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).

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:

• Элементарным каналом полнодуплексной передачи данных для мультиплексирования является канал FAST Ethernet 100 Мбит.
• Транспортный протокол UDP. Для обеспечения передачи данных в реальном масштабе времени, поле данных пакета построено согласно требованиям стандарта VITA 49.0.
• Элементарный мультиплексированный магистральный канал передачи данных представляет собой оптоволоконный одномодовый кабель 10 Гбит/с. Дальность передачи до 10 км.
• Элементарный магистральный канал состоит из 100 мультиплексированных каналов FAST Ethernet.
• Масштабирование полнодуплексных каналов данных FAST Ethernet осуществляется путем дополнительной установки мультиплексора кратному 100 первичным каналам и получением дополнительного магистрального канала 10 Гбит.
• Количество интегрируемых каналов FAST Ethernet не ограничено.
• Передаваемые данные каждого канала синхронизированы относительно единого таймера системного времени, которое отображается в соответствующем поле данных UDP пакета согласно VITA 49.0.
• Модульная масштабируемая платформа состоит из:

1. отправителя пакетов представляющей собой систему мультиплексоров;
2. магистрального канала передачи данных представляющий собой систему оптоволоконных кабелей пропускной способностью по 10 Гбит каждый.
3. 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.

• 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.

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.

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.