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1、西北工业大学硕士学位论文分布式虚拟靶试系统的实时数据通信与管理技术研究姓名：楼俊荣申请学位级别：硕士专业：计算机应用技术指导教师：翟正军20060301两北f 业犬学颂t 融论文摘要摘要分布式虚拟现实技术是不断发展的虚拟现实技术和计算机网络技术相结合的产物，它已非常成功地应用于军事、航天、医疗和娱乐领域，并在教育培训、工程设计与制造、电子商务等方面显示出了良好的应用前景。本文的研究项目分布式虚拟靶试系统，就是一个分布式虚拟现实系统，它为新型导弹的研制、试验、优化和评估提供技术支持。因此对分布式虚拟现实关键技术的研究也就具有了很高的理论意义和实用价值。论文结合分布式虚拟靶试系统项目，以实时性为核
2、心，在构建了系统平台的基础上，分别对系统的实时数据通信、海量数据管理、任务的调度管理和系统的时间管理等部分关键技术展开深入的研究。论文在与传统实时网络对比的基础上，针对分布式虚拟靶试系统对实时性的特殊要求，构建了基于V M I P C I 一5 5 6 5 反射存储卡的环形实时网络作为系统平台。在分析分布式虚拟靶试系统对数据通信需求的基础上，论文研究了数据通信中的实时性、确定性、可靠性技术。通过减少传输延迟和利用推算定位(D e a dR e c k o n i n g，D R)技术实现降低通信负载两个策略保证了数据通信的实时性；对于确定性，通过寄存器插入技术来实现：对于可靠性，通过错误管理和
3、保护措施以及冗余传输模式来确保数据传输的可靠性。针对系统中的海量数据的实时管理，构建了自治型数据库的分布式体系结构，采用分布式实时内存数据库技术对其进行实时有效的存储、查询和管理，并设计了内外存数据交换策略和算法流程。论文在分析任务的静态和动态调度策略的基础上，针对分布式虚拟靶试系统的特殊性，设计并改进了速率单调调度算法(r a t em o n o t o n i c，R M)，实现了系统的实时任务管理，该算法同时也适用于非周期性任务的调度，并对系统的瞬时过载有一定的适应性；论文通过软件时钟同步设计了时问一致性的算法，实现了系统时间管理。论文在对分布式虚拟靶试系统分析设计的基础上，深入研究了
4、各项关键技术，并对部分技术进行了性能测试、分析和评价，结果表明该系统结构设计合理，运用的技术能够很好地满足系统的要求，也为以后的分布式虚拟现实研究提供了理论依据和技术支持。关键词：分布式虚拟现实，实时性，反射存储网，内存数据库，任务调度，时钟同步西北T 业大学硕士学l、Z 论Z，A b s t r a c tA b s t r a c tW i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h eV i r t u a lR e a l i t yt e c h n i q u ea n dt h en e t w o r kt e c h n i q u e，D i s
5、 t r i b u t e dV i r t u a lR e a l i t yi sb e c o m i n gt h en e wt e c h n i q u en o to n l ys u c c e s s f u l l ya p p l i e di nt h em i l i t a r ya f f a i r s，a e r o s p a c e，m e d i c a lt r e a t m e n ta n de n t e r t a i n m e n t，b u ta l s oi nt h ee d u c a t i o n-t r a i n i
6、 n g，e n g i n e e r i n g d e s i g n i n ga n dp r o d u c i n g，e l e c t r o n i cc o n u n e n c ea n ds oo n D i s t r i b u t e dV i r t u a lF i g h t t e s tS y s t e mi st h eD i s t r i b u t e dV i r t u a lR e a l i t yS y s t e m，T h es y s t e mp r o v i d e st h er e s e a r c ho fn
