Способ доступа абонента к шине данных в вычислительной сети ethernet и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике, точнее, к системам передачи информации. Способ и устройство осуществления доступа абонента вычислительной сети Ethernet к шине данных, заключающийся в том, что после окончания передачи блока сообщения по шине данных вычислительной сети Ethernet наиболее активным абонентам предоставляют право начать передачу блока сообщения в шину данных спустя интервал времени, длительность которого определяют номером абонента и временем распространения сигнала по шине данных. Устройство содержит приемник, передатчик, кодер/декодер, сетевой контроллер, блок связи с абонентом, элемент ИЛИ, формирователь сигналов и блок динамического приоритета. 2 с.п.ф-лы и 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике точнее, к системам передачи информации, а именно к способам и устройствам для осуществления доступа абонента системы к шине локальной вычислительной сети Ethernet и может быть использовано в устройствах, использующих общую для ряда абонентов шину данных.

Известен способ по патенту США N 4628311, в соответствии с которым каждому абоненту вычислительной сети приписывается уникальный временной интервал задержки передачи, причем в процессе работы вычислительной сети эти уникальные временные интервалы перераспределяются по циклическому закону.

Наиболее близким является способ по патенту США N 4063220, обеспечивающий работоспособность вычислительной сети Ethernet при совпадении временного интервала задержки передачи блока сообщения. Этот способ заключается в том, что абоненты контролируют состояние шины данных и если шина свободна начинают передачу блока сообщения по шине спустя единый для всех абонентов интервал времени, необходимый для успокоения переходных процессов в шине данных. Если передачи блоков сообщений различных абонентов накладываются друг на друга, абоненты прерывают передачи и повторяют ее спустя время, определяемое количеством неудачных попыток передачи. При использовании этого способа, как показали многочисленные исследования и наблюдения в реальных локальных вычислительных сетях Ethernet при потоке в сети, превышающем примерно 1/3 от максимального потока, что составляет около 3 Мбит/сек, возможно увеличение количества конфликтов в сети, вплоть до развития клинча, при котором пропускная способность 2 шины данных падает до нуля.

Известно устройство для осуществления доступа абонента к шине данных локальной вычислительной сети Ethernet (DP839EB Network Evaluation Board. см. Data Communications Local Area Network UARNS Handbook, National Semiconductor, 1990). Оно содержит шину данных и адаптеры, число адаптеров равно числу абонентов вычислительной сети, каждый адаптер содержит приемник, вход которого соединен с шиной данных, передатчик, выход которого соединен с шиной данных, кодер/декодер, сетевой контроллер и блок связи с абонентом, вход/выход блока связи с абонентом соединен с абонентом, первый выход контроллера соединен со входом блока связи с абонентом, выход блока связи с абонентом соединен со входом контроллера, второй выход контроллера соединен со вторым входом кодера/декодера, выход кодера/декодера соединен со входом передатчика.

Блок сообщения, предназначенный абонентом для передачи, передают через блок связи с абонентом в сетевой контроллер адаптера и запоминают в нем. Блоки сообщения, передаваемые по шине данных, принимают приемником, декодируют кодером/декодером, направляют в сетевой контроллер, и если он адресован абоненту, запоминают в сетевом контроллере и инициируют с помощью блока связи с абонентом передачу блока сообщения абоненту.

Когда блок сообщения находится в сетевом контроллере адаптера, а адаптере ожидают окончания передачи текущего блока сообщения по шине данных, после чего начинают передавать через кодер/декодер на вход передатчика и далее в шину данных блок сообщения. Если при этом в приемнике будет установлено наложение передач двух и более блоков сообщения друг на друга, передачу прекращают и возобновляют через время, выбираемое случайным образом из интервала, величину которого удваивают после каждой неудачной попытки передачи.

Однако при использовании этого устройства, при превышении потока информации примерно 3 Мбит/сек, существует опасность возникновения большого числа конфликтов и даже клинча в сети, что снижает надежность передачи информации и приводит к непроизводительным потерям времени.

