СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ОТКАЗОУСТОЙЧИВОСТИ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ОПТИЧЕСКОЙ КОММУТАЦИИ И РЕАЛИЗУЮЩИЙ ЕГО БЕСКОНФЛИКТНЫЙ БЕСПРОВОДНОЙ РЕТРОФЛЕКТОРНЫЙ КОММУТАТОР
METHOD OF IMPROVING FAULT-TOLERANCE OF DISTRIBUTED OPTICAL SWITCHING AND CONFLICT-FREE WIRELESS RETROREFLECTION SWITCH THEREFOR

Изобретение относится к области вычислительной техники и может быть использовано в качестве средства коммутации цифровых устройств.
Коммутатор - центральное звено современной управляющей и вычислительной системы. Именно он формирует систему из совокупности не связанных между собой активных устройств обработки данных (далее объектов, если не требуется детализация). От него одновременно требуются отсутствие внутренних конфликтов коммутации, высокая скорость коммутации, отказоустойчивость. Дополнительные требования к коммутации выдвигают управляющие системы, работающие в жестком реальном времени. В них невозможно спланировать обращение источников сообщений к приемнику сообщений и избежать таких внешних по отношению к коммутатору конфликтов на входе приемника сообщений. Обычно устранение внешних конфликтов не решается средствами коммутатора и требует привлечения программных средств. Это снижает реактивность системы и желательно их разрешение аппаратными средствами коммутатора. К внешним конфликтам ниже отнесены конфликты, возникающие при подключении к одному выходу коммутатора более одного приемника сообщений.
Перечисленные требования трудно обеспечить средствами электроники. Задача упрощается при использовании предложенных в патенте средств оптоэлектроники.
Для удовлетворения перечисленным требованиям в патенте предлагаются способ повышения отказоустойчивости распределенной коммутации и реализующий его отказоустойчивый бесконфликтный беспроводной ретрорефлекторный коммутатор.
2
2
2
2
Известны способ распределенной оптоэлектронной коммутации и реализующее его устройство (прототип), приведенные в статье (Уменьшение сложности распределенного коммутатора для параллельных систем обработки данных // Автоматика и Телемеханика. №5. 2010. С.147-154). Предложенный в этой статье способ коммутации заключается в следующем. Совместно с каждым источником сообщений расположен оптоэлектронный демультиплексор, содержащий для коммутации n объектов logn оптических дефлекторов. Такое количество дефлекторов минимально возможное, так как оно равно количеству битов в порядковом номере выхода луча, которых не может быть меньше, чем logn. Для соединения источника сообщения с приемником источник посылает в демультиплексор адрес (порядковый номер) приемника, содержащий logn двоичных разрядов. Адрес поразрядно устанавливает в одно из двух возможных состояний каждый дефлектор. В результате этого действия лазерный луч, модулированный двоичными сигналами сообщения, проходит через последовательно расположенные дефлекторы и должен поступить в выбранный адресом приемник. Такое соединение возможно для небольшого числа соответствующим образом размещенных объектов. Так как требуется, чтобы выходящий из демультиплексора луч попадал непосредственно к произвольно расположенному приемнику, то в статье на пути лучей между каждым из n демультиплексоров и всеми n приемниками располагается группа неподвижных дефлекторов (например, зеркал), расположенных так, что луч с выхода демультиплексора направляется пассивным дефлектором к требуемому приемнику. Всего эта группа содержит n дефлекторов по n дефлекторов для каждого из возможных n направлений луча источника.
Одна из возможных реализаций такого демультиплексора, приведенных в цитированной статье, показана на фиг.1.
Здесь каждый дефлектор выполнен в виде электромеханического оптического элемента коммутации, содержащего зеркало, переключаемое электрическим сигналом в одно из двух положений. На фиг.1 показан демультиплексор, состоящий из трех последовательно включенных дефлекторов. В зависимости от положения каждого из них направляемый в первый дефлектор оптический луч, несущий сообщение, выйдет из третьего дефлектора в одном из восьми направлений. При этом необходимо, чтобы размер площади зеркала каждого дефлектора был достаточен для попадания на него любого луча, приходящего от предыдущего дефлектора, или одно зеркало может быть заменено группой зеркал малой площади, управляемых общим сигналом. В статье приведены конструкции более быстро действующих демультиплексоров.
2
Недостатки способа и устройства. Первый недостаток состоит в наличии критичного к отказам центра - n неподвижных отклоняющих элементов, так как нет способа для передачи функций отказавшего отклоняющего элемента в центре другому произвольно выбранному элементу центра.