7、e ws t y l em i s s i l ew i t ht h ee f f e c t i v ew a yi nt h ed e s i g n，e x p e r i m e n t，o p t i m i z a t i o na n de v a l u a t i o n S ot h er e s e a r c hi nt h ek e yt e c h n i q u eo ft h eD i s t r i b u t e dV i r t u a lR e a l i t yi sv a l u a b l ea n ds i g n i f i c a n ti
8、 nb o t ht h e m Ya n dp r a c t i c a l i t y C o m b i n e dw i t ht h ep r o j e c tD i s t r i b u t e dV i r t u a lF i g h t-t e s tS y s t e m，t h e s i sf o c u s e so nt h er e a l t i m eo ft h es y s t e ma n dd e e pr e s e a r c h e si nt h ed a t at r a n s m i s s i o n，h u g ed a t a
9、m a n a g e m e n t，t a s ks c h e d u l i n gm a n a g e m e n ta n ds y s t e mt i m e rm a n a g e m e n t F i r s t l y，b a s e do nt h ec o m p a r i s o nw i t ht h et r a d i t i o n a lr e a l-t i m en e t w o r k，t h et h e s i sc o n s t r u c t st h et r a n s m i s s i o np l a t f o r m
10、b yt h eR e f l e c t i v eM e m o r yc a r dV M I P C I-5 5 6 5t os a r i s f yt h er e q u i r e m e n to f r e a l t i m e T h et h e s i sa n a l y z e st h er e q u i r e m e n to ft h er e a l t i m e，d e t e r m i n a b i l i t y,d e p e n d a b i l i t yt ot h eR e f l e c t i v eM e m o r y
11、n e t w o r k T ot h er e a l-t i m er e q u i r e m e n t，t h en e t w o r kc a na s s u r et h ed a t et r a n s m i s s i o ns p e e di nah i g hl e v e l A d d i t i o n a l l y,D R(D e a dR e c k o n i n g)t e c h n o l o g yi sa d o p t e dt or e d u c et h et r a n s m i s s i o nf r e q u e
12、n c yt os a r i s f yt h er e a l t i m er e q u i r e m e n t M o r e o v e r,t h en e t w o r kc a r lm e e tt h er e q u i r e m e n to ft h ed e t e r m i n a b i l i t ya n dd e p e n d a b i l i t yb yr e d u n d a n tt r a n s m i s s i o nm o d ea n do t h e rt e c h n o l o g y T ot h em a