Цель изобретения создание такого способа доступа абонента к шине данных и устройства для его осуществления, которые позволили бы повысить эффективность использования шины данных сети Ethernet за счет уменьшения количества конфликтов и повышении допустимого потока информации, при котором сохраняется устойчивость работы системы.

Цель достигается тем, что в вычислительной сети Ethernet каждый абонент имеет номер, причем после окончания передачи блока сообщения одного из абонентов вычислительной сети другому абоненту представляют право начать передачу блока сообщения спустя интервал времен, длительность которого определяют номером абонента и временем распространения сигнала по шине данных.

Это позволяет резко сократить количество конфликтов в вычислительной сети и повысить ее пропускную способность.

Цель достигается также тем, что устройство доступа абонента к шине данных (адаптер) содержит приемник, вход которого соединен с шиной данных, передатчик, выход которого соединен с шиной данных, кодер/декодер, контроллер и блок связи с абонентом, вход-выход блока связан с абонентом соединен с абонентом, первый выход контроллера соединен со входом блока связи с абонентом, выход блока связи с абонентом соединен со входом контроллера, второй выход контроллера соединен со вторым входом кодера/декодера, выход кодера/декодера соединен с передатчиком, дополнительно содержит последовательно соединенные между собой формирователь сигналов и элемент ИЛИ, второй выход кодера/декодера соединен с входом формирователя и со вторым входом элемента ИЛИ, выход элемента ИЛИ соединен со вторым входом контроллера.

Это позволяет резко сократить количество конфликтов в вычислительной сети и повысить ее пропускную способность. Кроме того устройство содержит блок динамического приоритета, первый вход блока динамического приоритета соединен с третьим выходом кодера/декодера, второй вход блока динамического приоритета соединен со вторым выходом контроллера, выход блока динамического приоритета соединен со вторым входом формирователя.

Это позволяет повысить надежность устройства за счет исключения возможности блокировки шины данных одним или несколькими абонентами.

Фиг. 1 схематично изображает упрощенную конфигурацию локальной вычислительной сети; фиг.2 блок-схема устройства для осуществления доступа абонента к шине вычислительной сети; фиг.3 блок-схема другого варианта устройства для осуществления доступа абонента к шине вычислительной сети; фиг.4 блок-схема блока динамического приоритета.

Способ для осуществления доступа абонентов A₁, A₂, А, А_N к шине данных вычислительной сети Ethernet заключается в следующем.

Вычислительная сеть состоит из N абонентов A₁, A₂, A_j, A_N, каждый из которых через свой адаптер D₁, D₂, D_i, D_N связан с шиной данных.

Абонентами A₁, A₂, A_i, A_N могут быть отдельные ЭВМ, обменивающиеся между собой информацией с помощью устройств доступа абонентов к шине данных D₁, D₂, D_i, D_N, узловые процессоры, с помощью которых отдельные локальные вычислительные сети объединяются в сеть большего размера, функциональные узлы вычислительной системы, связанные между собой шиной данных, и так далее.

Шиной данных может быть коаксиальный кабель, либо витая пара проводников, как определено стандартом IEEE 802.3.

Процедура доступа абонентов A₁, A₂, A_i, A_N к шине данных заключается в следующем.

При инициации системы К приоритетным абонентам (K ≅) A₁, A₂, A_j, A_k присваивают собственный номер j из набора номеров (1, К) и нет двух абонентов A₁, A₂, A_j, A_k, собственные номера которых совпадали бы.

Приоритет абонента тем выше, чем меньше его собственный номер. В дальнейшем эти номера можно изменять.

Все абоненты системы обмениваются сообщениями, передавая их собственным адаптерам Ethernet и далее в шину данных сети Ethernet Каждый раз, когда какой-либо абонент A_i (1≅ i≅ N), формирует блок сообщения для передачи, абонент передает этот подготовленный блок сообщения соединенному с абонентом адаптеру Ethernet. Если шина данных в этот момент свободна, т. е. по шине данных не передают блок сообщения, адаптер начинает передачу полученного им от абонента блока сообщения. Если шина данных в этот момент занята передачей блока сообщения, адаптер ожидает окончания передачи.

