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(yán)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(jī)負(fù)載輕,、軟硬件平臺適應(yīng)性強(qiáng)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(jī)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(qiáng)的計算機(jī),如天河系列等超級計算機(jī)應(yīng)運(yùn)而生,但超級計算機(jī)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(jī)集群系統(tǒng)是通過網(wǎng)絡(luò)將PC機(jī)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(jī)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(rèn)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(yán)格強(qiáng)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(qiáng)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(kuò)展,目前已不僅僅局限于計算機(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(biāo),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(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(dá)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(jī)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(qiáng)實時高帶寬局域網(wǎng)技術(shù),在互連的計算機(jī)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(jī)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(jī)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)