Издатель/подписчик для распределённых отказоустойчивых бортовых систем реального времени в 1500 строк кода
Сап, котятки.
Я пришёл рассказать о проекте UAVCAN — новом сетевом стандарте для организации взаимодействия узлов и компонентов современных транспортных средств с высоким уровнем автономности/автоматизации. Название является акронимом от Uncomplicated Application-level Vehicular Communication And Networking (несложные бортовые сети и коммуникации уровня приложения).
В этой публикации объясняется текущее положение дел и тренды в области сложных бортовых систем, существующие и грядущие проблемы, как мы их решаем и каких успехов добились. Во второй части, которая будет опубликована позднее, наши коллеги из Университета Иннополис подробно осветят практическую сторону внедрения UAVCAN на примере конкретных проектов.
Первый блин проекта был заложен в 2014-м. С самого начала это был эксперимент в минимализме: возможно ли в разработке сложных распределённых бортовых систем опираться на мощные абстракции, избегая при этом роста сложности реализации и связанных с ним трудностей валидации и верификации.
Мы наблюдаем быстрый рост сложности бортовых систем, связанный с развитием функциональных возможностей транспортных средств (особенно беспилотных) в целом, и систем автоматического управления в частности. Когда мы говорим «бортовая система», мы подразумеваем совокупность автоматики, необходимой для реализации базовых функций транспорта; например, БСУ/ЭДСУ летательных аппаратов, всевозможные ЭБУ в автомобиле, полётный контроллер в дроне или космическом аппарате, сенсоры (радары, камеры), датчики, исполнительные механизмы, и т.п.
Бортовая электроника (электрика) автомобиля конца 20-го века может быть исчерпывающе описана довольно тривиальной схемой; вот, например, схема ВАЗ 21099:
Схема демонстрирует нам довольно непосредственный подход к организации внутрисистемных взаимодействий: есть компонент — вот к нему провод. Поведения, выходящие по сложности за рамки простейших аналоговых или дискретных соотношений (нагрелась вода в системе охлаждения — включился вентилятор; коленчатый вал достиг определённого угла — сработало зажигание в цилиндре), не могут быть эффективно описаны и созданы на столь низком уровне ввиду когнитивных ограничений человеческого мозга. Приведённую схему легко понять, но будет ли это верно, если мы добавим электронное зажигание, круиз-контроль, а то и автопилот пятого уровня?
Сегодняшние транспортные средства являются в значительной мере программно-определяемыми в том смысле, что существенная часть функциональности и поведений задаётся не столько электрической/механической конфигурацией, сколько программным обеспечением (ПО), что порождает соответствующий перекос концептуальной сложности в сторону бортового ПО. В контексте космических аппаратов это обстоятельство было подмечено ещё инженерным коллективом NASA, работающим над программой Аполлон. В равной мере это применимо и к современным автомобилям (показательна известная история ранней Tesla Model 3, где проблемы антиблокировочной системы были исправлены удалённым накатыванием обновлений без участия владельцев), и к летательным аппаратам (в особенности с ЭСДУ).
Абстракции позволяют нам обойти когнитивное ограничение на количество сущностей, единовременно удерживаемых в сознании. В теории систем этот принцип известен как «чёрный ящик». Любой человек, хоть раз державший в руках компилятор, знает, как это работает: сложные подсистемы описываются не непосредственно, а в виде ограниченных функциональных блоков со строго определённым интерфейсом, скрывающим их реализацию. В рамках дискурса общих информационных технологий безусловно делается предположение, что человеку, мыслящему на определённом уровне абстракции, нет нужды вникать в специфику реализации задействованных на данном уровне блоков, иначе нарушается принцип чёрного ящика. Это предположение не является безусловно корректным если речь идёт о критических системах, где необходима высокая живучесть/отказоустойчивость. Объясняется это тем, что второстепенные функциональные особенности различных компонентов в совокупности могут порождать потенциально опасные непредусмотренные поведения (как это демонстрируют былинные отказы Mars Climate Orbiter, Airbus A400M в Севилье, Ariane 5, и т.п.).
