Построение сетей в ИУС РВ на основе коммутаторов с поддержкой виртуальных каналав

Бортовые сети Бортовые сети – обеспечение связи между бортовыми подсистемами Надежная доставка Соблюдение требований реального времени

Бортовые сети Каналы «точка-точка» Нет конфликтов передачи Много проводов

Бортовые сети Передача по шине Централизованное управление для избегания коллизий Большие задержки при передаче Невысокая пропускная способность

Бортовые сети Сети на основе коммутаторов с поддержкой виртуальных каналав Разделение пропускной способности (нет конфликтов) «Мало проводов»

Бортовые сети Сети на основе коммутаторов с поддержкой виртуальных каналав Непревышение пропускной способности виртуальных каналав достигается благодаря согласованным действиям отправителей и коммутаторов Примеры протоколов: AFDX FC-AE-ASM-RT

Стандарт AFDX Avionics Full-Duplex Ethernet (AFDX) – стандарт построения бортовых сетей на основе протокола Ethernet Основан на протоколе Ethernet Полнодуплексная передача данных Позволяет достичь пропускной способности 100 Мбит/с на одном физическом соединении

Архитектура сети AFDX Компоненты: Абоненты (бортовые подсистемы, отправители и получатели данных) Оконечные системы – интерфейс между абонентами и сетью Коммутаторы и физические соединения

Архитектура сети AFDX Дублирование сети для увеличения надежности передачи Кадры передаются одновременно в обе сети При диагностировании ошибки (например, несовпадение контрольной суммы) в одной сети данные берутся из другой сети На оконечной системе производится сброс кадра в случае, если кадр уже пришел из другой сети

Стек протоколов Канальный уровень Ethernet Виртуальные каналы Маршрутизация Сетевой уровень IP (без маршрутизации) Транспортный уровень UDP

Стек протоколов Виртуальные каналы Одна оконечная система – отправитель и одна или более оконечная система – получатель Маршрут следования кадров виртуального канала прописан статически в коммутаторах

Стек протоколов

Параметры виртуальных каналав Для каждого виртуального канала вводятся следующие параметры: BAG – Bandwidth Allocation Gap – минимальный интервал времени вежду началами выдачи последовательных кадров на одном виртуальном канала (1-128 мс, является степенью двойки) Lmax – максимальный размер кадра (

Параметры виртуальных каналав: BAG Использование BAG для достижения максимальной выделенной пропускной способности: Альтернативный вариант: В дальнейшем рассматривается только первый вариант передачи, без промежутков между соседними BAG

Пропускная способность виртуальных каналав Вычисление: Bandwidth = Lmax / BAG BAG = 32 мс Lmax = 200 байт Bandwidth = 200 байт / ( 32 / 1000 ) сек = 6250 байт/сек Ограничение на зарезервированную пропускную способность на проводе:

Управление виртуальными каналами Разбиение сообщений на кадры Мультиплексирование виртуальных каналав

Контроль трафика на коммутаторе Контроль прихода кадров на соответствие BAG и Jmax: Производится на входном порту коммутатора Используется алгоритм, основанный на вычислении кредита АС – кредит, растет с течением времени до значения ACmax При приходе кадра AC уменьшается на размер кадра, если кредита не хватает – кадр сбрасывается

Контроль трафика на коммутаторе Кредит соответствует количеству байт, которые пропускает канал За время BAG кредит увеличивается на Lmax ACmax – соответствует количеству байт, которое позволяет пропустить 2 кадра за (BAG – Jmax) Случай с неравномерной передачей кадров:

Формирование трафика При формировании трафика на отправителе – мультиплексирование При мультиплексировании определяется значение джиттера С нулевым джиттером:

Формирование трафика Мультиплексирование с ненулевым джиттером

Коммутатор Функции коммутатора: Маршрутизация кадров по пути следования виртуальных каналав (пути виртуальных каналав конфигурируются статически) Фильтрация трафика (контроль целостности кадра, контроль следования кадра по виртуальному каналу) Контроль трафика

Литература 1. Стандарт Aircraft Data Network. Part 7. Avionics Full Duplex Switched Ethernet (AFDX) Network. // Aeronautical Radio, Inc. – AFDX® / ARINC 664 Tutorial. TechSAT GmbH, Poing, 2008.

