Высокопродуктивные системы реального времени для крупномасштабных приложений
The article discusses creation of highly productive real-time systems based on data-centric architecture. For performance issues, efficiency and maintainability of such systems it is proposed using technology of data distribution based on the data distribution service (DDS), with time synchronizatio...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Комп’ютерні засоби, мережі та системи |
|---|---|
| Datum: | 2014 |
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
2014
|
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/84831 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Высокопродуктивные системы реального времени для крупномасштабных приложений / С.В. Зинченко // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2014. — № 13. — С. 69-77. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-84831 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Зинченко, С.В. 2015-07-16T06:00:24Z 2015-07-16T06:00:24Z 2014 Высокопродуктивные системы реального времени для крупномасштабных приложений / С.В. Зинченко // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2014. — № 13. — С. 69-77. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 1817-9908 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/84831 519.95: 518.0: 621.391: 681.325 The article discusses creation of highly productive real-time systems based on data-centric architecture. For performance issues, efficiency and maintainability of such systems it is proposed using technology of data distribution based on the data distribution service (DDS), with time synchronization based on IEEE 1588. Розглянуті питання створення високопродуктивних систем реального часу на базі датацентричної архітектури з використанням технології розподілу даних (DDS), з підтримкою стандарту синхронізації часу IEEE 1588. Рассмотрены вопросы создания высокопродуктивных систем реального времени на базе дата-центрической архитектуры с использованием технологии распределения данных (DDS), с поддержкой стандарта синхронизации времени IEEE 1588. ru Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України Комп’ютерні засоби, мережі та системи Высокопродуктивные системы реального времени для крупномасштабных приложений Highly productive real-time systems for the large-scale applications Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Высокопродуктивные системы реального времени для крупномасштабных приложений |
| spellingShingle |
Высокопродуктивные системы реального времени для крупномасштабных приложений Зинченко, С.В. |
| title_short |
Высокопродуктивные системы реального времени для крупномасштабных приложений |
| title_full |
Высокопродуктивные системы реального времени для крупномасштабных приложений |
| title_fullStr |
Высокопродуктивные системы реального времени для крупномасштабных приложений |
| title_full_unstemmed |
Высокопродуктивные системы реального времени для крупномасштабных приложений |
| title_sort |
высокопродуктивные системы реального времени для крупномасштабных приложений |
| author |
Зинченко, С.В. |
| author_facet |
Зинченко, С.В. |
| publishDate |
2014 |
| language |
Russian |
| container_title |
Комп’ютерні засоби, мережі та системи |
| publisher |
Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Highly productive real-time systems for the large-scale applications |
| description |
The article discusses creation of highly productive real-time systems based on data-centric architecture. For performance issues, efficiency and maintainability of such systems it is proposed using technology of data distribution based on the data distribution service (DDS), with time synchronization based on IEEE 1588.
Розглянуті питання створення високопродуктивних систем реального часу на базі датацентричної архітектури з використанням технології розподілу даних (DDS), з підтримкою стандарту синхронізації часу IEEE 1588.
Рассмотрены вопросы создания высокопродуктивных систем реального времени на базе дата-центрической архитектуры с использованием технологии распределения данных (DDS), с поддержкой стандарта синхронизации времени IEEE 1588.
|
| issn |
1817-9908 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/84831 |
| citation_txt |
Высокопродуктивные системы реального времени для крупномасштабных приложений / С.В. Зинченко // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2014. — № 13. — С. 69-77. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT zinčenkosv vysokoproduktivnyesistemyrealʹnogovremenidlâkrupnomasštabnyhpriloženii AT zinčenkosv highlyproductiverealtimesystemsforthelargescaleapplications |
| first_indexed |
2025-11-26T17:31:11Z |
| last_indexed |
2025-11-26T17:31:11Z |
| _version_ |
1850765562707181568 |
| fulltext |
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2014, № 13 69
S.V. Zinchenko
HIGHLY PRODUCTIVE
REAL-TIME SYSTEMS FOR THE
LARGE-SCALE APPLICATIONS
The article discusses creation of
highly productive real-time systems
based on data-centric architecture.
