Лекция 8. Сеть Space Wire

Физический уровень сети

 

Сетевая технология Space Wire [SW] предназначена для создания вычислительных коммуникационных сетей на борту летальных и космических аппаратов. SW продвигается NASA.

Основные отличия этой сети в высокой скорости и низкой мощности сигналов передачи, надежной синхронизации сообщений с выделенной линией синхросигналов, несколько путей передачи информации между абонентами за счет ячеистой топологии сети. Для каждого пакета данных может быть свой маршрут. Оригинальна и очень быстра буферная маршрутизация типа “на лету” или “червячный ход ”.

Стандарт SW основывается на двух коммерческих стандартах – IEEE 1355-1995 и ANSI/TIA/EIA-644 и определяет средства физического уровня и протокол надежной передачи данных по высокоскоростным дуплексным каналам. Стандарт принят в 2003 году. Сейчас подготовлена вторая версия.

Сеть SW состоит из узлов(абонентов) и стоящих за ними host-устройств: компьютеров, коммутирующих маршрутизаторов и ЛПИ, которая называется DS-линки.

Скорость передачи данных ~400 Мбит/c на расстоянии 10 м. и 100 Мбит/c на расстоянии в 30 м. Дальность передачи можно увеличивать пропорционально с уменьшением скорости передачи до 2 Мбит/c. В перспективе 2.5 гигабайт/сeк на оптоволокне и расстоянии в сотни метров.

Возможное удвоение, учетверение и т.д. скорости передачи за счет удвоения, учетверения и т.д. числа поделенных линков – ЛПИ между узлами при параллельной передачи по ним информации.

Одно из решающих достоинств стандарта – компактность его реализации в СБИС. Упомянутые скоростные характеристики получаются уже на технологии уровня 0.25 мкм.

Кабель ЛПИ сети – восьмипроводной из четырех экранированных витых пар. D,S в два направления. К кабелю предъявляются жесткие требования к разбросу характеристик.

 

Кодирование бит информации. Синхронизация.

 

ЛПИ SW – это последовательные дуплексные каналы (DS- линки) с кодированием бит информации типа NRZ. Стандарт SW передает битовый поток путем кодирования двух сигналов по двум линиям – сигналов данных (D), и сигнала строба (S) – сигналов синхронизирующих импульсов. Сигнал данных повторяет значение бита данных, т.е. имеет высокий потенциал для логической “1” и низкий для логического “0”. Сигнал строба меняет свое состояние каждый раз, когда состояние линии данных остается неизменным для последующего бита.

8-2

 

Таким образом, в DS кодировании обеспечивается синхронизация приемника и передатчика даже при приеме большого количества последовательных бит, имеющих одинаковое значение. При этом сигнал строба передается с той же частотой что и сигнал данных (в каждом такте меняется либо один сигнал, либо другой), тогда как в самосинхронизирующемся манчестерском коде синхронизация связанна с удвоением частоты передачи. Там 1 МГц это допустимо, здесь же 400 МГц, и этого допускать нельзя.

 

В результате DS кодирование позволяет передавать данные в большом диапазоне скоростей без предварительного согласования их между приемником и передатчиком это позволяет связывать в сеть разноскоростные устройства.

Битовый поток образует сообщения двух типов: данных и управления. Тип сообщения определяется в каждом слове в зависимости от значения флага «данные/управление». Данные передаются младшими разрядами вперед. Структура слова данных приведена ниже:

Таким образом, байт данных кодируется в 10 бит. Управляющее слово состоит из бита контроля четности, бита флага “данные управления” со значением “1” и для слова управления и двух бит кода управления (таким образом, всего управляющих слов 4).

 

 

Терминальные узлы и маршрутизаторы сети SW.

Структура пакетов SW.

 

Сеть SW состоит из терминальных узлов, линий информации – линков и коммутирующих маршрутизаторов. Терминальные узлы могут соединяться через маршрутизаторы. Сеть работает на принципе динамической маршрутизации. При этом пакеты передаются от узла к узлу через несколько маршрутизаторов. Для каждого пакета данных устанавливается свой маршрут. Пакеты передаются по сети, образуя различные виртуальные каналы на базе одной сети физических каналов.

 

8-3

Узлы – абоненты сети – устройства, передающие или принимающие потоки данных. Узел имеет несколько портов и интерфейс с источником данных – хост устройством (компьютером).

Узел абонент отличается от маршрутизатора – коммутатора тем, что трансляция данных между его линк-портами возможна только через ПО его хост компьютера.

Таким образом, сеть SW предусматривает двунаправленную передачу информации с коммутацией пакетов и с установкой логического соединения. Данные терминальных узлов, предназначенные для передачи делятся на пакеты, которые и передаются по сети друг за другом.

