важной разработка новых методов высокоскоростной обработки данных сетевого потока, позволяющая сократить аппаратный ресурс РВС при решении задач обработки сетевых пакетов рекурсивными алгоритмами в темпе поступления.

Степень разработанности темы исследования. Диссертация является завершенным исследованием, в котором впервые решается задача создания эффективных средств поддержки высокоскоростных сетевых технологий на реконфигурируемых вычислителях. В диссертации был выполнен обзор методов и средств обработки сетевых пакетов на РВС. Метод вложенного

конвейера, разработанный доктором технических наук, профессором Левиным И.И., позволяет обрабатывать данные поступающие плотным потоком, используя меньше аппаратного ресурса. Основная суть метода состоит в том, что если есть устройство, состоящее из множества конвейеров с обратными связями, то данные нужно подавать в каждый конвейер со скважностью, равной длине обратной связи. В этом случае такое устройство можно реализовать на единственном конвейере, данные в котором смешиваются из разных независимых потоков, в результате суммарный поток становится плотным на входе и на выходе. Однако разный размер пакетов приводит к простоям в работе вложенного конвейера, а также к изменению порядка следования пакетов. Для решения данной проблемы кандидатом технических наук Коваленко А.Г. было предложено использование схемы управления с использование арбитра и буферов для хранения входящих и обработанных данных. В момент прихода нового пакета арбитр управления вычисляет, какой буфер свободен либо освободится раньше остальных путем определения наименьшего количества оставшихся данных в нем. В диссертации был выполнен обзор методов поиска записи в таблице маршрутизации на РВС. Разработанный кандидатом технических наук Ильченко Д.Н. метод поиска, использующий сочетание метода половинного деления и метода вложенного конвейера, позволяет находить наилучшее совпадение в таблице маршрутизации за требуемое время. Для повышения производительности устройства необходимо использовать макроконвейер, который будет состоять из нескольких устройств, в каждом из которых будет организован вложенный конвейер для выполнения поиска методом половинного деления. Проведенный в диссертации обзор существующих методов и средств поддержки сетевых технологий РВС показал, что все они ориентированы на увеличение максимальной производительности системы за счет параллельного масштабирования вычислительной структуры, что приводит к кратному увеличению аппаратного ресурса РВС при возрастании интенсивности поступления данных.

Таким образом, при решении вычислительно-трудоёмких задач поддержки сетевых технологий на РВС актуальной является разработка новых методов и средств параллельно-конвейерной обработки сетевых пакетов, позволяющих увеличить производительность РВС.

Целью работы является повышение производительности средств поддержки сетевых технологий.

Объектом исследований являются методы и программные средства параллельной обработки сетевых пакетов.

Предметом исследований являются методы и средства обработки пакетов данных на реконфигурируемых вычислительных системах.

Научная задача, решаемая в диссертации, - создание методов и средств параллельно-конвейерной обработки сетевых пакетов на реконфигурируемых вычислительных системах, позволяющих повысить производительность средств поддержки сетевых технологий.

Для достижения указанной цели и решения поставленной научной задачи необходимо:

1) провести анализ существующих вычислительных методов и средств, позволяющих решать задачи обработки сетевых пакетов при заданной интенсивности поступления;

2) разработать эффективный метод организации вычислений, позволяющий средствами РВС обрабатывать сетевые пакеты разного размера с сохранением порядка их следования;

3) разработать метод ускорения поиска записи в таблицах данных для решения на РВС задач маршрутизации пакетов;

4) разработать программные модели для проверки нештатных ситуаций, возникающих при обработке и маршрутизации сетевых пакетов;

5) провести экспериментальные исследования эффективности разработанных методов обработки и маршрутизации сетевых пакетов.

Методы исследований. В ходе исследований были использованы: методы структурной и структурно-процедурной организации вычислений на РВС; методы

теории графов; методы автоматного программирования; методы сортировки данных; методы параллельной обработки данных; методы кодирования сигналов; алгоритмы поиска. Экспериментальные исследования проведены на реконфигурируемой системе «Атлант-10» и на реконфигурируемом компьютере «Терциус».

Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что в ней разработаны:

1) метод обработки сетевых пакетов разного размера на основе вложенного конвейера, отличающийся сохранением порядка следования пакетов и использующий общую память для хранения исходных и обработанных пакетов данных;

2) модернизированный метод блочного поиска, отличающийся параллельно-конвейерной организацией и требующий меньше аппаратных затрат при решении на РВС задачи маршрутизации сетевых пакетов;

Теоретическая значимость научных результатов. Результаты, полученные в ходе работы над диссертацией, являются важными для создания эффективных средств поддержки сетевых технологий на РВС. Автором доказано, что при решении задач маршрутизации сетевых пакетов и обработки данных сетевых пакетов рекурсивными алгоритмами память является критическим аппаратным ресурсом, ограничивающим возможности масштабирования системы.

Автором доказана возможность применения метода вложенного конвейера для решения задач обработки сетевых пакетов разного размера в темпе поступления с использованием общей памяти для хранения исходных и обработанных данных. Проведены теоретические расчеты аппаратных затрат, которые показали, что использование разработанного метода обработки сетевых пакетов на основе вложенного конвейера позволяет минимизировать аппаратные затраты блочной памяти для построения вычислительной структуры в 3,5 раза при заданной интенсивности поступления данных и, как следствие, повысить производительность системы.

Доказано, что применение модернизированного метода блочного поиска, отличающегося параллельно-конвейерной организацией, позволяет сократить ресурс блочной памяти при решении на РВС задач маршрутизации сетевых пакетов. Определено, при каком числе записей таблицы маршрутизации и скорости сети использование модернизированного блочного метода для реализации схемы маршрутизации будет требовать меньше аппаратного ресурса ПЛИС по сравнению с существующим решением. Проведены теоретические расчеты, которые показывают, что использование модифицированного метода блочного поиска позволяет минимизировать аппаратные затраты блочной памяти для построения вычислительной структуры в 2,5 раза для заданного числа записей таблицы маршрутизации при заданном объёме оборудования и, как следствие, повысить производительность системы.

Практическая значимость научных результатов. Созданы программные модели, позволяющие выявить нештатные ситуации, возникающие при обработке данных сетевых пакетов методом на основе вложенного конвейера и при поиске записей модернизированным методом блочного поиска. Разработанные программы позволяют ускорить отладку прикладных параллельно-конвейерных программ и повысить эффективность вычислительной структуры при решении на РВС задач маршрутизации сетевых пакетов и обработки данных сетевых пакетов рекурсивными алгоритмами.

