14 мая 2016г.
Ключевые слова: топология сетей, рефлективная память, системы массового обслуживания.
Аннотация. В данной работе рассматриваются свойства и методы построения сетевых структур на базе рефлективной памяти применительно к подсистемам мониторинга и управления техническими средствами в сложных системах.
Актуальность предлагаемого материала заключается в потребности исследования и разработки методов построения современной системной архитектуры распределённых систем мониторинга и управления техническими средствами.
Сложность этих решений заключается в необходимости анализа состояния множества распределённых в пространстве сенсоров, в минимизации временных характеристик управления, в построении рациональной сетевой архитектуры.
Аналогичные задачи возникают в различных отраслях промышленности: в корабельных системах, в испытательных стендах авиакосмических объектов, в атомных энергетических комплексах. В общем виде системы управления и мониторинга обыкновенно реализуются в виде группы периферийных компьютеров (ПК) с подключёнными измерительными модулями и сенсорами, объединёнными в сеть, обслуживаемую одним или несколькими серверами.
Важнейшим требованием для ряда сетей является свойство детерминизма процессов при обмене информацией для устранения неопределённых задержек, в том числе катастрофически опасных при возникновении аварийных ситуаций.
Выходом из возникающих неопределённых состояний сетевой структуры является использование сетей реального времени с фиксированными задержками передачи данных.
Одним из возможных вариантов реализации таких свойств является построение сети с применением рефлективной памяти (РФП) [1].
Сети на основе РФП обеспечивают синхронизированную и детерминированную работу в составе широкого круга средств промышленной автоматики, нуждающейся в строгом детерминизме, высоком быстродействии при условии простоты реализации и отсутствии специального сетевого программного обеспечения.
Ценным свойством сетей на основе РФП является минимальная задержка и возможность объединения компьютеров с разными платформами и операционными системами.
Таким образом, сети на базе РФП характеризуются детерминизмом, высокой скоростью обмена, независимостью от типа процессора, простотой настройки.
Рефлективная память, как компонент скоростной сети, является двухпортовым запоминающим устройством, у которого один порт через последовательные оптические ключи включается в кольцевую волоконно-оптическую линию связи (ВОЛС), в то время как другой порт через стандартный магистральный интерфейс подключается к периферийному компьютеру с сенсорными и исполнительными элементами, или к серверу.
Обмен данными выполняется на аппаратном уровне.
Сеть РФП с кольцевой топологией обеспечивает передачу данных по оптоволоконному каналу со скоростью до 170 Мб/с без использования арбитражной логики и организации очередей, применяя концепцию последовательного обслуживания абонентов (daisy chain loop).
Физическая топология сети – это конфигурация графа, вершинами которого является активное сетевое оборудование.
Скоростные характеристики сети с РФП могут быть описаны с использованием теории массового обслуживания [2].
Рассмотрим вариант взаимодействия измерительных модулей ПК с встроенной РФП.
Несколько источников – измерительных модулей или устройств связи с объектом (УСО) - образуют одну очередь к буферу входного интерфейса ПК – «каналу».
Буферное хранение предназначено специально для сохранения очереди на обслуживание РФП. Системная логика определяет границы переполнения буфера и предлагает совокупность действий по предотвращению такой ситуации.
Входной источник – измерительный модуль - характеризуется временем передаваемой информации.
Время, необходимое интерфейсу ПК для передачи данных из буфера в сеть с РФП, целесообразно выбирать постоянным. Промежутки времени между срабатываниями измерительных модулей распределены случайно.
Измерительный модуль не может произвести передачу, пока не сработает предыдущий: так формируется очередь в последовательном канале ПК.
Возможны случаи, когда в измерительных модулях динамически меняются запросы, например, исходя из условий аварийных состояний задатчиков с внеочередным обслуживанием в реальной системе. Для этого в ПК могут быть установлены приоритеты опроса, когда наиболее ответственные в данный момент модули обслуживаются раньше других, т.е. может быть введена динамически изменяемая (адаптивная) система предпочтений. Первоочередное обслуживание приоритетных источников информации отодвигает очередь назад и вызывает удлинение времени обслуживания для остальных модулей.
С использованием теории массового обслуживания вычисляются две основные величины сети с РФП: длина очереди и время ожидания срабатывания измерительных модулей.
Исходные предпосылки:
1) произвольное распределение времён ожидания и дискретное распределение входов;
2) участие нескольких входных измерительных модулей для одиночного канала, т.е. единственного интерфейса одного ПК.
Промежутки времени между входными потоками моделируются экспоненциальным законом распределения времён. Дискретное размещение входов исследуется с помощью распределения Пуассона.
Порядок очереди не влияет на показатели длины очереди, но определяет время ожидания.
Время обслуживания заявок в сети с РФП равно промежутку времени от момента записи в запоминающее устройство РФП до момента стирания.
Если измерительные модули, подключённые к ПК, опрашиваются в заданные равные промежутки времени, а срабатывания ПК постоянны, то очередь не образуется и обеспечивается максимальное быстродействие кольцевой сети с РФП.
Регулируя моменты срабатывания измерительных модулей таким образом, чтобы интервалы были постоянными, можно уменьшить время ожидания обслуживания ПК со встроенной РФП.
Исследуя закономерности формирования входных потоков, времен ожидания и распределения входов можно получить оптимальные параметры локальной сети на базе РФП. Структура модуля РФП в качестве примера представлена на Рисунке 1.
Tx и Rx соответственно передающие и приёмные тракты; FPGA – программируемая логическая матрица, выполняющая функции главного менеджера информационных потоков в СОЗУ РФП и в оптическом канале.
