Интерфейсная технология Ethernet-ARINC-429

Авакян А.А.

ИНТЕРФЕЙСНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ETH ERNET -ARINC-429.

Технология Ethernet-ARINC-429 разработана с целью создания внешнего интерфейса высокопроизводительного отказоустойчивого вычислительного модуля, удовлетворяющего следующим требованиям ТЗ [3]:

Использование портов современных Smart-модулей;

Реализация детерминированного линейного интерфейса, минимизированного по линиям связей за счет высокочастотных линий и устройств, выполняющих функции концентраторов и распределителей информации;

Использование формата ARINC-429, содержащего адрес в каждом слове.

В основе этой технологии лежит использование COTS-технологий в сочетании с интерфейсными технологиями ARINC-429, широко применяемыми в бортовых системах и технологией Ethernet.

Интерфейсная технология Ethernet предназначена для прямого немодулированного приема и передачи всевозможных данных со скоростью 10 и 100 Мбит/с посредством многообразия интерфейсных сред, а также обеспечения интерактивного режима доступа множества терминалов к данным, хранящимся в этих терминалах. Передача осуществляется по магистралям из витых пар типа T, TX, T2, T4 или волоконнооптических линий типа FX, FL, FB, SX, LX. Технология основана на методе множественного доступа к среде передачи с прослушиванием несущей и обнаружением коллизий с использованием метода доступа CSMA/CD [2].

Метод сводится к следующим процедурам. Каждый терминал, встроенный в устройство, подключаемое к сети, имеет сетевой адаптер, который подключается к узлу сети. Система, состоящая из адаптеров узлов и вспомогательных устройств, реализует метод CSMA/CD на аппаратном уровне. Адаптер имеет приемопередатчик (трансивер), через который устройство осуществляет обмен.

Метод сводится к следующему. Адаптер, нуждающийся в передаче информации, прослушивает линию и дожидается «тишины» - отсутствия сигнала, а затем формирует и передает в сеть кадр (фрайм), начинающийся с синхронизирующей преамбулы, за которой следует поток двоичных данных в самосинхронизирующем манчестерском коде. Все остальные узлы принимают этот сигнал, синхронизируются по преамбуле и декодируют его в последовательность бит, помещаемых в свой приемный буфер. Окончание кадра определяется по пропаданию сигнала. В приемниках начинается анализ кадра. Кадр контролируется на отсутствие ошибок (по длине кадра и контрольной последовательности бит) . Если ошибки отсутствуют, то начинается анализ адресной части. В каждом кадре имеется заголовок с адресами узла источника и узла назначения.

Если адрес назначения кадра соответствует адресу узла данного устройства, то кадр поступает на дальнейшую обработку посредством протоколов, следующих уровней. Кадры, не адресованные данному узлу, игнорируются на аппаратном уровне, не отвлекая центральный процессор. При возникновении коллизий, когда два кадра хотят передать информацию одновременно, возникает искажение сигнала, которое обнаруживается передающими узлами, и они прекращают передачу данных. Повторная передача информации возникает в передатчиках автоматически через случайные интервалы, которые с большой вероятностью исключают новую коллизию. Структура кадра в формате Ethernet SNAP приведена на рис.1

P SFD DA SA Length DSAP SSAP Control Protocol Data FСS

7 1 6 6 2 1 1 1 5 37-1492 4

Рис. 1 Структура кадра в формате Ethernet SNAP.

Кадр начинается с преамбулы (preamble) длинной в 7 байт с кодами 10101010, за которой следует 1-байтовый разделитель начала кадра SFD (Start Frame Delimiter) с кодом 10101011. За ним следуют 6-байтовый код назначения DA (Destination Address) и 6-байтовый код источника информации SA (Source Address). После адресов следует 2-байтовое поле заголовка Length, 1-битные поля DSAP, SSAP, идентифицирующие тип кадра Ethernet и 1-байтовое поле контроля на четность Control. В поле Protocol передается идентификатор протокола передаваемых данных. В поле Data передаются данные сообщения. Последнее поле FCS (Frame Check Seqence) содержит 4-байтовый код, с помощью которого контролируется целостность всего кадра. Суммарная длинна полей заголовка и данных не может быть меньше 48 байт и больше 1502 байт. Таким образом, длинна всего кадра, включая и длину поля FCS, не может быть меньше 64 байта и больше 1518 байт.

