Методы исследования и разработки сетевых контроллеров канального уровня для высокоскоростных бортовых вычислительных сетей космических аппаратов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.05, кандидат наук Яблоков Евгений Николаевич

• Яблоков Евгений Николаевич
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Яблоков Евгений Николаевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. РАЗВИТИЕ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА СЕТЕВЫЕ КОНТРОЛЛЕРЫ КАНАЛЬНОГО УРОВНЯ

1.1 Тенденции развития современных высокоскоростных вычислительных сетей

1.2 Обзор канального уровня модели эталонной модели взаимодействия открытых систем

1.3 Бортовые вычислительные сети авиационного и космического назначения

1.4 Показатели контроллеров канального уровня

1.5 Принципы проектирования сетевых контроллеров

1.6 Математическое моделирование сетевых контроллеров

1.7 Выводы по главе

ГЛАВА 2. МОДЕЛЬ СЕТЕВОГО КОНТРОЛЛЕРА КАНАЛЬНОГО УРОВНЯ

2.1 Разработка модели сетевого контроллера канального уровня

2.2 Управление потоком

2.3 Основные положения теории массового обслуживания

2.4 Разработка модели сетевого контроллера

2.5 Модель без управления потоком

2.6 Блоки последовательной обработки

2.7 Блок выбора заявки

2.8 Блок выдачи

2.9 Размер буфера

2.10 Итоговый вывод формул

2.11 Управление потоком

2.12 Выводы по главе

ГЛАВА 3. МЕТОДЫ АНАЛИЗА И СИНТЕЗА СЕТЕВЫХ КОНТРОЛЛЕРОВ КАНАЛЬНОГО УРОВНЯ

3.1 Введение

3.2 SpaceWire

3.3 Gigabit SpaceWire

3.4 Исследование сетевого контроллера SpaceFibre

3.5 Выводы по главе

ГЛАВА 4. ВНЕДРЕНИЕ

4.1 Реализация существующих моделей

4.2 Физическое моделирование

4.3 Внедрение в серийное производство

4.4 Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А. АКТ О ВНЕДРЕНИИ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы исследования и разработки сетевых контроллеров канального уровня для высокоскоростных бортовых вычислительных сетей космических аппаратов»

Введение Актуальность темы исследования

Развитие новых сетевых технологий открывает широкие перспективы перед разработчиками современных вычислительных устройств. Одним из активно развиваемых направлений является стандарты передачи данных, в том числе и для бортовых вычислительных технологий. Развитие современных стандартов, а также модификация уже существующих, ставит перед разработчиками новые задачи по созданию устройств передачи информации по каналам связи. Необходимо отметить тот факт, что изменения чаще всего касаются нижних уровней, что доказывается развитием современных стандартов таких как FibreChannel, PCI т.п.

Разработка современных коммуникационных устройств являются перспективным направлением для повышения пропускной способности современных бортовых сетей. Множество отечественных и зарубежных разработок посвящены развитию коммуникационных устройств различных уровней модели OSI (Open Systems Interconnection Basic Reference Model). Так как процесс создания любого устройства сложен, исследование характеристик создаваемого устройства до его полноценной имплементации в железе является важной проблемой. Большой спектр научных исследований посвящен измерению сетевых характеристик, таких как надежность и/или пропускная способность.

Необходимо учитывать тот факт, что при создании коммутирующих устройств одним из самых важных факторов становится время, затрачиваемое на их разработку. Ввиду ввода новых технологий, это время постоянно сокращается. Постепенный уход от низкоскоростных протоколов передачи данных (до 10 Мбит в секунду) к среднескоростным (до 100 Мбит/c) и высокоскоростным (более 100 Мбит/c) увеличил сложность создаваемых устройств и, таким образом, усложнил процесс общего моделирования. Вследствие этого необходимо принимать в расчет как время создания модели, так и само моделирование. В общем случае время, которое тратится на моделирование устройства, может быть довольно значительно, то возможно возникновение ситуации, когда решение о выпуске очередного устройства уже будет неактуально. Таким образом можно заключить, что время, затрачиваемое на построение и тестирование модели устройства, должно быть в разумных рамках относительно времени создания самого устройства.

В данной работе рассмотрены аспекты построения модели коммуникационных устройств канального уровня на базе теории массового обслуживания. Предлагается использовать разбиение создаваемого устройства на несколько частей. Построение модели устройства осуществляется на базе данных стандарта передачи данных, физических характеристик линий передаче, частотах и интенсивности передаваемых данных и других условиях.

несмотря на большое количество разработок и инструментов для моделирования, проблема создания моделей сетевых контроллеров канального уровня по-прежнему актуальна. Анализ характеристик канального уровня до сих пор является большой проблемой. Например, модель Кнудсена-Мадсена [1], разработанная для подсчета пропускной способности сетевого контроллера канального уровня, оказывается слишком простой, и не учитывает ни приоритетность передачи символов внутри контроллера, ни управление потоком контроллера.

В то же время существует большое количество различных языков программирования, которые позволяют строить имитационные модели устройств. Например способы моделирования, описанные в [2], акцентирует написание моделей с использованием динамических моделей на языках высокого уровня, что делает их повторное применение для других подобных устройств практически невозможным.

Система Network Calculus тоже часто используется для построения моделей канального уровня. на основании данной модели строится большое число моделей для сети с коммутаторами [3, 4]. Основным недостатком данных моделей является их узконаправленность, так как, во-первых, перерасчет характеристик модели является очень сложным и затратным процессом, и, во-вторых, данное моделирование не предназначено для расчета характеристик узлов канальных уровней.

Подводя итог, можно сказать, что расчет характеристик канального уровня является актуальной задачей. несмотря на большое количество разработок в данной области - построение модели сетевого контроллера канального уровня все еще вызывает довольно большие затруднения.

В данной работе определен набор параметров, оказывающих существенное влияние на построение модели коммутатора канального уровня, позволяющая оценить задержку, пропускную способность и буферное пространство, необходимое для создания данного коммутатора. на базе этих параметров определена методика выбора нужных значений данных характеристик и их зависимость друг от друга.

