maisМоделирование и анализ информационных системModeling and Analysis of Information Systems1818-10152313-5417Yaroslavl State University10.18255/1818-1015-2019-1-23-38mais-1160Research ArticleComputer System OrganizationПостроение бортовых сетей реального времени на основе технологии ПКСDesign of Onboard Real-Time Networks Based on SDN Technologyhttps://orcid.org/0000-0001-5211-805XБалашовВасилий ВикторовичBalashovVasily V.

ст. науч. сотр., канд. физ.-мат. наук, факультет ВМК

Ленинские горы, 1, стр. 52, г. Москва, ГСП-1, 119991

Ph.D. in Mathematics, senior research fellow, Faculty of Computational Mathematics and Cybernetics

1-52, Leninskiye Gory, Moscow, GSP-1, 119991

hbd@cs.msu.suhttps://orcid.org/0000-0002-7895-2322КостенкоВалерий АлексеевичKostenkoValery A.

канд. техн. наук, доцент, факультет ВМК

Ленинские горы, 1, стр. 52, г. Москва, ГСП-1, 119991

Ph.D. in Technology, associate professor, Faculty of Computational Mathematics and Cybernetics

1-52, Leninskiye Gory, Moscow, GSP-1, 119991

kostmsu@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-0224-9136ЕрмаковаТатьяна ИвановнаErmakovaTatiana I.

студент магистратуры, факультет ВМК

Ленинские горы, 1, стр. 52, г. Москва, ГСП-1, 119991

master student, Faculty of Computational Mathematics and Cybernetics

1-52, Leninskiye Gory, Moscow, GSP-1, 119991 

tanyaerm@mail.ruМосковский государственный университет имени М.В. ЛомоносоваРоссияLomonosov Moscow State UniversityRussian Federation2019150320192612338Copyright © Балашов В.В., Костенко В.А., Ермакова Т.И., 20192019Балашов В.В., Костенко В.А., Ермакова Т.И.Balashov V.V., Kostenko V.A., Ermakova T.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.mais-journal.ru/jour/article/view/1160

В интегрированных модульных комплексах бортового оборудования (КБО) используются коммутируемые сети AFDX и FC-AE-ASM-RT, реализующие основанный на виртуальных каналах подход к передаче данных в реальном времени. Основным недостатком этих сетей являются ограниченные или отсутствующие возможности динамической реконфигурации виртуальных каналов, что приводит к невозможности динамического формирования режимов функционирования КБО, в частности при множественных отказах оборудования. Для снятия выявленных ограничений в данной работе предложен подход к использованию программно-конфигурируемых сетей (ПКС) для построения бортовых сетей реального времени. Предложенный подход основан на реализации в сети ПКС, поддерживающей протокол OpenFlow1.3, механизма виртуальных каналов, аналогичного используемому в сетях AFDX и FC-AE-ASM-RT. Подход реализован в виде функционального прототипа и экспериментально апробирован в виртуальной сетевой среде, основанной на программных ПКС-коммутаторах Ofsoftswitch13 и сетевом контроллере RUNOS. Эксперименты показали, что предложенная схема передачи данных позволяет передавать сообщения с соблюдением заданных ограничений на задержку и джиттер, а также не допускает превышения ограничения на пропускную способность виртуального канала. Эксперименты также подтвердили, что динамическая реконфигурация виртуальных каналов в ПКС не нарушает передачу данных по не изменяемым виртуальным каналам. Важным направлением дальнейших исследований является разработка алгоритмов динамического формирования новых маршрутов виртуальных каналов в процессе реконфигурации КБО. Конечной целью работ является создание на основе ПКС сетевой технологии, обеспечивающей как передачу данных в реальном времени, так и автоматическое переконфигурирование сети при смене режимов функционирования КБО, в том числе при парировании множественных отказов.

Modern onboard equipment complexes (OEC) utilize AFDX and FC-AE-ASM-RT switched networks implementing a virtual link-based approach to real-time data transfer. The main drawback of these networks is their limited or absent support for dynamic reconfiguration of virtual links, which makes impossible the dynamical recomposition of OEC operation modes, particularly in case of multiple equipment failures. To remove these drawbacks, in this paper an approach is proposed to use software-defined networks (SDN) as onboard real-time networks. The proposed approach is based on implementation of a virtual link-based technology (similar to those used in AFDX and FC-AE-ASMRT) in an SDN supporting OpenFlow 1.3 protocol. The approach was implemented as a functional prototype and experimentally evaluated in a virtual network environment based on Ofsoftswitch13 software SDN switches and RUNOS controller. The experiments indicated that the proposed data exchange scheme allows the transfer of messages within the given limits on delay and jitter, and does not allow violation of constraints on a virtual link bandwidth. The experiments also confirmed that dynamic reconfiguration of virtual links in SDN does not interrupt the data transfer through unchanged virtual links. An important direction for future work is development of algorithms for dynamic creation of virtual link routes in course of OEC reconfiguration. The final goal of the work is to create an SDN-based network technology supporting both real-time data transfer and automatic network reconfiguration in case of OEC mode change, including parrying multiple failures.

