Локальная вычислительная сеть Советский патент 1989 года по МПК G06F15/173 H04L12/28 G06F15/163 

Вычислительная техника

Фие.Т

Изобретение относится к вычислительной технике, в частности к системам автоматизации научных исследований в реальном масштабе времени.

Цель изобретения - повышение надежности и быстродействия сети.

Живучесть есть свойство технических объектой продолжать эффективно выполнять возложенные на них функции при отказе составляющих их компонентов.

Выход из строя двух любых ЭВМ и двух любых программно-аппаратных интерфейсов первого типа не приводит к выходу из строя сети в целом, при этом каждая ЭВМ и каждое внешнее устройство соединены с каждой ЭВМ и каждым внешним устройством каналами связи и каждая ЭВМ и каждое внешнее устройство имеют непосредственный доступ к каждой ЭВМ и к каждому внешнему устройству в соответствии с протоколом работы общей шины.Описанные принципы доступа функциональных элементов друг к другу не нарушаются при выходе из строя любого функционального элемента.

Живучесть сети обеспечивается путем перераспределения функциональных процессов вышедшего из строя узла по работоспособным узлам сети в соответствии с результатами периодического контроля, проводимого посредством взаимодействия процессов контроля каждого работоспособного узла треугольника с процессами контроля каждого работоспособного узла сети, по процедуре активного и пассивного контроля, заключающегося в передаче сообщения и ожидании ответа (активный контроль) и в ожидании сообщения и передаче ответа (пассивный контроль) между процессами контроля узлов в строго определенный момент времени для каждой пары узлов, причем последовательность моментов взаимодействия и структура передаваемого при взаимодействии сообщения организованы так, что образуют цикл взаимодействий, охватывающий все узлы сети, не прерывающийся при выходе из строя любого узла сети, в результате которого все работоспособные узлы сети имеют информацию о работоспособности всех узлов сети, при этом взаимодействие процессов поддерживается резидентной в памяти версией оперативной системы реального времени (ОС PR), обеспечивающей прием-передачу сообщений между процессами без блокировки процесса-источника с явным типом адресации по принципу Получить от любого, Послать любому, Многие к одному причем синхронизация осуществляется посредством семафоров, в качестве котоQ рых в системе выступает буфер в области динамически распределяемой памяти, физически реализуемой двухвхо- довыми запоминающими устройствами, над которым выполняются системные

5 процедуры Занять и Освободить буфер, соответствующие Р и V-one- рациям.

На фиг.1 приведена структура локальной сети реального времени , на

0 фиг.2 - уровни транспортной сети,их функции и реализации программно-аппаратными интерфейсами; на фиг.З - структура программного обеспечения сети; на фиг.k - алгоритм посылки

5 сообщения процессом-источником транспортному процессу на фиг.5 - структура информационного пакета (сообщения); на фиг.6 - алгоритм работы транспортного процесса; на фиг.7 0 распределение и взаимодействие процессов активного и пассивного контроля сети по узлам вычислительной подсети; на фиг. 8 - временная диаграмма активного и пассивного контроля; на фиг. 9 - алгоритм работы процесса активного контроля; на фиг.10 - алгоритм работы процесса пассивного контроля;на фиг.11 - слово состояния сети.

Сеть состоит из трех ЭВМ 1, -1j , соединенных между собой на физическом уровне с помощью блоков 2 -2j сопряжения,являющихся аппаратной частью программно-аппаратйого интерфейса первого типа, в полносвязной равновесный треугольник, а с помощью блоков 3,-3Ь сопряжения являющихся аппаратной часть программно-аппаратного интерфейса второго типа, с общей приборной шиной А, к которой подсое0 динены блоки 5,-5М сопряжения с соответствующими внешними устройствами 6(-6Н .

По функциональному признаку локальная сеть подразделяется на две

5. подсети: вычислительную и измерительно-управляющую. Узлами вычислительной подсети являются три ЭВМ 1( -Ц,соединенные между собой информационными

5

0

5

каналами в полносвязныи треугольник М внешних устройств Ь4 -6М с блоками и общей приборной шиной 4 образуют измерительно-управляющую подсеть.

Каждая ЭВМ представляет собой ма- гистрально-модульную структуру,включающую модули центрального процессера, оперативного запоминающего устройства, пассивного запоминающего устройства и т.д.

В качестве общий шины 4 измерительно-управляющий подсети может быт использован приборный интерфейс с бит-параллельной байт-последовательной передачей данных (IMS 02 для СЭВ IEEE - 488, МЭК-625.1).

