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其他節(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，F(xiàn)C）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載波監(jiān)聽多路訪問/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。當數(shù)據(jù)

網(wǎng)絡(luò)內(nèi)存網(wǎng)主要是由網(wǎng)絡(luò)內(nèi)存卡通過光纖連接而成的，網(wǎng)絡(luò)上的每臺計算機插入一塊。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)存卡形成各個節(jié)點，而每個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)存卡上的存儲器中都有網(wǎng)絡(luò)內(nèi)存網(wǎng)上其它節(jié)點的共享數(shù)據(jù)拷貝。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)存卡可以插在多種總線的主板上，如VME、PCI、CompactPCI、PMC接口等。每個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)存卡都占有一段內(nèi)存地址，網(wǎng)上任何計算機向本地網(wǎng)絡(luò)內(nèi)存卡寫數(shù)據(jù)時，該數(shù)據(jù)和相應(yīng)內(nèi)存地址被廣播到網(wǎng)上所有其他網(wǎng)絡(luò)內(nèi)存卡并存儲在相同的位置。

所以計算機將數(shù)據(jù)寫入其本地網(wǎng)絡(luò)內(nèi)存卡后的，極短時間內(nèi)，網(wǎng)上所有計算機都可以訪問這個新數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)存卡使用簡單的讀寫方式，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)存網(wǎng)上的數(shù)據(jù)傳輸是純硬件操作，不需要考慮網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議，軟件上只需要幾行代碼就可完成對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)存卡的讀、寫操作，因此它與以太網(wǎng)等其他傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相比具有更低的數(shù)據(jù)傳輸延遲、更快的傳輸速度，更簡單靈活的使用操作，可以滿足實時系統(tǒng)快速反應(yīng)周期的要求，而采用其他網(wǎng)絡(luò)就很難滿足這種要求。

反射內(nèi)存是一種通過局域網(wǎng)在互連的計算機間提供高效的數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)，強實時網(wǎng)絡(luò)設(shè)計人員已經(jīng)越來越多地采用這種技術(shù)。反射內(nèi)存實時局域網(wǎng)的概念十分簡單，就是設(shè)計一種網(wǎng)絡(luò)內(nèi)存板，在分布系統(tǒng)中實現(xiàn)內(nèi)存至內(nèi)存的通信，并且沒有軟件開銷。每臺計算機上插一塊反射內(nèi)存卡，卡上帶有雙口內(nèi)存，各層軟件既可以讀也可以寫這些內(nèi)存，當數(shù)據(jù)被寫入一臺機器的反射內(nèi)存卡的內(nèi)存中后，反射內(nèi)存卡自動地通過光纖傳輸?shù)狡渌B在網(wǎng)絡(luò)上的反射內(nèi)存卡的內(nèi)存里，通常，只需幾百納秒的時間延遲，所有的反射內(nèi)存卡上的內(nèi)存將寫入同樣的內(nèi)容。而各成員在訪問數(shù)據(jù)時，只要訪問本地的反射內(nèi)存卡中的內(nèi)存即可。VMIC反射內(nèi)存具有以下主要特點：

（1）高速度和高性能

傳輸速度達到174M字節(jié)/秒。使用光纖，可以連接更多節(jié)點（最大到256個節(jié)點），具有很高的抗干擾能力。測試結(jié)果表明，從數(shù)據(jù)寫入RAM到傳到另一個節(jié)點的反射內(nèi)存卡上，只有不到400納秒的時延。

（2）使用方便

反射內(nèi)存卡通過向每個節(jié)點機提供一套相同的數(shù)據(jù)備份使得各節(jié)點可以并發(fā)的訪問相同的內(nèi)容在訪問反射內(nèi)存卡的內(nèi)存時與訪問自身的內(nèi)存沒有差別。各節(jié)點間數(shù)據(jù)一致性是由反射內(nèi)存卡保證，對應(yīng)用軟件是透明的。安裝簡單，將反射內(nèi)存卡插在主板一個可用槽口上，再將各臺主機通過光纖網(wǎng)或扁平數(shù)據(jù)線連在一起即可。

（3）獨立于操作系統(tǒng)和處理機

反射內(nèi)存卡可以VME、PCI、PMC、Compact PCI、Multibus I等多種總線上使用，可以將ALPHA、Power PC、Macintosh、奔騰等計算機通過反射內(nèi)存卡實時網(wǎng)絡(luò)連接在一起，組成一個集群系統(tǒng)。

（4）確定的數(shù)據(jù)傳輸時間

在反射內(nèi)存卡中，當數(shù)據(jù)被寫入本地的反射內(nèi)存卡板的內(nèi)存中時，就被同時傳輸?shù)狡渌噙B的計算機上，沒有軟件延遲，硬件延遲也非常小。光纖反射內(nèi)存卡在節(jié)點間傳輸數(shù)據(jù)時只需400納秒。這種確定的時間延遲為設(shè)計實時應(yīng)用提供了有效的保證。

（5）經(jīng)濟、高效

反射內(nèi)存卡的數(shù)據(jù)傳輸速率大，沒有以太網(wǎng)那樣要多層協(xié)議。其次，反射內(nèi)存卡使用簡單，不需要開發(fā)額外通訊軟件，利于提高系統(tǒng)的可靠性，也節(jié)省了軟件的開發(fā)費用。

基于反射內(nèi)存實時網(wǎng)的實現(xiàn)機制

反射內(nèi)存卡是一組雙口內(nèi)存板。當數(shù)據(jù)存儲到反射內(nèi)存卡時，板上的高速邏輯會自動將此數(shù)據(jù)連同地址送到網(wǎng)上的其它反射內(nèi)存卡板上，數(shù)據(jù)傳遞完全由硬件驅(qū)動，不需要CPU干預(yù)，結(jié)果網(wǎng)上下一節(jié)點在400納秒內(nèi)就會在相同地址處有相同數(shù)據(jù)。反射內(nèi)存卡可看成是由網(wǎng)上所有節(jié)點共享的單元內(nèi)存卡，不存在訪問限制與仲裁，每個節(jié)點就像訪問本地內(nèi)存一樣，實現(xiàn)了節(jié)點間的數(shù)據(jù)共享。

（1）數(shù)據(jù)傳輸方式

的反射內(nèi)存卡最大可以連接256個互相獨立的節(jié)點，共享內(nèi)存的最大量可以到128M字節(jié)，數(shù)據(jù)傳輸速度可達174M/秒、節(jié)點間距離可以到10KM。反射內(nèi)存卡支持中斷，通過中斷機制可以實現(xiàn)節(jié)點機之間的通訊同步。

（2）使用中斷實現(xiàn)同步

VMIC反射內(nèi)存卡支持用中斷方式通知節(jié)點接收數(shù)據(jù)，當數(shù)據(jù)被送到某節(jié)點時，可以通過中斷告訴該節(jié)點。反射內(nèi)存卡提供了三個中斷，用戶可以定義這些中斷的優(yōu)先級、中斷相量及具體功能。

（3）錯誤管理技術(shù)

反射內(nèi)存卡有錯誤監(jiān)測和報告的功能，通過對數(shù)據(jù)的奇偶校驗位的檢查，可以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)是否有錯。反射內(nèi)存卡提供冗余傳輸模式，即每次傳輸數(shù)據(jù)時都傳兩份，當?shù)谝环莩鲥e時，使用第二份。