13、n a g e m e n to ft h eh u g ed a t a，w ef o c u so nt h er e a l-t i m ec h a r a c t e r i s t i co ft h ed a t a b a s es y s t e m，a n da d o p tt h eD i s t r i b u t e dR e a l-T i m eM a i nM e m o r yD a t a b a s ea st h ek e yt e c h n i q u et or e a l i z et h es t o r a g e，q u e r y,a
14、n dm a n a g ee f f e c t i v e l y I nt h et h e s i s，i td e s i g n st h ep r o p e rp o l i c ya n da l g o r i t h mf o rt h ed a t as w a p p i n g F i n a l l y,t ot h et a s ks c h e d u l i n g，b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h es t a t i cs c h e d u l i n ga n dt h ed y n a m i cs c
15、h e d u l i n g，R M(R a t eM o n o t o n i c)i sa d o p t e da st h es c h e d u l i n ga l g o r i t h m B e s i d e s，t h eR Mi sa p p r o v e dt ot h a ti tc a na l s ob ea p p l i e dt ot h en o n p e r i o d i c a lt a s ka n dC a l ld e a l、i mt h ei n s t a n t a n e o u so v e rl o a d i n g
16、 T ot h et i m em a n a g e m e n t t h e阿北I、凡学硕十1 傅沦文A b s l r a c ts o f t w a r ec l o c ks y n c h r o n i z a t i o ni sa d o p t e dt or e a l i z et h et i m ec o h e r e n c e I nt h i st h e s i s，b a s e do nt h ea n a l y s i 3a n dd e s i g no f t h es y s t e m，i td e e pr e s e a r c h
17、 e so ns o m ek e yt e c h n o l o g i e s T h er e s u l to ft e s ta n de v a l u a t i o ni n d i c a t e st h i nt h es t r u c t u r ei sr e a s o n a b l ea n dt h et e c h n o l o g i e sc a na c c o m p l i s ht h es y s t e mw e l l T h u sa l lt h ek e yt e c h n o l o g i e sa n dt h e o
18、r i e sc a nb ea p p l i e di nt h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to ft h eD i s t r i b u t e dV i r t u a lR e a l i t yS y s t e m K e yW o r d s：D i s t r i b u t e dV i r t u a lR e a l i 吼r e a l t i m e，R e f l e c t i v eM e m o r yn e t w o r k，M a i nM e m o r yD a t a b a s e，t a s ks
19、c h e d u l i n g，c l o c ks y n c h r o n i z a t i o n两北工业、学硕士学位论文第一章绪论第一章绪论本章首先给出了论文研究的技术背景和课题背景，然后简要介绍了国内外的研究现状，最后介绍了论文的研究内容及其组织结构。1 1 论文的研究背景1 1 1 分布式虚拟现实技术及其特征虚拟现实技术(V i r t u a lR e a l i t y)，又称灵境技术，它的兴起，为人机交互界面的发展开创了新的研究领域；为智能工程的应用提供了新的界面工具；为各类工程的大规模的数据可视化提供了新的描述方法。这种技术的特点在于，计算机产生一种人为虚拟的环境，