Устройства 6t -6ц могут представлять собой как серийно выпускаемые цифровые приборы, так и специальные приборы, представляющие собой микропроцессорные приборы, построенные по магистрально-модульному принципу,

По ЭВМ вычислительной подсети рас пределены однородные вычислительные процессы, а также процессы передачи информации, реализованные как программной, так и аппаратной частью программно-аппаратных интерфейсов. По узлам измерительно-управляющей подсети распределены неоднородные процессы преобразования информации; связи с объектом, визуализации информации, ввода-вывода информации, накопления и хранения информации, процессы передачи информации, реализованные аппаратно модулями сопряжения с общей шиной.

Живучесть сети обеспечивается на логическом уровне по принципу резервирования процессов, который заключается в перераспределении процессов, развивающихся в вышедшем из строя узле, на другие узлы сети, способные обеспечить развитие этих процессов. В вычислительной подсети, отличающейся однородностью элементов и развитием некоторых процессов в одном узле, резервирование процессов „требует программной избыточности хранения описания процессов,которые могут быть перераспределены на данный узел, и временной избыточности - способности оставшихся в стр ою узлов обеспечить требуемое реальное время. В измерительно-управляющей подсети, отличающийся неоднородностью и, в основном, развитием одного процесса

10

15

817866

в узле, резервирование процессов требует, зачастую, аппаратной избыточности - введения холодного резерва узла, на который будет перераспределен процесс. Комбинированная топология кольцо - шина (фиг.1) обеспечивает бестранзитную передачу пакетов информации при любом перераспределении процессов.

Обнаружение и идентификация отказа обеспечивается системой активного и пассивного контроля.

Активный контроль производится последовательно в соответствии с направлением замкнутым графом,охватывающим все узлы сети, причем предыдущий узел контролирует последующий

0

5

0

5

0

5

0

5

узел по принципу запрос-ответ.

Пассивный контроль заключается в ожидании в определенный момент времени запроса от предыдущего узла.

Информационный обмен между процессами вычислительной подсети реализуется программно-аппаратным интерфейсом первого типа. Информационный обмен между процессами вычислительной подсети и процессами измерительно-управляющей подсети,а также между процессами измерительно- управляющей подсети реализуется программно-аппаратным интерфейсом второго типа.

Протокол верхнего уровня (фиг.2) процессов локальной сети отражает два способа взаимодействия асинхронных процессов: посредством разделяемых переменных; посредством приема- передачи сообщений.

Взаимодействие посредством разделяемых переменных реализуется для процессов, развивающихся в одном узле, и процессов, развивающихся в различных узлах, но имеющих общее поле оперативной памяти (процессы вычислительной подсети).

Взаимодействие посредством приема-передачи сообщений реализуется для любых процессов сети вне зависимости от их расположения с помощью процессов, реализующих (программно, аппаратно, программно-аппаратно) функции уровней транспортной сети.

Функции транспортной сети реализуются: стандартными средствами обмена сообщений между процессами системной компоненты программного обеспечения системы, транспортным программным процессом; драйвером блока 3

714

сопряжения, являющимся программной частью программно-аппаратного интерфейса второго типа; блоками 2 и 3 сопряжения, являющимися аппаратными частями программно-аппаратных интерфейсов.

Системная компонента (фиг.3) обеспечивает одновременное выполнение ряда процессов в режиме приоритетного разделения времени, взаимодействие между процессами, синхронизацию процессов, жесткую временную диспетчеризацию процессов.

Каждый прикладной процесс обладает собственным алгоритмом, зависящим только от задачи, решаемой процессом и собственными локальными данными. Программный процесс может находиться в одном из тех состояний: активном, готовом к исполнению, блокированном.

Активным является процесс,имеющий в настоящее время в своем распоряжении процессор. Готовым к исполнению является процесс, который может выполняться, но в распоряжении которого в настоящее время нет процессора. Блокированным является процесс, находящийся в настоящее время в оперативной памяти, но который не может выполняться по тем или иным причинам.

В системе ОС РВ имеются в наличии стандартные средства, которые позволяют программно переводить процесс из состояния Готов в состояние Блокирован и наоборот. Эти средства используются процессом Администратор. В каждом узле вычислительной подсети находятся в том или ином состоянии все программные процессы сети, т.е. каждый программный процесс присутствует в каждой ЭВМ вычислительной подсети. В каждый момент времени только одна копия процесса находится в активном состоянии или готовностиs остальные две блокированы. При отказе одного узла в активное состояние процессом Диспетчер переводится одна из копий процесса в соответствии с наперед заданной схемой.

Информационное взаимодействие процессов в сети посредством приема-передачи сообщений между двумя асинхронными процессами, развивающимися как в любых учлах системы, так и в одном узле, реализуется по следую

8

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

щим принципам: посыпка сообщений в транспортную сеть осуществляется без блокировки процесса-источника; тип адресации - явная (в теле сообщения явно задается логическое имя процесса-получателя); обмен осуществляется следующий - Получить от любого, Послать любому, Многие к одному ; синхронизация обменов осуществляется семафорами, в качестве которых выступает буфер с сообщением.