Растущая сложность бортового оборудования отражается в развитии стандартов безопасности. Более сложные системы создаются композицией более сложных подсистем, что формирует спрос на конкретные гарантии поведенческих характеристик компонентов (если у нас есть, скажем, радар, мы хотим точно знать, в каких условиях и как он будет работать, как его характеристики коррелируют с параметрами среды, и вообще неплохо бы убедиться, что его разработчики мышей ловят). Примером ответа индустрии на этот запрос будет концепция Safety Element out of Context (SEooC), введённая в новом автомобильном стандарте ISO 26262. Строго говоря, тема стандартизации не имеет прямого отношения к нашему сугубо техническому проекту, но она отражает общие тренды в индустрии к переходу к композициям более сложных компонентов — и как следствие, более сложных интерфейсов.
Холистический анализ сложных систем невозможен по очевидным причинам; фрагментарные же подходы в области высокой надёжности усложняются необходимостью детальной формализации и верификации поведений функциональных блоков с целью минимизации рисков возникновения непредусмотренных поведений при их интеграции. В этом свете выглядит целесообразным поиск методов построения чёрных ящиков, который предоставлял бы удобные инструменты создания абстрактных интерфейсов, и в то же время привносил бы минимальные накладные расходы на формализацию/верификацию блоков и их композиций.
Здесь следует внести разъяснения касательно специфики реального времени и высокой надёжности для читателя, не являющегося специалистом в этой области. Разработчик прикладного ПО, веб-сервера или типичной бытовой встраиваемой системы (вроде компьютерной периферии) сочтёт покрытие тестами достаточной гарантией адекватности ПО. Проблемы реального времени в сложных системах такого рода возникают редко, а когда они возникают, цена временны́х отклонений обычно достаточно мала, чтобы можно было пренебречь жёстким ресурсным планированием или формальным анализом планировки задач (schedulability analysis). Процессы жёсткого реального времени обычно либо просты, либо цена ошибки несущественна (в качестве примера бытового жёсткого реального времени можно принять логику работы печатающей головки струйного принтера, привод экструдера 3D печати или аудиокодек). Эмпирические методы в целом преобладают над формальными; повсеместно применяется бенчмаркинг и амортизационный анализ. Если продукт показывает приемлемые результаты в подавляющем числе случаев, он принимается соответствующим требованиям; более строгие подходы обычно нецелесообразны финансово.
Разработчик критических систем транспортного средства имеет дело с иным балансом стоимости создания ПО и потенциального ущерба от последствий его сбоев (это верно даже в случае средств микромобильности и малых БПЛА). Большинство таких систем работают в реальном времени, где несвоевременное исполнение задачи эквивалентно неисполнению. Изменение баланса стоимости оправдывает увеличение вложений в средства обеспечения функциональной безопасности с целью снижения эксплуатационных рисков. Как следствие, доказательные методы, верификация и валидация, широко распространены.
Говоря о балансе проектировочных затрат и рисков, интересная тенденция сейчас имеет место в космической отрасли: как метко отмечает Casey Handmer, наблюдаемое ныне снижение стоимости вывода космических аппаратов (КА) сдвигает оптимальный баланс в сторону решений с менее строгими гарантиями безопасности и менее затратной разработкой. В случае же БПЛА наблюдается обратный тренд ввиду распространения более ответственных применений и увеличения числа аппаратов в эксплуатации.
Различные исходные предпосылки при создании систем разного уровня функциональной безопасности проявляются в, порою, радикально различных технических свойствах их компонентов и предпочитаемых методах их создания. Скажем, бортовая коммутируемая сеть современного авиалайнера (как AFDX) предоставляет гарантированные минимальные кривые обслуживания, и, как следствие, для хорошо спланированного трафика отсутствует потребность в подтверждении доставки. Для типичной коммерческой системы эта логика чужда, ведь свойства сети и её загрузку никто не гарантирует. Асимптотический анализ в рамках жёсткого реального времени сфокусирован на худшем случае нежели амортизированном случае, что порою может радикально менять подходы на всех уровнях проектирования.