на основании выходных и входных характеристик сформулирована проблема создания контроллера канального уровня. Доказано, что максимизация одних характеристик неизбежно ведет к ухудшению других. В итоге, построение модели сводится к максимизации одних характеристик без значительного ухудшения других на основании моделирования. на основании этого была предложена математическая модель канала контроллера канального уровня.

необходимые базовые физические характеристики для построения модели, берутся из стандарта передачи данных, или формируются, исходя из структурной схемы, или опыта разработчика. Однако построение модели должно происходить в соответствии с определенными принципами. В данной диссертации была сформирован принцип построения данной модели на основе конвейерной обработки.

кроме этого необходимо учитывать то, что контроллер канального уровня осуществляет важную функцию управления потоком, которая напрямую влияет на все

характеристики данного контроллера. В соответствии с исследованием была сформирована методика оценки эффективности контроллера канального уровня с учетом особенности модели управления потоком.

В работе исследованы возможности разбиения сетевого контроллера канального уровня на блоки для моделирования и в соответствии с этим была использована теория массового обслуживания для расчета характеристик каждой части модели контроллера канального уровня. Таким образом сформированы формулы для каждой части построенной модели.

дополнительно в рамках исследования моделей различных контроллеров на основании разработанной модели была доказана неэффективность системы кредитования одного из рассматриваемых контроллеров. В процессе создания нового контроллера Gigabit SpaceWire (GigaSpaceWire) была разработана новая система управления потоком канального уровня данного контроллера. с помощью разработанной модели была доказана ее эффективность.

Предмет исследования

Предметом исследования диссертационной работы является теоретическое и экспериментальное исследование функционирования контроллеров канального уровня для вычислительных и управляющих систем космических аппаратов с целью улучшения технико-экономических и эксплуатационных характеристик.

Объект исследования

Объектом исследования является методы проектирования и анализа сетевых контроллеров канального уровня для бортовых сетей космических аппаратов

Цель диссертационной работы

Целью диссертационной работы является разработка методов построения устройств вычислительной техники канального уровня с топологией точка-точка.

Методы исследования

Исследования осуществлялись на основе аппарата теории систем массового обслуживания, теории вероятности, и теории вычислительных систем. Для построения математических моделей была использована теория массового обслуживания. Для реализации предложенной методики были использованы язык VHDL (Very High Speed Integrated Circuits), Cadence, среда ISE Design Suite и физические реализации контроллеров на базе отечественных СБИС (сверхбольших интегральных схем).

Задачи диссертационной работы

1. Исследование существующих тенденций развития современных вычислительных сетей, анализ канального уровня модели OSI;

2. Анализ бортовых вычислительных сетей авиационного и космического назначения;

3. Разработка критериев оценки сетевого контроллера канального уровня;

4. Исследование существующих моделей для анализа сетевых контроллеров канального уровня;

5. Разработка методики проектирования сетевого контроллера канального уровня;

6. Разработка научных основ и методики построения формальной модели сетевых котроллеров канального уровня;

7. Исследование систем управления потоком на канальном уровне;

8. Разработка метода расчета характеристик существующих систем управления потоком;

9. Применение разработанной методики для анализа существующих контроллеров и совершенствования механизмов управления потоком на канальном уровне;

10. Внедрение результатов исследования и разработки в проектирование отечественных СБИС.

Научная новизна

1. Проведен теоретический анализ и экспериментальное исследование функционирования сетевых контроллеров канального уровня бортовых сетей космических аппаратов;

2. Разработана аналитическая модель сетевого контроллера канального уровня как системы массового обслуживания для оценки его характеристик;

3. Разработана новая математическая модель сетевого контроллера канального уровня с учетом аппаратных задержек;

4. Предложен набор показателей передачи данных, и базирующаяся на нем методика их оценки для канала точка-точка с сетевыми контроллерами канального уровня;

5. Поставлена проблема и разработана методика оценки характеристик канала точка-точка на основе анализа управления потоком сетевого контроллера канального уровня.

существующие математические модели сетевых контроллеров канального уровня строятся на основании анализа физической пропускной способности канала или на основании частоты передачи. Текущие разработанные модели практически не учитывают внутренние блоки сетевого контроллера канального уровня, а также его систему управления потоком. В текущих моделях или отсутствует анализ служебной информации, передаваемой на канальном уровне (в частности - символы управления потоком), которая сокращает полезную пропускную способность данных. Второй недостаток таких моделей в том, что они оказываются очень «узкие», разработанные под одну конкретную реализацию (например - модель шины PCI или Advanced Microcontroller Bus Architecture (AMBA)). Полученные же результаты данного исследования, разработанные модели учитывают, как внутреннюю специфику сетевого

контроллера канального уровня, так и характеристики самого стандарта передачи данных, на основании которого он функционирует.

В диссертационной работе предложена методика анализа и разработки сетевого контроллера канального уровня.

Практическая ценность

1. Разработан принцип построения сетевых контроллеров канального уровня на основе конвейерной организации для повышения производительности данных контроллеров при проектировании их аппаратной реализации в микросхемах;

2. Разработана методика проектирования сетевых контроллеров канального уровня с учетом функции управления потоком;

3. Разработан новый отечественный протокол канального уровня для сетей SpaceWire, получивший название GigaSpaceWire;

4. Разработанные методики применены для проектирования микросхем, включающие сетевые контроллеры канального уровня, для бортовых сетей космических аппаратов.

Результаты работы используются в проектировании сетевых узлов канального уровня на отечественных СБИС для высокоскоростных бортовых вычислительных сетей космических аппаратов.

Результаты диссертационной работы были внедрены в серийное производство микросхем НПЦ (научно-производственный центр) ЭЛВИС, таких как 1892ВМ14Я, 1892ВМ12АТ и другие. По результатам исследования были получены 6 патентов. Разработан улучшенный метод управления потоком для протокола канального уровня Gigabit SpaceWire.