На основании разработанных методов и программных моделей созданы параллельно-конвейерные программы для РВС, позволяющие решать задачи маршрутизации и обработки сетевых пакетов и обеспечивающие максимальную производительность сети.

По сравнению с существующими решениями разработанные методы позволили увеличить производительность вычислительной структуры для задачи маршрутизации сетевых пакетов в 4 раза, а при решении задачи обработки данных сетевого потока рекурсивными алгоритмами - в 3 раза.

Использование результатов работы. Результаты диссертационного исследования внедрены при выполнении ряда работ в Научно-исследовательском центре супер-ЭВМ и нейрокомпьютеров (ООО «НИЦ СЭ и НК»), а именно: при разработке высокопроизводительного реконфигурируемого компьютера на основе ПЛИС UltraScale (шифр «Терциус», 2017 г.); при выполнении СЧ ОКР «Создание реконфигурируемых специализируемых блоков маршрутизации межсетевого трафика» (шифр «Ликование-О1/Т», 2016 г.). Результаты диссертации внедрены на Научно-техническом предприятии «Криптософт», при создании параллельно-конвейерных масштабируемых прикладных программ в рамках выполняемых работ.

Степень достоверности результатов, полученных соискателем, подтверждена корректностью, непротиворечивостью математических выкладок, результатами машинных экспериментов, а также внедрениями в различных организациях, что удостоверяется соответствующими актами. Результаты диссертации докладывались и обсуждались на российских и международных научно-технических конференциях, где соискатель выступал с докладами по данной проблематике и получил положительный отзыв научной общественности.

Апробация работы. Основные результаты, представленные в диссертации, докладывались и обсуждались на всероссийских научно-технических конференциях: XIV и XV ежегодных научных конференциях студентов и аспирантов базовых кафедр ЮНЦ РАН, Ростов-на-Дону; IV Всероссийской научно-технической конференции «Суперкомпьютерные технологии (СКТ-2016)», с. Дивноморское, Геленджик, 2016 г.; X всероссийской мультиконференции по проблемам управления (МКПУ-2017), с. Дивноморское, Геленджик, 2017 г., XV международной научно-технической конференции "Dynamic of Technical Systems", Ростов-на-Дону, 2019 г.

Наиболее значительными публикациями по теме диссертации являются:

1. Levin I., Kotlyarov A. Optimized Block Method for Record Retrieval in Routing Tables // In: XV International Scientific-Technical Conference "Dynamic of Technical Systems" (DTS-2019) AIP Conf. Proc. 2188, 050038-1-050038-6; https://doi.org/10.1063/1.5138465 Published by AIP Publishing. 978-0-7354-1935-3/$30.00 (ведущий рецензируемый журнал, входит в базу Scopus).

В работе Котляровым А.С. представлен модифицированный метод поиска записи в таблице маршрутизации, произведены теоретические расчеты аппаратного ресурса.

2. Котляров А.С., Левин И.И. Оптимизированный метод обработки сетевых потоков данных в реконфигурируемых вычислительных системах // Вестник компьютерных и информационных технологий. - М.: Машиностроение, 2019. - № 6. - С.39-46. ISSN 1810-7206. (DOI: 10.14489/vkit.2019.06.pp.039-046) (ведущий рецензируемый журнал, входит в Перечень ВАК).

В работе Котляровым А.С показана оптимизация метода обработки сетевых пакетов на ПЛИС, произведены теоретические расчеты аппаратного ресурса.

3. Котляров А.С., Левин И.И. Обработка сетевых потоков данных в реконфигурируемых вычислительных системах. // Известия ЮФУ. Технические науки. - Ростов/Д: Изд-во ЮФУ, 2019. - №2 (204). - С. 48-56. ISSN 1999-9429 (DOI 10.23683/2311-3103-2019-2-48-56) (ведущий рецензируемый журнал, входит в Перечень ВАК).

В работе Котляровым А.С. выполнены обзор и сравнение основных методов распараллеливания для ускорения обработки сетевых пакетов на ПЛИС, произведены предварительные теоретические расчёты аппаратного ресурса для каждого из методов.

4. Котляров А.С., Левин И.И. Оптимизированный метод маршрутизации сетевых пакетов // Вестник компьютерных и информационных

технологий. - М.: ООО «Издательский дом «Спектр», 2019. - № 9. - С.27-32. ISSN 1810-7206. (DOI: 10.14489/vkit.2019.09.pp.027-032) (ведущий рецензируемый журнал, входит в Перечень ВАК).

В работе Котляровым А.С. выполнены обзор и сравнение основных методов поиска записи в таблице для ускорения маршрутизации сетевых пакетов на ПЛИС, предложен новый метод поиска записи в таблице, произведены теоретические расчеты аппаратного ресурса)

5. Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2019661350, РФ. Программная модель устройства обработки сетевых пакетов // Котляров А.С. Зарегистрирована в Реестре программ для ЭВМ 27.08.2019 г. Правообладатель: ФГАОУВО «Южный Федеральный университет».

6. Свидетельство о государственной регистрации программ для

ЭВМ № 2019662035, РФ. Программная модель устройства маршрутизации сетевых пакетов // Котляров А.С., Семенов И.С., Матросов А.Ю., Касаркин А.В. Правообладатель: ООО «НИЦ супер-ЭВМ и нейрокомпьютеров». Зарегистр. в Реестре программ для ЭВМ 16.09.2019 г.

Вклад Котлярова А.С. в создание зарегистрированной программы для ЭВМ состоит в разработке программной реализации алгоритма поиска записи в таблице маршрутизации.

7. Котляров А.С. Программная модель обработки данных методом «конвейер в конвейере» // Тезисы докладов XV ежегодной научной конференции молодых ученых «Вклад молодых ученных южного макрорегиона в реализацию стратегии развития Российской федерации: цели, задачи, результаты», г. Ростов-на-Дону, 15.04.2019 - 26.04.2019 гг. - г. Ростов-на-Дону: Изд-во ЮНЦ РАН, 2019. - С. 101.

8. Котляров А.С. Минимизация аппаратного ресурса при обработке данных вложенного конвейера // Материалы V всероссийской научно-технической конференции Суперкомпьютерные технологии (СКТ-2018): в 2 т. -

Ростов-на-Дону; Таганрог: Изд-во ЮФУ, 2018. - Т. 1. - С. 41-44. ISBN 978-59275-2834-9 (Т. 1).