2
2
Второй недостаток: хотя каждый неподвижный отклоняющий элемент - простое пассивное устройство, в больших системах их количество велико и для размещения требуемых n пассивных отклоняющих элементов требуются большие площади. Еще большее количество элементов (mn) требуется для сохранения работоспособности коммутации при ожидаемых произвольных m отказах в пассивных дефлекторах. Обеспечение работоспособности отклоняющих элементов, расположенных на больших площадях, усложняется.
Задача настоящего изобретения - устранить указанные недостатки прототипа.
Технический результат для способа состоит в повышении отказоустойчивости коммутации.
Технический результат для способа достигается тем, что способ повышения отказоустойчивости бесконфликтной распределенной беспроводной коммутации цифровых устройств осуществляет обмен оптическими сигналами между устройствами, при котором в предоставленный приемнику стыковочный модуль источник сообщения, используя расположенный в нем демультиплексор, посылает сигналы сообщения и непрерывный оптический сигнал в различных частотных диапазонах, приемники сообщения и все следящие за этой коммутацией устройства посылают в модуль, также используя демультиплексор, непрерывные оптические сигналы, а модуль возвращает непрерывные сигналы их источникам модулированными сигналами сообщения, причем при отказе модуля он заменяется любым другим из группы работоспособных модулей.
Технический результат для устройства состоит в том, что в него введены технические средства, обеспечивающие повышение отказоустойчивости способа коммутации.
Технический результат для устройства достигается тем, что отказоустойчивый бесконфликтный распределенный беспроводной ретрорефлекторный коммутатор содержит расположенные вне коммутируемых устройств стыковочные модули и размещенные совместно с коммутируемыми объектами демультиплексоры оптического сигнала, содержащие двоичные дефлекторы оптических сигналов в количестве, логарифмически зависящем от количества стыковочных модулей, причем стыковочные модули содержат расположенные в порядке приближения к демультиплексорам ретрорефлекторы, оптические модуляторы и фотоприемники с электрическими выходами последних, подключенными к модуляторам.
Техническая сущность и принцип действия предложенного устройства поясняются чертежами.
Фиг.1 - электромеханический оптический переключатель.
Фиг.2 - стыковочный модуль с ретрорефлектором.
Фиг.3 - стыковочный модуль с группой фотоприемников и модуляторов.
Фиг.4 - структура связей объектов со стыковочными модулями.
Предложенный способ повышения отказоустойчивости распределенной коммутации имеет следующие основные особенности.
Для того чтобы заменить отказавший пассивный дефлектор работоспособным, в прототипе требуется иметь резервный дефлектор, индивидуально настроенный на данную связь источника сообщения с приемником. Это требует большого количества как пассивных дефлекторов, так и дефлекторов в демультиплексорах. Требование индивидуальной настройки пассивного дефлектора - следствие взаимозависимости угла падения светового луча на дефлектор и угла отражения этого луча.
Предложенный способ заменяет пассивные дефлекторы активными стыковочными модулями, содержащими преобразователи оптического сигнала в электрический сигнал. Источник сообщения посылает сигналы сообщения в модуль. Источник, приемники и устройства, наблюдающие за обменом сигналами между источником и приемниками, посылают в модуль непрерывные оптические сигналы. Модуль модулирует непрерывные сигналы сигналами сообщения и возвращает все сигналы их источникам. Так выполняется обмен сообщениями между его источниками и приемниками.
2
Отказавший модуль заменяется любым другим работоспособным модулем, что ведет к существенному уменьшению количества коммутационного оборудования, необходимого для борьбы с его отказами. Имеются две возможности. Во-первых, добавляется m дополнительных модулей и увеличивается количество дефлекторов в каждом демультиплексоре до log(n+m).
Во-вторых, вместо отказавших модулей используется модуль работоспособный, но предоставленный другому приемнику, и этот модуль используется группой приемников.
В целом предложенный способ состоит из следующих действий.
1. Приемникам выделяются стыковочные модули.
2. Источник сообщения, приемники сообщения и все устройства, наблюдающие за стыковочным модулем приемника, используя свои демультиплексоры, посылают в модуль непрерывные сигналы.
3. Источник сообщения, действуя как в п.2, посылает в модуль также сигналы сообщения, отличающиеся по частоте от непрерывных сигналов.
