一,、光纖網(wǎng)簡介

在半實物仿真系統(tǒng)等實時系統(tǒng)中,要求系統(tǒng)各部分之間的數(shù)據(jù)傳輸具有很高的實時性,而傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù),如以太網(wǎng),、FDDI等在實時應(yīng)用中存在以下缺點:(1)數(shù)據(jù)傳輸速率不高;(2)數(shù)據(jù)傳輸實時性差,傳輸延遲較大且延遲具有不可預(yù)測性;(3)網(wǎng)絡(luò)通信需要借助多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來完成,通訊效率較低.

實時光纖反射內(nèi)存網(wǎng)(Reflective memory network簡稱實時光纖網(wǎng))是一種基于高速光纖網(wǎng)絡(luò)共享存儲技術(shù)的實時網(wǎng)絡(luò).與傳統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相比,它除了具有嚴格的傳輸確定性和可預(yù)測性外,還具有數(shù)據(jù)傳輸速度高、通信協(xié)議簡單,、宿主機負載輕,、軟硬件平臺適應(yīng)性強等特點.

實時光纖反射內(nèi)存網(wǎng)(簡稱實時光纖網(wǎng))由插在計算機內(nèi)的光纖接口板通過光纖線連接在一起,形成一個環(huán)網(wǎng)(如圖1),每個節(jié)點的光纖接口板的板載存儲器都有-節(jié)點的共享數(shù)據(jù)拷貝,在邏輯上全網(wǎng)的所有節(jié)點共享同一塊存儲器,數(shù)據(jù)一點寫入,多點同時更新,通過這種方式實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高速傳輸與共享.

二、實時網(wǎng)絡(luò)需求

為提升計算能力,人們自然地想到研發(fā)性能更強的計算機,如天河系列等超級計算機應(yīng)運而生,但超級計算機研制周期長,、成本大,、應(yīng)用領(lǐng)域受限.為此,提出了集群系統(tǒng)概念,計算機集群系統(tǒng)是通過網(wǎng)絡(luò)將PC機或工作站連接起來組成高性能計算系統(tǒng).集群系統(tǒng)將一個任務(wù)并行在多臺計算機上執(zhí)行,組成一個實時系統(tǒng).

在實時系統(tǒng)中,系統(tǒng)最終結(jié)果的正確性不僅依賴于每一步計算得到的邏輯結(jié)果,而且依賴于得到結(jié)果的時刻,任務(wù)的完成時間是實時系統(tǒng)的決定性特征.根據(jù)實時性能的要求程度,實時系統(tǒng)可認為兩類,即軟實時和硬實時系統(tǒng).對于軟實時系統(tǒng),要求事件相應(yīng)是實時的,但并不是嚴格強制的.但是,對于硬實時系統(tǒng)來講,每個任務(wù)都有一個處理截止事件,任務(wù)必須在規(guī)定的時間內(nèi)完成,否則會影響全局任務(wù)的完成,給系統(tǒng)帶來不希望的破壞或者造成不可恢復(fù)的災(zāi)難性后果.目前許多實時系統(tǒng)都采用硬實時系統(tǒng),因為具有更強的實時性能.實時系統(tǒng)的應(yīng)用需要實時互聯(lián),構(gòu)建實時網(wǎng)絡(luò),完成數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的實時傳輸.

實時網(wǎng)絡(luò)必須具備高速、可靠,、可預(yù)測三個特點,最重要的是通信的可預(yù)測性,可預(yù)測性是指實時網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間是確定的.隨著實時網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴展,目前已不僅僅局限于計算機集群系統(tǒng)的互聯(lián),而是廣泛地應(yīng)用在各種具有實時需求的互聯(lián)系統(tǒng)中,如半實物仿真,、高速數(shù)據(jù)獲取等.

實時網(wǎng)絡(luò)發(fā)展過程中,出現(xiàn)過兩種設(shè)計思路:基于單一總線的多CPU共享全局內(nèi)存和基于網(wǎng)絡(luò)的分布式內(nèi)存:

相比基于單一總線的多CPU共享全局內(nèi)存系統(tǒng),在基于網(wǎng)絡(luò)的分布式內(nèi)存體系中每個節(jié)點只訪問自己的本地內(nèi)存,不存在內(nèi)存占有沖突,由于這種方式能夠避免大量的總線仲裁控制時間而成為實時網(wǎng)絡(luò)的主要設(shè)計方式.

實時網(wǎng)絡(luò)要保證高速、可靠,、可預(yù)測這三大指標,但千兆以太網(wǎng),、光纖通道(Fiber Channel,FC)協(xié)議等,在可預(yù)測性上很差,首先是因為通過設(shè)備驅(qū)動和軟件網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的工作模式增加了額外的不確定開銷,其次是同樣存在共享沖突和碰撞的問題(如千兆以太網(wǎng)GBE中采用CSMA/CD載波-多路訪問/沖突檢測機制、FC協(xié)議采用令牌環(huán)仲裁等)進一步增加了傳輸時間的不確定性.光纖反射內(nèi)存網(wǎng)很好的解決了上述問題.