20、这种虚拟的环境是通过计算机图形构成的三度空间，或是把其它现实环境编制到计算机中去产生逼真的“虚拟环境”，从而使得用户在视觉上产生一种沉浸于虚拟环境的感觉。这种技术的应用，改进了人们利用计算机进行多工程数据处理的方式，尤其在需要对大量抽象数据进行处理时；同时，它在许多不同领域的应用，可以带来巨大的经济效益。分布式虚拟现实技术(D i s t r i b u t e dV i r t u a lR e a l i t y)是虚拟现实和计算机网络技术相结合的产物。近几十年来，计算机、通讯技术的同步发展和相互促进成为全世界信息技术与产业飞速发展的主要特征。特别是网络技术的迅速崛起，使得信息应用系统在深
21、度和广度上发生了本质性的变化，分布式虚拟现实系统即是一个较为典型的实例。分布式虚拟现实技术(D V R)可以突破时空限制，为人们分析问题、解决问题、以及协同工作提供了崭新的手段，是目前倍受国际科学界和工程界关注的前沿技术。它已非常成功地应用于军事、航天、医疗和娱乐领域，并在教育培训、工程设计与制造、电子商务等方面显示出了良好的应用前景。除具有虚拟现实系统的特征外，根据其分布式的特性，还具有如下特征：(1)实时性分布式虚拟现实应用，特别是军事仿真应用对实时性要求较高。对于仿真实体间的交互响应，按1 E E E l 2 7 8 1-3 标准，松耦合实体间的传输延迟不能超过3 0 0 m s，紧耦合
22、实体间的传输延迟不能超过l O O m s。对于人与环境之间的交互响应，也要求从动作发出到图形、声音输出的延迟时间必须达到最小，以满足实时交互。在分布式虚拟现实系统中，延迟主要由以下因素造成：a 计算延迟；b 网络传输延迟。因此在D V R 系统中应采取相应措施尽可能减少时间延迟。西北工业大学硕士学位论文第一章绪论(2)异构性与一般分布式系统类似，分布式虚拟环境中的各仿真节点位于不同的物理位置，使用不同的硬件设备、开发环境和运行平台，即运行环境的异构性；此外，由于各节点时钟的不同步，以及网络中固有的传输延迟将导致各节点对时间观测和理解的不一致，即时间的异构性；各节点对仿真实体的空间姿态和位置描
23、述方法不同，对地形及环境数据的表示不同，将导致各节点对空间信息观测和理解的不一致，即空间的异构性。然而这些异构的仿真节点却要在同一个虚拟环境中协调一致地完成同一个仿真任务。因此要求系统能克服分布式虚拟环境中各种异构性，保持共享虚拟环境(如虚拟战场)的一致性，以得到正确的仿真结果。(3)交互性交互性是虚拟现实的重要特征之一，在分布式虚拟环境中，它主要体现在两方面：一方面是虚拟环境中各仿真实体(飞机、导弹、坦克等)与环境(地形、大气、海洋)之间、仿真实体与仿真实体之间、环境和环境之间的交互作用和影响，如实体间的碰撞、开火、交战等；另一方面是人与虚拟环境中仿真实体和环境的交互作用，即人一机交互，如人
24、可以参与整个或局部仿真过程。另外，多个用户之间的交互可以由上述两类交互合成。1 1 2 分布式虚拟现实系统的产生和发展所谓分布式虚拟现实系统D V R 是指一个支持多人实时通过网络进行交互的软件系统，每个用户在一个虚拟现实环境中，通过计算机与其它用户进行交互，并共享信息。分布式虚拟现实的研究开发工作可追溯到8 0 年代初。如1 9 8 3 年美国国防部(D O D)制定了S I M E N T 的研究计划；1 9 8 5 年S G I 公司开发成功了网络V R 游戏D o g F l i g h t。到了9 0 年代，一些著名大学和研究所的研究人员也开展了对分布式虚拟现实系统的研究工作，并陆续
25、推出了多个实验性D V R 系统或开发环境，典型的例子有美国N P S 开发的N P S N E T(1 9 9 0)、美国斯坦福大学的P A R A D I S E I n v e r s e 系统(1 9 9 2)、瑞典计算机科学研究所的D I V E(1 9 9 3)、新加坡国立大学的B r i c k N e t(1 9 9 4)、加拿大A l b e r t 大学的M R 工具库(1 9 9 3)及英国N o t t i n g h a m 大学的A V I A R Y(1 9 9 4)。国内关于V R 的研究工作也在9 0 年代初开始，在D V E 方面，北京航空航天大学实现了分布