Научные положения, выносимые на защиту

1. сформулирована проблема научно обоснованного проектирования сетевых контроллеров канального уровня. Предложены критерии оценки качества сетевого контроллера, разработаны методы оценки данных критериев;

2. Разработаны принципы функционирования сетевых контроллеров канального уровня на основе конвейерной организации для достижения заданных характеристик;

3. Разработана аналитическая модель сетевого контроллера канального уровня как системы массового обслуживания для оценки его характеристик;

4. Разработана методика анализа характеристик сетевых контроллеров канального уровня с учетом особенности управления потоком.

Личный вклад автора

В исследованиях, вошедших в диссертацию, автору принадлежит постановка задач, разработка и создание модели сетевого контроллера канального уровня,

формулировок целей и задач экспериментов, анализ и интерпретация их результатов. Автором был разработан комплексный подход к исследованию передачи данных на канальном уровне. С этой целью автором диссертации была разработана модель сетевого контроллера канального уровня на основе передачи информации разного приоритета внутри контроллера с учетом выбранной модели управления потоком, исследования заданных характеристик и вывод результатов. В дальнейшем, после получения патентов, было проведено внедрение в серийное производство микросхем -отечественных СБИС в НПЦ ЭЛВИС.

Апробация диссертационной работы

Основные положения диссертационной работы докладывались на российских конференциях на международных конференциях SpaceWire (2007, 2010, 2013, 2014) и FRUCT (15 и 16 конференции русско-финского сотрудничества университетов), на международной научно-технической конференции "Измерение, контроль, информатизация" в Барнауле (2010), на IX Всероссийской научно-практическая конференция «Актуальные проблемы машиностроения» в Самаре (2017), на научных сессиях ГУАП в Государственном университете Аэрокосмического приборостроения.

Личный вклад соискателя состоит в непосредственном участии во всех этапах диссертационного исследования, в планировании научной работы, наборе материала, углубленном анализе отечественной и зарубежной научной литературы, анализе и интерпретации лабораторных и инструментальных данных, их систематизации, статистической обработке с описанием полученных результатов, написании и оформлении рукописи диссертации, основных публикаций по выполненной работе.

Достоверность и обоснованность результатов исследования обеспечиваются использованием комплекса современных теоретических методов, таких как теория массового обслуживания для приоритетных и бесприоритетных моделей, применяемых в работе, адекватных объекту, предмету, целям и задачам диссертации, природе изучаемой области, репрезентативностью базы исследования, а также успешным внедрением результатов в серийное производство.

Основные теоретические и прикладные результаты диссертационной работы изложены в следующих трудах:

1. Яблоков Е.Н., Статические модели оценки производительности устройств канального уровня, Ползуновский вестник, №2, 2010 г., ISSN 2072-8921, с. 42-48

2. Яблоков Е.Н., Шейнин Ю.Е., Суворова Е.А., Солохина Т.В., Глушков А.В., Алексеев И.Н., Гигабитные каналы в сетях Spacewire, Вопросы радиоэлектроники, 2012 г., Т.2. № 2, с. 24-36.

3. Evgeny Yablokov, Yuriy Sheynin, Elena Suvorova, Alexander Stepanov, Tatiana Solokhina, Yaroslav Petrichcovitch, Alexander Glushkov, Ilia Alekseev, "GigaSpaceWire -Gigabit Links for SpaceWire Networks", SpaceWire-2013. Proceedings of the 5th International

SpaceWire Conference, Gothenburg 2013. Editors Steve Parkes and Carole Carrie. ISBN 9780-9557196-4-6, Space Technology Centre, University of Dundee, Dundee, 2013, pp. 28-34.

4. Яблоков Е.Н., Розанов B.B. Реализация передачи пакетов SpaceWire с помощью сети Ethernet, Известия самарского научного центра академии наук, Том 16, 2014 г., ISSN: 1990-5378, с. 576-581

5. Yablokov E.N., Rozanov V.V., Problems of Developing Spacewire - Ethernet Bridge and Transferring Spacewire Packages Over Ethernet, Proceedings of 16th Conference of Open Innovations Association Finnish-Russian University Cooperation in Telecommunications (FRUCT) Program, University of Oulu, Oulu, Finland, 2014 г. - C. 171176

6. Yablokov E.N., Rozanov V.V., Vinogradov A.A., Protocol for Connection Ethernet Interface to SpaceWire Networks, Proceedings of 17th Conference of Open Innovations Association Finnish-Russian University Cooperation in Telecommunications (FRUCT) Program. - Yaroslavl - 2015 г. - C. 93-98

7. Яблоков Е.н., GigaSpaceWire, проблемы и решения, Известия самарского научного центра академии наук, Том 18, 2016 г., ISSN: 1990-5378, с. 428-431

8. Яблоков Е.Н., Построение имитационной модели сетевого контроллера канального уровня, Известия самарского научного центра академии наук, Том 19, 2017 г., ISSN: 1990-5378, с. 576-581

9. Виноградов А.Ю., Яблоков Е.Н., Исследование протокола Ethernet-SpaceWire, Известия самарского научного центра академии наук, Том 19, 2017 г., ISSN: 1990-5378, с. 433-438.

Публикации результатов диссертационной работы

По материалам диссертационной работы были опубликованы 21 научная работа, в том числе 15 статей и докладов, 7 из которых входят в перечень ВАК, 2 в издании, индексируемых SCOPUS, получено 3 патента РФ на полезную модель и 3 патента на изобретения.

