光纖反射內存網關鍵技術

00001. 高實時性低開銷網絡通訊協議的設計與實現

目前主流公開的網絡協議，如以太網所使用的TCP/IP協議雖然功能完備、運行穩定，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。

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

00001. 邊收邊轉的數據轉發模式實現低延時數據轉發

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

在協議實現上，即協議控制器的設計上，要采取低延時的數據轉發策略，將轉發延遲控制在1us以內，這個對協議控制器實現提出了很高的挑戰。主要采用此一下方法：1）采用邊收邊轉發的數據傳輸模式，不采用存儲轉發模式，減小數據在單個節點上的轉發延遲，提高系統實時性。2）在協議設計時，優化設計，壓縮信息頭的長度，并將重要信息都放在信息頭前面，以方便轉發時進行快速判斷。3）設計了完備的數據幀回收機制，通過節點ID、傳輸計數器等方式保證了廢數據幀的可靠回收。同時，采用CRC校驗碼校驗數據的正確性。

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

00001. 光纖HUB的換網動態重構及數據監測技術

利用高速開關陣列及FPGA集成的高速收發器，構建一個開關陣列，通過開關陣列的切換，形成內外雙環的數據傳輸通路，是光纖網絡數據在邏輯上形成一個環形傳輸方式，并通過FPGA收發器實時采集數據實現網絡狀態的監控及故障節點的自診斷自隔離。

00001. 高速電路設計及仿真驗證技術

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

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。