Различия в предпосылках также объясняют, почему прекрасно зарекомендовавшие себя в ИКТ решения (тысячи их: очереди сообщений, фреймворки, сетевые стеки с TCP/IP во главе, распределённые БД, операционные системы, etc.) обычно непригодны для ответственных применений и почему безопасные системы часто отдают предпочтение специализированным технологиям.
Резюмируя: современные тренды радикального усложнения бортовых систем при сохранении требований отказоустойчивости и предсказуемости порождают неудовлетворённый спрос на решение, позволяющее проектировщику конструировать интерфейсы с гарантированными свойствами на высоком уровне абстракции, которое при этом было бы компактным и простым в реализации, валидации и верификации. Поскольку мы имеем дело с узко ограниченной областью применения, то имеют смысл оптимизации с учётом местной специфики.
Картина положения дел в индустрии будет неполной без хотя бы поверхностного рассмотрения существующих технологий построения отказоустойчивых распределённых систем реального времени. Решения эти обычно интересны технически, созданы с оглядкой на многолетний опыт и проверены временем в реальных продуктах. Однако, тем не менее, горшки CiA/SAE/RTCA/EUROCAE/AUTOSAR/OMG/etc. обжигают отнюдь не боги.
Технологии мы поделим на категории по уровню абстракции коммуницируемых состояний и потенциала к созданию сложных систем. Эта модель игнорирует тонкости и в граничных случаях может быть некорректна, но она справляется с главной задачей: объяснением общего положения дел и демонстрацией рассогласования между запросами индустрии и доступными решениями. Пойдём от простого к сложному.
1. Аналоговые схемы
Просто и прямолинейно. Электрические, пневматические, гидравлические, механические средства непосредственного взаимодействия между узлами и компонентами попадают в эту категорию. Приведённая ранее схема ВАЗ 21099 тоже отсюда.
Базовым примитивом межкомпонентного взаимодействия здесь будет аналоговый или дискретный сигнал представленный напряжением/током в электрической цепи, давлением в линии, натяжением троса, и т.п.
2. Логическая шина
Шина данных есть довольно общий термин. Мы здесь под этим подразумеваем модель взаимодействия, где атомарной единицей данных является структура из логически связанных сигналов/параметров, и внимание проектировщика в значительной мере сосредоточено на определении этих структур и логики их обмена.
Следует разделять топологию физическую и логическую: методы соединения узлов и пересылки пакетов не имеют отношения к потокам данных на уровне приложения. На физическом уровне мы выделяем три ключевые топологии: точка-(много)точка, физическая шина и коммутируемая сеть, любая из которых может использоваться для построения логической шины.
Начнём с первого. Если компонент А непрерывно сообщает компоненту Б больше одного параметра, имеет смысл временно́е разделение (мультиплексирование) сигналов. Такое уплотнение позволяет наращивать число параметров при постоянном числе физических межкомпонентных соединений, что удешевляет/облегчает конструкцию. Практическим примером будет ARINC 429 — древний и незамысловатый авиационный протокол, реализующий обмен фиксированными 18-битными словами с щепоткой метаданных по выделенным (некоммутируемым) линиям. Типичная топология выглядит так:
Диаграмма адаптирована из «The Evolution of Avionics Networks From ARINC 429 to AFDX», Fuchs, 2012.