Теоретически количество абонентов кольцевой сети может быть до 256. Протяжённость сети с РФП от 300м до 10км, в зависимости от типа оптического кабеля. Детерминизм кольцевой сети определяется строгой очерёдностью (daisy chain loop) подключения ПК в соответствии с выбранным предельным значением масштаба реального времени. Последовательное прохождение пакетов через буферы РФП исключает возникновение коллизий. Конструктивно модуль РФП может выполняться в стандартных форматах
PCI, PMC, CPCI, VME.
Основные операции чтения/записи РФП требуют минимального программного обеспечения. Тем не менее, пользователям необходимо учитывать наличие программируемых регистровых областей:
- PCI конфигурационные регистры;
- локальные конфигурационные регистры;
- управляющие и статусные регистры.
Наплатная память РФП может содержать от 128 до 256 MByte в виде SDRAM. Выделенный диапазон адресов обычно составляет от 0 до FFFFF для 256 MByte [3].
Простейшей структурой с использованием РФП является кольцевая сеть, в которой последовательно включены через оптические кабели модули рефлективной памяти. К недостаткам кольцевой топологии в первую очередь следует отнести низкую надёжность: достаточно возникнуть отказу у одного из элементов кольца, как нарушается работа всей сети. Кроме того, при увеличении числа модулей РФП в сети происходит пропорциональное замедление обмена. Из-за того, что модули в кольце не изолированы друг от друга, скорость обмена будет задаваться самым медленным компонентом.
Алгоритм работы рефлективной памяти в кольце [4].
1. Каждый РФП модуль в кольцевой сети замыкается через волоконно-оптическую сеть (ВОЛС) в кольцо по последовательному принципу.
2. Каждый модуль имет свой уникальный идентификатор ID, который устанавливается переключателем.
3. Пересылка данных через сеть инициируется из Host-системы записью в наплатную память SDRAM РФП первого модуля в формате 4-64 байта стартового сигнала и значения относительного телеметрического времени.
4. РФП не будет передавать пакет, если
приёмник не обнаружил сигнал, или он
потерял синхронизацию за счёт повреждения соединений.
5. Приёмник анализирует пакеты на наличие ошибок. Если ошибки отсутствуют, приёмный канал принимает пакет и запоминает его в приёмном FIFO.
6. Из приёмного FIFO по отдельному каналу записываются данные в заранее заданную область своей SDRAM памяти.
7. По этому же каналу одновременно пересылаются данные в свой передающий FIFO.
8. Пока происходит запись
в
приёмный буфер РФП, в передающий
FIFO модуля автоматически записываются данные и другая информация из своей SDRAM памяти.
9.
В передающем
FIFO менеджер передачи обрабатывает данные и формирует их в пакеты переменной длины 4-64 байта, которые передаются через ВОЛС на приёмник следующего модуля.
10. Процесс повторяется до тех пор, пока пакет не вернётся в свой модуль, где пакет удаляется из
кольца.
Существуют методы, позволяющие в той или иной степени устранить перечисленные недостатки кольцевой топологии. Одним из таких приёмов является построение мультикольцевой сети, т.е. разбиение большой кольцевой сети РФП на отдельные кольца, объединяемые мостовыми многопортовыми компьютерами-серверами с соответствующими элементами РФП. Кольца работают независимо друг от друга, взаимодействуя через мостовые серверы.
В каждом кольце формируется свой независимый трафик. При этом не только увеличивается суммарная пропускная способность, но и добавляются новые возможности:
-
повышается отказоустойчивость;
-
создаются условия для подключения в одно из колец дополнительных аварийных серверов и других функциональных устройств;
- обслуживаются разночастотные измерительные системы (См. Рисунок 2).
Представляет интерес топология сети с РФП с использованием концентратора, в которой все ПК со своими модулями РФП подключены к центральному узлу [5]. Формирование радиальных каналов с РФП позволяет создать надёжную звездообразную кольцевую топологию: при отказе одного из радиальных каналов сеть продолжает функционировать. При этом каждый канал, подключенный к сети, по существу является вырожденным кольцом со всеми свойствами кольцевой топологии.
Передача сигналов при такой топологии является широковещательной, то есть данные от конкретного ПК распространяются по всем направлениям; однако информация принимается только одним приёмником с указанным адресом.
Преимуществами такой топологии является устойчивость к отдельным отказам и их локализации, способность к расширению. К недостаткам следует отнести большой расход кабелей и зависимость работоспособности всей сети от состояния концентратора. Дублирование концентраторов и оптимальное распределение каналов позволяет сохранить при отказах частичную работоспособность сети (См. Рисунок 3).
Троирование концентраторов, по аналогии с подобным приёмом в сетях Token Ring [6], позволяет использовать звёздообразную кольцевую топологию повышенной отказоустойчивости, сохраняя при отказах работоспособность целых секций (См. Рисунок 4).
Выводы
Несмотря на очевидные преимущества сетей с РФП перед традиционными локальными вычислительными сетями по быстродействию, по простоте программирования и эксплуатации, сети на базе заимствованных модулей РФП отличаются
относительно высокой стоимостью за счёт универсальности и многофункциональности. Поэтому в плане выполнения программы импортозамещения представляется целесообразным создать отечественный упрощенный вариант РФП с сохранением его основных функций.
Список литературы
1.
U.S. Patent jun, 12, 2003/01100233A1. Reflective Memory System and Method capable of dynamically seizing Data Packets.
2.
Atul Kumbhar. Research and Realization of Reflective Memory Network. Proc. of Chinese Academy, Sept. 03.2011, p. 1-17.
3.
www.gefanucembedded.com. Real Time Networking with Reflective Memory.
4.
Л. Клейнрок. Вычислительные системы с очередями. - М.: «Мир», 1979, с. 25-28.
5.
www.ge-ip.com.
