Введение к работе
Актуальность работы.
В настоящее время, большую и растущую долю трафика составляет потоковая информация в виде передачи голоса по IP-сетям (VoIP) и видеоконференции. Всё это накладывает ограничения на время задержки кадров в мостах и коммутаторах, составляющих существенную долю оборудования, используемого в сетях. Коммутаторы и межсетевые мосты в последнее время уже используются не только как отдельные устройства, но и как составные части сложных вычислительных, телекоммуникационных устройств или систем управления, что предъявляет повышенные требования к снижению их энергопотребления и уменьшению требуемых для их реализации вычислительных ресурсов.
Основным показателем производительности мостов и коммутаторов является количество обработанных кадров в единицу времени и время задержки кадра. Кадры, поступающие на один порт моста должны передаваться на другой порт только в том случае, если они предназначены для сети подключенной к другому порту. Локальный трафик, т.е. кадры, предназначенные для сети, подключенной к первому порту, должны быть отфильтрованы. Таким образом, время задержки кадров зависит от скорости принятия решения вычислительным устройством о необходимости передачи кадра или его фильтрации. Время на принятие решение особенно сильно влияет на задержку кадров в межсетевых мостах и коммутаторах, работающих по принципу прямой коммутации или «на лету». Это связанно с тем, что передача кадра на второй порт в таких устройствах начинается сразу после приёма адресов источника и назначения, и принятия решения о необходимости передачи.
В межсетевых мостах с различной скоростью передачи данных на разных портах и в коммутаторах, работающих с буферизацией по принципу «store and forward», принимаемый кадр целиком записывается во внутренний буфер и уже из него передается на нужный порт. Это позволяет принимать решение о необходимости передачи кадра параллельно с его приемом. В устройствах, использующих такую организацию передачи данных, также существуют ограничения на время принятия решения. Решение о необходимости фильтрации или ретрансляции принятого кадра должно быть принято до начала приема следующего кадра. В противном случае будет происходить переполнение премного буфера моста и, как следствие, потери кадров.
Проведение исследований направленных на оптимизацию алгоритма фильтрации кадров, может позволить уменьшить время на принятие решения о необходимости фильтрации, уменьшить вероятность переполнения таблицы фильтрации и снизить требования к аппаратным и вычислительным ресурсам, необходимым для реализации алгоритма. Это позволит увеличить производительность и уменьшить стоимость и потребление энергии таких устройств как межсетевые мосты и коммутаторы.
Таким образом, развитие методов и алгоритмов фильтрации трафика в межсетевых мостах и коммутаторах является актуальной как с практической, так и с теоретической точки зрения.
Объектом исследования являются способы реализации алгоритма фильтрации трафика в мостах и коммутаторах, работающих в устройствах вычислительной техники, требующих минимизации временных задержек кадров или передающим данные, преимущественно состоящие из коротких кадров.
Предметом исследований являются способы организации таблиц фильтрации в мостах и коммутаторах в устройствах вычислительной техники.
Целью диссертационной работы является разработка и исследование эффективности методов построения таблиц для фильтрации кадров данных на канальном уровне через мосты и коммутаторы в устройствах вычислительной техники.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
Провести анализ имеющихся методов организации таблиц фильтрации межсетевых мостов и коммутаторов.
Разработать метод организации таблицы фильтрации кадров «без хранения адресов» в межсетевых мостах и коммутаторах.
Разработать адаптивный метод организации таблицы фильтрации «без хранения адресов» в межсетевых мостах и коммутаторах.
Разработать метод организации таблиц фильтрации с параллельным хешированием «без хранения адресов» в межсетевых мостах и коммутаторах.
Провести анализ эффективности имеющихся методов организации таблиц фильтрации кадров в межсетевых мостах и коммутаторах с точки зрения вероятности переполнения таблицы фильтрации.
Исследовать эффективность разработанных методов в сравнении с имеющимися методами организации таблиц фильтрации кадров с точки зрения вероятности переполнения таблиц фильтрации, использования памяти и вычислительных затрат, в сравнении с имеющимися методами организации таблиц фильтрации.
Разработать структурную схему и на ее основе синтезировать интегральную схему, реализующую разработанный метод организации таблицы фильтрации.
Провести сравнительные натурные испытания разработанного устройства и имеющихся аналогов.
Научная новизна.
В рамках диссертационной работы получены следующие новые научные результаты:
Разработан метод организации таблиц фильтрации кадров «без хранения адреса» в межсетевых мостах и коммутаторах.
Разработан адаптивный метод организации таблицы фильтрации кадров «без хранения адреса» в межсетевых мостах и коммутаторах.
Разработан метод организации таблиц фильтрации с параллельным хешированием «без хранения адресов» в межсетевых мостах и коммутаторах.
Предложена математическая модель для расчёта эффективности известных методов организации таблиц фильтрации, основанная на определении вероятности переполнения таблицы фильтрации кадров.
На основании полученных аналитических выражений проведена оценка эффективности метода организации таблиц фильтрации «без хранения адресов» с точки зрения вероятности переполнения таблицы фильтрации.