ARINC 429 довольно атипичен как бортовая шина — тяжело привести другой пример использования физической топологии точка-многоточка (хотя причастные к малым дронам могли бы вспомнить здесь DShot и MAVLink; последний изначально предназначен для беспроводной связи с наземной станцией, но иногда применяется для внутрибортовой коммуникации). Этот подход имеет особый смысл в простых критических системах жёсткого реального времени, потому что временны́е свойства процесса доставки сигнала от отправителя к получателю абсолютно очевидны и не требуют сложного анализа. Среда передачи не разделяется с другими компонентами, поэтому нет нужды оценивать вклад каждого в загрузку среды и результирующие побочные эффекты. Однако, этот метод не масштабируется и делает логику взаимодействия сильно зависимой от физических параметров сети (если к компоненту не потрудились пробросить кабель при проектировании, соответствующих данных он никогда не получит).
Широкое распространение получила шинная топология (мы говорим о физическом уровне, не забывайте). Вероятно, CAN не нуждается в представлении; на нём основано множество протоколов и стандартов верхнего уровня. Здесь же FlexRAY, LIN, MIL-STD-1553 и ранние стандарты Ethernet (современный Ethernet используется только в коммутируемой конфигурации).
CAN показателен в контексте реакции отрасли на рост сложности продукции. Введённая в 1986 первая версия стандарта предлагала крайне ограниченный MTU в 8 байт на пакет. В 2012 появился CAN FD с MTU в целых 64 байта и увеличенной пропускной способностью. С конца 2018 года в активной разработке находится CAN XL с MTU 2 КиБ и ещё чуть более высокой скоростью (начало ISO стандартизации запланировано на 2021 год).
Говоря о физических шинах, нельзя не вспомнить интереснейшее начинание под названием Wireless Avionics Intra-Communications (WAIC). WAIC предлагает повысить отказоустойчивость бортовых критических сетей введением гетерогенной избыточности, где резервным каналом станет беспроводной. В целом, беспроводные бортовые сети можно считать фундаментально менее надёжными, чем бортовые проводные/оптические, ввиду слабого контроля за состоянием среды обмена (эфир один на всех). Однако, в совокупности с традиционными сетями, беспроводные позволяют поднять отказоустойчивость из-за устранения отказов общего вида, свойственных проводным сетям, ведь механическое повреждение элемента конструкции может с высокой вероятностью повредить все избыточные проводные соединения:
Диаграмма с сайта WAIC.
Физическая шина размещает всех участников на едином сегменте сети, что создаёт проблемы масштабируемости, ведь все узлы вынуждены организовывать обмен внутри общего домена коллизий. Сложные транспортные средства на острие прогресса (скажем, современные авиалайнеры и космические аппараты) не в состоянии организовать работу систем в пределах ограничений существующих физических шин, поэтому в ход идут коммутируемые сети. Из значимых следует вспомнить SpaceWire (чрезвычайно узкоспециализированная технология; насколько мне известно, совершенно не представлена вне КА) и, конечно, Ethernet.
В современном аэрокосмосе широко применяется коммутируемый Avionics Full-Duplex Switched Ethernet (AFDX) как на стомегабитной медной паре, так и на оптике (см. Boeing 787). Несмотря на передовой физический уровень, логически это всё тот же ARINC 429, где физические соединения точка-точка заменены их виртуальными репрезентациями. Это решает проблемы масштабируемости, но не предоставляет новых инструментов проектирования логики. Сети AFDX проектируются со статическим планированием обмена с применением автоматических доказательств, что позволяет получить гарантированные временные характеристики доставки несмотря на привнесённые коммутацией сложности. Широко применяется полное дублирование сетевого аппаратного обеспечения (коммутаторов и кабельной системы) для отказоустойчивости. Ниже показан пример физической топологии AFDX подсети космического аппарата с дублированием; при этом логическая сеть ARINC 429, построенная поверх (не показана), определяется конфигурацией ПО коммутаторов вместо физической конфигурации кабельной системы:
Диаграмма из «Communications for Integrated Modular Avionics», Alena, 2007.
