反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)是一種特殊類(lèi)型的共享內(nèi)存系統(tǒng),旨在使多個(gè)獨(dú)立計(jì)算機(jī)共享通用數(shù)據(jù)集.反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)可在每個(gè)子系統(tǒng)中保存整個(gè)共享內(nèi)存的獨(dú)立備份.每個(gè)子系統(tǒng)均享有充分且不受-的訪(fǎng)問(wèn)權(quán)限,還能以極高的本地內(nèi)存寫(xiě)入速度修改本地?cái)?shù)據(jù)集.當(dāng)數(shù)據(jù)寫(xiě)入本地反射內(nèi)存?zhèn)浞?高速邏輯同步將其傳輸至環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)的下一個(gè)節(jié)點(diǎn).每個(gè)后續(xù)節(jié)點(diǎn)同時(shí)將這個(gè)新數(shù)據(jù)寫(xiě)入本地備份,然后將其發(fā)送至環(huán)網(wǎng)的下一個(gè)節(jié)點(diǎn).當(dāng)信息回到初始節(jié)點(diǎn)時(shí)便會(huì)被從網(wǎng)絡(luò)中移除,然后,根據(jù)特定硬件與節(jié)點(diǎn)數(shù)目,網(wǎng)絡(luò)上的所有計(jì)算機(jī)幾個(gè)微妙之內(nèi)便會(huì)在同一地址擁有相同數(shù)據(jù).本地處理器無(wú)需接入網(wǎng)絡(luò)便能在任意時(shí)間讀取這些數(shù)據(jù).通過(guò)這種方式,每臺(tái)計(jì)算機(jī)便可始終擁有共享內(nèi)存集的最新本地備份.在本例的四個(gè)節(jié)點(diǎn)中,所有計(jì)算機(jī)只需 μs便可接收到寫(xiě)入反射內(nèi)存中的數(shù)據(jù).
假設(shè)線(xiàn)纜長(zhǎng)度較短,、數(shù)據(jù)包規(guī)格最大且無(wú)網(wǎng)絡(luò)流量,這種延遲計(jì)算便可能成立.線(xiàn)纜長(zhǎng)度與網(wǎng)絡(luò)流量能夠增加延遲,但只要網(wǎng)絡(luò)帶寬沒(méi)有超限,延遲就不會(huì)出現(xiàn)明顯增加.反射內(nèi)存板(節(jié)點(diǎn))包括本地內(nèi)存、嵌入式接口以及可為主機(jī)與反射內(nèi)存提供訪(fǎng)問(wèn)通道的仲裁邏輯.反射內(nèi)存板可物理安裝或連接至各種計(jì)算機(jī)總線(xiàn)中,包括VME, PCI/PCI-X, ComPACtPCI, PCI Express或-能夠集成PMC槽的標(biāo)準(zhǔn)/專(zhuān)用系統(tǒng).這就使得熱門(mén)工作站可通過(guò)反射內(nèi)存與單板計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)連接,無(wú)需考慮互用性.
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(jì)算機(jī)或可編程邏輯控制器連接在一起的應(yīng)用場(chǎng)合,但并非適用于所有應(yīng)用場(chǎng)合.反射內(nèi)存與以實(shí)時(shí)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(jià)格高于性能較低的硬件,但卻能在性能方面,通過(guò)極高的易用性帶來(lái)豐厚回報(bào).
沒(méi)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(jì)算機(jī)同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)彼此的內(nèi)存.反射內(nèi)存通過(guò)在幾微妙內(nèi)賦予網(wǎng)絡(luò)上每臺(tái)計(jì)算機(jī)-計(jì)算機(jī)內(nèi)存有效副本的方式接近了這個(gè)構(gòu)想,最多可連接多達(dá)256臺(tái)計(jì)算機(jī).由于內(nèi)存的全局屬性,可能會(huì)有多臺(tái)計(jì)算機(jī)同時(shí)進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn).所有CPU寫(xiě)入該公共內(nèi)存空間的訪(fǎng)問(wèn)都將被復(fù)制到網(wǎng)絡(luò)中的-節(jié)點(diǎn)上.反射內(nèi)存透明地監(jiān)測(cè),、復(fù)制這個(gè)數(shù)據(jù),這樣應(yīng)用便能在無(wú)軟件開(kāi)銷(xiāo)懲罰的情況下共享該數(shù)據(jù).操作系統(tǒng)與獨(dú)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(dú)的反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)連接不同總線(xiàn).附帶PMC槽的嵌入式單板計(jì)算機(jī)(VME or CompactPCI)使用反射內(nèi)存PMC板在主機(jī)底板上卸載流量.用戶(hù)可對(duì)高速網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置,在該網(wǎng)絡(luò)上,所有臺(tái)式工作站,、單板電腦或服務(wù)器均可直接通過(guò)任何帶有可用CompactPCI, PCI/PCI-X, PCI Express,VMEbus槽,或PMC槽的計(jì)算機(jī)共享信息.即使連接使用不同字節(jié)格式(大端和小端類(lèi)型)的計(jì)算機(jī),字節(jié)交換在反射內(nèi)存系統(tǒng)中也不是問(wèn)題.基于PCI的反射內(nèi)存板含有為字節(jié)交換專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)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(lèi)型的轉(zhuǎn)換也不會(huì)發(fā)生協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)或時(shí)間損失.反射內(nèi)存還有易用性,且無(wú)需考慮操作系統(tǒng)及其使用的設(shè)備.
系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員越來(lái)越需要在更短時(shí)間內(nèi)構(gòu)造出更強(qiáng)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(diǎn)在單機(jī)系統(tǒng)與微系統(tǒng)中表現(xiàn)得更加明顯.在時(shí)間與系統(tǒng)正常運(yùn)行的低單位投資成為市場(chǎng)上的關(guān)鍵因素時(shí),使用反射內(nèi)存便會(huì)帶來(lái)極大的利益.在這些要求苛刻的系統(tǒng)中,反射內(nèi)存簡(jiǎn)單的讀/寫(xiě)通信方式大大提高了產(chǎn)品上市時(shí)間,同時(shí)提高了網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)通過(guò)量.
反射內(nèi)存提供多個(gè)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)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(jī)通訊解決方案.與傳統(tǒng)通訊方式的附加開(kāi)發(fā)時(shí)間、測(cè)試,、維護(hù)、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(jì)高效.