26、式虚拟环境D V E N E T，国防科大开发了D V E 开发工具V H Y R P，浙江大学开发了M L T D V E。随着众多D V E 开发工具和系统的出现，许多科研和应用领域中己经开始使用大规模D V E(D i s t r i b u t e dV i r t u a lE n v i r o n m e n t)的一些技术，如远程学(D i s t a n c e2西北工业犬学硕士字意论文第一章绪论L e a r n i n g)、计算机支持的协同工作(C o m p u t e rS u p p o r t e dC o o p e r a t i v eW o r k，c
27、s c w)、分布式模拟(D i s t r i b u t e dS i m u l a t i o n)等。D V E 的理论和概念还导出了许多新的“远程”领域，如远程机器人(T e l e r o b o t i c s)、远程诊治(T e l e m e d i c i n e)、远程再现(T e l e p r e s e n c e)等。近年来，随着I m e m e t 应用的普及，出现了一些面向I n t e m e t 的D V E 应用，从而使得位于世界各地的多个用户可以进行协同工作。可以预见，随着计算机硬件水平的不断提高，虚拟现实与分布式虚拟现实技术必将得到越来越广泛的应
28、用，从而给人机交互乃至整个信息技术领域带来一场大的变革。本文的研究课题分布式虚拟靶试系统就是基于网络联结的一个分布式虚拟现实系统。1 1 3 论文课题背景本课题来源于分布式虚拟靶试系统技术研究的研究项目。本项目通过对虚拟靶试和仿真技术研究，建立起一个基于导弹数字化样机的靶试仿真分析虚拟模型与方法。对在研型号武器，可以节约实际靶试次数；对未来的新型导弹研制，可以在设计前提供技战指标的建议，在设计中提供优化设计和综合评估的技术支持。本研究课题以分布式虚拟靶试系统为载体，以该系统的实时数据通信和实时管理为对象，以提高系统的实时性、沉浸感和交互性为目标。通过对实时数据通信技术的研究，构造实时网络，建立
29、一条高速有效的实时数据传输通道实现系统的实时数据通信。在实时管理的研究中，包括实时数据管理和实时系统管理。通过对实时数据管理技术的研究，实现分布式虚拟现实系统中海量数据实时地、动态地进行存储、调度和集成；通过对实时系统的调度和管理技术的研究，实现分布式虚拟现实系统中实时任务的调度和分配，同时通过时钟同步，保证整个系统的时空一致性。1 2 国内外应用和研究现状(1)分布式实时数据通信的国内外研究现状在分布式实时数据传输方面，为了构建实时分布系统，可以利用的方案如下：1 1 通过简化协议、调整优先级或者加强硬件(如网卡)等手段加以改造为了克服以太网不可预测的仲裁方案(C S M A C D),规定
30、网络设备只有得到许可才能访问总线，并建立以F 规则：仅专有节点才能连接到网络；一个设备被指定为控制器，其余设备视为远程节点；除非控制器发出请求，否则远程节点不能访问网络总线；远程节点在预定的时间响应控制器的请求。国内也有人做过相西北 业大学硕士学位论文第一章绪论似的实验，他们用以太网的接口芯片实现了1 5 5 3 E 总线协议，也取得了很好的效果。由于项目的关系，这方面的研究不是本文的重点。2)使用实时网络产品来构建实时分布网络系统目前流行的几种通用实时网络产品都是基于分布式共享存储的思想。其中，美国S B S 公司的广播内存(B r o a d c a s tM e m o r y，B C
31、M)实时网络、美国V M I C 公司(现己被G Bf a n u c 收购)的反射存储(R e f l e c t i v eM e m o r y，R M)实时网络和美国S y s t r a n 公司的S C R A M N e t+实时网络。国内近几年才开始应用实时网络，主要集中在军工领域。国防科技大学较深入地研究了实时网络产品，主要将其用于构造集群仿真机。(2)分布式虚拟现实的实时数据管理的国内外研究现状1)分布式虚拟数据管理体系结构基本上有节点完全自治模式、共享中央数据库模式、分布式共享型客户服务器模式。2)网络资源定位和管理在1 9 8 8 年，C C I T T(I T U-T