В разрабатываем внешнем интерфейсе предлагается создать комбинированный стандарт из стандартов Ethernet и ARINC-429. Суть комбинации заключается в следующем:

Управление режимами прием сигналов устройств подключенных к портам многопортовых трансиверов (рис. 5);

В поле Data

В поле SA (Source Address- адрес источника информации) записывается номер трансивера канала устройства, куда направляется данная информация.

Формат слова данных в стандарте ARINC-429 [1] (рис. 2) имеет следующую структуру:

Разряды 1 - 8 содержат информацию о коде параметра;

Разряды 9,10 содержат информацию о коде устройства;

Разряды 11 - 29 содержат информацию о передаваемом сообщении;

Разряды 30 - 31 содержат информацию об исправности устройства, в котором было сформировано

сообщение (информацию о матрице состояния);

Разряд 32 содержит информацию о четности сформированного слова.

1 1 1 e 0 1 11 1 1 29 30 1 31 32

Адрес (код параметра) Код устройств а Передаваемое (данные) сообщение Исправность уст-ва Четность слова

Рис. 2 Структура слова данных в стандарте ГОСТ 18977 - 79 РТМ 1495 - 75 и в АРИНК-429.

Числовые данные передаваемого сообщения в двоичном коде и в двоично-десятичном коде, в разрядах 11-29, размещаются следующим образом. Младшие биты числа или символа передаются, начиная с 29-го разряда. Соответственно, в 11-ом разряде передается старший бит числа или символа. Слова разделяются между собой посредством пауз, равных четырем периодам следования импульсов Т. Допускаются паузы от 4Т до 40Т. В линиях передачи, где информация передается в биполярном коде, в местах пауз код отсутствует. При обработке информации внутри устройств, где информация передается

в однополярном коде, для обозначения пауз между словами, вместе с информационными импульсами передаются синхроимпульсы, которые в местах пауз отсутствуют.

Стандарт позволяет передавать также дискретную информацию (разовые команды). Структура слова с дискретной информацией приведена на рис. 3.

1 8 9 10 11 29 30 31 32

Адрес Код устройства Дискретные данные Исправность уст-ва Четность слова

Рис. 3 Формат дискретного слова.

Основным недостатком интерфейсов построенных на сетях Ethernet является их стохастичность, что не позволяет их применение в интерфейсных сетях бортового оборудования. В работе предлагается один из методов создание сети, построенной на принципах сети Ethernet и с помощью её стандартной аппаратуры, но обладающей отсутствием коллизий, что позволяет .

Типовая структура сегмента в сети Ethernet приведена на рис.4. Трансиверы, как это показано на рис.4, устанавливаются непосредственно на кабель, выполненный по топологии шины. Трансивер (устройство доступа к среде), представляет собой активный приемопередатчик с детектором коллизий и высоковольтной (1-1,5 кВ) гальванической развязкой между коаксиальным кабелем и цепями ДШ-интерфейса. Трансиверы соединяются с адаптерами, встраиваемыми в устройства абонентов сети, через интерфейс Диі. Подсоединение к Диі осуществляется либо напрямую, либо через многопортовый трансивер. Многопортовый трансивер имеет обычно 8 портов и допускает одноуровневое каскадирование. Таким образом, к одному трансиверу, установленному на кабеле, можно подключить 64 адаптерных узлов сети.

При необходимости увеличения размера сети отдельные кабельные сегменты могут соединяться между собой активными устройствами повторителями.

Длина кабельного сегмента не должна превышать 500 м., ответвления не допустимы;

Подключения трансиверов может производиться только по рискам на кабеле (расстояние кратное 2,5 м.);

Максимальное количество точек подключения трансиверов - 100;

Многопортовый трансивер

Рис. 4 Типовая структура сегмента в сети Ethernet.

Технология Ethernet имеет следующие ограничения:

Максимальная длина трансиверного кабеля (от шины до адаптера) - 50 м.;

Расширение сети с помощью повторителей можно производить только по правилу - 5 сегментов, 4 повторителя, три сегмента с адаптерными интерфейсами;

Максимальное количество узлов - 1024;

Допустимое напряжение гальванической развязки трансивера и адаптера - 1,5 кВ.

Пропускная способность сети Ethernet может быть оценена как количество кадров и байт данных поля Data, передаваемых кадрами разных размеров и типов в единицу времени Оценку пропускную способность сети Ethernet произведем для скорости передачи данных 10 Мбит/с. Минимальный размер кадра равен 64 байта. С учетом преамбулы 7 2 байта = 57 6 бит. Эта порция информации передается за 5 6,7 мкс. С учетом кадрового зазора 9,6 мкс. максимальная частота передачи самых коротких кадров составит 1/(56,7+9,6)=14 881 к/с.

