Содержание к диссертации
Введение
1. АРХИТЕКТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ МАЛЫХ ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЕЙ .
1.1. Распределенные мульгимашинные системы на базе микро-ЭВМ
1.2. Архитектура сетей ЭВМ 14
1.3. Некоторые примеры использования малых локальных сетей 19
1.4. Особенности физической, алгоритмической и топологической структуры МЛС 28
1.5. Концепция базового семейства архитектур МЛС . 43 Выводы '; 47
2. ВЫБОР БАЗОВОГО СЕМЕЙСТВА АРХИТЕКТУР МЛС . 49
2.1. Выбор базового семейства М-ЭВМ 49
2.2. Выбор типа моноканала МЛС 58
2.3. Базовые физическая, логическая и топологическая структуры МЛС 69
2.4. Базовая алгоритмическая структура МЛС (протоколы) 78
Выводы 96
3. РАЗРАБОТКА ИНЖЕНЕРНОЙ МЕТОДИКИ СИСТЕМНОГО ПРОЕКТИ
РОВАНИЯ МЛС 97
3.1. Концептуальная и математическая модели функционирования МЛС 98
3.2. Расчет временных характеристик МЛС 104
3.3. Инженерная методика проектирования МЛС . 122 Выводы 139
4. РАЗРАБОТКА СТАНДАРТНЫХ ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫХ
СРЕДСТВ СЕТЕВЫХ ЛОГИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ 141
4.1. Архитектура экспериментальной неоднородной МЛС 142
4.2. Интерфейсный модуль внугрисетевого шлюза . 154
4.3. Автономный транспортный логический модуль . 158
4.4. Логический модуль сетевого диспетчера . 166
Выводы 175
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 177
ЛИТЕРАТУРА 179
- Распределенные мульгимашинные системы на базе микро-ЭВМ
- Выбор базового семейства М-ЭВМ
- Концептуальная и математическая модели функционирования МЛС
- Архитектура экспериментальной неоднородной МЛС
Введение к работе
В основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года, принятых на ХХУІ съезде КПСС, поставлена задача развивать производство и обеспечивать широкое внедрение средств вычислительной техники в различные отрасли народного хозяйства. Отличительной чертой развития вычислительной техники является создание и широкое использование сетей ЭВМ, как средства повышения производительности груда в науке, технике, управлении экономикой.
Диссертационная работа посвящена исследованию принципов построения сетей микро-ЭВМ одного класса - малых локальных сетей, ориентированных на использование на нижнем уровне иерархических управляющих сетей ЭВМ, выбору базового семейства архитектур и разработке методики проектирования сетей данного класса.
Одним из основных направлений развития микропроцессорной техники является разработка распределенных мультимашинных управляющих систем на базе микро-ЭВМ (М-ЭВМ). Реализация систем управления в виде распределенных систем обеспечивает их высокие рабочие характеристики: малое время реакции на входное воздействие, высокую пропускную способность, повышенную надежность и живучесть. Модульная организация таких систем позволяет легко наращивать и гибко изменять их структуру, что обеспечивает построение устройств управления различного функционального назначения.
Прогресс в области элементной базы средств микропроцессорной техники привел к увеличению вычислительной мощности однокристальных (ОК) и одноплатных (ОП) М-ЭВМ и к существенному снижению их стоимости, что позволяет рассматривать их как дешевую элементную базу для построения распределенных мультимашинных систем, которые находят широкое применение на нижнем уровне гиб- ' ких автоматических производств, робототехнике, автоматизирован- ных контрольно-измерительных и информационно-справочных системах, бортовом и бытовом оборудовании. Опыт проектирования распределенных систем на базе QK и ОП М-ЭВМ показывает, что наиболее перспективным принципом их построения является реализация в виде малой локальной сети (МЛС). При этом наибольшая функциональная гибкость достигается при совместном использовании в рамках одной сети как ОК, так и ОП моделей.