32、)推出了x 5 0 0 标准，它定义了通用目录服务的信息模型、通信协议和安全认证的内容，X 5 0 0 基于O S I 网络模型，但不支持T C P I P，限制了在m t e m e t 上的使用。后来，为了解决I n t e m e t 上的应用问题，I E T F的A S I D 小组制定了轻型目录访问访闯协议L D A P(L i g h tD j r e c t o A c c e s sP r o t o c 0 1)，称为独立提供分布式目录服务的整体结构，但是它仅支持T C P I P 协议。3)实时数据库数据库技术诞生2 0 多年以来，以层次、网状、关系为代表的三大经典数据库在
33、各行各业有着广泛的应用，并获得了巨大的成功。但是在电子银行，武器制导，实时仿真等对实时性要求较高的领域，传统数据库很难达到要求。由此而促进了实时数据库(R T D B)技术快速发展，并成为当今数据库技术发展主流方向之一。随着内存技术的飞速进步，实现数据库的全驻或主驻内存已经成为可能，因而内存数据库成为实时事务的较为理想的底层支持。(3)分布式虚拟系统中的系统管理的国内外研究现状系统管理分为任务的调度管理和系统时间管理。1)任务的分配调度在分布式系统中，主要有基于图论分配策略，“合一一阈值”启发式分配算法以及遗传算法和模拟退火算法等，但是针对分布式虚拟现实系统特性的任务调度和分配算法还较少。2)
34、系统时间管理睹北工业大学硕士学位论文第一章绪论根据实现的方式不同，为实现时钟同步，可以采用的同步方法有软件同步、通过硬件同步和分罢式混合同步。1 3 论文的研究内容及组织结构1 3 1 论文的工作和研究内容在分布式虚拟现实系统中，实时是最为重要的一项服务之一。从某种角度上来讲，系统的实时能力直接影响并体现着系统的整体性能。在分布式虚拟靶试系统中，由于存在着各种模型、海量的数据、大量的实时任务、分布式处理器，因此实时数据通信和管理将在很大程度上直接影响或决定了整个系统的实时性。这里将主要从数据的通信以及数据和系统的管理两个方面来提高分布式虚拟靶试系统的实时性：(1)分布式虚拟靶试系统的构建系统支
35、撑平台的研究鉴于以前传统的实时网络的构建方式，针对分布式虚拟靶试系统平台对实时性的要求，采用美国V M I C 公司的V M I C 的V M I P C I 一5 5 6 5 反射存储实时网卡，以光纤作为传输介质，构建环形拓扑结构的实时网络来为整个系统的实现提供支撑平台。(2)数据通信技术研究首先要对分布式虚拟靶试系统对数据通信性能进行需求分析，然后分别从数据通信的实时性、确定性和可靠性等三个方面对系统平台网络进行研究，确保数据通信的性能。f 3)分布式虚拟靶试系统的实时管理技术的研究管理技术又分为数据管理和系统管理。1)分布式虚拟靶试系统的数据管理技术的研究在分布式虚拟靶试系统中，拥有大量
36、的(甚至是海量的)复杂数据进行存储、检索和表现。各仿真节点上的仿真器实时地运行、维护和管理这些数据，而每个节点还都会产生大量的实时更新的动态数据。这里采用数据库管理技术对数据进行管理，但是对于分布式虚拟靶试现实系统数据库，不仅具有分布式数据库的特点，更侧重于严格的实时性要求。因此这里将主要讨论内存数据库技术来实现实时数据库，来实现对数据进行实时、有效、灵活地管理。2 1 分布式虚拟靶试系统的系统管理技术的研究系统管理分别从以下两方面来研究：a 系统实时任务调度和分配管理技术研究晤i Ll：业大学硕士学位论文第一苹绪论在分布式虚拟现实系统中，由于多节点、多平台、多模块，将会有大量的实时任务，而根
37、据实时性的要求，必须攫据各今任务的优先级、资源要求、任务特征和时间限，在各个处理机上实现任务的分配调度管理，并保证整个系统的实时性。因此在分布式实时任务分配和调度的基础上，结合虚拟现实的特点和靶试系统中的具体应用，在R M 算法的基础上加以改进，实现对实时任务进行调度管理。b 系统时问管理技术研究分布式虚拟现实系统，各仿真节点具有各自的不同的局部时间描述，而节点之间的仿真交互则要求仿真实体在一个一致的时空环境下。因此在分析和比较各种时钟同步技术的基础上，采用软件时钟同步技术实现时间的一致性。1 3 2 论文的组织结构论文的组织结构如下：第一章：简要介绍了分布式虚拟现实技术及其特征，回顾了该技术