Разбиение данных на пакеты для прикладного уровня является прозрачным, т.е. не видимым.

 

Структура пакетов.

 

Пакет состоит из адреса назначения, данных и маркера конца пакета.

Адрес назначения состоит из нескольких идентификаторов назначения, но может быть и пустым, т.е. не содержать, ни одного идентификатора. Размер адреса назначения не ограничивается. Пустые адреса назначения могут применяться в сетях, организованных на соединениях типа ”точка-точка”. Использование адреса назначения из нескольких идентификаторов назначения поддерживает маршрутизацию пакета. При адресации указывается либо маршрут, либо логический адрес (почтовый).

Поле данных – полезная нагрузка пакета, может содержать одно или несколько слов данных. Размер поля данных стандартом не ограничивается. Его ограничивает прикладная задача абонента.

Пустое поле данных является ошибочной ситуацией.

Слово данных следующее за маркером конца пакета, воспринимается как начало следующего пакета.

 

Порядок доступа абонентов в сеть.

 

Каждому терминальному узлу и маршрутизатору в сети SW рекомендуется иметь буфер данных не менее 56 байт, который может быть организован разными способами. Рекомендуются FIFO- буферы. Отсутствие буфера тоже возможно, если узел или маршрутизатор оборудованы для маршрутизации типа “червячный ход” (коммутация на лету, on the fly).

Передающая сторона не должна передавать данные пока не готово логическое соединение, т.е. другая сторона не готова принимать их (иначе могут быть потери пакетов). При подготовке к передаче, стороны обмениваются служебными словами.

Для реализации механизма приема на каждой стороне необходимо иметь два счетчика: счетчик числа слов, разрешенных к передаче и счетчик числа слов, для приема которых есть свободное пространство в буфере приемника.

 

8-4

Значение счетчика приемника уменьшается на 1 при приеме каждого информационного слова.

После того, как соединение установлено, оно поддерживается постоянной передачей по нему слов данных, управляющих слов, а при отсутствии (паузе) – NULL маркеров. Если сигналы в канале не изменяются в течении 850 мс – это рассматривается как разрыв соединения.

Разрыв соединения производится по команде хоста. Установление соединения возможно автоматически без участия соответствующего хоста по умолчанию кода NULL, после чего абонент стартует и входит в соединение. Частый разрыв и повторное установление соединения – ситуация штатная и полезная в тех жестких помеховых условиях, в которых работает сеть на космических аппаратах.

 

Маршрутизация типа “Червячный ход”

 

При маршрутизации “на-лету“ маршрутизатор уже в начале получения заголовка сообщения на выходном порту очень быстро определяет и коммутирует номер выходного порта для него. Пакет сразу же без какой-либо буферизации, обычно для сетей с коммутацией пакетов, направляется на уже скоммутированный выходной порт. При коммутации “на лету” отпадает необходимость в буферной памяти маршрутизатора, ускоряется процесс передачи. Такая маршрутизация напоминает процесс продвижения червяка в яблоке и получила название “червячный ход”.

Если требуемый выходной порт занят, то при обычной коммутации пакетов пакет задерживается в буфере. При маршрутизации “на лету” в этом случае прием сообщения задерживается до тех пор, пока не освободится требуемый выходной порт. Приостанов передачи/приема реализуется при помощи механизма обмена служебными сообщениями для управления потоком.

 

Путевая (маршрутная) и логическая адресация пакетов

 

При путевой адресации адрес назначения пакета – последовательность номеров выходных портов маршрутизаторов, через которые должен пройти пакет. Такой способ характеризуется относительной простотой маршрутизатора и быстрой обработкой пакета. При прохождении пакета каждый маршрутизатор читает адрес – первый байт заголовка и направляет пакет на указанный в нем выходной порт, при этом эта часть адреса отбрасывается.

Следующий маршрутизатор также читает первый байт оставшейся части адреса и направляет пакет на указанный в нем выходной порт и так далее. При такой работе основная работа ложится на узел передатчик (его ПО), который составляет такой маршрутный составной адрес.

8-5

При логической адресации каждый узел сети получает свой уникальный логический адрес. Когда отправитель направляет свое сообщение, он в заголовке пакета указывает адрес получателя. Каждый из маршрутизаторов имеет у себя таблицу маршрутизации, по которой он определяет выходной порт для направления пакета ближайшему по маршруту хосту либо маршрутизатору.

Данный способ напоминает маршрутизацию в больших сетях.

В СТС целесообразно использовать маршрутизацию по первому варианту. Она быстра и больше соответствует “червячному ходу”.

Имеются комбинированные разновидности адресации, объединяющие оба описанных способа.