一、光纖網簡介

在半實物仿真系統等實時系統中，要求系統各部分之間的數據傳輸具有很高的實時性，而傳統的網絡技術，如以太網、FDDI等在實時應用中存在以下缺點：（1）數據傳輸速率不高；（2）數據傳輸實時性差，傳輸延遲較大且延遲具有不可預測性；（3）網絡通信需要借助多種網絡協議來完成，通訊效率較低。

實時光纖反射內存網（Reflective memory network簡稱實時光纖網）是一種基于高速光纖網絡共享存儲技術的實時網絡。與傳統的聯網技術相比，它除了具有嚴格的傳輸確定性和可預測性外，還具有數據傳輸速度高、通信協議簡單、宿主機負載輕、軟硬件平臺適應性強等特點。

實時光纖反射內存網（簡稱實時光纖網）由插在計算機內的光纖接口板通過光纖線連接在一起，形成一個環網（如圖1），每個節點的光纖接口板的板載存儲器都有其他節點的共享數據拷貝，在邏輯上全網的所有節點共享同一塊存儲器，數據一點寫入，多點同時更新，通過這種方式實現了數據的高速傳輸與共享。

二、實時網絡需求

為提升計算能力，人們自然地想到研發性能更強的計算機，如天河系列等超級計算機應運而生，但超級計算機研制周期長、成本大、應用領域受限。為此，提出了集群系統概念，計算機集群系統是通過網絡將PC機或工作站連接起來組成高性能計算系統。集群系統將一個任務并行在多臺計算機上執行，組成一個實時系統。

在實時系統中，系統最終結果的正確性不僅依賴于每一步計算得到的邏輯結果，而且依賴于得到結果的時刻，任務的完成時間是實時系統的決定性特征。根據實時性能的要求程度，實時系統可認為兩類，即軟實時和硬實時系統。對于軟實時系統，要求事件相應是實時的，但并不是嚴格強制的。但是，對于硬實時系統來講，每個任務都有一個處理截止事件，任務必須在規定的時間內完成，否則會影響全局任務的完成，給系統帶來不希望的破壞或者造成不可恢復的災難性后果。目前許多實時系統都采用硬實時系統，因為具有更強的實時性能。實時系統的應用需要實時互聯，構建實時網絡，完成數據在網絡節點間的實時傳輸。

實時網絡必須具備高速、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絡中各個節點之間數據傳輸的時間是確定的。隨著實時網絡應用領域的不斷擴展，目前已不僅僅局限于計算機集群系統的互聯，而是廣泛地應用在各種具有實時需求的互聯系統中，如半實物仿真、高速數據獲取等。

實時網絡發展過程中，出現過兩種設計思路：基于單一總線的多CPU共享全局內存和基于網絡的分布式內存：

相比基于單一總線的多CPU共享全局內存系統，在基于網絡的分布式內存體系中每個節點只訪問自己的本地內存，不存在內存占有沖突，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絡的主要設計方式。

實時網絡要保證高速、可靠、可預測這三大指標，但千兆以太網、光纖通道（Fiber Channel，FC）協議等，在可預測性上很差，首先是因為通過設備驅動和軟件網絡協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GBE中采用CSMA/CD載波監聽多路訪問/沖突檢測機制、FC協議采用令牌環仲裁等）進一步增加了傳輸時間的不確定性。光纖反射內存網很好的解決了上述問題。

反射內存網是基于網絡的分布式內存硬實時網絡的一種設計思想，特點：1）反射內存網硬件實現分布式RAM之間數據的傳輸、共享，整個過程具有很低的實現延遲；2）反射內存網依靠硬件實現、不需要復雜的網絡協議控制，能夠在相同的傳輸帶寬下達到更高的有效速率；3）反射內存網對數據的各種處理是通過硬件電路實現，在固定的時鐘頻率下周期工作，沒有不確定的時間開銷，確保數據處理的可預測性。

三、光纖反射內存網與以太網比較

1）實時性

反射內存（RFM）是基于環狀/星狀的，高速復制的共享內存網絡。它支持不同總線結構的多計算機系統，并且可以使用不同操作系統來共享高速的、穩定速率的實時數據

基于反射內存構建的實時網絡是一種強實時高帶寬局域網技術，在互連的計算機間提供高效的數據傳輸。反射內存網在所有互連的節點中虛擬出一段全局共享的網絡內存，在分布系統中實現內存至內存的通信，因此應用程序沒有軟件開銷。每臺結點機上插一塊反射內存卡，卡上帶有雙端口內存。每個節點機的各層應用軟件可以直接讀寫反射內存卡上內存。當數據

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

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

反射內存是一種通過局域網在互連的計算機間提供高效的數據傳輸的技術，強實時網絡設計人員已經越來越多地采用這種技術。反射內存實時局域網的概念十分簡單，就是設計一種網絡內存板，在分布系統中實現內存至內存的通信，并且沒有軟件開銷。每臺計算機上插一塊反射內存卡，卡上帶有雙口內存，各層軟件既可以讀也可以寫這些內存，當數據被寫入一臺機器的反射內存卡的內存中后，反射內存卡自動地通過光纖傳輸到其他連在網絡上的反射內存卡的內存里，通常，只需幾百納秒的時間延遲，所有的反射內存卡上的內存將寫入同樣的內容。而各成員在訪問數據時，只要訪問本地的反射內存卡中的內存即可。VMIC反射內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/秒。使用光纖，可以連接更多節點（最大到256個節點），具有很高的抗干擾能力。測試結果表明，從數據寫入RAM到傳到另一個節點的反射內存卡上，只有不到400納秒的時延。

（2）使用方便

反射內存卡通過向每個節點機提供一套相同的數據備份使得各節點可以并發的訪問相同的內容在訪問反射內存卡的內存時與訪問自身的內存沒有差別。各節點間數據一致性是由反射內存卡保證，對應用軟件是透明的。安裝簡單，將反射內存卡插在主板一個可用槽口上，再將各臺主機通過光纖網或扁平數據線連在一起即可。

（3）獨立于操作系統和處理機

反射內存卡可以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存卡實時網絡連接在一起，組成一個集群系統。

（4）確定的數據傳輸時間

在反射內存卡中，當數據被寫入本地的反射內存卡板的內存中時，就被同時傳輸到其他相連的計算機上，沒有軟件延遲，硬件延遲也非常小。光纖反射內存卡在節點間傳輸數據時只需400納秒。這種確定的時間延遲為設計實時應用提供了有效的保證。

（5）經濟、高效

反射內存卡的數據傳輸速率大，沒有以太網那樣要多層協議。其次，反射內存卡使用簡單，不需要開發額外通訊軟件，利于提高系統的可靠性，也節省了軟件的開發費用。

基于反射內存實時網的實現機制

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

（1）數據傳輸方式

的反射內存卡最大可以連接256個互相獨立的節點，共享內存的最大量可以到128M字節，數據傳輸速度可達174M/秒、節點間距離可以到10KM。反射內存卡支持中斷，通過中斷機制可以實現節點機之間的通訊同步。

（2）使用中斷實現同步

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

（3）錯誤管理技術

反射內存卡有錯誤監測和報告的功能，通過對數據的奇偶校驗位的檢查，可以發現數據是否有錯。反射內存卡提供冗余傳輸模式，即每次傳輸數據時都傳兩份，當第一份出錯時，使用第二份。