4. Стыковочный модуль превращает оптические сигналы сообщения в электрические, модулирует этими сигналами все полученные модулем оптические сигналы и возвращает их в источники непрерывных сигналов.
5. При отказе модуля все перечисленные в пп.2 и 3 устройства, используя демультиплексоры, могут направить свои сигналы на любой другой работоспособный модуль.
Предложенный коммутатор, реализующий предложенный способ, имеет следующие основные особенности.
2
- Для обеспечения бесконфликтной доставки сигналов сообщений от их источников к произвольно расположенным n приемникам каждый источник сообщения содержит демультиплексор, аналогичный демультиплексору прототипа, но по сравнению с прототипом имеющий количество направлений передачи коммутируемого сигнала log(n+m), где m - число ожидаемых отказавших стыковочных модулей. Демультиплексоры использованы в сочетании с не содержащими коммутирующих элементов оптоэлектронными ретрорефлекторными стыковочными модулями, имеющими следующие особенности.
Стыковочные модули между собой не связаны. Модули не закреплены за конкретными приемниками, но соответствие модуля и приемника известно каждому коммутируемому устройству и может быть изменено в динамике.
- Каждый приемник сообщений имеет единственный приемник оптических сигналов и на входе последнего могут возникать конфликты, если действия источников не синхронизованы, и им требуется одновременный доступ к приемнику. Такие конфликты, требуемые для замены отказавших модулей, быстро разрешаются непосредственно средствами предлагаемого коммутатора.
Детали предлагаемого способа коммутации и реализующего его коммутатора.
В этом разделе способ коммутации и коммутатор рассмотрены совместно, так как такое рассмотрение позволяет более компактно показать детали предлагаемых решений.
Активный стыковочный модуль и способ его применения. Для устранения недостатков прототипа в коммутаторе пассивный центр прототипа заменен на центр, состоящий из оптоэлектронных ретрорефлекторных стыковочных модулей (далее RCM).
s
s
s
s
s
Организация RCM демонстрируется фиг.2. RCM имеет фотоприемник FR, ретрорефлектор RRF и модулятор оптических сигналов M. Фотоприемник FR получает группу сигналов F от источников и приемников сообщений. Сигналы в группе имеют различные частоты. Часть указанных ниже оптических сигналов, поступающих на фотоприемники, инициируют в них электрический сигнал, управляющий пропускной способностью модулятора.
Ретрорефлектор возвращает поступающий на него оптический сигнал в направлении источника этого сигнала.
i
k
j
k
s
2s
2s
3s
3s
j
3s
s
3s
2s
s
s
3s
s
k
j
Источник S, чтобы послать сообщение приемнику R, посылает в RCM, выделенный для соединения с R, сигналы группы F: сигналы сообщения f на частоте f и одновременно непрерывный сигнал f на частоте f. Здесь все используемые сигналами частоты обозначаются, как и соответствующие сигналы. Приемник непрерывно посылает в RCM сигнал f из группы F на частоте f. Получив от источника очередной сигнал f, фотоприемник FR действует на модулятор M, который на время действия этого сигнала перекрывает поступление сигнала f на ретрорефлектор RRF. В результате приемник R зафиксирует поступление в RCM сигнала источника.
2s
s
s
3s
Для посылки ответных сигналов от приемника к источнику приемник посылает источнику ответный сигнал f, который, пройдя через фотоприемник FR, действует на модулятор M, и источник зафиксирует поступление в RCM сигнала приемника в результате модуляции сигнала f источника.
s
2s
3s
2s0
3s0
Для расширения способов взаимодействия объектов можно увеличить набор сигналов в группе F и вводить для работы с ними дополнительные селективные фотоприемники и модуляторы. В частности, это позволит ускорить и упростить обнаружение искажений сообщений, применяя передачу источником разрядов сообщения на разных частотах - частотами f и f для сигнала 1 и частотами f и f для сигнала 0. На дополнительной частоте можно передавать синхросигналы.
s
r
s
r
На фиг.3 показан пример такой конструкции RCM с группой фотоприемников и модуляторов. Здесь между объектами и ретрорефлектором последовательно размещены узлы FR, FR, M и M, что предъявляет к фотоприемникам и модуляторам более жесткие требования - каждый из них должен реагировать только на сигналы соответствующей ему частоты.
Электрические сигналы каждого фотоприемника на фиг.3 действуют одновременно на оба модулятора, как это требуется для разрешения конфликтов на входе приемника, но в зависимости от задачи соединения фотоприемников с модуляторами можно изменять.