Внедрение результатов диссертационной работы

Результаты диссертационной работы были использованы в патентах на полезную модель и изобретения, а именно:

1. Устройство коммуникационного интерфейса для сети SpaceWire, Шейнин Ю.Е, Яблоков Е.Н., Суворова Е.А., Горбачев С.В., Петричкович Я.Я., Солохина Т.В., Глушков А.В., Алексеев И. Н., 27.05.2013 Российская Федерация, Патент РФ на изобретение RU 2483351 C1

2. Коммуникационное устройство для гальванической развязки DS-линка, Шейнин Ю.Е., Яблоков Е.Н., Суворова Е.А., Горбачев С.В., 20.06.2013 Российская Федерация, Патент РФ на изобретение RU 2485580 C1

3. Устройство и способ формирования DS-кода, Яблоков Е.Н., Шейнин Ю.Е., Суворова Е.А., Горбачев С.В., 20.06.2013, Российская Федерация, Патент РФ на изобретение RU 2485694 С2

4. Устройство формирования DS-кода, Горбачев С.В., Суворова Е.А., Шейнин Ю.Е., Яблоков Е.Н., 27.06.2012, Российская Федерация, Патент РФ на полезную модель RU 117757 и1

5. Устройство коммуникационного интерфейса для сети SpaceWire, Шейнин Ю.Е., Яблоков Е.Н., Суворова Е.А., Горбачев С.В., Петричкович Я.Я., Солохина Т.В., Глушков А.В., Алексеев И. Н., 20.03.2013 г, Российская Федерация, Патент РФ на полезную модель RU 126162 и1

6. Коммуникационное устройство для гальванической развязки DS-линка, Шейнин Ю.Е., Яблоков Е.Н., Суворова Е.А., Горбачев С.В. Патент 20.04.2013 г. Российская Федерация, Патент РФ на полезную модель RU 127213 и1

Наличие патентов, полученных по результатам исследования, подтверждает новизну его результатов. Кроме этого, результаты научных исследований реализованы в серийных, опытных и разрабатываемых образцах АО НПЦ Элвис отечественных СБИС, в том числе микросхем 1892ВМ14Я, 1892ВМ7Я, 1892ВМ15АФ, выпускаемых серийно (см. приложение А).

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, список сокращений, списка литературы и приложения. Работа содержит 138 страниц машинописного текста, 76 рисунков. Перечень литературных источников содержит 110 наименований.

Глава 1. Развитие современных технологий и их влияние на сетевые контроллеры канального уровня

1.1 Тенденции развития современных высокоскоростных

вычислительных сетей

Существующие алгоритмы создания высокоскоростных сетей и систем проектирования узловых устройств не в полной мере подходят для выполнения текущих проектов, которые на данный момент выходят на уровень миллиардов транзисторов. на данный момент подходы к созданию сетей и высокопроизводительных блоков могут оказаться неэффективным из-за сильно возросшей сложности проектирования этих блоков с самого начала. Создание сложных структур на данном этапе представляется практически невозможным в рамках текущих тенденций развития [5]. Одним из решения является создание более высокоэффективной среды обмена информацией. например, тенденции развития бортовых сеть спутника [6] или самолета показывают, что такая сеть должна обеспечивать непрерывный обмен данными между управляющей системой и датчиками связи [7], которые передают информацию между собой посредством узлов связи. До сих пор в таких сетях используются отработанные стандарты связи, такие как MIL-STD-810 [8], CAN [9] и даже Ethernet. Несмотря на быстрое развитие стандартов обмена данными «на земле», бортовые системы не успевают за современными тенденциями, ввиду более сложного проектирования и сложности замены в случае поломки узла. Задача использования готовых компонентов в рамках решения глобальной задачи без потери эффективности всей системы, является основным способом проектирования современных систем и сетей. Предположительно, сети будут состоять из различных одинаковых архитектур и компонентов, которые будут масштабироваться от нескольких дюжин до нескольких сотен или даже тысяч аппаратных ресурсов, таких как блок данных, память, сетевой контроллер и т.п. Современные программные решения будут использовать огромное количество линий связи, что повлечет за собой увеличение производительности узлов. Различные задачи будут иметь совершенно различные типы данных и скорость их обработки, поэтому решения для каждой конкретной задачи будут отличаться друг от друга [10]. Таким образом - для решения данных задач понадобится большое количество аппаратных решений с вычислительными ресурсами, которые соединены между собой. Чем выше уровень сложности создаваемых элементов - тем уникальнее задача, которую он решает.

Можно с уверенностью сказать, что к будущим аппаратным решениям будут предъявляться следующие требования:

1) скорости передачи между блоками должны быть выше 100 Мбит в секунду;

2) блоки многофункциональны, они обрабатывают и передают различные типы данных;

3) большинство устройств сети обладают повышенной пропускной способностью и низким временем обработки данных;

4) данные все чаще будут передаваться на большие расстояния (более 1 метра);

Одной из основных проблем создания таких систем является проблема удовлетворения изначально заданных характеристик, которые для каждой поставленной задачи могут быть совершенно различными. Основные проблемы, которые стоят перед разработчиком аппаратной системы, можно описать следующим образом:

1) уменьшение времени задержки передачи полезной информации между унифицированными блоками, элементами и сетями;

2) увеличение пропускной способности каналов связи между унифицированными блоками;

3) уменьшение энергопотребления;

4) увеличение надежности.

От решения этих проблем при проектировании зависит правильное функционирование всей системы в целом. Однако, решить все проблемы в рамках сети практически невозможно. Перед проектировщиком стоит задача решения части проблем, которая приведет решению текущей поставленной задачи.

Необходимо отметить, что сеть данных представляет собой множество различных блоков (или ресурсов), связанных между собой линиями связи. Большинство линий связи представляют собой связи канального уровня. Так же возможны соединения нескольких систем внутри блока связями плата-плат или блок-блок. Ресурсы располагаются в различных местах создаваемой системы, в том числе - и в другой сети.

Каждый ресурс обладает своим индивидуальным адресом и подсоединен к коммутатору. Ресурс может быть подключен путем добавления соответствующего адреса и наличия свободной точки подключения.

Рабочие блоки могут работать на определенном уровне модели OSI. Можно определить 4 уровня дальнейших модификаций.

1) Физический уровень, отвечающий за общее количество линий связи, длину линий, подключающий ресурсы и уровни.

2) Канальный уровень описывает протокол сетевых контроллеров, которые обеспечивают связь между ресурсом и коммутатором и между двумя коммутаторами. И физический, и канальный уровень протокола зависит от используемой технологии и для каждого протокола используется свой сетевой контроллер. Таким образом - для каждой новой технологии (нового протокола связи) заново создаются оба этих уровня.