Процесс-источник посылает транспортному процессу сообщение, в котором содержится имя процесса-приемника. Транспортный процесс, выступая в роли почты, пересылает сообщение процессу- приемнику. После передачи сообщения транспортному процессу процесс-источник развивается дальше, не-ожидая доставки пакета адресату (передача без блокировки).

Для работы над буфером в области распределяемой динамической памяти используются системные процедуры: RLCB - освободить буфер без подтверждения, RQCB - запросить буфер.

Для поиска процесса-приемника,указанного в сообщении, транспортный (процесс (фиг.6) имеет доступ к таблице состояния и физического расположения процессов, которую ведет процесс Администратор.

Транспортный процесс получает адрес BVF с сообщением либо По SDAT от процесса в своем узле, либо по прерыванию от драйверов при присылке со- общения из другого узла. Подобная система посылки сообщений с динамическим буфером в качестве флага синхро- низации (выделить буфер - освободить буфер) обеспечивает синхронизацию взаимодействия процессов, доставку пакетов адресату. При перегрузке динамически распределяемой памяти процесс- передатчик ждет (RCVD, RQCBf BVF) ее освобождения. Процесс-приемник после получения сообщения освободит динамическую память (SDAT, PLCB, ВУР).При приеме сообщения (пакета) из другого узла драйвером BVF запрещается драйвером и передается по прерыванию транспортному процессу.

Администратор сети - это процесс, который ведает распределением логических и физических ресурсов системы. Он ведет таблицу состояния и физического распределения процессов, обеспечивает регламентное и

аварийное переключение процессов из состояния Готов в состояние Блокирован. Информация для работы Администратора поступает посредством сообщений (передаваемых описанным способом) от процессов активного и пассивного контроля (для аварийного перераспределения процессов), от процесса связи с оператором сети (для регламентного распределения процессов), от службы времени ОС РВ.

В начальный момент времени Администратор заполняет таблицу в соответствии с йриори заданной информацией о начальной загрузке, корректируя ее затем в соответствии с поступающими сообщениями. Обнаружение и идентификация отказов в сети, в соответствии с принципами резервирования процессов и активного-пассивного контроля, обеспечивается совокупностью развития трех программных процессов, обеспечивающих активный

доступа к буферу достигается временным распределением запросов (фиг.8). Процесс активного контроля передает процессу пассивного контроля контролируемого узла в строго определенный момент времени сообщение - запрос, содержащее текущее слово состояния сети. Процесс пассивного контроля

10 устанавливает соответствующие биты слова состояния сети и возвращается его посыпкой сообщения запрашивающему активному процессу. Обмен словом состояния сети происходит после окон15 чания самоконтроля обоих узлов, и, таким образом, оба узла получают информацию о состоянии друг друга. Пассивный контроль заключается в ожидании, начиная с момента Тм сообще- 20 ния - запроса от предыдущего узла. Если ожидание не принесло результата, то информация об этом заносится в слово состояния сети (пассивный контроль состоялся, результат контроля

( Запрос-ответ) и пассивный (Ожила- 25 отрицательный). Эта информация пере8178610

доступа к буферу достигается временным распределением запросов (фиг.8). Процесс активного контроля передает процессу пассивного контроля контролируемого узла в строго определенный момент времени сообщение - запрос, содержащее текущее слово состояния сети. Процесс пассивного контроля

10 устанавливает соответствующие биты слова состояния сети и возвращается его посыпкой сообщения запрашивающему активному процессу. Обмен словом состояния сети происходит после окон15 чания самоконтроля обоих узлов, и, таким образом, оба узла получают информацию о состоянии друг друга. Пассивный контроль заключается в ожидании, начиная с момента Тм сообще- ния - запроса от предыдущего узла. Если ожидание не принесло результата, то информация об этом заносится в слово состояния сети (пассивный контроль состоялся, результат контроля

отрицательный). Эта информация пере

Изобретение относится к вычислительной технике ,в частности, к системам автоматизации научных исследований в реальном масштабе времени. Цель изобретения - повышение надежности и быстродействия сети. Сеть состоит из ЭВМ 1₁-1₃, блоков 2₂-2₃, 3₁-3₃, 5₁-5_м сопряжения и внешних устройств 6₁-6_м. Сеть имеет комбинированную топологию "кольцо на шине", что обеспечивает бестранзитную передачу пакетов информации при любом перераспределении процессов. 2 з.п.ф-лы, 3 ил.