Гарантированные параметры сети объясняют почему в сетях жёсткого реального времени редко применяется подтверждение доставки. Вторая причина в том, что процессы реального времени часто предполагают строго периодический обмен данными, где затраты времени и ресурсов сети (которые, замечу, под строгим учётом) на отправку подтверждения или второй копии данных оказываются неоправданными из-за скорой отправки очередного пакета с более новыми данными в рамках естественного течения процесса. Поэтому, в частности, AFDX построен на (слегка модифицированном) протоколе UDP/IPv4. Использование классических «надёжных» протоколов вроде TCP/IP в подобной среде было бы не просто излишним, а контрпродуктивным — они несовместимы с особенностями процессов реального времени.
Общая характеристика рассмотренных технологий и построенных на их основе высокоуровневых протоколов заключается в их ориентированности на организацию низкоуровневых сценариев взаимодействия, где фокус внимания проектировщика сосредоточен на группах определённых параметров и их пересылке между конкретными аппаратными и программными компонентами. На логическом уровне мы всё так же имеем дело со жгутами виртуальных проводов, как на схеме ВАЗ 21099. Подобно тому, как рост сложности решений заставил индустрию ИКТ пережить несколько смен парадигмы за последние десятилетия, подходы к построению архитектуры распределённых бортовых систем претерпевают изменения под давлением спроса на автономность и автоматизацию транспортных средств. В 2020 мы наблюдаем первые симптомы несостоятельности традиционных методов и попытки к переходу на качественно более мощные средства, о чём будет следующий раздел.
3. Распределённые вычисления
Рассматриваемые здесь распределённые системы создаются из множества компонентов, которые реализуют сложные поведения и манипулируют большим числом внутренних состояний. Принцип чёрного ящика, чьё применение необходимо в силу когнитивных ограничений человека-проектировщика, предписывает сокрытие конкретики внутренних состояний и процессов за абстрактными межкомпонентными интерфейсами. Возникающая потребность в нетривиальной трансляции и интерпретации между моделью интерфейса и внутренними состояниями является фундаментальным отличием концепции распределённых вычислений от логической шины.
Если в случае логической шины процесс проектирования распределённой системы сосредоточен на пакетах данных и их обмене между конкретными узлами, в данном случае ключевыми сущностями являются сетевые сервисы и объекты предметной области, зачастую без жёсткой привязки к физической реализации. Это можно рассматривать как частный случай сервис-ориентированного проектирования.
Пожалуй, наиболее значимым на сегодня примером такого подхода будет граф распределённых вычислений из Robot Operating System (ROS) (строго говоря, ROS не является операционной системой, это скорее высокоуровневый фреймворк). Изначально ROS был создан в качестве SDK для окологуманоидного робота PR2 от Willow Garage, но исследователи быстро увидели потенциал фреймворка в других робототехнических системах (от пылесосов и манипуляторов до БПЛА и робоавтомобилей), и он превратился в самостоятельный проект. За несколько лет вокруг ROS развилась богатая экосистема программного обеспечения, решающего многие типовые задачи вроде компьютерного зрения, локализации и картографирования, взаимодействия с аппаратным обеспечением, и т.п. Если изначально фреймворк создавался для исследовательских задач, то интенсивное развитие его экосистемы (и отрасли в целом) со временем поставило вопрос о продуктизации и трансфере наработок из лабораторий в полевые условия, с чем возникли значительные трудности.
Пример визуализации распределённых процессов на ROS. На схеме показан фрагмент системы управления автономного БПЛА в режиме программно-аппаратного моделирования. Овалы обозначают процессы, прямоугольники и стрелки обозначают связи издатель-подписчик.