В связи с тем, что опыт создания МЛС на базе ОК и ОП М-ЭВМ насчитывает всего несколько лег, в литературе отсутствуют описания методов их проектирования, имеющиеся немногочисленные публикации по данной тематике носят, в основном, описательный характер [18, 55, 15, 83, 87] . Отсутствие методики проектирования является причиной того, что на практике эти задачи решаются на основе опыта и интуиции разработчика. Это в ряде случаев приводит к неоправданным- временным и материальным затратам и является серьезным препятствием широкого внедрения МЛС в инженерную практику. Таким образом, разработка и исследование методов проектирования МЛС является актуальной задачей теории и практики микропроцессорной техники.
Целью диссертационной работы является разработка, исследование и внедрение в инженерную практику методики проектирования МЛС, позволяющей комплексировагь в рамках одной сети ОК и ОП модели М-ЭВМ. В соответствии с указанной целью в работе формулируются и решаются следующие задачи: определение основных характеристик и архитектурных особенностей МЛС; разработка подхода к проектированию МЛС на базе ОК и ОП моделей М-ЭВМ, основанного на концепции базового семейства архитектур; разработка и исследование базового семейства архитектур, ориентированного на ОК и ОП М-ЭВМ; разработка инженерной методики проектирования МЛС, использующей предложенный подход; разработка и отладка стандартных программно-аппаратных сетевых средств МЛС на базе М-ЭВМ семейства "Электроника С5".
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.
В первой главе даны определения и понятия, относящиеся к предмету исследования, приведены примеры и проанализированы основные характеристики и архитектурные особенности МЛС, предложен новый подход и сформулированы основные задачи проектирования МЛС на базе (Ж и ОП моделей М-ЭВМ. Показано, что специфические области применения МЛС определяют их особенности в части расстояний между абонентами, скоростей передачи, интенсивности сетевого трафика, объемов передаваемой информации, используемых физических средств связи. Эти особенности находят отражение в архитектуре сетей, которые наиболее существенны в области физической, алгоритмической и топологической структур. Показано, что существующие подходы к проектированию сетей контроллеров не позволяют создавать экономичные МЛС на базе ОК и ОП М-ЭВМ, что является серьезным препятствием их широкого внедрения.
Предложен подход к проектированию МЛС, основанный на концепции базового семейства архитектур, позволяющий существенно со-кратив затраты на проектирование и реализацию сети,строигь экономичные МЛС на базе СК и ОП моделей М-ЭВМ. Базовое семейство определяет множество архитектур и соответствующих им стандартных программно-аппаратных средств, ориентированных на данный класс сетей. В соответствии с предложенным подходом процесс проектирования МЛС сводится к выбору по определенной методике архитектуры сети и программно-аппаратных средств, используемых для ее реали--зации. Сформулированы основные задачи, связанные с реализацией данного подхода.
Во второй главе проведен выбор элементной базы (семейства М-ЭВМ, типа моноканала) и базового семейства архитектур МЛС. Определен набор стандартных программно-аппаратных сетевых средств, необходимых для его реализации.
На основе сравнительного анализа выпускаемых отечественной промышленностью семейств М-ЭВМ проведен выбор семейства, машины которого в наибольшей степени соответствуют требованиям МЛС. Разработан моноканал для ОК М-ЭВМ семейства "Электроника С5-ЗІ", использующий бит-синхронный способ передачи и детерминированный метод доступа на основе эстафетного кольца. Моноканал позволяет объединить в сеть ОК и ОП модели М-ЭВМ семейства "Электроника С5".
Выбор базового семейства архитектур МЛС проводится в соответствии со следующей эвристической процедурой. Для каждой из сетевых структур (физической, логической, алгоритмической, топологической) рассматриваются возможные варианты ее реализации. Выбор лучшего варианта производится с учетом архитектурных особенностей МЛС, ограничениями, вносимыми используемой элементной базой, а также решершями, принятыми для соответствующих структур в локальных сетях.
В рамках базовой алгоритмической структуры разработаны протоколы управления физическим, информационным и транспортным каналом МЛС. Каждый из них реализован в виде набора протокольных функций, в котором выделено "ядро" и факультативная часть. Факультативные протокольные функции по желанию пользователя могут добавляться к "ядру" для увеличения уровня предоставляемого протоколом сервиса.
