基于軟硬件協(xié)同的機(jī)群互連系統(tǒng)通信協(xié)議的研究.pdf

1、本論文的研究課題是航空科學(xué)基金項(xiàng)目“面向航空電子綜合系統(tǒng)的光纖傳輸交換技術(shù)研究”(02F53031)的組成部分。國外第四代航空電子綜合系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)基于光互連的機(jī)群系統(tǒng)。開展面向新一代航空電子綜合系統(tǒng)的高速通信網(wǎng)絡(luò)的研究，對我國國防建設(shè)具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文將圍繞機(jī)群互連網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議展開研究，主要研究工作包括以下幾個(gè)方面： 目前常用的機(jī)群互連網(wǎng)絡(luò)，通常采用數(shù)據(jù)包實(shí)現(xiàn)軟件通信協(xié)議的控制，通信開銷較大。本文提出并設(shè)計(jì)

2、了一種信令控制交換網(wǎng)絡(luò)TC-NET(TokenControlNetwork)，TC-NET通過通信協(xié)議中的多層次控制信令，對通信協(xié)議進(jìn)行控制，有效地提高了數(shù)據(jù)通信效率。 在千兆以太網(wǎng)等商業(yè)網(wǎng)絡(luò)中，通信描述符通常都采用軟件的方法實(shí)現(xiàn)，每次數(shù)據(jù)通信過程中，網(wǎng)卡都至少需要兩次訪問物理內(nèi)存：第一次從內(nèi)存中獲取通信拙述符，然后再次訪問內(nèi)存，取得用戶數(shù)據(jù)，因此通信開銷較大。本文采用軟硬件協(xié)同的設(shè)計(jì)思想，提出在網(wǎng)卡中設(shè)置通信描述符硬件，來支持

3、數(shù)據(jù)通信。網(wǎng)卡在數(shù)據(jù)通信過程中，只需訪問一次內(nèi)存，從而提高了通信效率。TC-NET的通信延遲為4微秒，而千兆以太網(wǎng)的通信延遲為19微秒。 作為機(jī)群系統(tǒng)快速通信的標(biāo)準(zhǔn)，VIA已經(jīng)在業(yè)界獲得了廣泛地支持。本文采用軟硬件協(xié)同的設(shè)計(jì)思想，提出了支持VIA標(biāo)準(zhǔn)的用戶層傳輸機(jī)制TC-VIA(TokenControlVirtualInterfaceArchitecture)設(shè)計(jì)方案，來實(shí)現(xiàn)信令控制交換網(wǎng)絡(luò)TC-NET的用戶層通信協(xié)議。TC-V

4、IA通過基于Linux底半函數(shù)的核心代理機(jī)制，一方面在通信的發(fā)送端和接收端實(shí)現(xiàn)了零拷貝數(shù)據(jù)通信，另一方面實(shí)現(xiàn)了軟件VI隊(duì)列的管理。與采用全軟件方法實(shí)現(xiàn)的VIA相比，TC-VIA具有更好的通信性能；與采用全硬件方法實(shí)現(xiàn)的VIA相比，TC-VIA具有很好的靈活性和可擴(kuò)展性。 提出在互連網(wǎng)絡(luò)中采用硬件的方法來實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)優(yōu)先級實(shí)時(shí)通信協(xié)議，構(gòu)成EDF(EarliestDeadlineFirst)實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)，滿足航空電子綜合系統(tǒng)對實(shí)時(shí)通信

5、的需要。以太網(wǎng)等商業(yè)網(wǎng)絡(luò)通常采用軟件方法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)度，支持實(shí)時(shí)通信，通信延遲通常在毫秒級。本文提出的EDF實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)通過硬件邏輯實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)度，可提供小于10微秒的實(shí)時(shí)通信延遲，相對于以太網(wǎng)等商業(yè)網(wǎng)絡(luò)，EDF實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)通信性能有很大的提高。美國的RaceWay實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)采用硬件的方法實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)優(yōu)先級調(diào)度協(xié)議，它是作者所查資料中，實(shí)時(shí)通信性能最好的通信網(wǎng)絡(luò)。本文提出的EDF實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)與Raceway網(wǎng)絡(luò)相比，通信延遲相當(dāng)，但具有通信

6、調(diào)度靈活性好、系統(tǒng)吞吐量高等優(yōu)點(diǎn)，可更好地支持不規(guī)則消息流的實(shí)時(shí)通信。 在實(shí)際復(fù)雜通信網(wǎng)絡(luò)中，硬實(shí)時(shí)通信任務(wù)要完成實(shí)時(shí)通信，需要同時(shí)獲得多個(gè)通信鏈路才能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。為在復(fù)雜實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)硬實(shí)時(shí)通信功能，本文提出了MEDF算法(Multi-resourceEarliestDeadlineFirst)，進(jìn)行硬實(shí)時(shí)通信的可行性測試。MEDF算法測試通過的消息流能夠在EDF實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)中保證得到硬實(shí)時(shí)地通信服務(wù)。復(fù)雜度分析表明，M