Оценка длительности передачи кадра Одна из основных задач управления бортовыми сетями– оценка длительности передачи кадра виртуального канала Актуальность: требования реального времени, длительность не должна превышать заданных значений Длительность вычисляется с момента поступления кадра для выдачи в канал до момента поступления кадра на оконечную систему-получатель

Оценка длительности передачи кадра Методы: Network Calculus Response-time analysis Trajectory Approach Model checking Simulation approach

Оценка длительности передачи кадра

Мультиплексирование При мультиплексировании может возникать джиттер Максимальная задержка – при максимальном джиттере Максимальный размер джиттера – при ожидании всех кадров других виртуальных каналав

Оценка длительности передачи кадра Мультиплексирование Вычисление максимального джиттера на отправителе VLs – множество виртуальных каналав, формируемых на оконечной системе-отправителе R – скорость выдачи данных на канал (100 Мбит/сек) 40 мкс – технический джиттера (время обработки кадра)

Оценка длительности передачи кадра Длительность передачи кадров по каналам R – скорость выдачи данных на канал (100 Мбит/сек) n – количество каналав передачи данных на пути следования кадра Длительность передачи кадра по каналам:

Оценка длительности передачи кадра Вычисление максимальной задержки в очереди на выходном порту коммутатора на основе Network Calculus Рассматривается некоторый элемент сети (в данном случае – буфер коммутатора) Функция потока: R(t) – количество бит, прошедших через данную точку сети за интервал [0,t]

Оценка длительности передачи кадра R(t) – количество бит, прошедших через данную точку сети за интервал [0,t] R(t) – функция потока на входе буфера R*(t) - функция потока на выходе буфера R(t) R*(t)

Оценка длительности передачи кадра x(t) – backlog, соответствует размеру буфера в момент t

Оценка длительности передачи кадра arrival curve – используется для описания входного потока – Кривая не должна быть ниже R(t) – иначе может получиться заниженная оценка – Обычно используется линейная функция, как на рисунке

Оценка длительности передачи кадра a(t) = r*t + l – r – скорость поступления данных – l – начальный backlog В случае одного виртуального канала AFDX (без учета джиттера):

Оценка длительности передачи кадра Service curve – используется для описания поведения компоненты системы (в данном случае – буфер со стратегией FIFO – Не должна превышать R*(t) – FIFO: – R – скорость выдачи данных в канал – T – задержка выдачи кадра

Оценка длительности передачи кадра Использование arrival curve и service curve для получения оценки наихудшей задержки:

Оценка длительности передачи кадра Несколько виртуальных каналав на один буфер – arrival curve – как сумма соответствующих кривых (аддитивность) – Оценка максимальной задержки для каждого из виртуальных каналав на данном буфере совпадает – Максимальная задержка соответствует ожиданию передачи всех кадров других виртуальных каналав

Оценка длительности передачи кадра Учет максимального джиттера в arrival curve –За n * BAG – Jmax приходит n кадров –За время t приходит + 1 кадров (т.к. в момент t=0 приходит первый кадр) –arrival curve: –линейный вид:

Оценка длительности передачи кадра 2 экстремальных случая при прохождении кадра через коммутатор: –Пустая очередь, задержка = 0 –Очередь максимального размера: max_delay (вычисляется с помощью Network Calculus) Джиттер – отклонение между максимальной и минимальной задержкой При прохождении через каждый коммутатор максимальный джиттер увеличивается! Соответственно, меняется arrival curve для виртуального канала

Оценка длительности передачи кадра Вычисление максимальной задержки в очереди на выходном порту коммутатора на основе Response Time Analysis Рассматривается некоторый элемент сети (в данном случае – буфер коммутатора) Busy period – максимальный период времени, в течение которого очередь не пуста Оценивается итеративно

Оценка длительности передачи кадра BP(0) = BAG – начальная оценка busy period BP(1) = сколько кадров других виртуальных каналав может прийти за BP(0) * длительность выдачи BP(2) = … через BP(1) … BP(n) = BP(n-1)

Оценка длительности передачи кадра Длительность передачи кадра: –максимальный джиттер на отправителе –длительность передачи по каналам –задержки на выходных портах коммутаторов

Литература 1.Scharbarg, Jean-Luc, and Christian Fraboul. Methods and Tools for the Temporal Analysis of Avionic Networks Le Boudec, J.-Y. & Thiran, P. Network Calculus: A Theory of Deterministic Queuing. Systems for the Internet, Vol of Lecture Notes in Computer Science, Springer-Verlag Gutiérrez, J. Javier, J. Carlos Palencia, and Michael González Harbour. Response time analysis in AFDX networks with sub-virtual links and prioritized switches. XV Jornadas de Tiempo Real, Santander. – 2012.