反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)是一種特殊類型的共享內(nèi)存系統(tǒng),旨在使多個獨立計算機共享通用數(shù)據(jù)集.反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)可在每個子系統(tǒng)中保存整個共享內(nèi)存的獨立備份.每個子系統(tǒng)均享有充分且不受-的訪問權(quán)限,還能以極高的本地內(nèi)存寫入速度修改本地數(shù)據(jù)集.當數(shù)據(jù)寫入本地反射內(nèi)存?zhèn)浞?高速邏輯同步將其傳輸至環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)的下一個節(jié)點.每個后續(xù)節(jié)點同時將這個新數(shù)據(jù)寫入本地備份,然后將其發(fā)送至環(huán)網(wǎng)的下一個節(jié)點.當信息回到初始節(jié)點時便會被從網(wǎng)絡(luò)中移除,然后,根據(jù)特定硬件與節(jié)點數(shù)目,網(wǎng)絡(luò)上的所有計算機幾個微妙之內(nèi)便會在同一地址擁有相同數(shù)據(jù).本地處理器無需接入網(wǎng)絡(luò)便能在任意時間讀取這些數(shù)據(jù).通過這種方式,每臺計算機便可始終擁有共享內(nèi)存集的最新本地備份.在本例的四個節(jié)點中,所有計算機只需 μs便可接收到寫入反射內(nèi)存中的數(shù)據(jù).
假設(shè)線纜長度較短,、數(shù)據(jù)包規(guī)格最大且無網(wǎng)絡(luò)流量,這種延遲計算便可能成立.線纜長度與網(wǎng)絡(luò)流量能夠增加延遲,但只要網(wǎng)絡(luò)帶寬沒有超限,延遲就不會出現(xiàn)明顯增加.反射內(nèi)存板(節(jié)點)包括本地內(nèi)存,、嵌入式接口以及可為主機與反射內(nèi)存提供訪問通道的仲裁邏輯.反射內(nèi)存板可物理安裝或連接至各種計算機總線中,包括VME, PCI/PCI-X, ComPACtPCI, PCI Express或-能夠集成PMC槽的標準/專用系統(tǒng).這就使得熱門工作站可通過反射內(nèi)存與單板計算機實現(xiàn)連接,無需考慮互用性.
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制到網(wǎng)絡(luò)中的-節(jié)點上.反射內(nèi)存透明地監(jiān)測,、復制這個數(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.

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、可預測三個特點,最重要的是通信的可預測性,可預測性是指實時網(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.