Получены результаты статистических исследований вероятности переполнения таблиц фильтрации, позволяющие оценить эффективность адаптивного метода организации таблицы фильтрации «без хранения адреса» и метода с параллельным хешированием.
Практическая значимость
Не менее чем в 4 раза сокращено время принятия решения о необходимости фильтрации или ретрансляции кадров между портами моста по сравнению с существующими методами при использовании разработанных методов организации таблицы фильтрации «без хранения адресов».
Более чем на порядок уменьшен требуемый объём памяти для хранения таблицы фильтрации в случае использования разработанного адаптивного метода организации таблиц фильтрации «без хранения адресов», при сопоставимой вероятности переполнения таблицы фильтрации по сравнению с существующими методами.
Почти на два порядка уменьшен требуемый объём памяти для хранения таблицы фильтрации использующей разработанный метод организации таблиц фильтрации «без хранения адреса» с параллельным хешированием, при сопоставимой вероятности переполнения таблицы фильтрации по сравнению с существующими методами.
По результатам проведенных исследований изготовлена интегральная схема межсетевого моста на базе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) для объединения вычислительных устройств с различными канальными форматами передачи данных (IEEE 802.3, HDLC, G.704), что подтверждается актом внедрения и сертификатами соответствия Минсвязи РФ.
Предложенные в работе технические решения (Патент РФ 2119241, Патент РФ 2211477), позволяют в несколько раз снизить собственный ток потребления линейного стабилизатора напряжения и значительно уменьшить уровень статического входного тока повторителя напряжения, что приводит к общему снижению потребления энергии в системах управления и повышает статическую точность аналоговых интерфейсов.
Мощность, потребляемая разработанным мостом, использующем предложенный метод организации таблицы фильтрации «без хранения адресов» с параллельным хешированием, более чем в 2 раза меньше мощности потребляемой аналогом, использующем известный метод организации таблицы фильтрации.
Методы исследования основываются на использовании теории вероятностей, комбинаторики, математической статистики и машинного эксперимента на персональной электронной вычислительной машине (ПЭВМ). Проверка теоретических расчетов и выводов проводилась в пакете MatLab и с использованием методов статистического анализа.
Достоверность и обоснованность результатов обеспечивается результатами машинного моделирования и натурных испытаний, а также их теоретическим обоснованием. Новизна технических предложений подтверждается экспертизой
технических решений в виде патентов на предлагаемые устройства.
Реализация результатов работы.
Диссертационная работа выполнялась в рамках проектов №2.1.2/9532 (2.1.2/1127) «Теоретические основы проектирования нелинейных и управляемых СФ-блоков СВЧ систем связи и телекоммуникаций нового поколения» и №2.1.2/9537 (2.1.2/7267) «Теоретические проблемы обеспечения радиационной стойкости аналоговых интегральных микросхем» аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)»
Результаты диссертационной работы внедрены в виде интегральной микросхемы, при разработке следующих устройств, серийно выпускаемых ООО «НПФ Сельсофт», о чем свидетельствует акт внедрения (приложение А), а именно: мультиплексоры и системы передачи серии МЦ-115Т; формирователи, концентраторы и коммутаторы потоков Е1 и ОЦК серии МК. Указанные выше устройства прошли сертификацию Минсвязи РФ, что подтверждается сертификатами соответствия (приложение Б).
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались и прошли апробацию на международных научно-технических конференциях и опубликованы в сборниках трудов:
12-я Международная конференция «Цифровая обработка сигналов - DSPA-2010», Москва, 2010;
3-я Международная конференция «Современные проблемы радиоэлектроники», Ростов-на-Дону, 2010;
Всероссийская заочная научно-практическая конференция «Информационные системы сервиса», 2011;
1-я Международная заочная научно-техническая конференция «Информационные технологии. Радиоэлектроника. Телекоммуникации (ITRT-2011)», 2011.
Публикации
По результатам выполненных исследований опубликовано 9 работ, в том числе 4 статьи в центральных рецензируемых журналах, из перечня рекомендованного ВАК для публикаций основных научных результатов диссертаций, 3 статьи в сборниках трудов и докладов Международных конференций, получено 2 патента РФ на изобретения.
Результаты, выносимые на защиту.
Результаты аналитических исследований, позволяющие определить вероятность переполнения таблицы фильтрации при использовании существующих методов построения таблиц фильтрации.
Метод организации таблиц фильтрации «без хранения адресов».
Метод организации таблиц фильтрации с адаптивным вычислением хеш-функции «без хранения адресов».
Метод организации таблиц фильтрации с параллельным хешированием «без хранения адресов».
Результаты аналитических и статистических исследований вероятности переполнения таблицы фильтрации, при использовании предложенных методов организации таблиц фильтрации.
Результаты сопоставительных исследований предложенных методов для определения структуры нестандартных аппаратных средств межсетевых мостов.
Результаты сравнительных натурных испытаний моста, реализованного на основании предложенного метода организации таблицы фильтрации «без хранения адресов» и имеющегося аналога, реализующего известный метод организации таблицы фильтрации.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав с выводами, заключения, списка литературы, включающего 70 наименований и 8 приложений. Основной текст работы изложен на 134 страницах машинописного текста, поясняется 41 рисунком и 6 таблицами.
