СРАВНЕНИЕ МАРШРУТИЗАЦИИ, ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПО ДИНАМИЧЕСКОЙ РЕКОНФИГУРАЦИИ ДЛЯ ПРОТОКОЛОВ SPACEWIRE И ETHERNET

ROUTING MECHANISMS COMPARISON, EVALUATION OF DYNAMIC RECONFIGURATION CAPABILITIES FOR SPACEWIRE AND ETHERNET PROTOCOLS

Natalya Lega

master's degree student, Saint-Petersburg State University of Aerospace Instrumentation,

Russia, Saint-Petersburg

Elena Suvorova

PhD. Tech. Sciences, Associate Professor, Saint-Petersburg State University of Aerospace Instrumentation,

Russia, Saint-Petersburg

АННОТАЦИЯ

Возможности по динамической реконфигурации требуются для большинства современных локальных сетей, как сетей общего назначения, так и специализированных. Данная статья посвящена сравнению характеристик и форматов пакетов SpaceWire и Ethernet и исследуется маршрутизация в данных технологиях, возможности по динамической реконфигурации.

ABSTRACT

Dynamic reconfiguration capabilities are required for most modern local area networks, both general-purpose and specialized networks. This article is devoted to comparing the characteristics and formats of SpaceWire and Ethernet packets and examines routing in these technologies, dynamic reconfiguration possibility.

Ключевые слова: Ethernet, SpaceWire, сетевой уровень, маршрутизация, динамическая реконфигурация.

Keywords: Ethernet, SpaceWire, network layer, routing, dynamic reconfiguration.

Благодарности

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации, соглашение № FSRF-2023-0003, "Фундаментальные основы построения помехозащищенных систем космической и спутниковой связи, относительной навигации, технического зрения и аэрокосмического мониторинга".

Введение

Стандарт SpaceWire [1] в настоящее время широко используется во многих сетях аэрокосмического назначения. Протокол Ethernet [2], широко используется для различных сетей, как для бытовых, так и для сетей промышленного назначения. SpaceWire является более специализированным протоколом, предназначенным для космических технологий, для которого гарантированное время доставки данных является одним из важнейших требования, в то время как Ethernet является более универсальным и распространённым протоколом для различных сетей, к большей части которых не предъявляются требования жесткого реального времени.

Форматы передаваемых объектов данных и правила их маршрутизации, используемые в этих стандартах, очень существенно различаются. Вследствие этого различаются и характеристики сетей, в частности, возможности по динамической реконфигурации. Возможности по динамической реконфигурации очень важны для большинства современных сетей, поскольку добавление и исключение оборудования в них происходит достаточно регулярно. Данная статья предлагает сравнение форматов пакетов и механизмов маршрутизации в сетях Ethernet и SpaceWire.  Будет рассмотрена структура пакетов и способы адресации, возможности по динамической реконфигурации сети в процессе функционирования.

Краткая информация о протоколах

На рисунке 1 представлен пакет стандарта SpaceWire, который состоит из трех полей: адрес назначения, данные и символ конца пакета. Адрес назначения может быть равным нулю при соединении «точка-точка». Размер передаваемых данных не ограничен [1]. В конкретной сети длина пакетов определяется требованиями прикладного уровня. Символ конца пакета может быть, либо символом нормального конца пакета (EOP), либо ошибочным (EEP).

Рисунок 1. Формат пакет SpaceWire

В отличии от SpW в Ethernet для передачи данных используются фреймы, допустимая длина которых фиксирована. На рисунке 2 изображен фрейм Ethernet, в котором есть MAC адреса назначения и источника, тип данных, полезные данные и контрольная сумма. Размер поля с полезными данными ограничен 1500 байтами [2]. Данный фрейм содержит довольно большое количество служебной информации, по сравнению с пакетом SpaceWire. В настоящее время возможно использование более длинных фреймов Jumbo для передачи больших объектов данных, что позволяет снизить долю служебной информации. Но такие фреймы поддерживаются на всеми сетевыми устройствами, их использование разрешено не во всех сетях.

Рисунок 2. Формат фрейма Ethernet

Маршрутизация в SpaceWire

Маршрутизация у SpaceWire [1] и Ethernet [2] происходит на сетевом уровне. Далее представлено более подробное описание процесса маршрутизации в каждом стандарте.

В SpaceWire маршрутизатор передаёт пакеты от входного порта коммутатора, куда поступает пакет, на конкретный выходной порт, определяемый адресом назначения. В SpW используется «червячная маршрутизация», которая относится к методу коммутации «на лету». В данном методе при поступлении заголовка пакета во входной порт маршрутизатора сразу выбирается выходной порт и начинается сквозная передача пакета (занимается выходной порт, пакет в маршрутизаторе полностью может не буферироваться) до прохождения символа конца пакета (коммутация прекращается и выходной порт освобождается). Существует три способа адресации: путевая, логическая и регионально-логическая. При путевой адресации адрес назначения задается последовательностью номеров выходных портов [1]. В маршрутизаторе пакет отправляется в выходной порт, в соответствии с заданным номером. Когда пакет прошел через маршрутизатор, удаляется первый символ из поля адресов. Следовательно, в узел-приемник пакет придет без сетевого заголовка. На рисунке 3 изображен пример маршрутизации с помощью путевой адресации.