Описание полного спектра проблем продуктизации основанных на ROS изделий приведено в статье Why ROS 2 [Gerkey], которая, как нетрудно догадаться из названия, решительно предлагает выпустить вторую версию с оглядкой на новые потребности индустрии. Одной из ключевых проблем здесь является неспособность изначально исследовательского фреймворка удовлетворить радикально более жёсткие требования продуктовых систем к предсказуемости и гарантиям безопасности, которые зачастую обусловлены не только коммерческим интересом, но и законодательным регулированием (особенно в случае автомобильной или аэрокосмической отрасли). Коммуникационная подсистема ROS, обеспечивающая межкомпонентные взаимодействия, является одной из наиболее критических и сложных частей фреймворка. В первой версии использовалась собственная реализация, созданная с нуля, принципиально несовместимая с ответственными применениями, из-за чего во второй версии в роли коммуникационной подсистемы использовали популярное готовое решение — Data Distribution Services (DDS).
DDS является сильно отдалённым потомком CORBA, ориентированным на реальное время и модель издатель-подписчик (с недавних пор предлагается также встроенная поддержка клиент-серверных взаимодействий, но на практике первый тип наиболее востребован). DDS широко применяется не только в транспорте и робототехнике, но и в промышленности вообще, зачастую выступая в роли выделенного коммуникационного слоя (собственно, как в случае ROS 2) для вышележащих технологий. Особого упоминания здесь заслуживает Future Airborne Capability Environment (DDS FACE) для критической авионики; однако, на сегодняшний день, большая часть реальных применений DDS в аэрокосмосе приходится на немногочисленные военные системы, которые не следуют гражданским стандартам безопасности.
Как было упомянуто, DDS дальними корнями уходит в CORBA — оба стандарта поддерживаются одной организацией. Последняя изначально не предназначалась для систем реального времени, но отраслевые реалии заставили исследователей начать рассматривать вопросы её адаптации для реального времени ещё в конце прошлого века. В работе «The Design of the TAO Real-Time Object Request Broker» [Schmidt et al, 1999] большое внимание уделяется тому факту, что проектирование адекватной сети реального времени самой сетью не ограничивается — обязательному анализу подлежат вопросы реализации логики протокола на конечных узлах с соблюдением временны́х гарантий. В разрезе CORBA синопсис рассматриваемых проблем приведён ниже; эти же принципы легко переносятся на практически любую современную технологию того же толка:
Цифрами обозначены ключевые аспекты реализации, где предписан анализ временных характеристик внутренних алгоритмов протокола. Диаграмма из «The Design of the TAO Real-Time Object Request Broker», Schmidt et al, 1999.
Шмидт с коллегами воплотил идеи в популярной ныне C++ библиотеке TAO (The ACE ORB), которая легла в основу некоторых современных реализаций DDS. Сама по себе TAO насчитывает более двухсот тысяч строк кода без учёта специфики DDS, которая привносит ещё дополнительный код сверху. Из более современных и независимых от TAO инкарнаций DDS упомяну, пожалуй, наиболее многообещающую на сегодня — eProsima Fast-DDS (это оценочное суждение, а не реклама) — без сторонних зависимостей и тестов она занимает более трёхсот тысяч строк C++ кода (и реализует при этом не все опциональные возможности стандарта). Эти сведения приведены с целью иллюстрации порядка концептуальной сложности DDS.
Как нетрудно догадаться из вышеизложенного, DDS также отличается высокими требованиями к вычислительной платформе, что помимо прочего ограничивает использование во встраиваемых системах. Конкретно эта проблема отчасти решается специализированным подмножеством — DDS For Extremely Resource Constrained Environments (DDS-XRCE). Но, согласно нашей модели, это решение уже выходит далеко за пределы концепции распределённых вычислений в силу своей глубокой зависимости от центрального координирующего агента и ограниченной функциональности. Для рассматриваемого здесь вопроса эта технология большой ценности не представляет и рассматривать мы её не будем, равно как мы обойдём стороной и связанный проект micro-ROS.