9. Котляров А.С. Оптимизация вычислительной схемы обработки пакетов данных вложенного конвейера на ПЛИС // Тезисы докладов XIV ежегодной молодежной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Достижения и перспективы молодых ученых в интересах развития Юга России» - Ростов н/Д: Изд-во ЮНЦ РАН, 2018. - 222 с. - С. 74. ISBN 978-5-4358-0167-5.

10. Котляров А.С. Обработка сетевых пакетов средствами распределенных реконфигурируемых вычислительных систем // Материалы X Всероссийской мультиконференции по проблемам управления (МКПУ-2017), 11-16 сентября 2017 г., с. Дивноморское, Россия. - Ростов/Д: Изд-во ЮФУ, 2017. - Т.3. - С. 140-142.

11. Котляров А.С. Реализация сетевых протоколов для высокоскоростных каналов связи на основе программируемых логических интегральных схем // XII Ежегодная научная конференция студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН : тезисы докладов, г. Ростов-на-Дону, 15-28 апреля 2016 г. - Ростов н/Д: ЮНЦ РАН. - С. 104-105.

12. Котляров А.С. Проблема обработки сетевых протоколов в высокоскоростных каналах данных // Труды IV Всероссийской научно-технической конференции "Суперкомпьютерные технологии" (СКТ-2016) 19-24 сентября 2016 г., с. Дивноморское, Россия. - Ростов/Д: Изд-во ЮФУ, 2016. - С. 163-164. ISBN 978-5-9275-1283-6 (Т.3).

Личный вклад автора. Все представленные в диссертации результаты получены автором лично.

Положения, выдвигаемые на защиту.

1) существующие методы и средства поддержки сетевых технологий на РВС не оптимизированы для решения вычислительно-трудоемких задач обработки сетевых пакетов в темпе поступления.

2) созданные методы и средства поддержки сетевых технологий позволяют минимизировать аппаратные затраты РВС при заданной скорости обработки сетевых пакетов и, как следствие, повысить производительность прикладных параллельно-конвейерных программ при решении вычислительно-трудоемких задач обработки сетевых пакетов в темпе поступления.

Результаты, выносимые на защиту.

1) метод обработки сетевых пакетов разного размера на основе вложенного конвейера, отличающийся сохранением порядка следования пакетов и использующий общую память для хранения исходных и обработанных пакетов данных;

2) модернизированный метод блочного поиска, отличающийся параллельно-конвейерной организацией и требующий меньше аппаратных затрат при решении на РВС задачи маршрутизации сетевых пакетов.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованных источников и одного приложения.

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована цель и аргументирована научная новизна исследований, показана практическая значимость полученных результатов, представлены выносимые на защиту научные положения, а также приведено краткое содержание каждой из глав.

В первой главе приведён анализ протоколов пакетной передачи данных в компьютерных сетях. Показано, что в настоящее время невозможно отказаться от использования TCP протокола как основного средства гарантированной доставки сетевых пакетов. Все существующие альтернативные протоколы имеют либо узкую область применения, либо проблемы с безопасностью при передаче данных. Показано, что для обеспечения максимальной скорости канала связи необходимо обрабатывать сетевые пакеты в темпе поступления с сохранением порядка следования.

Рассмотрены существующие аппаратные решения для поддержки сетевых технологий. Показано, что вычислительный мощности современных CPU недостаточно для обработки данных сетевых потоков на скорости выше 10 Гбит/с. Гибридные вычислительные средства, построенные на базе заказных микросхем ASIC, позволяют решать задачи обработки сетевых пакетов в высокоскоростных сетях, но обладают рядом недостатков. Реконфигурируемые вычислительные системы лишены недостатков ASIC и позволяют применять их для обработки пакетов данных в высокоскоростных сетях, но обладают меньшей эффективностью, так как существующие методы и средства обработки данных разрабатывались, в основном, для систем реального времени.

Выделены наиболее трудоемкие задачи обработки данных сетевого потока. Сделан вывод, что наибольшая вычислительная сложность требуется для задач маршрутизации и преобразования данных всего сетевого пакета.

Рассмотрены существующие методы и средства ускорения вычислений. Было показано, что использование метода вложенного конвейера позволяет обрабатывать данные с большей эффективностью за счет сокращения аппаратных затрат.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Котляров Александр Сергеевич, 2020 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Таненбаум Э., Бос Х. Современные операционные системы. 4-е изд. - СПб.: Питер, 2015. - 1120 с.

2. Таненбаум Э., Остин Т. Архитектура Компьютера. 6-е издание. -СПб.: Питер, 2013. - 816 с.: ил.

3. Таненбаум Э., Уэзеролл Д. Компьютерные сети. 5-е изд. - СПб.: Питер, 2012. - 960 с.: ил.

4. Разработка и исследование метода повышения скорости передачи данных в мультисервисных сетях на основе стека протоколов TCP/IP [электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.dissercat.com/content/razrabotka-i-issledovanie-metoda-povysheniya-skorosti-peredachi-dannykh-v-multiservisnykh-se (дата обращения: 09.03.2018)

5. Некоторые аспекты высокоскоростной обработки трафика [электронный ресурс]. - Режим доступа: http://lib.tssonline.ru/articles2/fix-op/nekotorye-aspekty-vysokoskorostnoy-obrabotki-trafika (дата обращения: 03.02.2018)

6. Феликс Бланк. 03.09.2012. Взгляд в недра пакетов: [электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.osp.ru/lan/2012/09/13017526/ (дата обращения: 09.03.2018)

7. Руслан Смелянский (ЦПИКС) о будущем компьютерных сетей [электронный ресурс]. - Режим доступа: https://sk.ru/news/b/press/archive/2012/11/07/ruslan-smelyanskiy-_2800_cpi-ks_2900_-o-buduschem-kompyuternyh-setey.aspx (дата обращения: 11.03.2018)

8. ASIC, как много в этом звуке [электронный ресурс]. - Режим доступа: https://nag.ru/articles/reviews/15583/asic-kak-mnogo-v-etom-zvuke.html (дата обращения: 11.02.2018)

9. ASIC basics tutorial [электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.radio-electronics.com/info/data/semicond/asic/asic.php (дата обращения: 03.02.2018)

10. Каляев А.В., Левин И.И. Модульно-наращиваемые многопроцессорные системы со структурно-процедурной организацией вычислений. - М.: Янус-К, 2003. - 380 с.