Для расширения функциональных возможностей МЛС, для прого- колов канального и транспортного уровней разработаны две версии ("21" и "31")» имеющие различную сложность и функциональную направленность. Рассмотрены особенности каждой из версий и структуры используемых ими пакетов и кадров.
В третьей главе представлена концептуальная модель функционирования МЛС. Введен и обоснован ряд допущений в части входных потоков и законов распределения длительностей обслуживания заявок в логических модулях сети. В соответствии с концептуальной моделью проведен выбор математической модели функционирования МЛС. Получены аналитические зависимости, связывающие временные характеристики сети с параметрами решаемых задач и архитектурой сети. Разработаны два способа обмена в физически неоднородной МЛС (состоящей из (Ж и ОП М-ЭВМ базового семейства) - обмен по совместимому протоколу и обмен с ретрансляцией сообщений. Приведены аналитические зависимости, позволяющие рассчитывать временные характеристики сети для каждого из способов обмена. Сформулирована общая постановка задачи проектирования МЛС, определены критерий эффективности и ограничения, используемые в процессе проектирования. Описана двухэгапная методика системного проектирования МЛС, позволяющая выбрать архитектуру сети, оптимальную в смысле введенного стоимостного критерия, временные характеристики которой удовлетворяют заданным ограничениям. На первом этапе методики проводится выбор типов М-ЭВМ, на которых реализуются рабочие модули. На втором этапе выбираются ее физическая, логическая, алгоритмическая и топологическая структуры, однозначно определяющие архитектуру сети. Для выбора топологической структуры разработан формальный метод синтеза, основанный на модификации алгоритма последовательных размещений, предложенного Гэмблином. / В четвертой главе описаны разработанные автором стандартные программно-аппаратные средства сетевых логических модулей: внут-рисетевого шлюза, автономного транспортного модуля и сетевого диспетчера.
Для внутрисегевого шлюза на базе ОК М-ЭВМ "Электроника С5-31" представлена структура его программного обеспечения. Показано, что использование им монопольного режима обмена по моноканалу позволяет минимизировать время передачи сообщения через шлюз и размер используемого буферного пула. Приведена структура программного обеспечения автономного транспортного модуля на базе ОП и (Ж М-ЭВМ базового семейства. Для модуля на основе СК М-ЭВМ "Электроника C5-3I" приведены структурные схемы его адаптеров моноканала и стандартного межплатного интерфейса. Рассмотрены структуры центра коммутации и межсетевого шлюза для связи МЛС с локальной сетью следующего уровня иерархии на базе автономных транспортных модулей. Особо рассмотрен вопрос построения помехо-защищенных средств связи. Приведена структура адаптера оптического моноканала. Показано, что использование мультиплексирования оптического канала позволяет проводить передачу в последовательно-параллельной форме со скоростью до I Мбит/с.
Рассмотрены возможные неисправности в моноканале (обрыв или короткое замыкание одной из шин, "зависание" абонента в канале) и способы их обнаружения. Приведены алгоритм работы и структура программного обеспечения сетевого диспетчера, ориентированные на выполнение функций контроля работоспособности моноканала в сети с произвольной алгоритмической структурой.
Описана архитектура экспериментальной неоднородной МЛС, состоящей из "ядра" и факультативной части, на которой проводилась отладка сетевого программного обеспечения и программно-аппаратных средств логических модулей. В качестве абонентов сети используются эмуляторы ОК и ОП М-ЭВМ семейства "Электроника С5". Приве-- дены результаты измерений ряда характеристик, проведенных на экспериментальной сети.
class1 АРХИТЕКТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ МАЛЫХ ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЕЙ class1 .