3) Сетевой уровень описывает способ передачи пакета через сеть. Данный уровень так же зависит от используемого протокола, но в гораздо меньшей степени, чем 2 вышеозначенных уровня.

4) Транспортный уровень не зависит от используемой технологии и отвечает за общую маршрутизацию сети.

На текущий момент в современном мире существует огромное число различных протоколов и их число постоянно возрастает [11].

1.2 Обзор канального уровня модели эталонной модели взаимодействия открытых систем

Канальный уровень связи - это 2-й уровень семиуровневой моделей OSI [12] (если начинать с физического), для построения компьютерных сетей. Этот уровень представляет собой механизм, который обеспечивает передачу данных между соседними узлами глобальной сети или между узлами в локальном сегменте той же самой сети. Канальный уровень описывает различные функции и методы для передачи данных между объектами в сети и также предоставляет средство для обнаружения и исправления ошибок (если такая задача поставлена), который может произойти на физическом уровне во время передачи данных.

Канальный уровень непосредственно связан с локальной доставкой данных между устройствами в той же самой локальной сети. Сетевая маршрутизация и глобальные сообщения касаются более высоких уровней модели OSI, на канальном уровне передача идет на локальном уровне. Таким образом, уровень ответственен за коммуникацию и передачу данных, арбитражем устройств сети, предоставления доступа к физическому уровню и т.п. Когда два или более устройств пытаются использовать физическую среду передачи в одно и то же время, произойдет столкновение передаваемой информации, и задача канального уровня состоит в том, чтобы определить эту ситуацию и после восстановить нормальную работу сети. В современных каналах передачи данных вероятность столкновений уменьшена до ноля, так как современные протоколы используют дуплексные каналы связи на основе коммутаторов, которые исключают возможность столкновений внутри этой структуры.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Яблоков Евгений Николаевич, 2019 год

Список литературы

1. Knudsen, P. Integrating communication protocol selection with hardware/software codesign, ISSS 1998, стр. 111-116

2. Klaus Wehrle, Mesut GQne§, James Gross, Modeling and Tools for Network Simulation, Springer, 2010, ISBN 3642123309, 256 стр.

3. Amari A., Mifdaoui A., Frances F., Lacan J., Worst-Case Timing Analysis of AeroRing- A Full Duplex Ethernet Ring for Safety-critical Avionics, 12th IEEE World Conference on Factory Communication Systems (WFCS), 3 May 2016 - 6 May 2016

4. Ferrandiz T., Frances F., Fraboul C. Modeling SpaceWire networks with network calculus. 1st International Workshop on WorstCase Traversal Time (WCTT'11), 2011

5. Суворова Е.А., Шутенко Ф.В., Яблоков Е.Н., Глушков А.В., Солохин А.А., Алексеев И.Н., Архитектура мультипротокольного коммутатора высокоскоростных последовательных каналов, Вопросы радиоэлектроники, 2008 г., Т.4. № 3, с. 20-28

6. Анпилогов В.Р., Тырин П.М., Эйдус А.Г., Характерные особенности развития спутниковой связи и вещания - Технологии и средства связи №6-2, 2014, Специальный выпуск "Спутниковая связь и вещание-2015" , стр.36-40

7. Прохоров Ю.В., О перспективах развития спутниковой орбитальной группировки ФГУП "Космическая связь" Технологии и средства связи, №6-2, 2013, специальный выпуск "Спутниковая связь и вещание - 2014", стр 14-15

8. MIL-STD-810 standard specification

9. ISO 11898-1 standard specification

10. Sheynin Y., Shutenko F., Suvorova E., Yablokov E., High-rate serial interconnections for embedded and distributed systems with power and resource constraints, Defense and Security 2008: Special Sessions on Food Safety, Visual Analytics, Resource Restricted Embedded and Sensor Networks, and 3D Imaging and Display 2008, с. 698-718.

11. Ветелина Е., Исследование тенденций развития современных сетевых технологий на примере программно-конфигурируемых сетей, Новые информационные технологии в автоматизированных системах, ISDN 2227-0973, стр. 502-508

12. ГОСТ Р ИСО/МЭК 7498-1 -99

13. IEEE 802.2 Standard

14. Ross N. Williams, A painless guide to CRC error detection algorithms, 1993

15. Solari, E. and Willse, G. PCI and PCI-X Hardware and Software: Architecture and Design., Research Tech, 2004. — 1545 стр., ISBN 9780976086505

16. PCI Express External Cabling 1.0 Specification

17. Samuel H Fuller; Alan Gatherer, RapidIO : the embedded system interconnect, Wiley, 2005.

18. Evgeny Yablokov, Yuriy Sheynin, Elena Suvorova, Alexander Stepanov, Tatiana Solokhina, Yaroslav Petrichcovitch, Alexander Glushkov, Ilia Alekseev, "GigaSpaceWire -Gigabit Links for SpaceWire Networks", SpaceWire-2013. Proceedings of the 5th International SpaceWire Conference, Gothenburg 2013. Editors Steve Parkes and Carole Carrie. ISBN 9780-9557196-4-6, Space Technology Centre, University of Dundee, Dundee, 2013, pp. 28-34.

19. Яблоков Е.Н., Шейнин Ю.Е., Суворова Е.А., Солохина Т.В., Глушков А.В., Алексеев И.Н., Гигабитные каналы в сетях SpaceWire, Вопросы радиоэлектроники, 2012 г., Т.2. № 2, с. 24-36.