For performance issues, efficiency
and maintainability of such systems
it is proposed using technology of
data distribution based on the data
distribution service (DDS), with time
synchronization based on IEEE 1588.
Key words: real time, data-centric
system, highly productive system.
Розглянуті питання створення
високопродуктивних систем реа-
льного часу на базі датацентрич-
ної архітектури з використанням
технології розподілу даних (DDS),
з підтримкою стандарту синхроні-
зації часу IEEE 1588.
Ключові слова: реальний час, да-
тацентрична система, високоп-
родуктивна система.
Рассмотрены вопросы создания
высокопродуктивных систем ре-
ального времени на базе дата-
центрической архитектуры с
использованием технологии рас-
пределения данных (DDS), с под-
держкой стандарта синхрониза-
ции времени IEEE 1588.
Ключевые слова: реальное время,
датацентрическая система, вы-
сокопродуктивная система.
С.В. Зинченко, 2014
УДК:519.95: 518.0: 621.391: 681.325
С.В. ЗИНЧЕНКО
ВЫСОКОПРОДУКТИВНЫЕ
СИСТЕМЫ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ
ДЛЯ КРУПНОМАСШТАБНЫХ
ПРИЛОЖЕНИЙ
Введение. Современные крупномасштабные
приложения характеризуются тремя основ-
ными свойствами: сбор и обработка данных в
реальном масштабе времени, причем, суще-
ственным является как количество переда-
ваемых данных, так и объектов, вовлеченных
в этот обмен данными, они различны и могут
даже измениться в течение некоторого вре-
мени. Например, авиа диспетчерская служба,
финансовая обработка транзакций, командо-
вание и управление боевыми действиями
сухопутных или военно-морских сил, или
системы автоматизации производства, явля-
ются примерами датацентрических систем [1].
Датацентрическая архитектура сглажи-
вает информацию или шаблоны распределе-
ния данных, делая источники данных дос-
тупные для любого санкционированного уз-
ла в сети, который хочет использовать дан-
ные [2]. Она позволяет децентрализовать
приложения на серверах и рассредоточить их
на сетевых компьютерах. В децентрализо-
ванных или распределенных системах на-
много проще обеспечить отказоустойчивость
и масштабируемость.
Для децентрализации систем в реальном
времени необходимо использовать новые
технологии при построении коммутируемых
сетей передачи данных. Аппаратная часть
коммутируемых сетей должна обеспечивать
достаточную производительность по каналам
передачи данных в реальном времени.
Сетевое программное обеспечение должно
обеспечивать взаимодействие в реальном
С.В. ЗИНЧЕНКО
70 Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2014, № 13
времени программных компонентов и служб распределения данных и синхрони-
зации времени. Служба распределения данных (DDS) определяет publisher-
subscriber механизм, устанавливающий соответствие между топологией и воз-
можностями коммутируемой сети (рис. 1) [3]. Избыточность и гибкость аппа-
ратного уровня достигается, по необходимости, добавлением или удалением
сетевых узлов и/или коммутированием для разворачивания или сворачивания
сетевой структуры. Избыточность и гибкость программного уровня достигает-
ся, по необходимости, добавлением или удалением производителей (источни-
ков) и потребителей данных DDS. Комбинация коммутируемой сети и DDS
позволяет аппаратным средствам и программному обеспечению адаптировать-
ся к изменяющимся системным требованиям.