мульгимашинные системы на базе микро-ЭВМ
Одним из основных направлений развития микропроцессорной . техники является разработка мультимашинных распределенных системна базе М-ЭВМ (РСМ), которые находят широкое применение на нижнем\уровне гибких автоматических производств, в информационно-справочных системах, робототехнике, автоматизированных измерительных системах, бортовом и автомобильном оборудовании [іб, 19, 32, 42, 44, 54, 83, 87] . Перечислим основные причины появления РСМ. Во-первых, необходимость приближения средств обработки данных к распределенным в пространстве источникам и приемникам в различных измерительных, управляющих, информационно-справочных системах. Такой путь ведет к снижению стоимости, повышению быстродействия и живучести, упрощает наладку и позволяет легко наращивать систему. Во-вторых, использование РСМ позволило устранить противоречие между низкой стоимостью М-ЭВМ и высокой стоимостью массовых накопителей информации, устройств ввода-вывода, средств отображения. Это противоречие привело к необходимости осуществления так называемого обратного режима разделения времени [511 . В отличие от обычного режима разделения времени, при котором между задачами разделяется время работы процессора, в РСМ много дешевых М-ЭВМ совместно используют дорогостоящее периферийное оборудование. Третьей причиной применения РСМ является возможность реализации сложных алгоритмов управления и обработки информации, которые принципиально невозможно было бы решать на одной М-ЭВМ.
Основные цели, которые преследуются при создании РСМ, - это высокие рабочие характеристики системы, быстрота реакции, высо- кая пропускная способность, высокая надежность, живучесть, малая стоимость, модульная организация, легкость наращивания, гибкость структуры, совместное использование ресурсов, сохранение работоспособности при перегрузках. Понятие распределенная система на базе М-ЭВМ является новым и недостаточно устоявшимся. Причина тому - сложность и большое разнообразие подобных систем, поэтому определим основные, используемые наиболее часто в литературе, признаки характерные для распределенных систем L54J .
Первый признак - физическая удаленность друг от друга компонент системы (десятки метров) и использование для их объединения системы связи. Средства связи часто составляют существенную часть всей системы обработки данных.
Выбор базового семейства М-ЭВМ
Выбор семейства М-ЭВМ является ответственной задачей, от удачного решения которой во многом зависят технико-экономические показатели проектируемой МЛС. Под базовым будем понимать семейство М-ЭВМ, характеристики которого наилучшим образом удовлетворяют требованиям МЛС. На базе этого семейства выполняются все логические модули транспортной сети. Так как МЛС является сетью, ориентированной на ОК и ОП М-ЭВМ, основным применением которой является нижний уровень ГАП, то базовое семейство М-ЭВМ должно удовлетворять целому набору требований, важнейшими из которых являются:
представительность, под которой понимается наличие в составе семейства ОК и ОП М-ЭВМ, а также набора функциональных модулей, расширяющих возможности машин семейства;
наличие встроенного последовательного канала магистрального типа;
развитый интерфейс ввода-вывода;
достаточный объем оперативной и постоянной памяти (порядка 4К байт);
высокое быстродействие (порядка 200 тыс. оп/с).
Обоснуем каждое из перечисленных выше требований. Необходимость наличия в составе семейства ОК и ОП М-ЭВМ вытекает из самого определения МЛС - сети, ориентированной на ОП и ОК машины, кроме того, наличие дешевых ОК М-ЭВМ позволяет проводить гибкую функционально-топологическую декомпозицию систем на уровне МЛС. Этим устраняется основное прогиворение возникающее при проектировании распределенных систем - несовпадение функционального и топологического оптимума [54-] . Наличие набора функциональных модулей существенно увеличивает область применения МЛС за счет использования, в случае необходимости, многоплатных конфигураций. Кроме того, наличие функциональных модулей позволяет создавать системы отладки для разработки сетевого программного обеспечения.
class3 РАЗРАБОТКА ИНЖЕНЕРНОЙ МЕТОДИКИ СИСТЕМНОГО ПРОЕКТИ
РОВАНИЯ МЛС class3
Концептуальная и математическая модели функционирования МЛС
На содержательном уровне задача проектирования МЛС состоит в выборе архитектуры сети, наилучшим образом приспособленной для выполнения заданных функций. Исходными данными являются следующие сведения о назначении проектируемой сети:
функция сети, обычно представляемая перечнем целевых задач, решение которых возлагается на сеть;
перечень ограничений на характеристики сети, например, ограничений на время решения задач, пропускную способность или стоимость сети;
критерий эффективности, устанавливающий способ оценки качества системы в целом.
