Магистральный получатель и отправитель пакетов с масштабируемым трафиком в реальном масштабе времени.

Магистральный получатель и отправитель пакетов предназначен для обеспечения обмена данными между приемниками и передатчиками в реальном масштабе времени, а также для обеспечения масштабирования коммуникационного ресурса до 10 Гбит и выше. Магистральный получатель и отправитель пакетов применяется в системах управления, где необходимо концентрировать и передавать большой объем данных в реальном масштабе времени от большого числа датчиков по магистральным оптическим каналам. Областью применения является сбор данных с многоканальных распределенных систем синхронного сбора данных «жесткого» реального времени, которые используются во многих областях, например, гидролокация, радиолокация, навигационные системы, системы связи, распределенные средства контроля и управления, сети стационарных и мобильных радиолокационных комплексов, передача данных к вычислителям и т.п.

Анализ пакетного и канального способа передачи данных в реальном масштабе времени по стандарту VITA 49.0.

ANSI/VITA 49.0

VITA Radio Transport (VRT) Standard

VITA Radio Transport (VRT) Standard описывает протокол транспортного уровня, определяющий передачу данных между радиоприемниками и оборудованием обработки сигналов для различных приложений (например, спектральные наблюдения, связь, радиолокация). Стандарт VRT описывает типы пакетов, параметры форматирования данных, которые инкапсулируются в поле данных пакета транспортного уровня и обеспечивают передачу данных в реальном масштабе.

Особенности протокола VRT:

  • стандартизация формата пакетов с сигнальными данными «Signal Data» (обычно с выхода АЦП) и пакетов с метаданными «Context Information» (частота приема, полоса частот, коэффициенты усиления, координаты GPS для конкретного приемника и прочее);

  • структура пакетов позволяет передавать данные различных форматов и типов;

  • мультиплексирование множества сигнальных каналов в один физический канал передачи данных;

  • масштабируемость от одного приемника до большого числа приемников (поле номера потока StreamID имеет размер 32 байта);

  • запись метки времени с высокой точностью (формат 32 или 64 бита) для каждой записи с каждого приемника, что позволяет делать отложенную синхронизацию сигналов при обработке в сигнальном процессоре.

Протокол VRT является транспортным уровнем по сетевой модели OSI и не зависит от нижних уровней модели (физического, канального, сетевого). Таким образом, пакеты VRT могут передаваться по любым каналам связи на основе любых протоколов: TCP, UDP, Serial RapidIO, Xilinx Aurora, Race++, Serial Front Panel Data Port (S-FPDP), PCI Express или Gigabit Ethernet. Оборудование передачи данных может быть от любого производителя (рисунок 3.1).

Рисунок 3.1. – Три потока данных через один канал связи (в контексте стандарта, «Emitter» и «Receiver» – это отправитель и получатель пакетов VRT). Рисунок из стандарта VITA 49.0

ANSI/VITA 49.1

VITA Radio Link Layer Standard

Дополнительно существует опциональный стандарт VITA 49.1 VITA Radio Link Layer Standard, который описывает канальный уровень. Этот стандарт определяет дополнительную обвязку при передаче данных: начало и конец кадра (frame) и контроль ошибок передачи (CRC32). Если используются стандартные сети передачи данных, такие как TCP/IP или Ethernet, то эти функции выполняются протоколами этих сетей. Для некоторых приложений, основанных на иных способах передачи данных, может потребоваться дополнительный контроль целостности данных, описанный в стандарте VITA 49.1.

Вариант модульной масштабируемой вычислительно-коммуникационной платформы для высокоскоростной передачи данных в реальном масштабе времени с использованием стандарта VITA 49.0.

Исходные данные:

  1. Элементарным каналом полнодуплексной передачи данных для мультиплексирования является канал FAST Ethernet 100 Мбит.

  2. Транспортный протокол UDP. Для обеспечения передачи данных в реальном масштабе времени, поле данных пакета построено согласно требованиям стандарта VITA 49.0.