一,、光纖網(wǎng)簡(jiǎn)介

在半實(shí)物仿真系統(tǒng)等實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)性,而傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù),如以太網(wǎng),、FDDI等在實(shí)時(shí)應(yīng)用中存在以下缺點(diǎn):(1)數(shù)據(jù)傳輸速率不高;(2)數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性差,傳輸延遲較大且延遲具有不可預(yù)測(cè)性;(3)網(wǎng)絡(luò)通信需要借助多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來(lái)完成,通訊效率較低.

實(shí)時(shí)光纖反射內(nèi)存網(wǎng)(Reflective memory network簡(jiǎn)稱(chēng)實(shí)時(shí)光纖網(wǎng))是一種基于高速光纖網(wǎng)絡(luò)共享存儲(chǔ)技術(shù)的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò).與傳統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相比,它除了具有嚴(yán)格的傳輸確定性和可預(yù)測(cè)性外,還具有數(shù)據(jù)傳輸速度高、通信協(xié)議簡(jiǎn)單、宿主機(jī)負(fù)載輕,、軟硬件平臺(tái)適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn).

實(shí)時(shí)光纖反射內(nèi)存網(wǎng)(簡(jiǎn)稱(chēng)實(shí)時(shí)光纖網(wǎng))由插在計(jì)算機(jī)內(nèi)的光纖接口板通過(guò)光纖線(xiàn)連接在一起,形成一個(gè)環(huán)網(wǎng)(如圖1),每個(gè)節(jié)點(diǎn)的光纖接口板的板載存儲(chǔ)器都有-節(jié)點(diǎn)的共享數(shù)據(jù)拷貝,在邏輯上全網(wǎng)的所有節(jié)點(diǎn)共享同一塊存儲(chǔ)器,數(shù)據(jù)一點(diǎn)寫(xiě)入,多點(diǎn)同時(shí)更新,通過(guò)這種方式實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高速傳輸與共享.