11. Степаненко С.А. Мультипроцессорные среды суперЭВМ. Масштабирование производительности. - Москва: ФИЗМАТЛИТ, 2016. -312 с.

12. Степаненко С.А. Оценки ускорения вычислений гибридными реконфигурируемыми системами // Известия ЮФУ. Технические науки, 2014. -№12. - С.74-83.

13. Жданов О.Н., Золотарев В.В. Методы и средства криптографической защиты информации: Учебное пособие. СибГАУ. -Красноярск, 2007. - 217 с.

14. Токарева Н.Н. Симметричная криптография. Краткий курс: Учебное пособие. - НГУ, Новосибирск, 2012. - 234 с.

15. Вишневский, В. М. Теоретические основы проектирования компьютерных сетей / В. М. Вишневский. - М.: Техносфера, 2003. - 512 с.

16. Заборовский, В. С. Исследования процессов в компьютерных сетях: телематический подход / В. С. Заборовский, В. А. Мулюха, Ю. Е. Подгурский. -СПб.: СПбГПУ, 2009. - 159 с.

17. Кучерявый, А. Е. Пакетная сеть связи общего пользования / А. Е. Кучерявый, JI. 3. Гильченок, А. Ю. Иванов. - СПб.: Наука и техника, 2004. -274 с.

18. ASIC Design Development and Layout [электронный ресурс]. -Режим доступа: https://www.radio-electronics.com/info/data/semicond/asic/designs-development-layout.php (дата обращения: 06.12.2018)

19. Каляев И.А., Левин И.И., Семерников Е.А., Шмойлов В.И. Реконфигурируемые мультиконвейерные вычислительные структуры. - Ростов н/Д: Изд-во ЮНЦ РАН, 2008. - 320 с.

20. Марченков С.С., Матросов В.Л. Сложность алгоритмов и вычислений, Итоги науки и техн. Сер. Теор. вероятн. Мат. стат. Теор. кибернет. том 16. Москва: ВИНИТИ, 1979. - С. 103-149.

21. RFC Production Center [электронный ресурс]. - Режим доступа:

https://www.rfc-editor.org/ (дата обращения: 03.05.2018)

22. Тимошина, М. М. Исследование влияния параметров настройки стека TCP/IP на скорость передачи данных / М. М. Тимошина // XX Российская научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов. Материалы НТК ПГУТИ. - Самара, 2013.-С. 72.

23. 10 GbE for high-performance real-time embedded systems: What you need to know. AdvancedIO Systems Inc. — May 13, 2007. [электронный ресурс]. -Режим доступа: http://mil-embedded.com/article-id/?2131=

24. 40 and 100 Gigabit Ethernet: Ready for Real-Time? AdvancedIO Systems Inc. - March 2009. [электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www. advancedio. com/wp-content/uploads/2010/10/AIO_RTC_MAR_09.pdf (дата обращения: 06.12.2018)

25. SCTP (Stream Control Transmission Protocol) - the reliable, message-oriented transport protocol. [электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.ionos.com/digitalguide/server/know-how/sctp/ (дата обращения: 07.12.2019)

26. Оливер Бонавентуре, Сунгхун Сео. Применение Multipath TCP / 26.11.2017. [электронный ресурс]. - Режим доступа: http://internetinside.ru/primenenie-multipath-tcp/ (дата обращения: 6.12.2018)

27. Олифер, В. Г. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы / В. Г. Олифер, Н. А. Олифер. — СПб.: Питер, 2001. - 672 с.

28. Cisco WAN and Application Optimization Solution Guide. Chapter: Traffic Classification. [электронный ресурс]. -

https://www.cisco.com/c/en/us/td/docs/nsite/enterprise/wan/wan_optimization/wan_o pt_sg/chap05.html (дата обращения: 12.12.2018)

29. Информационно-вычислительные сети: учебное пособие // Капустин, В. Е. Дементьев. — Ульяновск : УлГТУ, 2011. — 141с

30. Отчет Cisco по информационной безопасности за 2018 год [электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.cisco.com/c/dam/global/m_ru/assets/offers/assets/cisco_2018_acr_ru.pd f (Дата обращения: 10.12.2018)

31. Владимир Хазов. 04.10.2016. Классификация трафика и Deep Packet Inspection. [электронный ресурс]. - Режим доступа: https://vasexperts.ru/blog/klassifikatsiya-trafika-i-deep-packet-inspection/ (Дата обращения: 11.03.2018)

32. Владимир Хазов. 21.07.2016 Введение в DPI: Аналитика, обстановка на рынке и тренды [электронный ресурс]. - Режим доступа: https://vasexperts.ru/blog/privet-mir/ (Дата обращения: 11.03.2018)

33. Washington N., Perros H. Performance Analysis of Traffic-Groomed Optical Networks Employing AlternateRouting Techniques// Lecture Notes in Computer Science, Vol. 4516, 2007, - pp. 1048-1059

34. P.Nageswara rao1, Dr.I.Ramesh Babu2, K.Gouthami3 , Nasreen4, Dr.C.S.Rani. Data compression Techniques in Modern Communication Networks for Enhanced Bandwidth Utilization // DOI: 10.1109/ICECCT.2017.8117850 Conference: 2nd IEEE International Conference on Electrical, Computer and Communication Technologies (ICECCT - 2017), At Coimbatore, India, Volume: 3.

35. Семенюк В. В. Экономное кодирование дискретной информации. -СПб.: СПбГИТМО (ТУ), 2001. - 115 с.

36. Run Length Encoding Image Compression. [электронный ресурс]. -Режим доступа: https://en.wikipedia.org/wiki/Run-length_encoding#:~:text=Run-length%20encoding%20(RLE),that%20contains%20many%20such%20runs. (Дата обращения: 12.05.2018)

37. Ватолин Д., Ратушняк А., Смирнов М., Юкин В. Методы сжатия данных. Устройство архиваторов, сжатие изображений и видео. - М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 2003. - 384 с.