2s
3s
2s
3s
Для устранения частотной зависимости фотоприемника и модулятора в RCM следует в RCM фиг.2 расположить фотоприемник вне пути сигналов, поступающих в ретрорефлектор. Для этого направляемые на ретрорефлектор сигналы f и f разделяются по частоте перед поступлением на модулятор и ретрорефлектор на два потока, один из которых f направляется на фотоприемник, второй f направляется на модулятор и в ретрорефлектор.
2s
3s
В разделении по частоте нет необходимости, если поток сигналов f и f имеет сечение, охватывающее вход в модулятор и ретрорефлектор, а также охватывающее вход в фотоприемник, расположенный вне входа в модулятор и ретрорефлектор.
В приведенных взаимодействиях источника и приемника от RCM не требуется генерация оптических сигналов и энергия нужна только для изменения состояния модуляторов сигналов.
i
r
1
На фиг.4 показана структура коммутатора, обеспечивающая связи n объектов O с n стыковочными модулями RCM. Сплошными линиями показаны связи приемников сообщений с модулями RCM. Эти связи приемники устанавливают заданием в демультиплексоре адреса RCM, который выделен данному приемнику. Источник сообщения для связи с приемником сообщения направляет свой сигнал в RCM этого приемника. На фиг.4 объект O для отправки сообщения приемнику O направляет его в RCM, из которого его получает приемник (штрихпунктирные линии).
Из изложенного следует, что технические средства источника и приемника одинаковы, одинаковы также используемые ими RCM. Отличие в способе использования RCM, которые выделяются только приемникам.
Способ устранения конфликта на входе в стыковочный модуль (внешнего конфликта). Уточним термин «внешний конфликт» применительно к конфликтам, возникающим при замене отказавшего стыковочного модуля работоспособным. Как указано выше, один из способов борьбы с отказами модулей заключается в предоставлении одного модуля нескольким приемникам. При этом возможны конфликты при обращении нескольких источников к группе приемников, разделяющих общий модуль, что эквивалентно обращению к общему для этих приемников стыковочному модулю. Такие конфликты не вызваны внутренней структурой предложенной коммутации. Внешние конфликты возникают и в системах управления, где трудно синхронизовать действия источников.
В данном разделе рассмотрен способ устранения внешних конфликтов доступа к приемнику с применением RCM.
3s
Источник начинает передачу сообщения приемнику, если RCM приемника не модулирует сигналы f данного источника в течение заданного интервала времени, что означает отсутствие передачи сообщений других источников данному приемнику.
Если к модулю RCM подключается несколько приемников, то способ разрешения конфликта на входе RCM требует выполнения следующих шагов.
Шаг 1. Источники сообщений измеряют (в текущий момент времени или заранее) интервал времени прохода сигнала между источником и RCM. Свойства ретрорефлектора позволяют всем источникам выполнять это измерение одновременно.
Шаг 2. Источники сообщений обнаруживают появление конфликта по искажению сообщения и синхронизируются для выполнения шага 3.
Шаг 3. Синхронизованные источники проводят процедуру упорядочения во времени передачи своих сообщений.
Шаг 4. Упорядоченные источники передают свои сообщения одно за другим как единое сообщение без временных пробелов между ними.
i
i
s
1s
s
s
i
Операции шага 1. Каждый источник сообщений S измеряет интервал времени T прохода сигнала между объектом и RCM. Для этого в группу сигналов F введен сигнал f, который проходит через модулятор M без модуляции и возвращается ретрорефлектором RRF источнику сигнала, что позволяет последнему измерить T.
s
2s
3s
Операции шага 2. Первый способ: источник при передаче сообщения, используя M, сигналами f модулирует возвращаемые в источник сигналы f и обнаружение их искажения - сообщение о конфликте и сигнал для перехода к шагу 3.
3s
2s
2s
s
s
3s
Второй способ: конфликт обнаруживает приемник. Он при помощи своих сигналов f получает сигналы f источника, их искажение считает признаком конфликта и сигналами f посылает в RCM сообщение о конфликте. Это сообщение с помощью RRF и M превращается в возвращаемое источнику сигналами f сообщение о конфликте и служит сигналом перехода к шагу 3.