программно-конфигурируемые сетисистемы реального временибортовые системыsoftware dened networksreal-timeonboard computer systemsРФФИ (проект № 17-07-01566)Russian Foundation for Basic Research, Grant № 17-07-01566ReferencesGaska T., Watkins C., and Chen Y., "Integrated Modular Avionics - Past, present, and future", IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine, 30:9 (2015), 12-23.Gaska T., Watkins C., and Chen Y., "Integrated Modular Avionics - Past, present, and future", IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine, 30:9 (2015), 12-23.Aircraft Data Network. Part 7. Avionics Full Duplex Switched Ethernet (AFDX) Network, Aeronautical Radio, 2012.Aircraft Data Network. Part 7. Avionics Full Duplex Switched Ethernet (AFDX) Network, Aeronautical Radio, 2012.INCITS 373. Information Technology - Fibre Channel Framing and Signaling Interface (FC-FS), International Committee for Information Technology Standards, 2003.INCITS 373. Information Technology - Fibre Channel Framing and Signaling Interface (FC-FS), International Committee for Information Technology Standards, 2003.Осипов Ю.С., Першин А.С., Пустовой Ю.В., Способ передачи информации в реальном времени с использованием локальных сетей ограниченного размера на базе модификации протокола FC-AE-ASM, патент RU2536659, ОАО “НТЦ ГРЭК“, 2013.Osipov Y., Pershin A., Pustovoy Y., Method for Real-Time Information Transmission Using Small-Scale Local Area Networks Based on FC-AE-ASM Protocol Modification, Patent RU2536659C1, NTC GREK, 2013, (in Russian).Shalimov A., Nizovtsev S., Morkovnik D., Smeliansky R., "The Runos OpenFlow Controller", 2015 Fourth European Workshop on Software Defined Networks, IEEE Computer Society, 2015, 103-104, https://ieeexplore.ieee.org/document/7313624.Shalimov A., Nizovtsev S., Morkovnik D., Smeliansky R., "The Runos OpenFlow Controller", 2015 Fourth European Workshop on Software Defined Networks, IEEE Computer Society, 2015, 103-104, https://ieeexplore.ieee.org/document/7313624.Вдовин П.М., Костенко В. А., “Организация передачи сообщений в сетях AFDX”, Программирование, 43:1 (2017), 5–20.Vdovin P.M., Kostenko V.A., "Organizing Message Transmission in AFDX Networks", Programming and Computer Software, 43:1 (2017), 1-12.Al Sheikh A., Brun O., and Hladik P.-E., "Optimal Design of Virtual Links in AFDX Networks", Real-Time Systems, 49:2 (2013), 308-336.Al Sheikh A., Brun O., and Hladik P.-E., "Optimal Design of Virtual Links in AFDX Networks", Real-Time Systems, 49:2 (2013), 308-336.Boyer M., Fraboul C., "Tightening End to End Delay Upper Bound for AFDX Network Calculus with Rate Latency FIFO Servers Using Network Calculus", IEEE International Workshop on Factory Communication Systems, IEEE, 2008, 11-20.Boyer M., Fraboul C., "Tightening End to End Delay Upper Bound for AFDX Network Calculus with Rate Latency FIFO Servers Using Network Calculus", IEEE International Workshop on Factory Communication Systems, IEEE, 2008, 11-20.Bauer H., Scharbarg J. L., and Fraboul C., "Applying and Optimizing Trajectory Approach for Performance Evaluation of AFDX Avionics Network", IEEE Conference on Emerging Technologies and Factory Automation, IEEE, 2009, 1-8.Bauer H., Scharbarg J. L., and Fraboul C., "Applying and Optimizing Trajectory Approach for Performance Evaluation of AFDX Avionics Network", IEEE Conference on Emerging Technologies and Factory Automation, IEEE, 2009, 1-8.Balashov V., Kostenko V., Vdovin P., Smeliansky R., Shalimov A., "An Analysis of Approaches to Onboard Networks Design", 2014 International Science and Technology Conference on Modern Networking Technologies, IEEE, 2014, 20-14.Balashov V., Kostenko V., Vdovin P., Smeliansky R., Shalimov A., "An Analysis of Approaches to Onboard Networks Design", 2014 International Science and Technology Conference on Modern Networking Technologies, IEEE, 2014, 20-14.DO-178C Software Considerations in Airborne Systems and Equipment Certification, Committee SC-205, RTCA, 2011.DO-178C Software Considerations in Airborne Systems and Equipment Certification, Committee SC-205, RTCA, 2011.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.