20. ГОСТ Р 52070-2003 «Интерфейс магистральный последовательный системы электронных модулей»

21. Ю.Шейнин, Т.Солохина, Я.Петричкович., Технология SpaceWire для параллельных систем и бортовых распределенных комплексов, Электроника НТБ. Выпуск #5/2006, ISSN: 1992-4178, стр. 64-75

22. X3T9.3, Fibre Channel Physical and Signaling Interface (FC-PH), Rev. 4.2, 1993

23. David A. Deming. The Essential Guide to Serial ATA and SATA Express., CRC Press, 2014., ISBN 9781482243314, 496 с.

24. IEEE 802.11 Standard

25. Al X. Widmer, Peter A. Franaszek, A DC-Balanced, Partitioned-Block, 8B/10B Transmission Code, IBM Journal of Research and Development. 27 (5), 1983, стр 440-451.

26. Erin Richey, Fibre channel gains speed with generation six, Tech Page One, 2014

27. Вдовин П.М., Инструментальная система проектирования сетей AFDX, ТРУДЫ МФТИ Том 7, № 2, 2015, стр. 131 -137

28. Aircraft Data Network. Part 7. Avionics Full Duplex Switched Ethernet (AFDX) Network / Ed. by Courtney R. Annapolis: Aeronautical Radio, 2005.

29. ECSS-E-ST-50-12C — SpaceWire — Links, nodes, routers and networks, ESA-ESTEC

30. Коблякова Л.В., Суворова Е.А., Яблоков Е.Н., ^гналы жесткого реального времени в бортовых сетях космических аппаратов, Научная сессия ГУАП Сборник докладов, посвященный Всемирному Дню авиации и космонавтики. В 3-х частях, 2014 г., с. 48-54.

31. Suvorova E., Koblyakova L., Yablokov E., SpaceWire control codes in SpaceWire, GigaSpaceWire and SpaceFibre networks , Proceedings of the 6th International SpaceWire Conference, SpaceWire 2014, 2014 г., с. 677-693

32. Виноградов А.Ю., Яблоков Е.Н., Исследование протокола Ethernet-SpaceWire, Известия самарского научного центра академии наук, Том 19, 2017 г., ISSN: 1990-5378, с. 433-438

33. Яблоков Е.Н., GigaSpaceWire, проблемы и решения, Известия Самарского научного центра Российской академии наук, Том 18, №1, 2016, стр. 428-431

34. 818-1 Avionics Digital Video Bus (ADVB) High Data Rate, ARINC, 2007

35. Paul Grunwald, What's New in ARINC 818-2, 32nd IEEE Digital Avionics Systems Conference, 2014

36. ANSI INCITS 356-2002 Standard

37. Синёв Н.И., Коробков И.Л., Оленев В.Л., Лавровская И.Я., Исследование и анализ механизмов управления потоком в транспортных протоколах для бортовых космических систем, научная сессия ГУАП, сборник докладов. Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения. 2016. с. 191-199.

38. Lawrence B. Levit and Marco L. Vincelli, Characterize High-speed Digital Circuits: A Job For Wideband Scopes, Lecroy Corp., EDN, 1993

39. RapidIO Specification Rev. 3.0

40. Егоров В., Последовательный интерфейс RapidIO и его применение в пакетной коммутации, Электронные компоненты, 2008, стр. 69-76

41. SpaceFibre standard, DRAFT F1

42. Hamed Khorasgani, Daniel E. Jung, Gautam Biswas, Robust residual selection for fault detection, 2014 IEEE 53rd Annual Conference, 2014, стр. 5764-5769

43. PCI Express 4.0 Specification

44. AGP V3.0 Interface Specification

45. IEEE 802.3 XAUI Standard

46. Charles E. Spurgeon, Joann Zimmerman, Ethernet: The Definitive Guide: Designing and Managing Local Area Networks, ISBN: 1449361846, 2014, стр. 508

47. Акиншин Л., Технология PCI Express как полноценная альтернатива Ethernet для систем с объединительными панелями, МКА: мир ВКТ, 2008, стр. 278-287

48. Орлов С., Ethernet и промышленные сети, Журнал сетевых решений/LAN, 2013, №9

49. IEEE 802.3u Fast Ethernet Standard

50. IEEE 802.3z Gigabit Ethernet Standard

51. IEEE 802.3ae 10G Ethernet Standard

52. Яблоков Е.Н., Розанов В.В. Реализация передачи пакетов SpaceWire помощью сети Ethernet, Известия самарского научного центра академии наук, Том 16, 2014 г., ISSN: 1990-5378, с. 576-581

53. Yablokov E.N., Rozanov V.V., Problems of Developing Spacewire - Ethernet Bridge and Transferring Spacewire Packages Over Ethernet, Proceedings of 16th Conference of Open Innovations Association Finnish-Russian University Cooperation in

Telecommunications (FRUCT) Program, University of Oulu, Oulu, Finland, 2014 г. - C. 171176

54. Amar Shekhar, What Is Ring Topology? Advantages and Disadvantages of Ring Topology, 2016, Электронный ресурс: https://fossbytes.com/what-is-ring-topology-advantages-and-disadvantages-of-ring-topology/ (дата обращения: 04.10.2018)

55. Ушанев К.В., Имитационные модели системы массового обслуживания типа PA/M/1, H2/M/1 и исследование на их основе качества обслуживания трафика с определенной структурой, Системы управления качества и безопасности, ISSN 24109916, 2016, стр. 217-251

56. В.К. Битюков, доцент А.Е. Емельянов, Модель канала передачи со случайной задержкой и потерей пакетов данных для сетевых систем управления, Вестник ВГУИТ, №3, 2015, 68-73

57. И. С. Якушев, Сравнительный анализ влияния параметров физического уровня на характеристики беспроводной сети стандарта IEEE 802.11, Вестник Новосибирского Государственного Университета, том 7, 2009, стр. 57-65

58. Эллэн Г., Системы с DDR SDRAM - обеспечение баланса производительности и энергопотребления, Электроника: Наука, Технология, Бизнес, ISSN: 1992-4178, 2012 г, стр. 112-115

59. Sudeep Pasricha, Nikil Dutt, On-Chip Communication Architectures. System on Chip Interconnect. Morgan Kaufmann, 2008, — 544 с.