Из других решений есть смысл поверхностно упомянуть SOME/IP — часть автомобильного стандарта AUTOSAR v4+, предлагающую сервисы построения распределённых систем поверх стека IP. В отличие от DDS, SOME/IP сфокусирован исключительно на автомобильных применениях и оперирует существенно более низкоуровневыми концепциями со слабой сегрегацией по уровням абстракции. В совокупности с довольно вольготным обращением с распределёнными состояниями (об этом поговорим далее) и значительным логическим зацеплением между коллабораторами это вызывает вопросы о будущем SOME/IP при наличии сильного конкурента в лице DDS.
Распространённые в ИКТ альтернативы вроде MQTT и разнообразных специализированных фреймворков не учитывают аспекты реального времени и гарантий поведенческих характеристик, поэтому в наших приложениях встретить их можно редко и рассматривать их здесь не имеет смысла.
Высокая внутренняя сложность существующих технологий распределённых вычислений обусловлена широким спектром поддерживаемых сценариев и типов взаимодействия, лишь малая часть которых актуальна для интересующей нас области применений. Мы полагаем, что это утверждение верно даже для специализированных решений (как SOME/IP), чья архитектура может подлежать улучшениям путём целостного пересмотра подходов к проектированию бортовых распределённых систем. Аккуратное переосмысление основных требований к коммуникационной подсистеме позволило нам достичь более взвешенного баланса между внутренней сложностью (и, как следствие, стоимостью валидации и верификации и обеспечения гарантированных характеристик) и доступными инструментами построения мощных абстракций.
Мы едим нашу собаку уже не первый год, и только сейчас подобрались к выпуску первой долгосрочно стабильной версии стандарта, которую мы называем UAVCAN v1. Этому эпохальному для нас событию предшествовали исследования и экспериментальные развёртывания в реальных системах, на протяжении которых менялись наши методы, но не менялись ключевые цели:
Простота понимания и реализации. Как было показано выше, это исключительно важно для критических систем. Протокол масштабируется согласно сложности использующего его компонента распределённой системы (т.е., аппаратного узла или программы): в простых компонентах совместимая реализация протокола должна умещаться в одну тысячу строк; в очень сложных она может расти до пары десятков тысяч строк.
Высокоуровневые абстракции. Протокол позволяет разработчику конструировать абстрактные робастные интерфейсы с учётом ограничений реального времени. Спецификации таких интерфейсов сосредоточены исключительно на нуждах приложения и не включают в себя сущности из нижних уровней вроде конечных автоматов сетевого обмена, ручное управление распределённым состоянием или сериализацию битовых полей.
Отказоустойчивость. Протокол реализует одноранговую децентрализованную сеть со встроенной поддержкой избыточности. Обеспечивается совместимость с ненадёжными сетями реального времени, где возможны потери пакетов в результате деструктивных воздействий среды (например, электромагнитная интерференция), но не самой сети (например, переполняющийся буфер).
Предсказуемость. Протокол изначально спроектирован для задач реального времени и для использования во встраиваемых системах от младших однокристалок без ОС с единицами КиБ памяти до мощных компьютеров под управлением сложных ОС, причём не обязательно реального времени. Поддерживаются средства высокоточной синхронизации времени в пределах сети для нужд распределённых контуров управления. Ресурсный потолок всегда тривиально предсказуем и доказуем.
Открытость. Это не техническое требование, а юридическое, но это не делает его менее значимым. Невозможно обеспечить серьёзные внедрения закрытой технологии, если существенная часть отрасли живёт открытыми стандартами и открытым ПО. Этот пункт подразумевает свободное распространение всей документации и кода под разрешительными лицензиями (CC BY, MIT) без обязательных членских взносов.
