反射內(nèi)存卡 反射內(nèi)存交換機(jī)

在半實(shí)物仿真系統(tǒng)等實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)性，而傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，如以太網(wǎng)、FDDI等在實(shí)時(shí)應(yīng)用中存在以下缺點(diǎn)：（1）數(shù)據(jù)傳輸速率不高；（2）數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性差，傳輸延遲較大且延遲具有不可預(yù)測(cè)性；（3）網(wǎng)絡(luò)通信需要借助多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來(lái)完成，通訊效率較低。

實(shí)時(shí)光纖反射內(nèi)存網(wǎng)（Reflective memory network簡(jiǎn)稱(chēng)實(shí)時(shí)光纖網(wǎng)）是一種基于高速光纖網(wǎng)絡(luò)共享存儲(chǔ)技術(shù)的實(shí)時(shí)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(cè)性外，還具有數(shù)據(jù)傳輸速度高、通信協(xié)議簡(jiǎn)單、宿主機(jī)負(fù)載輕、軟硬件平臺(tái)適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。

實(shí)時(shí)光纖反射內(nèi)存網(wǎng)（簡(jiǎn)稱(chēng)實(shí)時(shí)光纖網(wǎng)）由插在計(jì)算機(jī)內(nèi)的光纖接口板通過(guò)光纖線(xiàn)連接在一起，形成一個(gè)環(huán)網(wǎng)（如圖1），每個(gè)節(jié)點(diǎn)的光纖接口板的板載存儲(chǔ)器都有其他節(jié)點(diǎn)的共享數(shù)據(jù)拷貝，在邏輯上全網(wǎng)的所有節(jié)點(diǎn)共享同一塊存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)一點(diǎn)寫(xiě)入，多點(diǎn)同時(shí)更新，通過(guò)這種方式實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高速傳輸與共享。

二、實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)需求

為提升計(jì)算能力，人們自然地想到研發(fā)性能更強(qiáng)的計(jì)算機(jī)，如天河系列等超級(jí)計(jì)算機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，但超級(jí)計(jì)算機(jī)研制周期長(zhǎng)、成本大、應(yīng)用領(lǐng)域受限。為此，提出了集群系統(tǒng)概念，計(jì)算機(jī)集群系統(tǒng)是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將PC機(jī)或工作站連接起來(lái)組成高性能計(jì)算系統(tǒng)。集群系統(tǒng)將一個(gè)任務(wù)并行在多臺(tái)計(jì)算機(jī)上執(zhí)行，組成一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)。

在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，系統(tǒng)最終結(jié)果的正確性不僅依賴(lài)于每一步計(jì)算得到的邏輯結(jié)果，而且依賴(lài)于得到結(jié)果的時(shí)刻，任務(wù)的完成時(shí)間是實(shí)時(shí)系統(tǒng)的決定性特征。根據(jù)實(shí)時(shí)性能的要求程度，實(shí)時(shí)系統(tǒng)可認(rèn)為兩類(lèi)，即軟實(shí)時(shí)和硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)。對(duì)于軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)，要求事件相應(yīng)是實(shí)時(shí)的，但并不是嚴(yán)格強(qiáng)制的。但是，對(duì)于硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)來(lái)講，每個(gè)任務(wù)都有一個(gè)處理截止事件，任務(wù)必須在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成，否則會(huì)影響全局任務(wù)的完成，給系統(tǒng)帶來(lái)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(shí)時(shí)系統(tǒng)都采用硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)，因?yàn)榫哂懈鼜?qiáng)的實(shí)時(shí)性能。實(shí)時(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用需要實(shí)時(shí)互聯(lián)，構(gòu)建實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)，完成數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的實(shí)時(shí)傳輸。

實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)必須具備高速、可靠、可預(yù)測(cè)三個(gè)特點(diǎn)，最重要的是通信的可預(yù)測(cè)性，可預(yù)測(cè)性是指實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間是確定的。隨著實(shí)時(shí)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(jì)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(shí)時(shí)需求的互聯(lián)系統(tǒng)中，如半實(shí)物仿真、高速數(shù)據(jù)獲取等。

實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展過(guò)程中，出現(xiàn)過(guò)兩種設(shè)計(jì)思路：基于單一總線(xiàn)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(xiàn)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(gè)節(jié)點(diǎn)只訪問(wèn)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(xiàn)仲裁控制時(shí)間而成為實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)的主要設(shè)計(jì)方式。

實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)要保證高速、可靠、可預(yù)測(cè)這三大指標(biāo)，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(cè)性上很差，首先是因?yàn)橥ㄟ^(guò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(kāi)銷(xiāo)，其次是同樣存在共享沖突和碰撞的問(wèn)題（如千兆以太網(wǎng)GBE中采用CSMA/CD載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突檢測(cè)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(shí)間的不確定性。光纖反射內(nèi)存網(wǎng)很好的解決了上述問(wèn)題。

反射內(nèi)存網(wǎng)是基于網(wǎng)絡(luò)的分布式內(nèi)存硬實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)的一種設(shè)計(jì)思想，特點(diǎn)：1）反射內(nèi)存網(wǎng)硬件實(shí)現(xiàn)分布式RAM之間數(shù)據(jù)的傳輸、共享，整個(gè)過(guò)程具有很低的實(shí)現(xiàn)延遲；2）反射內(nèi)存網(wǎng)依靠硬件實(shí)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(duì)數(shù)據(jù)的各種處理是通過(guò)硬件電路實(shí)現(xiàn)，在固定的時(shí)鐘頻率下周期工作，沒(méi)有不確定的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)，確保數(shù)據(jù)處理的可預(yù)測(cè)性。

三、光纖反射內(nèi)存網(wǎng)與以太網(wǎng)比較

1）實(shí)時(shí)性

反射內(nèi)存（RFM）是基于環(huán)狀/星狀的，高速?gòu)?fù)制的共享內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)。它支持不同總線(xiàn)結(jié)構(gòu)的多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并且可以使用不同操作系統(tǒng)來(lái)共享高速的、穩(wěn)定速率的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

基于反射內(nèi)存構(gòu)建的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)是一種強(qiáng)實(shí)時(shí)高帶寬局域網(wǎng)技術(shù)，在互連的計(jì)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)內(nèi)存至內(nèi)存的通信，因此應(yīng)用程序沒(méi)有軟件開(kāi)銷(xiāo)。每臺(tái)結(jié)點(diǎn)機(jī)上插一塊反射內(nèi)存卡，卡上帶有雙端口內(nèi)存。每個(gè)節(jié)點(diǎn)機(jī)的各層應(yīng)用軟件可以直接讀寫(xiě)反射內(nèi)存卡上內(nèi)存。當(dāng)數(shù)據(jù)

光纖反射內(nèi)存網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

1）高實(shí)時(shí)性低開(kāi)銷(xiāo)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。

2）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(ReflectiveMemory 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?xún)?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。

3）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。

4）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)。