38、产生和发展过程，指出了论文的课题背景，同时也介绍了分布式虚拟现实的应用和研究现状，着重分析了分布式虚拟现实所涉及的关键技术和目前存在的问题，并给出了论文的主要研究内容。第二章：在与传统的实时网络对比的基础上，构建了基于反射存储卡的实时通信网络作为系统平台。为接下来的实时数据通信、数据管理、任务的调度管理提供平台。第三章：深入探讨了分布式虚拟靶试系统对于数据通信的性能需求，然后从系统中数据通信的实时性、确定性和可靠性上分别进行了分析和研究。第四章：对分布式虚拟靶试系统的数据管理做了需求分析，根据其对于实时性的特殊要求，以实时数据库的存储技术内存数据库为研究重点，提出了一种内外存数据交换策略，解决
39、了海量数据库管理中内外存数据交换的问题。第五章：简要介绍了分布式系统的任务分配和调度策略，在系统中，采用了R M 静态调度策略，特别对非周期性任务和在瞬时过载进行了算法改进。同时，讨论了分布式系统中的时钟同步和时间一致性问题，用软件时钟同步实现时间的一致性。+第六章：对系统的性能进行了测试和分析，通过数据传输测试，分析和验证了通信平台的实时性、确定性和可靠性。通过比较验证，表明内存数据库的数据交换策略的优越性。第七章：对本文的工作进行了总结和展望。6西北工业大学硕十学位论文第二章基于反射存储实时网的分布式系统平台的构建第二章基于反射存储实时网的分布式系统平台的构建分布式虚拟靶试系统是基于网络平
40、台的虚拟环境系统。由于战场环境异常复杂，敌我双方态势瞬息万变，大量的仿真实体，为了满足达到虚拟现实系统的实时、逼真、可靠的效果的要求，必须实现系统中各种类型数据信息的实时通信(如：控制命令数据、仿真节点状态数据以及三维模型数据等)、海量数据的管理、系统实时任务的调度管理等。而构建一个系统平台是实现分布式虚拟靶试系统的基础。在这平台框架上，后三章将分别对实时数据通信、海量数据管理以及实时任务的调度管理等三个方面详细展开分析和研究。本章将重点从实时性出发，研究反射存储网的特点和原理，并构建基于反射存储网的系统平台，为本文的研究奠定基础。2 1 实时网络传统连接方式及其特点分析为了满足实时通信的需求
41、，传统上有两种分布式实时数据通讯的解决方案2 1 1 公用内存结构公用内存结构使用高速并行的内存总线物理共享存储器架构使用高速并行存储器总线连接，计算机节点可以通过该内存总线快速地访问公用的内存模块，该结构的一种变体是不使用内存总线，取而代之的是多端口内存。如图2 1 所示。这种物理共享存储网具有以下优点：没有数据通信所需的软件开销：快速的系统重配置：快速差错恢复；小数据包的通信效率；确定性好。但是，这种公用内存结构同时也存在以下不足：内存总线访问的冲突；有限的连接距离(各计算机节点之间的物理距离般不超过5 0 米)；可接的计算机数量很有限；硬件使用的单一。西北工业大学硕士学位论文第二章基于反
42、射存储实时网的分布式系统平台的构建2 1 2 消息传递局域网图2-I 公用内存结构消息传递局域网络(L A N)，如图2=2 所示，即节点通过消息包在局域网上的传输来完成数据的通信。这种局域网通信方式克服了许多物理共享存储器的局限性。特别是：允许不同厂商的硬件集成；允许大量的C P U 单元的连接；允许节点间的距离延长。消息传递链路图2 2 消息传递局域网络体系结构然而，局域网有前面所提的许多问题，即必须面对实时的数据通讯。在实时西l E 工业大学硕士学泣论文第二章基于反射存储实时网的分布式系统：F 台的构建性上，局域稠主要存在的缺陷有：数据通信的速度要比公共内存结构慢几个数量级；小数据包通信
43、的低效率；大量的软件搭接，耗费大量的C P U 时间；故障恢复与系统重配置既困难又耗时；确定性的缺乏(大的性能局限使得消息传递局域网无法为分布式计算机系统提供和维持同步)。2 2 反射存储网的特点和原理2 2 1 反射存储网的特点下面将分别与传统的实时网络连接方式、常用的网络通讯产品、实时网络产品进行比较，以此来具体说明反射存储网的特点：(1)与传统的实时网络连接方式相比与传统的实时网络连接方式相比，反射存储网络的显著特点如表2 1：反射存储器(R M)N 络是基于环状的，高速复制的共享内存网络。跟公用内存网相比，它相当于把共享内存分配到每个节点，每个节点的映象内存都有共享数据的本地拷贝：跟普
44、通局域网一样，也是每个节点计算机附加一块网卡，但是它并不是基于国际标准化组织(I S O)的七层通信模型。它还支持不同总线结构的多计算机系统，并且可以使用不同的操作系统来分享高速的、稳定速率的实时数据。(2)与其他结构的常用通讯产品相比与其他结构的常用通讯产品相比，如以太网、快速以太网、F D D I、A T M 或q 北工业大学碗士学位论文第二章基于反射存储实时网韵分布式系统平台的构建其他通讯结构，在稳定眭、低延迟性、实时性上，反射存储网更为理想(如表2 2 所示“R M 产品网络还具有其他的诸如简单易用、支持节点间的超长距离、高性能、高抗干扰性、自动节点旁路功能选项以及没有软件费用等优点。