Операции шага 3. Источникам известно l - количество источников, которым разрешено обращаться к данному приемнику. В частности l равно n. Все эти источники упорядочены. Полученное на шаге 2 сообщение о конфликте инициирует синхронизацию дальнейших действий источников.
i
i
max
i
max
i
max
Конфликтующие источники посылают в RCM координирующее двоичное сообщение, содержащее l разрядов. Посылка этих сообщений выполняется так. Обнаружив конфликт (шаг 2), конфликтующий источник S с задержкой T=T-T посылает сообщение в RCM. Здесь T≥maxT. Все такие сообщения поступят в RCM одновременно, с задержкой T после завершения шага 2. Таким образом, все сообщения группы источников в RCM накладываются одно на другое и представят собой единое сообщение. В него каждый конфликтующий источник вносит единицу в разряд сообщения, соответствующий порядковому номеру (приоритету) источника. Сообщение получат все его источники, что позволит им определить момент времени начала передачи своего сообщения на шаге 4. Длительность этого сообщения известна источникам и его окончание синхронизует шаг 4.
i
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>T</mi><mo>˜</mo></mover><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>T</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>T</mi><mi>i</mi></msub><mo>+</mo><mi>Q</mi></mrow>
Операции шага 4. Завершив шаг 3, каждый конфликтующий источник S передает свое сообщение с задержкой
, где Q - суммарная длительность сообщений, переданных источниками с более высоким приоритетом (Q известно источнику). Конфликт устранен.
i
i,j
i
j
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>T</mi><mo>˜</mo></mover><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><mi>Q</mi><mo>+</mo><mi>τ</mi></mrow>
Замечание. Использовать T не требуется, если на шаге 3 скорость передачи сигналов достаточно низкая и сдвиг в передаче сигналов источниками не приводил к наложению разрядов в сообщении шага 3, т.е., max |T-T|<τ, i,j=1, …, l, где τ - пауза между сигналами сообщения шага 3. При этом на шаге 4 сообщения надо передавать с задержкой
, которая исключает наложение сообщений, но не требует ограничивать скорость передачи сообщения.
Способ борьбы с отказами RCM. В коммутаторе возможны два вида отказов - отказы в демультиплексорах и в RCM. Отказ в демультиплексоре не является системным, он отключает от системы только владеющий им объект и должен обнаруживаться и нейтрализоваться средствами объекта.
Модули RCM находятся вне объекта и с их отказами надо бороться системными средствами. Используются два способа. Первый способ в центр добавляет резервные RCM. При обнаружении отказа конкретного RCM выполнятся переход приемника и источников на один из резервных RCM. Во втором способе при отказе RCM приемник разделяет один из работоспособных RCM с другими приемниками. В обоих случаях источники и приемники сообщений должны обнаруживать отказы в RCM и иметь информацию для перехода к новому RCM.
2s
3s
3s
2s
Объект для обнаружения отказа RCM посылает в проверяемый RCM контрольное сообщение сигналами f и непрерывный сигнал f. При исправном RCM объект получит от RCM сигнал f, модулированный посланными источником сигналами f. Это означает исправность RCM.
Если достаточно только получить от RCM модулированные сигналы, игнорируя возможное несовпадение посланного и полученного сообщений, то в таких операциях может одновременно участвовать группа объектов.
После обнаружения отказа требуется указать, к какому из исправных RCM следует перейти. Для этого в систему введен объект - корректировщик отказов. Все объекты имеют дополнительный демультиплексор, связывающий объект с корректировщиком (требуется именно демультиплексор, так как может потребоваться сменить корректировщика). Объект, обнаруживший отказавший RCM, сообщает об этом корректировщику, который назначает всем объектам новый RCM взамен отказавшего.
Для перехода к работоспособному RCM можно также использовать статические таблицы правил перехода, хранящиеся в объектах.
Заменяемый RCM может быть резервным или уже выделенным одному из объектов-приемников. Переход к резервному RCM не изменяет свойства системы. Если же переключение выполняется на уже занятый приемником RCM, то может потребоваться, чтобы приемники созданной группы выдавали сигналы в RCM синхронно, действуя как один объект. Это надо, например, в приведенной выше «операции шага 2» в разделе «устранение внешнего конфликта».
i
max
i
max
i
Для того чтобы группа объектов-приемников действовала как один приемник, они применяют приведенные выше времена T и T. Обнаружив начало сообщения, приемники с задержкой T=T-T отправляют сигналы сообщения в RCM.
Использование одного RCM группой приемников позволяет регулировать сложность центра и, что особенно важно, сохранять его работоспособность при множественных отказах в центре ценой постепенного уменьшения пропускной способности коммутатора. В пределе, при наличии только одного RCM центр превращается в разделяемый всеми источниками общий канал связи.