При освобождении шины данных, то есть по окончании передачи по шине данных с блока сообщения, адаптер D_i устанавливает на входе определения занятости шины данных сетевого контроллера Ethernet уровень логического нуля, в ответ на который контроллер Ethernet, спустя время, определяемое алгоритмом его работы, инициирует передачу в шину данных подготовленного блока сообщения.

Если абонент A_i входит в группу приоритетных абонентов A₁, A₂, A_j, A_к, то при освобождении шины данных адаптер D_i передает на вход сетевого контроллера Ethernet сигнал, длительность которого определяют номером к абонента А и временем распространения сигнала по шине данных. Этим сигналом может быть меандр, поступающий на вход синхроимпульсов сетевого контроллера Ethernet, либо уровень логической единицы, поступающий на вход определения занятости шины данных контроллера.

Длительность сигнала может быть пропорциональна двойному времени распространения сигнала между концами локальной вычислительной сети. Если абоненты имеют информацию о позиции каждого абонента на шине данных, и могут определить момент времени, когда переданный блок сообщения распространится до границы вычислительной сети, длительность сигнала может быть пропорциональна времени распространения сигнала между концами вычислительной сети.

Если ни один из неприоритетных абонентов не имеет готового к передаче блока сообщения, и передачу начинает один из приоритетных абонентов, то, поскольку длительность сигнала равна двойному времени распространения сигнала по шине данных, информация о начале передачи распространится по всей шине данных, и остальные приоритетные абоненты успеют зарегистрировать эту передачу и отложат свои передачи до следующего освобождения шины. Это исключает возможность конфликта приоритетных абонентов между собой.

Устройство для осуществления доступа абонентов A₁, A₂, A_N к шине В данных вычислительной сети Etnhernet содержит приемник 1, вход которого соединен с шиной данных, передатчик 2, кодер/декодер 3, сетевой контроллер 4, элемент ИЛИ 5, формирователь сигналов 6, и блок связи с абонентом 7.

Данные с выхода приемника 1 поступают на первый вход кодера/декодера 3. С первого выхода кодера/декодера 3 данные, предназначенные к передаче по шине В данных сети, поступают на вход передатчика 2 и далее в шину В данных.

Со второго выхода кодера/декодера 3 данные, принятые из шины В данных сети Ethernet, поступают на вход формирователя сигналов 4, и на первый вход элемента 5 ИЛИ. Сигнал с выхода формирователя сигналов 4 поступают на второй вход элемента 5 ИЛИ. С выхода элемента 5 ИЛИ объединенный сигнал поступает на первый вход сетевого контроллера 6. Блоки сообщения, адресованные абоненту, с первого выхода сетевого контроллера 4 поступают на вход блока 7 связи с абонентом, со входа/выхода которого они поступают абоненту A_i.

Блоки сообщения, предназначенные к передаче по шине В данных, поступают на вход-выход блока 7 связи с абонентом, и с выхода блока 7 связи с абонентом поступают на второй вход сетевого контроллера 4. Со второго выхода сетевого контроллера 4 информацию и синхроимпульсы передают на второй вход кодера/декодера 3.

Устройство работает следующим образом.

Абоненты A₁, A₂, A_N вычислительной сети Ethernet передают блоки сообщения по шине В данных, используя адаптеры D₁, D₂, D_N. Для этого в каждом абоненте A_i(1≅i≅N) подготовленный блок сообщения передают через вход/выход блока 7 связи с абонентом на второй вход сетевого контроллера 4 и запоминают в нем.

Информация о сообщениях, передаваемых по шине В данных, постоянно поступает с выхода приемника 1 на первый вход кодера/декодера 3.