38. Comparing Hardware for Artificial Intelligence: FPGAs vs. GPUs vs. ASICs [электронный ресурс]. - Режим доступа:

http://eecatalog.com/intel/2018/07/24/comparing-hardware-for-artificial-intelligence-fpgas-vs-gpus-vs-asics (дата обращения: 16.12.2018)

39. Why Networks Need ASICs / EE Times ядер [электронный ресурс]. -Режим доступа: https://www.eetimes.com/?p=1330054 (дата обращения: 11.03.2019)

40. Dimitrios Serpanos, Tilman Wolf. Specialized hardware components // Architecture of Network Systems. The Morgan Kaufmann Series in Computer Architecture and Design. 2011, Pages 211-227. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-374494-4.00011-6

41. Ильченко Д.Н. Методы и средства оптимизации автоматных моделей поиска информационных структур в потоке данных для реализации на реконфигурируемых вычислительных системах: диссертация ... кандидата технических наук: 05.13.11 / Ильченко Дмитрий Николаевич; [Место защиты: ФГАУ ВПО "Южный федеральный университет"].- Ростов-на-Дону, 2014.200 с.

42. Hennessy J., and Patterson D., Computer Architecture: A Quantitative Approach. 5th ed., Waltham: Morgan Kaufmann, 2011. - 857 с.

43. Patterson D.A., Hennessy J.L. Computer Organization and Design. The hardware and software interface. 5th ed.,Waltham: Morgan Kaufmann, 2014. - 793 с.

44. Harris D.M., Harris S.L. Digital Design and Computer Architecture. New York: Morgan Kaufman, 2013. - 1621 с.

45. Shin, M., Kim, Y.: New Challenges on Future Network and Standardization. Advanced Communication Technology 1, 754-759, 2008 DOI: 10.1109/ICACT.2008.4493866

46. Alchemy. Linux/MIPS Support. [электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.linux-mips.org/wiki/Alchemy (дата обращения: 15.03.2019)

47. Douglas Comer, by Cisco Systems (on leave from Purdue University). Network Processors: Programmable Technology for Building Network Systems // The Internet Protocol Journal. December 2004, Volume 7, Number 4 p.2-12.

48. IBM Power System AC922 Introduction and Technical Overview [электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.redbooks.ibm.com/redpapers/pdfs/redp5472.pdf (дата обращения: 25.12.2018).

49. Аладышев О.С., Дикарев Н.И., Овсянников А.П., Телегин П.Н., Шабанов Б.М. СуперЭВМ: области применения и требования к производительности // Известия ВУЗов. Электроника, 2004. - №1. - С. 13-17.

50. Сравнение процессоров Intel по количеству ядер [электронный ресурс]. - Режим доступа: https://ark.intel.com/ru/Search/FeatureFilter?productType=processors&CoreCountMi n=72 (дата обращения: 19.12.2018).

51. Серверная продукция Intel [электронный ресурс]. - Режим доступа: https: //www.intel .ru/content/www/ru/ru/products/servers .html (дата обращения: 25.12.2018).

52. Cisco [электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.cisco.com/ (Дата обращения: 10.12.2018)

53. Huawei [электронный ресурс]. - Режим доступа: https://e.huawei.com/ru/material/datacenter/server/ebe2d58705014697a703bffc5b63c c83 (Дата обращения: 10.12.2018)

54. Mike Santor. The future of instrumentation - the software-designed revolution / December 9th, 2015, Published in Articles: EngineerIT [электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.ee.co.za/article/future-instrumentation-software-designed-revolution.html (Дата обращения: 15.12.2018).

55. Взгляд на 10G Ethernet со стороны FPGA разработчика. НТЦ Метротек. 24 августа 2014 [электронный ресурс]. - Режим доступа: https://habrahabr.ru/company/metrotek/blog/234369/ (Дата обращения: 15.12.2018)

56. CPLD vs FPGA: Differences between them and which one to use? November 29, 2017 [электронный ресурс]. - Режим доступа: https://numato.com/kb/cpld-vs-fpga-differences-one-use/ (Дата обращения: 15.12.2018).

57. List of FPGA Companies [электронный ресурс]. - Режим доступа: http://hardwarebee.com/list-fpga-companies (дата обращения: 06.12.2018).

58. Горбунов В.С., Лабошин Л.Ю., Лукашин А.А., Титов А.Г. Исследование возможности предоставления реконфигурируемых вычислительных ресурсов на базе ПЛИС в виде облачного сервиса // Материалы Международной суперкомпьютерной конференции "Научный сервис в сети Интернет: все грани параллелизма". - 2013. - С. 130-134.

59. Xilinx [электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.xilinx.com (дата обращения: 05.12.2018).

60. Measuring Device Performance and Utilization: A Competitive Overview [электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.xilinx.com/support/documentation/white_papers/wp496-comp-perf-util.pdf (дата обращения: 05.12.2018).

61. GW2A series of FPGA Products. Data Sheet [электронный ресурс]. -Режим доступа: https://alcom.nl/wp-content/uploads/2018/10/Gowin_ 041018_DS102-1.2E_GW2A-series-of-FPGA-Products-Data-Sheet.pdf (дата обращения: 05.12.2018).

62. Opal Kelly XEM7305 [электронный ресурс]. - Режим доступа: https://opalkelly.com/products/xem7305 (дата обращения: 05.12.2018).

63. Enclustra FPGA Modules [электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.enclustra.com/en/products/fpga-modules (дата обращения: 05.12.2018)

64. Metromatics FPGA Modules [электронный ресурс]. - Режим доступа: https://metromatics.com.au/product-tag/fpga (дата обращения: 05.12.2018).

65. Annapolis Micro Systems FPGA boards https://www.annapmicro.com/product-category/fpga-boards-2/ (дата обращения: 05.12.2018).

66. High performance computing solutions [электронный ресурс]. -Режим доступа: https://www.hpe.com/us/en/solutions/hpc-high-performance-computing.html (дата обращения: 06.12.2018).

67. Cray a Hewlet Packard Enterprize company [электронный ресурс]. -Режим доступа: https://www.cray.com/ (дата обращения: 06.12.2018).

68. Т-Платформы. [электронный ресурс]. - Режим доступа: https://t-platforms.ru (дата обращения: 25.12.2018).

69. Гузик В.Ф., Каляев И.А., Левин И.И. Реконфигурируемые вычислительные системы. Учебное пособие. - Ростов-на-Дону: Изд-во ЮФУ, 2016. - 471 с.

70. Alpha Data [электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.alpha-data.com (дата обращения: 07.12.2018).

71. MathStar's second-generation field-programmable object arrays challenge FPGAs [электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.eetimes.com/mathstars-second-generation-field-programmable-object-arrays-challenge-fpgas/ (дата обращения: 07.12.2018).