60. Яблоков Е.Н., Статические модели оценки производительности устройств канального уровня, Ползуновский вестник №2, с. 42-48

61. G. Gogniat, M Auguin, L. Bianco and A Pcgatoquct, "Communication synthesis and HW/SW integration for embedded system design* CODES 1998, pp. 49-53.

62. D.-T. Peng and K. G. Shin, "Static allocation of periodic tasks with precedence constraints" in Proceedings, International Conference on Distributed Computing Systems, 1989

63. IEEE Standard SystemC Language Reference Manual

64. Valentin Olenev, Yuriy Sheynin, Elena Suvorova, Sergey Balandin, Michel Gillet, SystemC Modelling of the Embedded Networks, 6th FRUCT Seminar, 2010, стр. 85-95

65. M. Loghi, F. Angiolini, D. Bertozzi, L. Benini, R. Zafalon,"Analyzing on-chip communication in a MPSoC environment," DATE, 2004, стр. 752-757.

66. Frank Vahid, Digital Design with RTL Design, Verilog and VHDL (второе издание), John Wiley and Sons., 2010, ISBN 0470531088, стр. 247

67. William K. Lam, Hardware Design Verification. Simulation and Formal MethodBased Approaches, Prentice Hall PTR, 2005, ISBN: 0137010923

68. G. Schimer and R. Domer, 'Quantitative analysis of transaction level models for the AMBA Bus," DATE 2006, pp. 1-6.

69. P. Kalla, X. S. Hu and J. HenkeL "A flexible framework for communication evaluation in SoC design,", South Pacific Design Automation Conference,2005, pp 956-959.

70. ARM AMBA Specification and Multilayer AHB Specification (rcv2.0), 2001

71. IBM CoreConnect Specification, CoreConnect Bus Architecture.

72. "STBus Communication System: Concepts and Definitions," Reference Guide, STMicro- electronics. May 2003.

73. S. F'asricha, N. Dutt and M. Ben-Romdhanc, "Extending the transaction level modeling approach for fast communication architecture exploration," Design and Automation Conference (DAC 2004), San Diego, CA, June 2004, pp. 113-118

74. G. Schimer and R. Domer, "Accurate yet fast modeling of real-time communication," Proceedings of CODES -ISSS, 2006.

75. K. Lahiri, A. Raghunathan and S. Dey, "Performance analysis of systems with multichannel communication architectures," VLSI Design, 2000, pp. 530-537

76. Д. Гавра. Основы теории коммуникации. Стандарт третьего поколения. — СПб.: Питер. — 288 с.. 2011

77. Olivier Rioul, José Carlos Magossi, On Shannon's Formula and Hartley's Rule: Beyond the Mathematical Coincidence, Entropy 2014, ISSN 1099-4300, 2014 г., стр. 48924910

78. Erik Hollnagel, David D. Woods, Joint Cognitive Systems: Foundations of Cognitive Systems Engineering. Boca Raton, FL: Taylor & Francis, 2005, ISBN 0-8493-2821-7

79. McCurley K.S. (2006) Language Modeling and Encryption on Packet Switched Networks, Advances in Cryptology, Eurocrypt, 2006, стр. 359-372

80. Knudsen, P. Integrating communication protocol selection with hardware/software codesign, ISSS 1998, стр. 111-116

81. Renner, F-M. Automated Communication Synthesis for Architecture-Precise Rapid Prototyping of Real-Time Embedded Systems, RSP 2000, стр. 154-159

82. Cruz R.L. A Calculus for Network Delay, Part I: Network Elements in Isolation // IEEE Transactions on Information Theory. 1991. V.37. № 1. Р. 114—131.

83. Cruz R.L. A Calculus for Network Delay, Part II: Network Analysis // IEEE Transactions on Information Theory. 1991. V.37. № 1. Р. 132—141.

84. Кудрявцева Е.Н., Росляков А.В., Базовые принципы и перспективы использования теории сетевого исчисления (Network Calculus), Инфокоммуникационные технологии, 2013 г.. Т. 11. № 3., с. 34-39

85. Fidler M., Survey of deterministic and stochastic service curve models in the network calculus, IEEE Communications Surveys and Tutorials. NJ, USA, Jan. 2010. - P. 59-86

86. . V. Knudscn and J. Madsen, "Communication estimation for hardwarc/softwarc codcsign," CODES 1998, pp. 55-59.

87. P. V. Knudscn and J. Madsen. "Integrating communication protocol selection with partitioning in hardware/software code sign," ISSS 1998, pp. 111-116.

88. Яблоков Е.Н., Построение имитационной модели сетевого контроллера канального уровня, Известия самарского научного центра академии наук, Том 19, 2017 г., ISSN: 1990-5378, с. 576-581

89. Fibre Channel Physical Interface (FC-PI) Rev 7, 2015

90. RapidIO Specification Revision 4.0, 25 Gbps / lane, 100 Gbps / port, Complete Spec.

91. ECSS-E-ST-50-12C — SpaceWire — Links, nodes, routers and networks, ESA-ESTEC.

92. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. 5-е издание, Питер, 2016, ISBN 978-5-496-01967-5, 992 стр.

93. Т.Л.Саати. Элементы теории массового обслуживания и ее приложения. - M.: Сов. радио, 1965. - 503 с.

94. Бертсекас Д., Галлагер. Р. Сети передачи данных, Пер. с англ. — М.: Мир, 1989. — 544 с.

95. Jackson, R.R.P. (1954):Queueing systems with phase type service. Operational Research Quarterly, Vol. 5 (1954), 109-120.

96. Gordon and & Newell, G.F. (1967):, Gordon, W.J., Closed queuing systems with exponential servers. Operations Research, Vol. 15 (1967), pp. 254-265.

97. Iversen, VB., Exact calculation of waiting time distributions in queuing systems with constant holding times, NTS-4, Fourth Nordic Teletraffic Seminar, Helsinki 1982, 31 стр.

98. Майоров С.А. Основы теории вычислительных систем, 1978, Высшая школа, 1978, - 408 с.