  3. Элементарный мультиплексированный магистральный канал передачи данных представляет собой оптоволоконный одномодовый кабель 10 Гбит/с. Дальность передачи до 10 км.

  4. Элементарный магистральный канал состоит из 100 мультиплексированных каналов FAST Ethernet.

  5. Масштабирование полнодуплексных каналов данных FAST Ethernet осуществляется путем дополнительной установки мультиплексора кратному 100 первичным каналам и получением дополнительного магистрального канала 10 Гбит.

  6. Количество интегрируемых каналов FAST Ethernet не ограничено.

  7. Передаваемые данные каждого канала синхронизированы относительно единого таймера системного времени, которое отображается в соответствующем поле данных UDP пакета согласно VITA 49.0.

  8. Модульная масштабируемая платформа состоит из:

  • отправителя пакетов представляющей собой систему мультиплексоров;

  • магистрального канала передачи данных представляющий собой систему оптоволоконных кабелей пропускной способностью по 10 Гбит каждый.

  • получателя пакетов обеспечивающей прием, предварительную обработку, буферизацию данных в динамическом ОЗУ в виде кольцевого буфера и вывода потока данных из динамического ОЗУ для последующей обработки.

  1. Кольцевой буфер сегментирует информацию согласно номеру канала и частоты дискретизации измерений задаваемой таймером единого системного времени.

Вариант структурно-функциональной схемы вычислительно-коммуникационной платформы.

На рисунках 3.2 и 3.3 показаны варианты структурно – функциональной схемы вычислительно – коммуникационной платформы для передачи терабитного трафика по магистральным оптическим каналам в реальном масштабе времени. Отличие рисунков заключается в том, что в целях уменьшения стоимости изделия возможны варианты построения отправителя пакетов.

Рисунок 3.2

Рисунок 3.3

В состав вычислительно – коммуникационной платформы входят:

- отправитель пакетов;

- оптоволоконный магистральный канал передачи данных;

- получатель пакетов.

Передача данных между отправителем и получателем осуществляется в реальном масштабе времени. Это достигается за счет использования таймера единого системного времени относительно которого осуществляется синхронизация передачи и приема данных. Перед передачей каждого UDP пакета в поле данных записывается системное время, номер канала, данные, согласно стандарта VITA 49.0. В качестве мультиплексора отправителя пакетов может быть использованы как типовые коммутаторы, так и специально разработанные приборы.

Магистральный канал передачи данных состоит из ста оптоволоконных линий 10 Гбит, что обеспечивает суммарный трафик 1 Тбит.

Получатель пакетов это специально разработанный прибор осуществляющий прием UDP пакетов, обработку данных согласно номера канала и системного времени, записи синхронизированных данных в кольцевой буфер динамического ОЗУ.

Таким образом принимаемый поток данных дифференцированно отображается в сегментах динамической памяти согласно номера канала и частоты дискретизации. Далее поток данных из динамического ОЗУ поступает в вычислитель.

Специалистами НПО РИТ разработан и находится в стадии испытания макет прибора с аналогичными техническими характеристиками. По предварительным расчетам стойка показанная на рисунке 3.4 может принимать, буферизировать и отправлять в вычислитель поток данных 6 Тбит.

Отличительной особенностью предлагаемого комплекса является масштабируемость передаваемого трафика и поддержка реального масштаба времени передачи данных.

Рисунок 3.4

Вывод:

    1. Предлагаемый комплекс представляет собой специализированную сеть для объединения средств измерений (оптических, радиолокационных и других), средств обработки (вычислителей), в реальном масштабе времени с масштабируемым трафиком.

    2. Предлагаемый комплекс представляет собой особый вид сетей, который необходим при создании информационных сетей для автоматизированных систем управления с масштабируемым вычислительным и коммуникационным ресурсом в реальном масштабе времени.

Акционерное общество Научно-Производственное Объединение «Развитие Инновационных Технологий»
г. Тверь, ул. Озёрная, 14 к.1, тел. +7 (4822) 32-20-01, +7 (4822) 45-25-09, факс +7 (4822) 32-23-00