72. BittWare [электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.bittware.com/ (дата обращения: 07.12.2018).

73. DiniGroup [электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.dinigroup.com/ (дата обращения: 07.12.2018).

74. SciEngines [электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.sciengines.com/ (дата обращения: 07.12.2018).

75. Samtec [электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.samtec.com (дата обращения: 05.12.2018)

76. НИИ МВС ЮФУ [электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.mvs.sfedu.ru com (дата обращения: 15.12.2018).

77. Научно-исследовательский центр супер-ЭВМ и нейрокомпьютеров [электронный ресурс]. - Режим доступа: http://superevm.ru (дата обращения: 05.12.2018).

78. ООО НПО «Роста» [электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.rosta.ru com (дата обращения: 15.12.2018).

79. ФГУП «НИИ «Квант» [электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.rdi-kvant.ru/ (дата обращения: 15.12.2018).

80. Kintex-7 FPGA Product Table [электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.xilinx.com/support/documentation/selection-guides/7-series-product-selection-guide (дата обращения: 14.11.2018).

81. UltraScale FPGA Product Tables and Product Selection Guide [электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.xilinx.com/support/documentation/selection-guides/ultrascale-fpga-product-selection-guide.pdf (дата обращения: 04.06.2019).

82. Каляев И.А., Левин И.И., Семерников Е.А., Шмойлов В.И. Реконфигурируемые мультиконвейерные вычислительные структуры. - Ростов-на-Дону: Изд-во ЮНЦ РАН, 2008. - 320 с.

83. Левин И.И., Семерников Е.А., Раскладкин М.К. Методы сопряжения вычислительных узлов и блоков в программах для реконфигурируемых вычислителей: Учебное пособие. - Таганрог: Изд.-во ЮФУ, 2012. - 130 с.

84. Kalyaev I.A., Levin I.I., Dordopulo A.I., Slasten L.M. Reconfigurable computer systems based on Virtex-6 and Virtex-7 FPGAs // Proc. 12th IFAC Conf. on Programmable Devices and Embedded Systems, Velke Karlovice, Czech Republic, September 25-27, 2013. Vol. 12, Issue 1. Oxford: Elsevier, 2013. 210-214.

85. Левин И.И., Дордопуло А.И., Сорокин Д.А., Каляев З.В., Доронченко Ю.И. Реконфигурируемые компьютеры на основе ПЛИС Xilinx Virtex UltraScale // Parallel Computational Technologies (13th International Conference, PCT 2019, Immanuel Kant Baltic Federal University, Kaliningrad, Russia, April 2-4, 2019. - Pp. 288298. http://omega.sp.susu.ru/pavt2019/short/144.pdf.

86. Каляев И.А., Левин И.И., Семерников Е.А. Принципы построения многопроцессорных вычислительных систем на основе ПЛИС // Вестник Бурятского государственного университета. Сер. 9: математика и информатика. - Улан-Удэ: Изд-во Бурятск. гос. ун-та, 2008. - С.184-196. ISBN 1994-0866.

87. Каляев И.А., Левин И.И. Реконфигурируемые мультиконвейерные вычислительные системы для решения потоковых задач // Информационные технологии и вычислительные системы. - 2011. -№ 2. - С. 12-22.

88. Сорокин Д.А. Методы решения задач с переменной интенсивностью потоков данных на реконфигурируемых вычислительных системах: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, по специальности 05.13.11 "Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей", научный руководитель: д.т.н., проф. Левин И.И. - Таганрог, 2012. - 165 с.

89. Кнут Д.Э. Искусство программирования, том 3. Сортировка и поиск. 2-е изд.: Пер. с английского - М.: Издательский дом «Вильямс», 2001.

90. Вирт Н. Алгоритмы и структуры данных. - М.: Мир, 1989, 360 с.

91. Метод операционно-графового описания одновременных вычислений для многопроцессорных систем / Материалы Международной научно-технической конференции «Многопроцессорные вычислительные и управляющие системы - 2007». - Таганрог: Изд во ТТИ ЮФУ, 2007. - Т. 1. -С. 278-284.

92. Левин И.И. Методы и программно-аппаратные средства параллельных структурно-процедурных вычислений: диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук, по специальностям: 05.13.11 "Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей", 05.13.15 - "Вычислительные машины и системы", научные консультанты: академик РАН, д.т.н., проф. Каляев А.В., чл.-корр. РАН, д.т.н., проф. Каляев И.А., дис. совет ТРТУ Д 212.259.05, 2004. -363 с.

93. Дордопуло А.И., Левин И.И. Ресурсонезависимое программирование гибридных реконфигурируемых вычислительных систем // Труды Международной конференции «Суперкомпьютерные дни в России» (Russian Supercomputing Days 2017), 25-26 сентября 2017, Москва, Россия. - С. 714-723. http: //russianscdays .org/files/pdf17/714.pdf.

94. Сорокин, Д.А., Дордопуло А.И. Методика сокращения аппаратных затрат в сложных системах при решении задач с существенно-переменной интенсивностью потоков данных // Известия ЮФУ. Технические науки. -Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2012. - №4. - С. 213-219.

95. Доронченко Ю.И. Метод операционно-графового описания одновременных вычисленийдля многопроцессорных систем // Матер. Междунар. науч.-техн. конф. "Многопроцессор-ные вычисл. и управляющие системы — 2007". Таганрог: ТТИ ЮФУ, 2007. Т. 1. С. 11-17.

96. Котляров А.С. Минимизация аппаратного ресурса при обработке данных вложенного конвейера // Материалы V всероссийской научно-технической конференции Суперкомпьютерные технологии (СКТ-2018): в 2 т. -Ростов-на-Дону; Таганрог: Изд-во ЮФУ, 2018. - Т. 1. - С. 41-44. ISBN 978-59275-2834-9 (Т. 1).

97. Котляров А.С. Оптимизация вычислительной схемы обработки пакетов данных вложенного конвейера на ПЛИС // Тезисы докладов XIV ежегодной молодежной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Достижения и перспективы молодых ученых в интересах развития Юга России» - Ростов н/Д: Изд-во ЮНЦ РАН, 2018. - 222 с. - С. 74. ISBN 978-5-4358-0167-5.

98. Котляров А.С., Левин И.И. Обработка сетевых потоков данных в реконфигурируемых вычислительных системах // Известия ЮФУ. Технические науки. - Ростов/Д: Изд-во ЮФУ, 2019. - №2 (204). - С. 48-56. ISSN 1999-9429 (DOI 10.23683/2311-3103-2019-2-48-56).