Узлы
Узлы
Ко
мм
ут
ир
уе
ма
я
се
ть
РИС. 1. DDS механизм устанавливающий соответствие между топологией и возможностями
коммутируемой сети
Использование коммутируемых сетей передачи данных и DDS при создании
комплексных, распределенных систем позволяет решить ряд сложнейших про-
блем, возникающих при использовании централизованного подхода. В таблице
показаны общие требования и проблемы, с которыми сталкиваются разработчи-
ки при использовании централизованного подхода. Сложность разрабатываемо-
го ПО, в этом случае, увеличивает время разработки системы и усложняет по-
следующее ее обслуживание. В некоторых случаях сложность реализации про-
екта настолько высока, что возникает вопрос о целесообразности его создания.
ВЫСОКОПРОДУКТИВНЫЕ СИСТЕМЫ РЕАЛЬНОГО …
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2014, № 13 71
ТАБЛИЦА. Общие требования, существующие решения и проблемы производительности,
работоспособности и обслуживаемости
Требования Необходимость Существующие
решения Проблемы
П
ро
из
во
ди
те
ль
но
ст
ь – увеличение
функциональных
требований для
новых систем;
– увеличение тре-
бований для раз-
вернутых систем
– различные
схемы соедине-
ния параллель-
ной шины;
– последова-
тельные соеди-
нения типа
Ethernet
– ограниченное физи-
ческое разделение
плат (обычно <1м);
– ограниченная полоса
пропускания, высокие
протокольные потери,
недетерминированная
производительность,
если не использовать
специализированных
протоколов
Ра
бо
то
сп
ос
об
но
ст
ь
– общедоступные
или отказоустой-
чивые системы
– избыточные
шины, платы
или полностью
избыточные
системы
– сложная логика об-
хода отказа и дорогое
аппаратное дублиро-
вание;
– если решено, при
наличии избыточной
«резервной» системы,
то, в дополнение к
расходам, решение
занимает дополни-
тельное физическое
пространство
О
бс
лу
ж
ив
ае
мо
ст
ь – уменьшение
стоимости жиз-
ненного цикла
системы;
– упрощение об-
новления системы
– проектирова-
ние с учетом
резервирования
слотов для бу-
дущих процес-
соров
– требуется изменение
архитектуры ПО для
использования на но-
вых процессоров
Шина коммутирующих устройств уникальна тем, что позволяет всем узлам
на шине "логически" связываться со всеми другими узлами (рис. 2). Каждый
узел физически подключен к одному или нескольким коммутаторам. Коммута-
торы могут быть подключены друг к другу. Эта топология избыточной или
"коммутируемой" сети, в которой могут быть один или более избыточных физи-
ческих трактов между любыми двумя узлами. Узел может быть логически под-
С.В. ЗИНЧЕНКО
72 Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2014, № 13
ключен с любым другим узлом через коммутатор(ы). Логический тракт – вре-
менный и может быть реконфигурирован или переключен между доступными
физическими соединениями. Коммутируемые сети, среди других особенностей,
могут использоваться для обеспечения отказоустойчивости и масштабируемости
без непредсказуемого ухудшения производительности.
Основной маршрут
Вспомогательный маршрут
Избыточные связи
В случае отказа основного
маршрута, автоматически
будет задействован
вспомогательный маршрут
РИС. 2. Интегрированные и внешние коммутаторы обеспечивают избыточный путь комму-
тируемой сети
Служба распределения данных (DDS). Она используется для распределе-
ния данных в реальном времени. DDS, характеризуется рядом Издателей, и
Подписчиков (publisher-subscriber) (рис. 3), обменивающихся данными с помо-
щью топиков. Топик идентифицируется названием и типом данных. Издатель
данных объявляет намерение опубликовать данные в топик; подписчик данных
регистрирует свой интерес в получении данных, изданных в топике. Управляю-
щее ПО поставляет данные, опубликованные в топике издателем подписчикам,
подписавшимся на этот топик. Издатель может публиковать множество топиков,
а потребитель может подписаться на их множество.