Рисунок 3. Удаление заголовка пакета

При логической адресации каждому узлу, участвующему в маршрутизации, присваивается уникальный логический адрес. При посылке пакета от источника, в заголовок пакета вставляется логический адрес. В маршрутизаторах должны быть заданы таблицы маршрутизации, в которых каждому действительному логическому адресу ставится в соответствие номер выходного порта (или несколько номеров в случае использования широковещательной рассылки).

Маршрутизатор, основываясь на таблице маршрутизации, определяет номер выходного порта для поступившего пакета. В отличии от путевой адресации, заголовок не удаляется при пересылке. На рисунке 4 показана часть маршрутизации при логической адресации, где ЛА – логический адрес.

Рисунок 4. Пример маршрутизации при логической адресации

При регионально-логической адресации используется логическая адресация в сочетании с удалением заголовков. (Необходимость удаления заголовка указывается в таблице маршрутизации наряду с номером выходного порта.) Это упрощает многоуровневые схемы логической адресации. Для отправки пакета в удаленную область используется двойной логический адрес (или несколько адресов). В данном случае первый логический адрес представляет маршрут из региона-источника в регион назначения, а второй – локальный адрес в регионе назначения. Когда пакет прибывает в регион назначения, коммутатор маршрутизации, который передает пакет в регион назначения, удаляет первый логический адрес, делая локальный адрес видимым для последующей локальной маршрутизации. На рисунке 5 приведен пример маршрутизации при регионально-логической адресации.

При использовании стандарта SpaceWire [1] длина сетевого заголовка не ограничена. Это обеспечивает возможность формировать сети произвольного размера (с произвольным количеством абонентов) за счет использования путевой и регионально-логической адресации. Начальные значения таблиц маршрутизации могут быть загружены в начале работы, если структура сети, пути передачи данных в ней заранее определены. Наряду с этим структура сети может быть определена уже в ходе работы за счет использования алгоритма администрирования. В сети SpaceWire могут использоваться различные алгоритмы администрирования (они не определены стандартом) [3]. В ходе работы этих алгоритмов для исследования структуры сети может использоваться путевая адресация, для которой не требуется заполнение таблиц маршрутизации.

Если в процессе функционирования структура сети изменяется (добавляются или исключаются отдельные узлы или подсети), то в таблицы маршрутизации могут быть внесены соответствующие изменения. Эти действия осуществляются алгоритмами администрирования. Алгоритмы могут детектировать изменения структуры сети за счет периодического опроса устройств или при получении от устройств сообщений о изменениях их состояния. Например, это может быть установка соединения по порту, по которому подключение ранее отсутствовало.

При использовании стандарта SpaceWire пути передачи данных между пользовательскими приложениями формируются заранее. (Начальный набор путей может вычисляться на этапе разработки сети и в дальнейшем в ходе эксплуатации при возникновении изменений алгоритмы администрирования могут определять новые пути передачи данных.) Это позволяет использовать сети с произвольными топологиями, в том числе и с наличием циклов на физическом уровне, а также, выполнять произвольные изменения топологии на этапе эксплуатации [4, 5]. В сетях с циклами на физическом уровне пути передачи данных должны формироваться таким образом, чтобы в них циклов не было. (Достигается за счет использования соответствующих алгоритмов формирования путей.) Это позволяет исключить взаимоблокировки при передаче данных, соответственно исключить потерю данных. Выполнение этих действий связано с дополнительными накладными расходами на передачу служебной информации, но является очень важным для большинства сетей, в которых применяется стандарт SpaceWire.

Таким образом, механизмы динамической реконфигурации SpaceWire могут использоваться в сетях с произвольной топологией, обеспечивают формирование набора путей, не содержащего циклов, что позволяет исключить потери данных из-за взаимоблокировок пакетов. Время реакции на изменения в сети зависит от периода опроса состояния сети администраторами. Обновление таблиц маршрутизации осуществляется по мере возникновения изменений в сети.