ние запроса) контроль: активный контроллер (процесс типа А), пассивный контроллер (процесс типа П), контроллер измерительно-управляющей подсети (процесс типа К). Процессы А,П,К представляют собой обычные программные процессы, обменивающиеся сообщениями указанным образом (запрос - послать сообщения от процесса типа А к процессу типа П, ответ послать ответное сообщение от процесса типа П к процессу типа А). Для синхронизации активного и пассивного контроля в сети задаются три временные точки (фиг.7), соответствующие моментам активизации взаимодействия процессов контроля (диспетчеризация процессов реализуется стандартными средствами ОС РВ): Т1 - активизация взаимодействия А1 и П2, Т2 - активизация взаимодействия А2 и ПЗ, ТЗ - активизация взаимодействия A3 и П1. Процесс самоконтроля, являющийся входом процесса типа А, представляет собой совокупность неразрушаемых тестов ЭВМ. Результатом работы активного и пассивного контроля (фиг.9, 10) является формирование соответствующих битов слова состояния сети (фиг.11), которая представляет собой доступный для всех процессов узла буфер длиной в одно машинное слово-, расположенный в области динамически распределяемого ОЗУ. Синхронизация

дается дальше процессом активного контроля данного узла.

Такая организация процедуры контроля обеспечивает передачу и накоп- 0 ление слова состояния системы даже при неисправности узла в контуре контроля. Последний процесс A3 передает в ЭВМ, с которой начался контроль, накопленный байт состояния системы. Очевидно, что после окончания цикла контроля сочетание активного и пассивного контроля обеспечивает полную информацию всех трех узлов вычислительной подсети о со После окончания цикла контро5

0

5

0

5

седях

ля процесс Администратор в соответствии с кодом в слове состояния системы модифицирует (или не модифицирует, если нет неисправностей) таблицу состояния и физического распо- ложения процессов. Каждому коду слова состояния системы соответствует своя априори (заданная для данной системы таблица состояний процессов). Пассивный процесс посыпает ответное сообщение в момент в любом случае. Это позволяет идентифицировать отказ линии связи.

Нумерация ЭВМ (14 , 1, Ij ) задается последовательностью включения питания ЭВМ при начальной раскрутке сети.

Процесс контроля типа К представляет собой набор тестов приборов и

измерительно-управляющей подсети.Он активен в микро-ЭВМ, являющейся в настоящий момент контроллером МЭК, и развивается после окончания цикличес- кого контроля вычислительной подсети. О результатах тестирования процесс К сообщает Администратору через бит слова состояния сети.

Описанная архитектура сети позволяет вести по изменяемому алгоритму измерение, анализ, контроль, визуализацию, накопление параметров эксперимента, а также управление объек- том эксперимента в реальном времени. Обработка результатов, их визуализация и накопление производится параллельно с процессом измерения.

Быстродействие сети обеспечивает- ся скоростными каналами связи бес- транзитной передачей информационных пакетов, простотой маршрутизации, прозрачностью каналов, параллельной работой трех ЭВМ в сети. Сеть ориен- тирована на максимальное применение стандартных серийно выпускаемых технических средств, что обеспечивает ее

стандартное метрологическое обслужи- 30 щ а я с я тем, что ЭВМ, имеют архивание.тектуру по типу общей шины.

Формула изобретения

Чроцес- ctp/f-f

Процессор 1

Прикладная компонента

о

SDAT QQ KQCB,BUF

RCVD

WCB,BUF

1

BUF сообщение

SDAT Т$,адрес

Продолжить процесс

Ъ

Транспортир процесс

AtfWHucffpa- mof

1

SpoOSfp too- face, нил

Системная компонента

ФигЗ

Запрос буфера

Запрос буфера 8 динамическом ОЗУ

Запись сообщения б буфера

Нзйещение транспортного процесса Тб о5 адресе 8UF и длине сообщеФие4

Логическое имя процесса приемника

Длина сообщения

Тело сообщения

Фиг. 5

8 другой ЭВМ t w fi i ivrt- . aSptutm

ляншей мЛаяи

Заголобок сообщения

t w fi i ляншей мЛаяи

Передаче 6± драйверу сопряжения петге.мз. 80

fctofouan Sy&p по сигмам

л-- Л-

Фиг.7

f

(Начало)

Тест М

jr

CCCLN1- 1(0)

К

Оформить соооще- ние запрос

i

w

послать соооще ние запрос

ожидание соооще ния ответа

Устанобка соотвежт- Иующих битов 8 ССС

Конец У

Самоконтроль

нерешающая тесты узла

Установка бита, результата, 8 слобе состояния

Фиг. 9

Ј

Ожидание сообщения запроса

-

и

установка соотаетсбую щих дитоб слова состояния системы

ы

Передача, текущего слова состояния системы

к

4J

О

Нет

Фиг.Ю /ft

Sum контроля,, /с

ЭВМ1

A I

ЭВН2

3BM3

Фие.11