Полезная пропускная способность для кадров минимального размера, с учетом того, что минимальное поле Data составляет 37 байт (рис. 23), составит 14881*37*8 = 4 404 776 бит/с. (4,4 Мбит/с.).

Для максимальных пакетов (1526 байт, с преамбулой 12208 бит.) частота передачи будет 813 к.с., полезная пропускная способность для кадров максимального размера составит 813*1500*8 = 9 756

000бит/с (9,76 Мбит/с.). Отсюда следует, что пропускная способность внешнего интерфейса Ethernet близка к битовой скорости данной технологии 10 Мбит/с. При битовой скорости передачи данных в интерфейсе Ethernet равной 100 Мбит/с, пропускная способность сети будет близка 100 Мбит/с.

Оценки были сделаны без учета случайных коллизий, которые в зависимости от характеристик информационного обмена данными, будут возникать в сети и изменять величину пропускной способности сети.

Кроме высокой пропускной способности технология Ethernet имеет большой набор апробированных и широко применяемых в информационных системах сетевой аппаратурой, то есть является эффективным объектом для применения COTS-технологий.

Однако технология Ethernet обладает существенным недостатком - недетерминизмом процесса обмена, который связан с наличием в нем следующих стохастических процессов:

Возникновения случайных коллизий;

Возникновения разладок из-за программных ошибок в системном и проблемном математическом обеспечении сложного процесса организации обмена в сети с 1000 и более абонентами.

При высоких требованиях к надежности и отказобезопасности аппаратной части и программного обеспечения бортового оборудования авиационных и ракетно-космических систем, включающих такие требования, как не превышение вероятности отказа критической функции 10-9 отказов в час и время

парирования отказа критической функции не более 1 секунды, применение мультиплексного сетевого интерфейса Ethernet в чистом виде в интерфейсных средствах бортового оборудования авиационных и ракетно-космических систем невозможна

Источником коллизий в типовой структуре Ethernet (рис.4) являются общие пути трафиков обмена информацией между абонентами в дуплексном режиме.

Для устранения изложенных выше недостатков технологии Ethernet предлагается следующая структура сети Ethernet-Det (Ethernet детерминированный), приведенная на рис 5. Для исключения коллизий в сети Ethernet-Det реализуются два следующих процесса:

Процесс управления приемом и передачей;

Процесс формирования выходных из вычислительного узла входных, для всех абонентов, сообщений. Оба процесса в виде специальных программ реализуются в вычислительном узле.

Рис. 5 Структура детерминированной одноуровневой сети Ethernet-Det

Структура сети Ethernet-Det состоит из многих восьмипортовых трансиверов, соединенных между

собой (на рис. 5 изображены 2 из них) . Поскольку два порта каждого 8-и портового трансивера

используются для межпортовых соединений, то. к каждому 8-и портовому трансиверу могут быть

подключены только 6-ть абонентов. Чтобы подключить 128 каналов (абонентов) необходимо применение

многопортовых трансиверных плат с максимальным количеством трансиверов.

В сети Ethernet-Det не существует сообщений передаваемых и принимаемых от любого абонента любому другому по случайному свободному трафику, какие имеют место в стандартной сети Ethernet. Кроме того, трафики приема и передачи, для исключения коллизий, разделены тактами приема и передачи. В каждом такте передачи, по команде из вычислительного узла, выполняется передача сообщений от всех абонентов, через много портовые трансиверы и трансивер порта Ethernet, в вычислительный узел Вычислительный узел в промежутке времени между тактами. формирует входные, для всех абонентов, сообщения, которые по команде на передачу, передает информацию всем абонентам через многопортовые трансиверы.

Из изложенного описания процессов приема-передачи в сети Ethernet-Det видно, что в данной сети отсутствуют случайные трафики передачи сообщений, дуплексный метод управляется посредством тактов приема-передачи, а следовательно, в данном процессе не могут возникать коллизии.

ЛИТЕРАТУРА

1. Мультиплексная шина передачи данных АРИНК-629», Предприятие П/Я Ю-9539. Технический перевод

№ 497. 1988 г.

2. М. Гук Аппаратные средства 1ВМ РС. Энциклопедия. С. Петербург, издательство «Питер», 2 0 03

г;

3. Разработка и исследование базового унифицированного высокопроизводительного вычислительного модуля для комплексов бортового оборудования авиационной и ракетно - космической техники. Шифр «Вычислитель»