光纖反射內(nèi)存網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

高實(shí)時(shí)性低開(kāi)銷網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

目前主流公開(kāi)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，如以太網(wǎng)所使用的TCP/IP協(xié)議雖然功能完備、運(yùn)行穩(wěn)定，但其傳輸機(jī)制和服務(wù)方式都比較復(fù)雜冗余，實(shí)時(shí)性較差，不適合于多實(shí)時(shí)性有較高要求的領(lǐng)域。

光纖反射內(nèi)存網(wǎng)通訊協(xié)議要在保證高實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性前提下，降低協(xié)議的復(fù)雜度。在保證網(wǎng)絡(luò)基本服務(wù)和傳輸穩(wěn)定性的前提下，盡量提高系統(tǒng)的傳輸性能、實(shí)時(shí)性及相應(yīng)速度。同時(shí)要有完整的錯(cuò)誤處理機(jī)制，在錯(cuò)誤發(fā)生的情況下保證錯(cuò)誤不蔓延，有良好的自愈能力。

邊收邊轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模式實(shí)現(xiàn)低延時(shí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)

在協(xié)議控制器設(shè)計(jì)上采用RFMMA(Reflective Memory Multiple Access)基于反射內(nèi)存的多模式存取技術(shù)，支持?jǐn)?shù)據(jù)、IO、命令、中斷等多種數(shù)據(jù)傳輸模式。

在協(xié)議實(shí)現(xiàn)上，即協(xié)議控制器的設(shè)計(jì)上，要采取低延時(shí)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)策略，將轉(zhuǎn)發(fā)延遲控制在1us以內(nèi)，這個(gè)對(duì)協(xié)議控制器實(shí)現(xiàn)提出了很高的挑戰(zhàn)。主要采用此一下方法：1）采用邊收邊轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)傳輸模式，不采用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)模式，減小數(shù)據(jù)在單個(gè)節(jié)點(diǎn)上的轉(zhuǎn)發(fā)延遲，提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。2）在協(xié)議設(shè)計(jì)時(shí)，優(yōu)化設(shè)計(jì)，壓縮信息頭的長(zhǎng)度，并將重要信息都放在信息頭前面，以方便轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)進(jìn)行快速判斷。3）設(shè)計(jì)了完備的數(shù)據(jù)幀回收機(jī)制，通過(guò)節(jié)點(diǎn)ID、傳輸計(jì)數(shù)器等方式保證了廢數(shù)據(jù)幀的可靠回收。同時(shí)，采用CRC校驗(yàn)碼校驗(yàn)數(shù)據(jù)的正確性。

一般的網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)是都采用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的方式，轉(zhuǎn)發(fā)延遲過(guò)大，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的延時(shí)加大，實(shí)時(shí)性降低。采用即時(shí)收/轉(zhuǎn)（邊收邊轉(zhuǎn)發(fā)）模式，在接收數(shù)據(jù)的同時(shí)完成處理和轉(zhuǎn)發(fā)，代替常用的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)模式，只需4個(gè)時(shí)鐘周期便可完成判斷&轉(zhuǎn)發(fā)，典型數(shù)據(jù)幀是（長(zhǎng)度256Byte）轉(zhuǎn)發(fā)延遲比存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)縮短了30倍以上。實(shí)測(cè)延時(shí)小于0.6us。

光纖HUB的換網(wǎng)動(dòng)態(tài)重構(gòu)及數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)技術(shù)

利用高速開(kāi)關(guān)陣列及FPGA集成的高速收發(fā)器，構(gòu)建一個(gè)開(kāi)關(guān)陣列，通過(guò)開(kāi)關(guān)陣列的切換，形成內(nèi)外雙環(huán)的數(shù)據(jù)傳輸通路，是光纖網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)在邏輯上形成一個(gè)環(huán)形傳輸方式，并通過(guò)FPGA收發(fā)器實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的監(jiān)控及故障節(jié)點(diǎn)的自診斷自隔離。

高速電路設(shè)計(jì)及仿真驗(yàn)證技術(shù)

光纖反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)波特率2.5Gbps，電信號(hào)的這個(gè)數(shù)據(jù)通訊速率下傳輸，屬于高速電路設(shè)計(jì)。為保證數(shù)據(jù)可靠傳輸、保證系統(tǒng)的電磁兼容性、信號(hào)完整性，對(duì)電路板PCB設(shè)計(jì)提出了較高的要求。為保證設(shè)計(jì)質(zhì)量，采用了Cadence公司的SigXplorer軟件進(jìn)行電路仿真，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行多輪迭代來(lái)改進(jìn)設(shè)計(jì)。

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(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)均享有充分且不受限制的訪問(wèn)權(quán)限，還能以極高的本地內(nèi)存寫入速度修改本地?cái)?shù)據(jù)集。當(dāng)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(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2.1 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(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)總線中，包括VME, PCI/PCI-X, CompactPCI, PCI Express或其他能夠集成PMC槽的標(biāo)準(zhǔn)/專用系統(tǒng)。這就使得熱門工作站可通過(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)、光纖通道或其他串行網(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)其他計(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)行訪問(wèn)。所有CPU寫入該公共內(nèi)存空間的訪問(wèn)都將被復(fù)制到網(wǎng)絡(luò)中的其他節(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和其他各種格式。這樣便允許單獨(dú)的反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)連接不同總線。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)交換專門設(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，大端與小端類型的轉(zhuǎn)換也不會(huì)發(fā)生協(xié)議開(kāi)銷或時(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。