99. Kleinrock, L. (1976), Queuing systems. Vol. II: Computer applications. New York 1976. 549 pp.

100. Г. Климов, Теория массового обслуживания, 2011, Издательство МГУ, 2011,— 312 стр.

101. K. Lahiri, A. Raghunathan and S. Dey, "Performance analysis of systems with multi-cflannel communication architectures," VLSI Design, 2000, pp. 530-537.

102. S. Kim, C. Im, and S. Ha, "Schedule-aware performance estimation of communication architecture for efficient design space exploration," CODES—ISSS 2003, pp 195-200.

103. T. Ferrandiz, F. Frances, and C. Fraboul, "A Network Calculus Model for SpaceWire Networks." Proceedings of the EEE International Conference on Embedded and Real-Time Computing Systems and Applications (RTCSA 2011), 2011.

104. Клейнрок Л. Теория массового обслуживания, Пер. с англ. - М.: Машиностроение, 1979, - 432 с.

105. Вентцель Е. С. Исследование операций: задачи, принципы, методология.— 2-е изд., стер.— М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988,— 208 с.

106. Janos Sztrik. Modeling and Analysis of Information Technology Systems. 2016. GlobeEdit, OmniScriptum GmbH & Co, KG, Saarbrucken, Germany (2016), ISBN 978-3-63973440-9

107. Yablokov E.N., Rozanov V.V., Vinogradov A.A., Protocol for Connection Ethernet Interface to SpaceWire Networks, Proceedings of 17th Conference of Open Innovations Association Finnish-Russian University Cooperation in Telecommunications (FRUCT) Program. - Yaroslavl - 2015 г. - C. 93-98

108. Яблоков Е.Н., Розанов В.В., Исследование протокола подключения сетей SpaceWire к интерфейсу Ethernet, Научная сессия ГУАП, Сборник докладов в 3 частях. 2015 г., с. 131-136

109. SpaceFibre Specification standard Draft H4

110. АО НПЦ «ЭЛВИС» - отечественные микросхемы "МУЛЬТИКОР", Электронный ресурс, http://multicore.ru (дата обращения: 04.10.2018)

Приложение А. Акт о Внедрении

В данном приложении представлен Акт внедрения АО НПЦ Элвис.

Акционерное общество Научно-производственный центр «Электронные вычислительно-информационные системы» (АО НПЦ «ЭЛВИС») является одним из ведущих центров проектирования микросхем в России.

Предприятие создано в марте 1990 года на базе структурного подразделения научно-производственного объединения «ЭЛАС», выполнявшего в 1960-80 гг. передовые разработки в области космической электронной техники: от разработки собственных САПР до полностью законченных аппаратно-программных бортовых систем управления и обработки информации космического базирования серий «Салют», в частности, функционировавших на борту станции «МИР». В 1974 году был разработан первый в СССР КМОП микропроцессорный комплект сверхбольших интегральных схем (СБИС). Всего же было разработано более 400 микросхем.

Компания разрабатывает микросхемы типа «Система-на-Кристалле» (СнК) на базе собственной платформы проектирования «МУЛЬТИКОР».

€Э*ЛВиС

........ ................ i lio I(луим^ЧИГСт^ЧСТРЕ'ИНЫЙ Jn-н iji

O.lLltrpMrtH М? ИНЧН4 Mi i МЬНМшфпрмнцнйНЙыв-СнСТ^-нй»

мЬшщчэлвкср)

Лддер 11444«. г. Моен иj. цьинюдо л H|KIT ы V)¿í, лг'Ч 4,irpnriiin 2 [(rmti^lЭДсс L.M ; MoOcip.i.a/s l'F

ivúMmultlL'Dj^ru wiT^rnn/B1 iilwts rom

"УТВЕРЖДАЮ« 1 енери. i и i и íi д ¡ грек i o p AÜ HJ^«3J}jiHG>, дл .n.. профессор

Пстоичкович íí Я.

¿ЪкГЯ/г/РЦ 2018 г.

Bií

АКТ

ti внедрении результатов диссертационной работы Яблокова НвгениЯ Николаевича «Методы исследования и разработки сетевых контроллеров канального у роил я .ti я высокосйоростнык борт&ых вычисли дельных се гей космических аппаратов» на: ¿опекали с учйной слепши кандидата гсмшчсских наук

I килоящнм подтверждаем, что результаты днсссргаиифнной работы ГМ, Яблокова ^Методы, исследования н разработки сетевых контроллеров канального уровня для высокоскоростных бортовых вычислительных сегей космических а п п ара.то в.»^ представленной для раеемотрения jül соискание ученой степени кандидата технических паук, применены ори проектировании микросхем АО ППЦ «3J[ВИС» 1К92ВМ14Я, 1892ВМ7Л, i 8921ÍM1 5АФ. 1892flMl2AT\ 1892КП1Я й 1892ХД1Я, серпнно выпускаемых нашим лредлрият нем ДЛЯ применения В оортоиых вычислительны* сетях аэ ро косм цчееких сист см.

С." использованием разрабохавной конвейерной иргакптапни схем сетевых кшггроллерон канального у ровня быдв сокращены »эдержки и увеличена пропускная способность ttpit передаче ллiiFibrx. Использование разработанных математических моделей сетевых ко нт ролле рол каналы toro уровня п анализ характеристик контроллера по разработанным методикам позволило он тим интрорпть сетевые контроллеры

Канального уровня стандартов SpaceWire. GigaSpaceWírc. тта 25% уме.....пить обьем

блочной память, уменьшал ь ¡адержки при передаче высикопрморигетных данных.

Применение разработанных методой анализа характеристик сетевых контроллеров канального уровня с учетом управления потоком и канале позволили с>тцсстбепио (до 2-х раз) увеличить полезную пропускную способность сетевого контроллера GigaSpeceWire при работе на расстояния до 150-3011 м. усовершенсгйрвать протокол С tigaSpaecWire.

Замео итсль I енерального директора но научной работе и технологиям, к.т.н.

] Ычалышк отдела, главный конструктор

QJ

* -

Солохина T,R.

Глумлив AJ.i.