反射內(nèi)存網(wǎng)是基于網(wǎng)絡(luò)的分布式內(nèi)存硬實時網(wǎng)絡(luò)的一種設(shè)計思想,特點:1)反射內(nèi)存網(wǎng)硬件實現(xiàn)分布式RAM之間數(shù)據(jù)的傳輸,、共享,整個過程具有很低的實現(xiàn)延遲;2)反射內(nèi)存網(wǎng)依靠硬件實現(xiàn),、不需要復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議控制,能夠在相同的傳輸帶寬下達到更高的有效速率;3)反射內(nèi)存網(wǎng)對數(shù)據(jù)的各種處理是通過硬件電路實現(xiàn),在固定的時鐘頻率下周期工作,沒有不確定的時間開銷,確保數(shù)據(jù)處理的可預(yù)測性.

三、光纖反射內(nèi)存網(wǎng)與以太網(wǎng)比較

1)實時性

反射內(nèi)存(RFM)是基于環(huán)狀/星狀的,高速復(fù)制的共享內(nèi)存網(wǎng)絡(luò).它支持不同總線結(jié)構(gòu)的多計算機系統(tǒng),并且可以使用不同操作系統(tǒng)來共享高速的,、穩(wěn)定速率的實時數(shù)據(jù)

基于反射內(nèi)存構(gòu)建的實時網(wǎng)絡(luò)是一種強實時高帶寬局域網(wǎng)技術(shù),在互連的計算機間提供高效的數(shù)據(jù)傳輸.反射內(nèi)存網(wǎng)在所有互連的節(jié)點中虛擬出一段全局共享的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)存,在分布系統(tǒng)中實現(xiàn)內(nèi)存至內(nèi)存的通信,因此應(yīng)用程序沒有軟件開銷.每臺結(jié)點機上插一塊反射內(nèi)存卡,卡上帶有雙端口內(nèi)存.每個節(jié)點機的各層應(yīng)用軟件可以直接讀寫反射內(nèi)存卡上內(nèi)存.當(dāng)數(shù)據(jù)

反射內(nèi)存可用于所有使用以太網(wǎng),、光纖通道或-串行網(wǎng)絡(luò)將計算機或可編程邏輯控制器連接在一起的應(yīng)用場合,但并非適用于所有應(yīng)用場合.反射內(nèi)存與以實時交互作用為首要關(guān)注因素的系統(tǒng)關(guān)系最為緊密.在需要低延遲與高度通信的系統(tǒng)中,雖然反射內(nèi)存板價格高于性能較低的硬件,但卻能在性能方面,通過極高的易用性帶來豐厚回報.
沒有任何高性能局域網(wǎng)能像反射內(nèi)存這樣易于安裝和操作.理想的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該允許所有計算機同時訪問彼此的內(nèi)存.反射內(nèi)存通過在幾微妙內(nèi)賦予網(wǎng)絡(luò)上每臺計算機-計算機內(nèi)存有效副本的方式接近了這個構(gòu)想,最多可連接多達256臺計算機.由于內(nèi)存的全局屬性,可能會有多臺計算機同時進行訪問.所有CPU寫入該公共內(nèi)存空間的訪問都將被復(fù)制到網(wǎng)絡(luò)中的-節(jié)點上.反射內(nèi)存透明地監(jiān)測、復(fù)制這個數(shù)據(jù),這樣應(yīng)用便能在無軟件開銷懲罰的情況下共享該數(shù)據(jù).操作系統(tǒng)與獨立處理器現(xiàn)在,反射內(nèi)存硬件可用于VME,、PCI/PCI-X,、PMC、PCI Express和-各種格式.這樣便允許單獨的反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)連接不同總線.附帶PMC槽的嵌入式單板計算機(VME or ComPACtPCI)使用反射內(nèi)存PMC板在主機底板上卸載流量.用戶可對高速網(wǎng)絡(luò)進行配置,在該網(wǎng)絡(luò)上,所有臺式工作站,、單板電腦或服務(wù)器均可直接通過任何帶有可用CompactPCI, PCI/PCI-X, PCI Express,VMEbus槽,或PMC槽的計算機共享信息.即使連接使用不同字節(jié)格式(大端和小端類型)的計算機,字節(jié)交換在反射內(nèi)存系統(tǒng)中也不是問題.基于PCI的反射內(nèi)存板含有為字節(jié)交換專門設(shè)計的硬件.該硬件提供快速,、高效、可重復(fù)的雙向轉(zhuǎn)換.此外,大端與小端類型的轉(zhuǎn)換也不會發(fā)生協(xié)議開銷或時間損失.反射內(nèi)存還有易用性,且無需考慮操作系統(tǒng)及其使用的設(shè)備.
系統(tǒng)設(shè)計人員越來越需要在更短時間內(nèi)構(gòu)造出更強大,、更復(fù)雜的系統(tǒng).在這種情況下,硬件成本與軟件和集成硬件/軟件的成本相比微不足道,這點在單機系統(tǒng)與微系統(tǒng)中表現(xiàn)得更加明顯.在時間與系統(tǒng)正常運行的低單位投資成為市場上的關(guān)鍵因素時,使用反射內(nèi)存便會帶來極大的利益.在這些要求苛刻的系統(tǒng)中,反射內(nèi)存簡單的讀/寫通信方式大大提高了產(chǎn)品上市時間,同時提高了網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)通過量.
反射內(nèi)存提供多個超過標準網(wǎng)絡(luò)的特性:比如全局化內(nèi)存,、高速數(shù)據(jù)傳輸以及軟件透明度,這些特性使反射內(nèi)存成為最具吸引力的多機通訊解決方案.與傳統(tǒng)通訊方式的附加開發(fā)時間、測試,、維護,、文檔編制和附加CPU要求所產(chǎn)生的成本相比,反射內(nèi)存方案更加經(jīng)濟高效.