Рисунок 5. Маршрутизация при регионально-логической адресации

Маршрутизация в Ethernet

При маршрутизации в сети Ethernet используется MAC-адрес сетевого адаптера и IP- адрес узлов в сети. В стеке TCP/IP маршрутизаторы и конечные узлы принимают решения о том, кому передавать пакет для его успешной доставки узлу назначения, на основании так называемых таблиц маршрутизации. Когда узел хочет отправить пакет данных, он сначала определяет IP-адрес получателя. Для отправки пакета требуется знание его локального адреса, но в стеке TCP/IP в таблицах маршрутизации принято использование только IP-адресов для сохранения их универсального формата. Для нахождения локального адреса по известному IP-адресу необходимо воспользоваться протоколом ARP [6, 7, 8]. В ARP таблице может быть прописано соответствие аппаратного (MAC) и сетевого адреса. Если запись есть, то пакет посылается получателю, в противном случае ARP источника формирует запрос по широковещательному аппаратному адресу. Все узлы получают этот запрос и отправляют своему ARP. Как только ARP получателя «увидел», что ищут его, посылает ARP-ответ на аппаратный адрес отправителя. В таблицу источника добавляется новая запись, соответствующая MAC-адресу получателя и тем самым пакет будет доставлен верно. На рисунке 6 показан пример сети для демонстрации работы ARP-протокола. Таким образом, в этом случае таблицы адресов, в отличие от стандарта SpaceWire обновляются динамически по мере необходимости. Если в сети происходит изменение, то оно повлияет на содержимое таблиц только после того, как по сети начнут передаваться пользовательские пакеты, адресатов которых касается это изменение. Вследствие этого время передачи каждого первого после такого изменения пакета может оказаться существенно (в разы) больше, чем передача последующих пакетов. Отсутствие циклов при выборе пути при этом в общем случае не гарантируется. При использовании этого способа часть данных может быть потеряна. Соответственно, данный подход ориентирован, прежде всего, на сети без требования гарантированности данных, гарантированного времени доставки данных.

Рисунок 6. Пример сети для демонстрации работы ARP-протокола

Заключение

В результате сравнения описания SpaceWire и Ethernet можно прийти к следующим заключениям:

1. Оба протокола используют уникальную идентификацию узла. Ethernet с помощью MAC-адреса, в то время как SpaceWire – номер узла (номера приложения внутри узла).
2. В пакете SpW на сетевом уровне не указывается адрес источника и тип данных (указывается в символе данных). Во фрейме Ethernet указывается адрес источника и тип данных.
3. Оба протокола используют таблицы маршрутизации. В таблице SpW указывается соответствие логического (регионально-логического) адреса и номера порта. В Ethernet – MAC-адрес и IP-адрес.
4. Скорость в технологии SpaceWire достигает 400 Мбит/с, а Ethernet – 100 Mбит/бит для FastEthernet и 1000 Мбит/с для GigabitEthernet [9].
5. В обоих стандартах возможны динамические изменения структуры сети. В стандарте SpaceWire они выявляются периодически и выполняются соответствующие изменения настроек таблиц маршрутизации. В стандартах на базе Ethernet, они выявляются по мере того, как оказываются востребованными, что приводит к дополнительным задержкам при передаче пакетов.

Таким образом, в отличие от стандарта Ethernet, стандарт SpaceWire обеспечивает возможности динамической реконфигурации с сохранением гарантированности доставки данных и гарантированного времени доставки данных. Но для этого требуются дополнительные накладные расходы на передачу служебной информации.

Список литературы:

1. ECSS Standart ECSS-E-50-12C, “SpaceWire, Links, Nodes, Routers and Networks”, Issue 1, European Cooperation for Space Standardization, May, 2019.
2. IEEE STANDARTS ASSOCIATION, IEEE Standart for Ethernet, New York, USA, July 2022.
3. М.А. Иванов, М.Б. Лыткин, Ловчиков А.Н Диагностика сети SpaceWire /Актуальный проблемы авиации и космонавтики. — 2013. — № 9. — С. 361-363.
4. Yuriy Sheynin, Valentin Olenev, Irina Lavrovskaya, Ilya Korobkov, Lev Kurbanov Computer-Aided Design System for Onboard SpaceWire Networks// 8^th International SpaceWire Conference 14^th – 18^th May 2018 Los Angeles, USA -C. 220- 227.
5. Ludwig von Feilitzen, Prof. Dr. Pawel Buczek, Prof. Dr. Lutz Leutelt SpaceWire driver and ECSS protocol handling for mission-critical applications running on a LEON4 processor [Электронный ресурс] // сайт. – URL: https://reposit.haw-hamburg.de/bitstream/20.500.12738/14498/1/von_Feilitzen.pdf (дата обращения: 19.09.2024)
6. David C. Plummer An Efficient Address Resolution Protocol / David C. Plummer [Электронный ресурс] // November 1982. — URL: https://datatracker.ietf.org/doc/html/rfc826 (дата обращения: 20.09.2024).
7. Md. Ataullah, Naveen Chauhan, ES-ARP: an Efficient and Secure Address Resolution Protocol// IEEE Students` Conference on Electrical, Electronics and Computer Science, 2012.
8. Yongzhen Li, Jing Li// The Research on ARP Protocol Based Authentication Mechanism // International Conference on Applied Mathematics, Simulation and Modelling (AMSM 2016) – C. 72 - 75
9. Олифер В. Г., Олифер Н. А. Глава 13. Коммутируемые сети Ethernet // Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. — 4-е изд. — СПб.: Питер, 2010. — С. 432. — 4500 экз. — ISBN 978-5-49807-389-7.