В части погони за простотой как одной из ключевых характеристик можно усмотреть реминисценции известного в определённых кругах алгоритма распределённого консенсуса Raft, чьи создатели точно так же, как и мы, начали с вопроса о том, как сделать сложные вещи простыми. Хотя область их деятельности не имеет ничего общего с нашей, они, как и мы, в конечном итоге решали проблему восприятия, где единственной гарантированно достоверной метрикой является человеческий опыт. В отличие от авторов Raft, мы не проверяли трудность понимания наших спецификаций на больших массах людей (N.B.: они показали видеолекцию 43-м студентам и потом оценили понимание при помощи теста, сравнив результаты с конкурирующей технологией). Однако, у нас есть вот такое практическое свидетельство, где господин зашёл с улицы и сделал минимальную реализацию UAVCAN с нуля за «пару недель» (с его слов):
Желающие увидеть код найдут его на гитхабе как libuavesp. Я, обратите внимание, умываю руки — мы к этой реализации отношения не имеем. Заявление автора о том, что «UAV» в названии «UAVCAN» имеет отношение к БПЛА, не соответствует действительности и вызвано банальным недоразумением.
Как нетрудно догадаться из предваряющей этот раздел вводной, UAVCAN широко заимствует ценные принципы из флагманов современной индустрии, в первую очередь опираясь на ROS, DDS, AFDX, WAIC и множество высокоуровневых CAN протоколов, которые даже нет смысла здесь перечислять. Однако, вопросы организации распределённых вычислений одними транспортными протоколами, очевидно, не ограничиваются, особенно если учесть заявленную в ключевых целях потребность в «высокоуровневых абстракциях». UAVCAN удобно рассматривать в виде трёхуровневой модели (мы намеренно игнорируем семиуровневую модель OSI ввиду её чрезмерной детализации):
Уровень приложения. На этом уровне представлены общие для всех бортовых систем функции: мониторинг состояния, логирование, передача файлов, управление конфигурацией, телеметрия, и т.п. На этом же уровне создаются специализированные сервисы согласно потребностям конкретного приложения. В распоряжении пользователя два вида взаимодействий: анонимный статически типизированный издатель-подписчик и статически же типизированный удалённый вызов процедур с явной адресацией (т.е. не анонимный).
Уровень представления отвечает за маршалинг доменных объектов в связях издатель-подписчик и при удалённом вызове процедур. Этот уровень реализован средствами специального предметно-ориентированного языка, на котором даётся строгое определение типов данных для сетевого обмена: Data Structure Description Language (DSDL). На основе DSDL-дефиниций можно автоматически генерировать код (можно и не автоматически).
Транспортный уровень занимается доставкой объектов согласно связям издатель-подписчик и удалённым вызовам процедур. Этот уровень намеренно сильно изолирован от вышележащих двух, что позволяет нам определить несколько транспортов поверх различных нижележащих протоколов:
- UAVCAN/CAN работает поверх классического CAN и CAN FD. Вероятно, в будущем также появится поддержка CAN XL, но это не точно.
- UAVCAN/UDP работает поверх UDP/IP. По состоянию на 2020-й год, спецификация этого транспорта ещё находится в стадии ранней альфы и может быть изменена до стабилизации (хотя предпосылок к этому нет).
- UAVCAN/serial работает поверх любого байт-ориентированного протокола (UART, RS-232/422/485, USB CDC ACM) и ещё подходит для хранения дампов в неструктурированных бинарных файлах. Этот транспорт тоже ожидает стабилизации.
- Поскольку интерфейс между транспортом и верхними уровнями хорошо определён, в будущем возможно добавление новых транспортных протоколов. В числе таковых рассматривается, например, беспроводной IEEE 802.15.4.
У нас есть несколько безусловных исходных предположений, которые довольно однозначно очерчивают область применимости протокола. Строгий фокус на бортовых сетях реального времени означает, что попытки использования UAVCAN в любых других областях скорее всего приведут к посредственным результатам, что мы, однако, не расцениваем как недостаток.
Первое из исходных предположений таково: нижележащая транспортная сеть (например, CAN или Ethernet, в зависимости от выбранного транспорта) предлагает хорошо охарактеризованную минимальную кривую обслуживания и нулевую вероятность потерь пакетов при отсутствии неблагоприятных воздействий внешней среды. Последнее означает, что потери не могут возникнуть в результате процессов, протекающих внутри сети, как, например, переполнение б