Уровень управляющего ПО изолирует производителей данных от потреби-
телей, тем самым разделяет издателей от подписчиков; они не знают физические
адреса друг друга, и являются анонимными. Такой подход позволяет создавать
сложные шаблоны распределения данных при минимальных затратах ресурсов и
времени. Анонимность упрощает определение избыточных издателей для отка-
зоустойчивых систем. Управляющее ПО также упрощает подключение и удале-
ние узлов из сети, приложений, перемещаемых от узла к узлу как требуется в
сбалансированных системах.
Издатели отправляют данные непосредственно подписчикам, без посред-
ников. Так как подписчики получают данные, базируясь только на топике
(название и тип), а не на абсолютном адресе, мы можем резервировать изда-
ВЫСОКОПРОДУКТИВНЫЕ СИСТЕМЫ РЕАЛЬНОГО …
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2014, № 13 73
телей для создания устойчивых сценариев восстановления после отказа, как
показано на рис 4.
A Подписчик
1
AИздатель
1
B
AИздатель
2
С
Издатель
3
B
A Подписчик
2
С
Подписчик
3
A
Коммутируемая
сеть
РИС. 3. DDS обеспечивает прямую анонимную связь между издателями и потребителями
данных. У топика A есть первичный издатель 1, и резервный издатель 2. Отметим,
что номинально, когда издатель 1 является активным, потребители не получают дан-
ные от резервного издатель 2
A Подписчик
1
AИздатель
1
B
AИздатель
2
С
Издатель
3
B
A Подписчик
2
С
Подписчик
3
A
Коммутируемая
сетьВыход из
строя
РИС. 4. DDS предусматривает автоматическое восстановление после отказа. Когда первич-
ный издатель 1 топика А выходит из строя, управляющее ПО автоматически пере-
ключается на резервный издатель 2 топика А. Подписчики получают непрерывные
данные
С.В. ЗИНЧЕНКО
74 Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2014, № 13
Важнейшое свойство DDS – это своя способность к гибкому и точному оп-
ределению требований производительности между всеми частями системы. Оно
определяется использованием параметров QoS. Параметры QoS конфигурируют
систему, и согласуют издателей и подписчиков, точно определяя, как информа-
ция должна распространяться между узлами. Согласованность QoS обеспечива-
ет предсказываемость производительности и контроль за системными ресурса-
ми, в реальном масштабе времени, сохраняя модульность, масштабируемость и
живучесть publisher-subscriber модели.
Параметры QoS управляют фактически каждым аспектом модели DDS и ос-
новных связующих механизмов. Управляющее ПО DDS отвечает за предостав-
ление подписчику издателем необходимых данных по запросу, при этом, уста-
навливая связь или указывая ошибку несовместимости. При этом обеспечивая
гарантии того, что участники обмена данными получают необходимый, для сис-
тем реального времени, уровень обслуживания.
Синхронизация времени. Существование системы не возможно без меха-
низмов синхронизации времени ее компонентов. Стандарт IEEE 1588 позволяет
осуществлять очень точную синхронизацию в сети Ethernet [4]. Протокол PTP
первоначально был создан компанией Agilent для задач контроля и управления.
Метод синхронизации базируется на работах Джона Эйдсона (John Eidson), он
как председатель комитета по стандартизации был ответственным за одобрение
стандарта в ноябре 2002 г. Протокол предназначен для использования в неболь-
ших однородных, а также неоднородных локальных сетях. Особое внимание его
разработчики уделили минимизации необходимых вычислительных ресурсов,
так что PTP может быть реализован в низкоуровневых и недорогих терминаль-
ных устройствах.
С помощью IEEE 1588 можно синхронизировать локальные часы в датчи-
ках, исполнительных механизмах и других терминальных устройствах с точно-
стью менее 1 мкс, используя при этом ту же сеть, по которой передаются дан-
ные. Подобно другим протоколам синхронизации, PTP выбирает наилучшее
возможное согласование во времени между передаваемыми и получаемыми
данными.
Основная функция протокола заключается в том, чтобы обеспечить с помо-
щью наиболее точных в сети часов синхронизацию всех остальных устройств.