После окончания передачи по шине 3 данных пакета сообщений на первом выходе кодера/декодера устанавливается уровень логического нуля, что инициирует генерацию формирователя сигналов 6 сигнала требуемой длительности. Данные с первого выхода кодера/декодера 3 и сигнал на выходе формирователя сигналов 6 объединяют элементом 5 ИЛИ и подают на первый вход сетевого контроллера 4.

Блоки сообщения, адресованные абоненту A_i, запоминают в сетевом контроллере 4. При этом сетевой контроллер 4 инициирует запрос блока 7 связи с абонентом, который осуществляет передачу запомненной информации со входа/выхода блока 7 связи с абонентом абоненту A_i.

Информацию, предназначенную абонентом A_i к передаче по шине В данных, передают со входа/выхода блока 7 связи с абонентом на выход блока 7 связи с абонентом на второй вход сетевого контроллера 4 и запоминают в сетевом контроллере 4.

Другой вариант выполнения устройства для осуществления доступа абонентов A₁, A₂, A_i, A_N к шине В данных вычислительной сети Ethernet представлен на фиг. 3. Устройство содержит последовательно соединенные между собой приемник 1, передатчик 2 кодер/декодер, сетевой контроллер 4, элемент ИЛИ 5, сетевой формирователь 6 сигналов и блок 7 связи с абонентом, связанные друг с другом и с шиной В данных аналогично вышеуказанному при описании фиг.2. Кроме того, каждое устройство D_i содержит блок 8 динамического приоритета, первый вход блока 8 динамического приоритета соединен с третьим выходом кодера/декодера 3, второй вход блока 8 динамического приоритета соединен со вторым выходом сетевого контроллера 4, выход блока 8 динамического приоритета соединен со вторым входом формирователя сигналов 6.

Блоки сообщения, передаваемые абонентами A₁, A₂, A_i, A_N по шине В данных вычислительной сети Ethernet, поступают с третьего выхода кодера/декодера 3 на вход блока 8 динамического приоритета. В блоке 8 динамического приоритета из этих блоков сообщений выделяют адрес источника сообщения и в соответствии с принятой в системе дисциплиной обслуживания изменяют номер к абонента А, в соответствии с которым устанавливают длительность сигнала, вырабатываемого формирователем сигналов 6.

Например, после первоначальной инициации системы номера абонентов A₁, A₂, A_i, A_N можно изменять по циклическому закону, в результате чего абоненту A_j, передавшему последним блок сообщения по шине В данных вычислительной сети Ethernet устанавливают наинизший приоритет среду других абонентов A₁, A₂, A_i, A_N, что позволит исключить блокировки шины В данным одним или группой наиболее активных абонентов суммарный информационный поток от которых превышает пропускную способность шины В данных.

Вариант выполнения блока 8 динамического приоритета представлен на фиг. 4. Блок 8 динамического приоритета содержит вход данных 9, вход тактовых сигналов 10, вход сигнала конца передачи блока сообщения 11 и вход сигнала конфликта 12, блок 13 выделения адреса источника сообщения, регистр 14, блок 15 памяти, компаратор 16, первый элемент И 17, второй элемент И 18, счетчик 19, блок 20 преобразования приоритета, выход приоритета 21 и вход сигнала собственной передачи 22, который является вторым входом блока 8 динамического приоритета.

Сигналы данных 9, тактовые сигналы 10, сигнал конца передачи блока сообщения 11 и сигнал конфликта 12 поступают на первый вход блока 8 динамического приоритета с третьего выхода кодера/декодера 3. Сигналы данных 9 поступают на первый вход блока 13 выделения адреса источника сообщения, тактовые сигналы 10 поступают на второй вход блока 13 выделения адреса источника сообщения. Данные с выхода блока 13 выделения адреса источника сообщения поступают на вход регистра 14, с выхода которого запомненный адрес поступает на вход блока 15 памяти.