99. Котляров А.С., Левин И.И. Оптимизированный метод обработки сетевых потоков данных в реконфигурируемых вычислительных системах // Вестник компьютерных и информационных технологий. - М.: Машиностроение, 2019. - № 6. - С.39-46. ISSN 1810-7206. (DOI: 10.14489/vkit.2019.06.pp.039-046).

100. Котляров А.С. Программная модель обработки данных методом «конвейер в конвейере» // Тезисы докладов XV ежегодной научной конференции молодых ученых «Вклад молодых ученных южного макрорегиона в реализацию стратегии развития Российской федерации: цели, задачи, результаты», г. Ростов-на-Дону, 15.04.2019 - 26.04.2019 гг. - г. Ростов-на-Дону: Изд-во ЮНЦ РАН, 2019. - С. 101.

101. Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2019661350, РФ. Программная модель устройства обработки сетевых пакетов // Котляров А.С. Зарегистрирована в Реестре программ для ЭВМ 27.08.2019 г. Правообладатель: ФГАОУВО «Южный Федеральный университет».

102. C++. Материал из Википедии [электронный ресурс]. - Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/C%2B%2B (дата обращения: 05.12.2018)

103. Шиготаров А. В. Метод уменьшения размера таблиц маршрутизации в ip-сетях. / Автореферат диссертации. Ульяновский государственный университет 2009.

104. Internet Protocol, Version 4 RFC: 791 [электронный ресурс]. - Режим доступа: https://tools.ietf.org/html/rfc791 (дата обращения: 05.12.2018).

105. Internet Protocol, Version 6 (IPv6) Request for Comments: 2460 [электронный ресурс]. - Режим доступа: https://tools.ietf.org/html/rfc2460 (дата обращения: 05.12.2018).

106. EEE 802.3 Medium Attachment Units. Request for Comments: 3636 [электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.ietf.org/rfc/rfc3636.txt.

107. John Harrington. July 4, 2012. Tcam-based forwarding engines [электронный ресурс]. - Режим доступа: http://thenetwor.ksherpa.com/tcam-in-the-forwarding-engine/ (дата обращения: 16.12.2018).

108. Паволоцкий А. В. Базовые алгоритмы поиска и сортировки массивов. М.: 2016.

109. Котляров А.С., Левин И.И. Оптимизированный метод маршрутизации сетевых пакетов // Вестник компьютерных и информационных

технологий. - М.: ООО «Издательский дом «Спектр», 2019. - № 9. - С.27-32. ISSN 1810-7206. (DOI: 10.14489/vkit.2019.09.pp.027-032).

110. Levin I., Kotlyarov A. Optimized Block Method for Record Retrieval in Routing Tables // In: XV International Scientific-Technical Conference "Dynamic of Technical Systems" (DTS-2019) AIP Conf. Proc. 2188, 050038-1-050038-6; https://doi.org/10.1063/L5138465 Published by AIP Publishing. 978-0-7354-1935-3/$30.00.

111. Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2019662035, РФ. Программная модель устройства маршрутизации сетевых пакетов // Котляров А.С., Семенов И.С., Матросов А.Ю., Касаркин А.В. Правообладатель: ООО «НИЦ супер-ЭВМ и нейрокомпьютеров». Зарегистр. в Реестре программ для ЭВМ 16.09.2019 г.

112. Котляров А.С. Обработка сетевых пакетов средствами реконфигурируемых вычислительных систем // Материалы X Всероссийской мультиконференции по проблемам управления (МКПУ-2017), 11-16 сентября 2017 г., с. Дивноморское, Россия. - Ростов/Д: Изд-во ЮФУ, 2017. - Т.3. - С. 140-142.

113. Xilinx Ice 14.7. Documentation [электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.xilinx.com/support.html#documentation (дата обращения: 05.12.2018).

114. 7 Series FPGAs Data Sheet: Overview [электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.xilinx.com/support/documentation/data_sheets/ ds 182_Kintex_7_Data_Sheet.pdf (дата обращения: 17.12.2018).

115. JetStream 12-портовый 10GBase-T Smart коммутатор с 4 слотами SFP+ [электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.tp-link. com/ru/business-networking/smart-switch/t 1700x-16ts/ (дата обращения: 17.12.2018).

116. Процессор Intel® Core™ i5-7500 [электронный ресурс]. - Режим доступа: https://ark.intel.com/content/www/ru/ru/ark/products/97123/intel-core-i5-7500-processor-6m-cache-up-to-3-80-ghz.html (дата обращения: 17.12.2018).

117. Руководство по установке Debian GNU/Linux [электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.debian.org/releases/stable/arm64/install.pdf.ru (дата обращения: 17.12.2018).

118. WEBO Group. Внутренние механизмы ТСР, влияющие на скорость загрузки [электронный ресурс]. - Режим доступа: https://habr.com/ru/company/webo/blog/327050/ (дата обращения: 18.12.2018).

119. iPerf - The ultimate speed test tool for TCP, UDP and SCTP [электронный ресурс]. - Режим доступа: https://iperf.fr/iperf-doc.php (дата обращения: 19.12.2018).

120. Pankaj Tanwar. Захват пакетов при помощи библиотеки libpcap. 11.10.2012 [электронный ресурс]. - Режим доступа: http://rus-linux.net/MyLDP/algol/libpcap.html (дата обращения: 20.12.2018).

121. Математическое Бюро. Закон распределения Пуассона. [электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.matburo.ru/ex_tv.php?p1=tvpoir (дата обращения: 20.12.2018).

122. Mendel Cooper. Advanced Bash-Scripting Guide [электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.opennet.ru/docs/RUS/bash_scripting_guide/.

123. Aaron Kili, May 25, 2017. nload - Monitor Linux Network Bandwidth Usage in Real Time. [электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.tecmint.com/nload-monitor-linux-network-traffic-bandwidth-usage/ (дата обращения: 21.12.2018).

124. Diff. Интерактивная система просмотра системных руководств [электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.opennet.ru/man.shtml?topic=diff&category=8&russian=0 (дата обращения: 20.12.2018).

125. Котляров А.С. Реализация сетевых протоколов для высокоскоростных каналов связи на основе программируемых логических интегральных схем // XII Ежегодная научная конференция студентов и аспирантов

базовых кафедр Южного научного центра РАН : тезисы докладов, г. Ростов-на-Дону, 15-28 апреля 2016 г. - Ростов-на-Дону: ЮНЦ РАН. - С. 104-105.