Часы, у которых имеется только один сетевой порт, называются ординарными.
Существует два типа часов: ведущие (Master) и подчиненные (Slave). В принци-
пе, и первые, и вторые могут выполнять обе функции. Категория точности часов
определяется протоколом, и наилучшие выбираются автоматически с помощью
соответствующего алгоритма.
Точность синхронизации очень сильно зависит от сети и используемых
компонентов. В этом смысле переход через наименее детерминированные уст-
ройства, к примеру, маршрутизаторы и коммутаторы, также может быть учтен
протоколом с помощью так называемых граничных часов (Boundary clock).
ВЫСОКОПРОДУКТИВНЫЕ СИСТЕМЫ РЕАЛЬНОГО …
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2014, № 13 75
Функции администрирования и конфигурирования часов входят в протокол
управления.
PTP базируется на многоадресных IP-коммуникациях и не ограничивается
только сетями Ethernet – он может применяться на любой шинной системе, кото-
рая поддерживает многоадресную рассылку.
Каждые подчиненные часы синхронизируются с ведущими часами посред-
ством обмена сообщениями. Сам процесс синхронизации состоит из двух фаз. В
первой корректируется расхождение между ведущими и подчиненными часами.
Вторая фаза процесса синхронизации заключается в измерении значения време-
ни задержки прохождения пакетов между ведущим и подчиненным устройства-
ми. С этой целью подчиненные часы направляют ведущим пакет, который назы-
вается delay request. Ведущие часы фиксируют время приема пакета и посылают
его значение подчиненным часам в специальном пакете delay response. Затем
подчиненные часы вычисляют время задержки, используя соответствующие
временные метки. В этом процессе особо важным является равнозначность за-
держки в каждом из направлений.
Измерения времени задержки выполняются нерегулярно и через большие
отрезки времени (по умолчанию – через случайные значения между 4 и 60 с),
чем измерения временного сдвига. Таким способом достигается разгрузка сети и
терминальных устройств.
В отличие от ординарных, граничные часы имеют несколько портов. По от-
ношению к каждому из них устройство ведет себя как ординарные часы для
соответствующего сегмента сети. В типичном случае локальные часы в гранич-
ных устройствах синхронизируются главными ведущими часами через PTP-порт
в режиме подчиненных. Остальные порты выполняют роль ведущих и синхро-
низируют другие устройства в сети. Граничные часы могут иметь только один
подчиненный порт и любое количество ведущих. На рис. 5 показана типичная
схема использования граничных часов.
У1
У3
ВС1
У2
У5
ВС2
У4
Источник
сигналов
времени
УС 1
УС 2
УС 3 УС – уровень синхронизации PTP;
У – аппаратно-прораммное устройство;
ВС – вычислительная станция ;
Х – хаб;
М – мастер-часы;
С – слейв-часы;
М
М
М
М
М
С
С
С
С
С
СХ
РИС. 5. Пример использования граничных часов
С.В. ЗИНЧЕНКО
76 Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2014, № 13
Подводя итоги, можно сказать, что PTP обеспечивает синхронизацию в
субмикросекундном диапазоне и потенциально может предоставить еще боль-
шую точность.
Особенность архитектуры PTP – это разделение критической ко времени
части, реализованной в аппаратных средствах и описанной в протоколе, и про-
граммной части. Поэтому протокол выполняется в процессе с низким приорите-
том, например, на процессоре с низкой производительностью. Модуль аппарат-
ных средств состоит из таймера высокой точности и модуля временной метки
(TSU) для генерации временной метки. Программный компонент реализует сам
протокол IEEE 1588 и имеет связь с таймером реального времени и модулем
временных меток реализованных на аппаратных средствах.
Важным для портирования реализации протокола PTP является программ-
ная часть компонента, которая должна быть максимально независимой от опе-
рационной системы. Для достижения данной цели используется три уровня с
различным уровнем абстракции. Уровень реализации протокола операционной
системой не зависит от PTP. Абстрактный уровень ОС формирует интерфейс
между PTP и используемой операционной системой. Функции – зада-
чи/процессы, семафоры, таймеры, сокеты и т. д. – предоставляются операцион-
ной системой.