Компаратор 16 сравнивает адрес источника сообщения, сформированный на выходе регистра 14 и адреса источников сообщения, хранящиеся в блоке 15 памяти и, если этот адрес в блоке 15 не содержится, на выходе компаратора 16 устанавливают уровень напряжения логической единицы.

Выход компаратора 16 соединен с первым входом первого элемента И 17. На второй вход первого элемента И 17 поступает сигнал конца передачи сообщения 11, третий, инверсный, вход первого элемента И 17 поступает сигнал конфликта 12 и на четвертый, инверсный, вход первого элемента И 17 поступает сигнал собственной передачи 22. С выхода первого элемента И 17 сигнал поступает на первый счетный вход счетчика 19 и на второй вход занесения блока 15 памяти.

Сигнал конца передачи блока сообщения 11 поступает также на первый вход второго элемента И 18, на второй, инверсный, вход второго элемента И 18 поступает сигнал конфликта 12 и на третий вход второго элемента И 18 поступает сигнал собственной передачи 22. С выхода второго элемента И 18 сигнал поступает на второй сбросовый вход счетчика 19 и на третий сбросовый вход блока 15 памяти.

С выхода счетчика 19 сигнал поступает на вход блока 20 преобразования приоритета, выход 21 которого является выходом блока 8 динамического приоритета.

Блок 8 динамического приоритета работает следующим образом.

Данные и синхросигналы в последовательном коде с третьего выхода кодера/декодера 3 поступают на первый вход блока 8 динамического приоритета на первый вход 9 данных и второй вход 10 тактовых сигналов блока 13 выделения адреса источника сообщения.

Блок 13 выделения адреса источника сообщения считывает со 113 по 160 биты каждого принимаемого блока сообщения, в соответствии с протоколом обмена Ethernet являющиеся адресом источника сообщения, осуществляет их последовательно-параллельное преобразование в слово размером 6 байт и заносит в регистр 14.

Формирование на выходе регистра 14 нового 6-байтового слова инициирует работу блока 16 компаратора, который просматривает все содержимое блока 15 памяти и сравнивает его с данными, установленными на первом входе компаратора 16. Если блок 15 памяти уже содержит слово, содержащееся в регистре 14, на выходе компаратора 16 устанавливают уровень напряжения логического нуля, в противном случае на выходе компаратора 16 устанавливают уровень напряжения логической единицы.

Если адрес источника сообщения, запомненный в регистре 14, является новым, и в блоке 15 памяти не содержится, то, в случае успешного окончания передачи блока сообщения по шине В данных, если в процессе передачи не было конфликта, и передачу осуществлял не абонент A_i, а какой-либо другой абонент, на первом счетном входе счетчика 19 формируют импульс и содержимое счетчика 19 увеличивают на единицу, а в блоке 15 памяти заносят новый адрес с выхода регистра 14.

Если в процессе передачи блока сообщения по шине В данных имел место конфликт, то изменения приоритета абонента A_i не производят.

Если передачу блока сообщения по шине В данных осуществлял сам абонент A_i, то на выходе второго элемента И 18 формируют уровень напряжения логической единицы, который устанавливает в ноль счетчик 19 и очищает содержимое блока 15 памяти.

Блок 20 преобразования приоритета осуществляет преобразование входного кода К в выходной код L, реализуя такую дисциплину приоритетного обслуживания, которая требуется из условий наибольшей эффективности функционирования всей системы. Число приоритетных абонентов в сети Ethernet определяется числом установленных заявляемых устройств. Абоненты сети, не снабженные заявляемым устройством, имеют более высокий приоритет, однако этот приоритет у всех абонентов одинаков, и если информационный поток от этих абонентов высок, они в процессе обмена сообщениями по шине В данных могут вызывать конфликты, снижая пропускную способность шины В данных и всей системы.