Исходя из этих сведений, необходимо определить архитектуру сети, которая должна удовлетворять ограничениям на характеристики и быть оптимальной в смысле назначенного критерия эффективности. Требование экономичности и работа в реальном масштабе времени МЛС позволяют выделить в качестве критерия эффективности стоимостные затраты на реализацию сети, а в качестве ограничений рассматривать допустимые времена решения целевых задач в сети.
Для решения задачи проектирования необходимо выявить зависимости между временными характеристиками сети, параметрами задач и архитектуры МЛС, т.е. необходимо располагать моделью, отображающей свойства реальных сетей в математической форме.
Построение математической модели функционирования МЛС проведем в два этапа [52] . На первом этапе построим концептуальную модель, выявляющую причинно-следственные связи, присущие сети данного класса, с учетом введенных допущений о ее работе. .На втором этапе, на базе принятой концептуальной модели, пост роим математическую модель, выявляющую количественные отношения между характеристиками и параметрами сети. Эти отношения представляются в форме функциональных зависимостей і-ФІХ) , где Y - множество характеристик и X - множество параметров, учитываемых концептуальной моделью.
class4 РАЗРАБОТКА СТАНДАРТНЫХ ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫХ
СРЕДСТВ СЕТЕВЫХ ЛОГИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ class4
Архитектура экспериментальной неоднородной МЛС
Экспериментальная неоднородная МЛС (ЭН МЛС) создана на основе ОК и ОП М-ЭВМ базового семейства "Электроника С5". Основными целями создания ЭН МЛС являются:
отладка программной реализации базовых сетевых протоколов канального, физического и транспортного уровней;
проверка разработанных способов обмена в неоднородной ТС (по совместимому протоколу и с ретрансляцией сообщений);
отладка стандартных программно-аппаратных средств (внутри-сетевого шлюза, автономного транспортного модуля, логического модуля сетевого диспетчера).
Структура ЭН МЛС приведена на рис. 4.1. Сеть состоит из ядра и факультативной части. Ядро содержит минимальный набор логических модулей, необходимый для функционирования неоднородной сети. В состав его входят:
пультовая М-ЭВМ на базе ОП М-ЭВМ "Электроника C5-2IM";
эмулятор ОП М-ЭВМ "Электроника C5-2I";
эмулятор ОК М-ЭВМ "Электроника C5-3I";
пульт оператора на базе МФМ "Электроника C5-2I07";
адаптер моноканала для ОК М-ЭВМ. Пульговая М-ЭВМ управляет работой пульта оператора, а также обеспечивает передачу директив, вводимых с пульта, в любую М-ЭВМ, подключенную в сеть.
Специфика МЛС состоит в том, что ее абонентами являются ОК и ОП М-ЭВМ, хранящие свои программы в резидентном ПЗУ, что не позволяет изменять и модифицировать их. Для выполнения задач отладки сетевого ПО в ЭН МЛС используются эмуляторы ОК и ОП М-ЭВМ базового семейства. Под эмулятором понимается устройство, имитирующее работу М-ЭВМ, хранящее программы в оперативной памяти и имеющее специализированное ПО для отладки и модификации, хранимых в памяти, программ [50J . Структура эмулятора во многом определяется типом М-ЭВМ, для имитации.которых данный эмулятор предназначен. Наиболее важным фактором, характеризующим М-ЭВМ с точки зрения отладки, является наличие или отсутствие выведенных наружу шин адреса, данных, управления. По этому признаку все М-ЭВМ делятся на два класса. К первому относятся М-ЭВМ, имеющие выведенную наружу шину адреса, данных, управления (М-ЭВМ открытого типа). Ко второму относятся приборы, не имеющие выведенной наружу адресной, информационной и управляющей шин (М-ЭВМ закрытого типа).