Высший уровень, реализуемый PTP для синхронизации часов в сети и мо-
жет быть реализован на различных элементах коммуникаций (компьютер, ком-
мутатор, маршрутизатор и т. д.). Это тот уровень, где находятся фактические
сведения для синхронизации различных элементов коммуникаций. В пределах
этого уровня протокола используются только функции, описанные в протоколе
ANSI/ISO C. Это гарантирует, что программная реализация может быть пере-
несена на различные платформы без значительного реинжиниринга и измене-
ния принципов функционирования. Диспетчер протокола гарантирует атомное
выполнение функций в единственном процессе. Связь между протоколом и
абстрактным уровнем ОС реализована в виде очереди с тремя определенными
интерфейсами.
Средний уровень инкапсулирует операционно-зависимые функции, которые
должны быть адаптированы в случае необходимости.
Интерфейс Timestamp предоставляет PTP возможность определения вре-
менных меток для Sync и DelayRequest сообщений. В зависимости от требования
точности, временная метка может быть непосредственно сгенерирована модулем
аппаратных средств (TSU) или программным обеспечением. Программные вре-
менные метки лучше всего генерировать в операционно-зависимом NIC драй-
вере (RX-ISR, процесс отправки) как находящемся наиболее близко к пере-
дающей среде.
Локальные часы считываются и изменяются через Clock Interface. Эти
функции, также требуются в переработке в зависимости от операционной систе-
мы. Приложения, которые не обеспечивают real-time часы, используют часы
операционной системы для синхронизации или другие оптимизированные ре-
ВЫСОКОПРОДУКТИВНЫЕ СИСТЕМЫ РЕАЛЬНОГО …
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2014, № 13 77
шения, типа nanokernel для ОС *nix семейства. В добавлении к управлению ло-
кальными часами, этот интерфейс также содержит алгоритмы управления, кото-
рые являются ответственными за качество (точность, стабильность, переходные
характеристики и т. д.) синхронизации времени.
Port Interface используется, для отправки и получения сообщений PTP.
IEEE 1588 использует исключительно UDP/IP Multicast пакеты и поэтому по-
зволяют использовать интерфейс сокетов стека протокола IP для отправки и
получения сообщений.
Требованиями к временным задержкам можно пренебречь, потому что вре-
менная метка генерируется непосредственно на транспортном уровне. Для
управления протоколом (конфигурация, диагностика, пересылка сообщения
PTP) используют API PTP.
Выводы. Улучшение рабочих характеристик разрабатываемых систем ре-
ального времени достигается с помощью комбинирования коммутируемых сетей
передачи данных и связующего ПО, основанного на архитектуре DDS, с под-
держкой механизмов синхронизации времени на основе протокола PTP (стан-
дарт IEEE 1588). Рассмотренный подход, позволяет на базе коммутируемых
сетей передачи данных создать гибкую прикладную среду, обеспечивающую
потребности функционирования распределенных приложений через множество
узлов сети.
1. Nauman Arshad, Stewart Dewar and Ian Stalker. Serial Switched Fabrics Enable New Military
System Architectures // COTS Journal December 2005.
2. Kaisler S.H. Software paradigms. Wiley-Interscience,. Hoboken, N.J., 2005.
3. OMG, Data Distribution Services for Real-Time Systems, v1.1, Document formal/ 2005-12-04,
http://www.omg.org, December 2005.
4. Dlugy-Hegwer R., Huckeba H. Designing and Testing IEEE 1588 Timing Netwotks //
Symmetricom Timing, Test and Measurement Division. – January 2007.
5. Eidson J.C. Measurement, Control, and Communication Using 1588. – Springer, 2006.
Получено 14.03.2014
|