光纖反射內(nèi)存網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

高實時性低開銷網(wǎng)絡通訊協(xié)議的設計與實現(xiàn)

目前主流公開的網(wǎng)絡協(xié)議，如以太網(wǎng)所使用的TCP/IP協(xié)議雖然功能完備、運行穩(wěn)定，但其傳輸機制和服務方式都比較復雜冗余，實時性較差，不適合于多實時性有較高要求的領域。

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

邊收邊轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模式實現(xiàn)低延時數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)

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

在協(xié)議實現(xiàn)上，即協(xié)議控制器的設計上，要采取低延時的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)策略，將轉(zhuǎn)發(fā)延遲控制在1us以內(nèi)，這個對協(xié)議控制器實現(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，不采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)模式，減小數(shù)據(jù)在單個節(jié)點上的轉(zhuǎn)發(fā)延遲，提高系統(tǒng)實時性。2）在協(xié)議設計時，優(yōu)化設計，壓縮信息頭的長度，并將重要信息都放在信息頭前面，以方便轉(zhuǎn)發(fā)時進行快速判斷。3）設計了完備的數(shù)據(jù)幀回收機制，通過節(jié)點ID、傳輸計數(shù)器等方式保證了廢數(shù)據(jù)幀的可靠回收。同時，采用CRC校驗碼校驗數(shù)據(jù)的正確性。

一般的網(wǎng)絡接口設備在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)是都采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)的方式，轉(zhuǎn)發(fā)延遲過大，導致整個系統(tǒng)的延時加大，實時性降低。采用即時收/轉(zhuǎn)（邊收邊轉(zhuǎn)發(fā)）模式，在接收數(shù)據(jù)的同時完成處理和轉(zhuǎn)發(fā)，代替常用的存儲轉(zhuǎn)發(fā)模式，只需4個時鐘周期便可完成判斷&轉(zhuǎn)發(fā)，典型數(shù)據(jù)幀是（長度256Byte）轉(zhuǎn)發(fā)延遲比存儲轉(zhuǎn)發(fā)縮短了30倍以上。實測延時小于0.6us。

光纖HUB的換網(wǎng)動態(tài)重構(gòu)及數(shù)據(jù)監(jiān)測技術(shù)

利用高速開關(guān)陣列及FPGA集成的高速收發(fā)器，構(gòu)建一個開關(guān)陣列，通過開關(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)絡數(shù)據(jù)在邏輯上形成一個環(huán)形傳輸方式，并通過FPGA收發(fā)器實時采集數(shù)據(jù)實現(xiàn)網(wǎng)絡狀態(tài)的監(jiān)控及故障節(jié)點的自診斷自隔離。

高速電路設計及仿真驗證技術(shù)

光纖反射內(nèi)存網(wǎng)絡波特率2.5Gbps，電信號的這個數(shù)據(jù)通訊速率下傳輸，屬于高速電路設計。為保證數(shù)據(jù)可靠傳輸、保證系統(tǒng)的電磁兼容性、信號完整性，對電路板PCB設計提出了較高的要求。為保證設計質(zhì)量，采用了Cadence公司的SigXplorer軟件進行電路仿真，對仿真結(jié)果進行多輪迭代來改進設計。

反射內(nèi)存網(wǎng)絡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)均享有充分且不受限制的訪問權(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)浞荩咚龠壿嬐綄⑵鋫鬏斨镰h(huán)狀網(wǎng)絡的下一個節(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)絡中移除，然后，根據(jù)特定硬件與節(jié)點數(shù)目，網(wǎng)絡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2.1 μs便可接收到寫入反射內(nèi)存中的數(shù)據(jù)。
假設線纜長度較短、數(shù)據(jù)包規(guī)格最大且無網(wǎng)絡流量，這種延遲計算便可能成立。線纜長度與網(wǎng)絡流量能夠增加延遲，但只要網(wǎng)絡帶寬沒有超限，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或其他能夠集成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)、光纖通道或其他串行網(wǎng)絡將計算機或可編程邏輯控制器連接在一起的應用場合，但并非適用于所有應用場合。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)絡應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)絡上每臺計算機其他計算機內(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)絡中的其他節(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和其他各種格式。這樣便允許單獨的反射內(nèi)存網(wǎng)絡連接不同總線。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)絡進行配置，在該網(wǎng)絡上，所有臺式工作站、單板電腦或服務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)及其使用的設備。
系統(tǒng)設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。