Если информационный поток от какого-либо абонента сети Ethernet достаточно высок, этого абонента снабжают заявляемым устройством и устанавливают ему более низкий приоритет. Ряд таких абонентов, поставляющих основной поток информации, не конфликтует с низкоактивными абонентами и между собой, однако, в зависимости от принятого закона преобразования кода блока 20 преобразователя кодов, и тем самым от принятой для них дисциплины приоритетного обслуживания характеристики всей системы будут различны.

Если закон преобразования выбран L K, то есть преобразование отсутствует, то абонент, осуществляющий последнюю передачу блока сообщения по шине В данных, получает наивысший приоритет среди приоритетных абонентов. При этом наиболее активные приоритетные абоненты будут иметь преимущественное право обслуживания, что в целом повышает производительность системы. Однако в этом случае если суммарный информационный поток от ряда приоритетных абонентов и от бесприоритетных абонентов превысит пропускную способность шины В данных, система потеряет работоспособность.

Если закон преобразования выбран L m K, где m число установленных заявляемых устройств в сети Ethernet, то будет осуществляться циклическая смена приоритета у приоритетных абонентов, что снижает производительность системы в целом, однако гарантирует ее работоспособность при любом информационном потоке от приоритетных абонентов.

Способ и устройство осуществления доступа абонента вычислительной сети Ethernet к шине В данных позволяет значительно уменьшить количество конфликтов в сети Ethernet особенно при значительных входных потоках, резко сократить среднее и максимальное время доставки блока сообщения.

Тем самым появляется возможность улучшить характеристики уже установленных сетей Ethernet.

В сетях Ethernet не обязательно устанавливать устройство доступа абонента к шине данных к каждому адаптеру Ethernet, чтобы почувствовать значительное улучшение режима работы сети. Если в сети есть несколько высокоактивных абонентов, например, серверы, следует снабдить предлагаемыми устройствами именно их. В этом режиме среднее время доставки сообщения в ЛВС уменьшается в несколько раз, а максимальное время доставки сообщения снижается в десятки раз.

Формула изобретения

1. Способ доступа абонента к шине данных в вычислительной сети Ethernet, заключающийся в том, что контролируют состояние шины данных, причем, если шина данных свободна, абоненты, имеющие блок сообщения, начинают передачу их по шине данных, если шина передачи данных занята, то абоненты, имеющие блок сообщения, ожидают окончания передачи на шине данных и начинают передачу блока сообщения по шине данных спустя интервал времени, в случае регистрации одновременной передачи блока сообщения несколькими абонентами все абоненты прекращают передачу и возобновляют попытку передачи блока сообщения спустя интервал времени, определяемый количеством неудачных попыток передачи блока сообщения, отличающийся тем, что каждому абоненту вычислительной сети присваивают номер и абоненты, имеющие блок сообщения, начинают передачу спустя интервал времени, длительность которого определяют номером абонента и временем распространения сигнала по шине данных.

2. Устройство для осуществления способа доступа абонента к шине данных в вычислительной сети Ethernet, содержащее приемник, передатчик, кодер/декодер, сетевой контроллер и блок связи с абонентом, причем вход приемника является входом устройства для подключения к шине данных, выход приемника соединен с первым входом кодера/декодера, первый выход которого соединен с входом передатчика, выход которого является выходом устройства для подключения к шине данных, первый выход сетевого контроллера соединен со вторым входом кодера/декодера, второй выход сетевого контроллера соединен со входом блока связи с абонентом, выход которого соединен с первым входом сетевого контроллера, вход/выход блока связи с абонентом является входом/выходом устройства для подключения к абоненту, отличающееся тем, что введены формирователь сигналов и элемент ИЛИ, причем второй выход кодера/декодера соединен с первыми входами элемента ИЛИ и формирователя сигналов, выход которого соединен со вторым входом элемента ИЛИ, выход которого соединен со вторым входом сетевого контроллера.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что введен блок динамического приоритета, причем третий выход кодера-декодера соединен с первым входом блока динамического приоритета, второй вход которого соединен с первым выходом сетевого контроллера, выход блока динамического приоритета соединен со вторым входом формирователя сигналов

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4