45、表2 2 反射存储卡与常用通讯产品的对比(3)与其他实时网络产品的比较基于星形网络结构的广播内存实时网络(B C M)，其代表产品为美国S B S 公司的B C M 系列产品。基于环形网络结构的反射存储实时网络，也就是本系统中将要采用的实时网络产品，其代表产品为美国V M I C 公司(该公司现被G EF a n u c收购)的5 5 6 5 系列产品。两大产品的主要指标对比如下：表2 3V M l 5 5 6 5 系列与S B SB C M 系列产品的对比1 0西北上业大学硕士学位沧文第二章基于反射存储实时网的分布式系统平台的构建如表2 3 所示，从性能上来说，V M I C 5 5 6 5
46、 系列的反射存储卡对于S B S 卡来说，无论在传输速率、网络波特率、节点延时上，还是在连接的节点数、最大距离上都要占据优势；从价格上来说，V M I C 5 5 6 5 系列可以省去H U B，特别是在节点数少的情况下可以节省很多资金。2 2 2 反射存储网的原理在反射存储实时网络中，本地主机对它的内存映像地址空间进行写操作，通过R M 卡上的双端口存储器自动地将这个新写入的数据从它的另-个端口传输出去，通过环形网的光纤，网络中的下一个节点的R M 卡接收到这个新的数据，其本地内存将在纳秒级的时间那被更新，同时把数据从发送端口发送给下一个节点。这样数据通过网络硬件传播到其它所有的节点，并且在
47、这些节点的内存中的储存地址都相同，即每块R M 卡上都有相同的数据拷贝。环是单向的，数据流只从一个方向流入并按同一个方向接收、储存并且传输到下一个节点，直到数据返回起始的节点。反射存储网络并不附着冗长的协议信息，不使用I S O 的O S I 七层协议模型，不再需要建立在消息传递网络上的笨重的、费时的和非确定性的协议。在一个反射存储网络里，一个数据被非常迅速而直接地传递传送的计算机仅仅做了一个高级语言的赋值语句：A=B，变量A 位于这块反射存储器卡的某内存地址上。在几个微秒内，网络上全部其他计算机系统在它们卡上的相同内存地址上就有了变量A 的相同值B。这块反射存储器卡是立即和自动地在网络上传输
48、数据和数据的地址。这里采用的V M I P C I 一5 5 6 5 是V M I CV M l x x x 5 5 6 5 欧像内存实时网络产品系列中的P C I 成员。该系列的产品允许计算器，工作站，P L C，还有其它使用不同操作系统或无操作系统的嵌入式控制器实时地分享数据。V M I C 的V M I P C I 5 5 6 5 映像内存接口最多可以允许2 5 6 个独立系统(节点)之间的数据共享，通过板卡上的拨线开关给每个节点唯一的识别数，即节点I D，西北L 业人学硕士学位钜丈第一章基子反身手存储实时瓤删分市式系统产台的构建从0 到2 5 5。速率最高可达1 7 4 M 字节，s。
49、每个映像内存模板可以配置具有6 4M字节或1 2 8M 字节的板上S D I L X M。本地S D R A M 支持快速读取访问，速度是存储数据的几倍。写入的数据存储在本地S D R A M 中，并且通过一个高速光纤数据通道广播到其它映像内存节点。数据传输是软件透明地，所以不需I O 开销。在峰值速率下通过传送和接收F I F O 缓冲数据来优化处理器和总线性能，以此来维持较高的数据吞吐量。V M I V M E 5 5 6 5 可提供四个网络中断。任何处理器都可以对网络的其它节点产生中断。这些中断用于通知接收节点新的数据已经送出，可以准备处理。这些中断还可以用于通知旧的数据处理已经完成，可
50、以接收新的数据。用户可以定义每种中断的功能、优先级和向量。任何处理器可以对网络中的其它节点发出中断。另外，任何处理器还可以对网络中的所有节点发出中断。为了实现写操作，作为发出源的V M I P C I 一5 5 6 5 产生一个中断包，包括一个选通脉冲、发送节点的I D、目的节点的I D、中断类型信息和3 2 位用户自定义的数据。当接收节点检测到数据包中的目的节点I D 和选通脉冲符合自己时，就将发送节点的I D 和数据存贮在四个深度为1 2 7 的F I F O 之中的一个中。这四个F I F O 分别对应四个中断。将信息存储在F I F O 中之后，如果经过软件允许，接收节点将会对本地处理