二,、實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)需求

為提升計(jì)算能力,人們自然地想到研發(fā)性能更強(qiáng)的計(jì)算機(jī),如天河系列等超級(jí)計(jì)算機(jī)應(yīng)運(yùn)而生,但超級(jí)計(jì)算機(jī)研制周期長(zhǎng)、成本大,、應(yīng)用領(lǐng)域受限.為此,提出了集群系統(tǒng)概念,計(jì)算機(jī)集群系統(tǒng)是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將PC機(jī)或工作站連接起來(lái)組成高性能計(jì)算系統(tǒng).集群系統(tǒng)將一個(gè)任務(wù)并行在多臺(tái)計(jì)算機(jī)上執(zhí)行,組成一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng).

在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中,系統(tǒng)最終結(jié)果的正確性不僅依賴(lài)于每一步計(jì)算得到的邏輯結(jié)果,而且依賴(lài)于得到結(jié)果的時(shí)刻,任務(wù)的完成時(shí)間是實(shí)時(shí)系統(tǒng)的決定性特征.根據(jù)實(shí)時(shí)性能的要求程度,實(shí)時(shí)系統(tǒng)可認(rèn)為兩類(lèi),即軟實(shí)時(shí)和硬實(shí)時(shí)系統(tǒng).對(duì)于軟實(shí)時(shí)系統(tǒng),要求事件相應(yīng)是實(shí)時(shí)的,但并不是嚴(yán)格強(qiáng)制的.但是,對(duì)于硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)來(lái)講,每個(gè)任務(wù)都有一個(gè)處理截止事件,任務(wù)必須在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成,否則會(huì)影響全局任務(wù)的完成,給系統(tǒng)帶來(lái)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(shí)時(shí)系統(tǒng)都采用硬實(shí)時(shí)系統(tǒng),因?yàn)榫哂懈鼜?qiáng)的實(shí)時(shí)性能.實(shí)時(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用需要實(shí)時(shí)互聯(lián),構(gòu)建實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò),完成數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的實(shí)時(shí)傳輸.

實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)必須具備高速,、可靠、可預(yù)測(cè)三個(gè)特點(diǎn),最重要的是通信的可預(yù)測(cè)性,可預(yù)測(cè)性是指實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間是確定的.隨著實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展,目前已不僅僅局限于計(jì)算機(jī)集群系統(tǒng)的互聯(lián),而是廣泛地應(yīng)用在各種具有實(shí)時(shí)需求的互聯(lián)系統(tǒng)中,如半實(shí)物仿真,、高速數(shù)據(jù)獲取等.

實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展過(guò)程中,出現(xiàn)過(guò)兩種設(shè)計(jì)思路:基于單一總線(xiàn)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(xiàn)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(gè)節(jié)點(diǎn)只訪(fǎng)問(wèn)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(xiàn)仲裁控制時(shí)間而成為實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)的主要設(shè)計(jì)方式.

實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)要保證高速,、可靠、可預(yù)測(cè)這三大指標(biāo),但千兆以太網(wǎng),、光纖通道(Fiber Channel,FC)協(xié)議等,在可預(yù)測(cè)性上很差,首先是因?yàn)橥ㄟ^(guò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(kāi)銷(xiāo),其次是同樣存在共享沖突和碰撞的問(wèn)題(如千兆以太網(wǎng)GBE中采用CSMA/CD載波-多路訪(fǎng)問(wèn)/沖突檢測(cè)機(jī)制,、FC協(xié)議采用令牌環(huán)仲裁等)進(jìn)一步增加了傳輸時(shí)間的不確定性.光纖反射內(nèi)存網(wǎng)很好的解決了上述問(wèn)題.