126. Котляров А.С. Проблема обработки сетевых протоколов в высокоскоростных каналах данных // Труды IV Всероссийской научно-технической конференции "Суперкомпьютерные технологии" (СКТ-2016) 19-24 сентября 2016 г., с. Дивноморское, Россия. - Ростов/Д: Изд-во ЮФУ, 2016. - С. 163-164. ISBN 978-5-9275-1283-6 (Т.3)

127. Котляров А.С. Сетевой шлюз на основе программируемых логических интегральных схем // XIII ежегодная молодежная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Исследования и разработки передовых научных направлений» тезисы докладов (г. Ростов/Д, 1727 апреля 2017 г.). - Ростов-на-Дону: Изд-во ЮНЦ РАН, 2017. - 356 с. - С. 157. - ISBN 978-5-4358-0150-7.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

АКТЫ ВНЕДРЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ НАУЧНО-КВАЛИФИКАЦИОННОЙ

РАБОТЫ

КОТЛЯРОВ АЛЕКСАНДР СЕРГЕЕВИЧ

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПОДДЕРЖКИ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ СЕТЕВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ НА РЕКОНФИГУРИРУЕМЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЯХ

05.13.11 - Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Левин И.И.

Таганрог - 2020

УТВЕРЖДАЮ Технический директор *Ъщ) «НИЦ СЭ и нк».

К.Т.Н.

Ю.И. Дороиченко

2019 г.

АКТ

о внедрении результатов кандидатской диссертации «Методы и средства поддержки высокоскоростных сетевых технологии на рсконфнгурнруемых вычислителях» программиста 2 категории Общества с ограниченной ответственностью «НИЦ супер-ЭВМ и нейрокомпьютеров» Котлярова Александра Сергеевича

Комиссия Общества с ограниченной ответственностью «НИЦ суперЭВМ и нейрокомпьютеров» (ООО «НИЦ С'Э и НК») в составе председателя, заместителя директора по разработкам, к.т.н., с.и.с. Катаева О.В.. начальника отдела, к.т.н. Сорокина Д.А., начальника сектора, к.т.н. Коваленко А.Г. составила настоящий акт о том, что в разработках ООО «НИЦ СЭ и НК» внедрены следующие результаты диссертации Котлярова Александра Сергеевича но теме «Методы и средства поддержки высокоскоростных сетевых технологий на реконфигурируемых вычислителях»:

1) модифицированный метод конвейер в конвейере для решения задач обработки сетевых пакетов рекурсивными алгоритмами в темпе поступления, позволяющий повысить производительность прикладных параллельно-конвейерных программ дня РВС;

2) модифицированный метод блочного поиска для решения задач маршрутизации сетевых пакетов, выполняющий нахождение записи в таблице маршрутизации за заданное время, а также позволяющий повысить производительность прикладных параллельно-конвейерных программ дня

Результаты диссертации Котлярова A.C. внедрены в следующих работах, выполненных в ООО «НИЦ СЭ и НК»:

- при разработке высокопроизводительного реконфигурируемого компьютера на основе ПЛИС UltraScale (шифр «Терциус», 2017г.);

РВС.

при выполнении СЧ ОКР «Создание реконфигурнруемых специализируемых блоков маршрутизации межсетевого трафика» (шифр «Ликование-01/T», 2016г.)

Использование разработанных в диссертации Котлярова A.C. «Методы и средства поддержки высокоскоростных сетевых технологий на реконфигурнруемых вычислителях» модернизированного метода блочного поиска и модернизированного метода конвейер в конвейере позволяет уменьшить в 3.5 раза требуемые аппаратные затраты при реализации устройств обработки и маршрутизации сетевых пакетов дня заданного уровня производительности. Применение указанных методов позволило одновременно обрабатывать данные 17-ти сетевых потоков.

ПРЕДСЕДАТЕЛЬ КОМИССИИ

Заместитель директора по разработкам ООО «НИЦ СЭ и НК»,

к.т.н., с.н.с.

ЧЛЕНЫ КОМИССИИ

к.т.н.

к.т.н.

Начальник сектора ООО «НИЦ СЭ и НК».

Начальник отдела ППО ООО «НИЦ СЭ и НК>

Экз.

УТВЕРЖДАЮ Директор — ООО НТП «Крнптософт»

Матвеев Е.А. _2019 г.

АКТ

о внедрении результатов кандидатской диссертации Котлирова Александра Сергеевича «Методы и средства поддержки высокоскоростных сетевых технологий на реконфигурнруемых вычислителях»

Комиссия Общества с ограниченной ответственностью научно-технического предприятия «Крнптософт» (ООО НТП «Крнптософт») в составе:

председатель

составила настоящий акт о том, что в разработках ООО НТП «Крнптософт» внедрен результат диссертации Котлярова Александра Сергеевича по теме «Методы и средства поддержки высокоскоростных сетевых технологий на реконфигурнруемых вычислителях»:

- модифицированный метод блочного поиска для решения задач маршрутизации сетевых пакетов, выполняющий нахождение записи в таблице маршрутизации за заданное время, а также позволяющий повысить

Барышев В.Н.

члены комиссии

Никитин И.В., Брусникин М.С.

производительность прикладных параллельно-конвейерных программ для

Результат кандидатской диссертации Коглярова A.C. использовался при создании параллельно-конвейерных масштабируемых прикладных программ при решении задач высокоскоростной маршрутизации данных в рамках выполняемых ООО НТП «Криптософт» работ.

Применение модифицированного метода блочного поиска, разработанного в диссертации Котлярова A.C., позволило увеличить удельную производительность прикладной параллельно-конвейерной программы до 4 раз при решении задачи поиска записи в таблице маршрутизации за заданное время.

Председатель комиссии:

РВС.

Начальник УЗСТ

В Н. Ьарышев

Члены комиссии:

Начальник УАСЗИ

И.В. Никитин

Начальник Отдела №3 УЗСТ

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

СВИДЕТЕЛЬСТВО О ГОСУДАРСТВЕННОЙ РЕГИСТРАЦИИ

ПРОГРАММЫ ДЛЯ ЭВМ

КОТЛЯРОВ АЛЕКСАНДР СЕРГЕЕВИЧ

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПОДДЕРЖКИ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ СЕТЕВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ НА РЕКОНФИГУРИРУЕМЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЯХ

05.13.11 - Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Левин И.И.

Таганрог - 2020

1SC