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基于软硬件协同的机群互连系统通信协议的研究

作　者: 徐晓飞
导　师: 康继昌
学　校: 西北工业大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 航空电子综合系统软硬件协同设计通信协议机群 VIA EDF 实时通信
分类号: TN915.04
类　型: 博士论文
年　份: 2004年
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内容摘要

本论文的研究课题是航空科学基金项目“面向航空电子综合系统的光纤传输交换技术研究”(02F53031)的组成部分。国外第四代航空电子综合系统的数据通信网络是一个基于光互连的机群系统。开展面向新一代航空电子综合系统的高速通信网络的研究,对我国国防建设具有很重要的现实意义。本文将围绕机群互连网络的通信协议展开研究,主要研究工作包括以下几个方面: 目前常用的机群互连网络,通常采用数据包实现软件通信协议的控制,通信开销较大。本文提出并设计了一种信令控制交换网络TC-NET(Token Control Network), TC-NET通过通信协议中的多层次控制信令,对通信协议进行控制,有效地提高了数据通信效率。在千兆以太网等商业网络中,通信描述符通常都采用软件的方法实现,每次数据通信过程中,网卡都至少需要两次访问物理内存:第一次从内存中获取通信描述符,然后再次访问内存,取得用户数据,因此通信开销较大。本文采用软硬件协同的设计思想,提出在网卡中设置通信描述符硬件,来支持数据通信。网卡在数据通信过程中,只需访问一次内存,从而提高了通信效率。TC-NET的通信延迟为4微秒,而千兆以太网的通信延迟为19微秒。作为机群系统快速通信的标准,VIA已经在业界获得了广泛地支持。本文采用软硬件协同的设计思想,提出了支持VIA标准的用户层传输机制TC-VIA(Token Control Virtual Interface Architecture)设计方案,来实现信令控制交换网络TC-NET的用户层通信协议。TC-VIA通过基于Linux底半函数的核心代理机制,一方面在通信的发送端和接收端实现了零拷贝数据通信,另一方面实现了软件VI队列的管理。与采用全软件方法实现的VIA相比,TC-VIA具有更好的通信性能;与采用全硬件方法实现的VIA相比,TC-VIA具有很好的灵活性和可扩展性。提出在互连网络中采用硬件的方法来实现动态优先级实时通信协议,构成EDF(Earliest Deadline rirst)实时通信网络,满足航空电子综合系统对实时通信的需要。以太网等商业网络通常采用软件方法实现实时调度,支持实时通信,通信延迟通常在毫秒级。本文提出的EDF实时通信网络通过硬件逻辑实现实时调度,可提供小于10微秒的实时通信延迟,相对于以太网等商业网络,EDF实时通信网络通信性能有很大的提高。美国的RaceWay实时通信网络采用硬件的方法实现了静态优先级调度协议,它是作者所查资料中,实

全文目录

目录  4-7
摘要  7-9
ABSTRACT  9-11
第一章绪论  11-16
  1.1 研究背景  11-12
    1.1.1 项目背景  11
    1.1.2 航空电子综合系统的现状  11-12
  1.2 研究目标和意义  12-13
    1.2.1 研究目标  12
    1.2.2 研究意义  12-13
  1.3 软硬件协同设计  13-14
  1.4 论文的主要内容和组织结构  14-16
第二章机群互连系统的硬件通信协议设计——信令控制交换网络  16-27
  2.1 信令控制交换网络TC-NET的数据通信机制  16-19
    2.1.1 TC-NET的工作原理  16-17
    2.1.2 控制信令帧和数据帧  17-19
  2.2 信令控制交换网络TC-NET的体系结构  19-21
    2.2.1 信令控制交换网络TC-NET的组成  19-20
    2.2.2 控制信令帧的实现  20-21
  2.3 基于硬件通信描述符的NIC设计  21-23
  2.4 基于控制信令帧的TC-NET差错控制协议  23-24
  2.5 性能测试  24-26
    2.5.1 实验目的及环境  24
    2.5.2 TC-NET通信开销  24-25
    2.5.3 TC-NET的性能分析  25-26
  2.6 本章小结  26-27
第三章户层传输机制TC-VIA的设计与实现  27-44
  3.1 VIA的通信原理及实现现状  27-30
    3.1.1 VIA的通信原理  27-28
    3.1.2 VIA实现现状  28-30
  3.2 基于TC-NET的高性能VIA的设计与实现  30-38
    3.2.1 TC-VIA结构  30-31
    3.2.2 基于控制信令的TC-VIA连接管理  31-33
    3.2.3 基于底半函数的TC-VIA核心代理机制  33-38
  3.3 性能测试  38-42
    3.3.1 TC-VIA节点内VI之间的通信性能  38-39
    3.3.2 异步通信对通信性能的影响  39-40
    3.3.3 节点间VI的通信性能  40-41
    3.3.4 各种VIA实现的通信性能比较  41-42
  3.4 本章小结  42-44
第四章基于EDF动态优先级调度的实时通信机制  44-58
  4.1 实时交换系统的硬实时通信模型  44-47
    4.1.1 实时交换系统的组成  44-45
    4.1.2 实时通信的消息流模型  45-46
    4.1.3 实时通信网络的拓扑结构  46-47
  4.2 实时通信网络的研究现状  47-49
    4.2.1 基于以太网的实时通信网络  47-48
    4.2.2 基于虫洞通信的实时通信网络  48-49
    4.2.3 基于电路交换的实时通信网络  49
  4.3 基于EDF调度的实时通信调度算法  49-51
  4.4 EDF实时通信网络中数据的通信过程  51-52
  4.5 EDF实时通信调度算法的性能分析  52-57
    4.5.1 实时通信系统的性能指标  52-53
    4.5.2 通信的静态优先级调度  53
    4.5.3 RMS实时通信调度算法和EDF实时通信调度算法的比较  53-57
  4.6 本章小结  57-58
第五章 EDF实时通信网络的设计和仿真  58-77
  5.1 具有EDF调度电路的EDF网卡的设计  58-64
    5.1.1 EDF网卡中数据通信过程  58-59
    5.1.2 EDF网卡中数据通信过程的分析  59-62
    5.1.3 EDF网卡中EDF调度电路的设计  62-64
    5.1.4 EDF实时通信网络对混合通信任务的支持  64
  5.2 EDF实时通信网络的交换机的设计  64-67
    5.2.1 EDF交换机的组成  64-67
    5.2.2 EDF交换机中数据通信过程  67
  5.3 仿真实验和分析  67-76
    5.3.1 EDF网卡的仿真  67-72
    5.3.2 EDF交换机的仿真  72-76
  5.4 本章小结  76-77
第六章基于EDF调度语义的实时通信网络  77-85
  6.1 EDF实时通信网络的路由寻径  77-80
    6.1.1 通道命令帧的格式  78
    6.1.2 建立数据通路的过程  78-80
  6.2 EDF实时通信网络的实时传输延迟  80-84
    6.2.1 影响实时传输延迟的因素  80-81
    6.2.2 实时传输延迟的计算  81-82
    6.2.3 EDF实时通信网络的实时通信延迟计算举例  82-84
  6.3 本章小结  84-85
第七章硬实时通信的可行性测试算法—MEDF算法  85-100
  7.1 硬实时通信可行性测试算法的研究现状  85-86
  7.2 MEDF硬实时通信的可行性测试算法  86-90
    7.2.1 MEDF测试算法的网络模型  86-87
    7.2.2 MEDF算法的相关定义  87-89
    7.2.3 MEDF算法  89-90
  7.3 MEDF硬实时通信可行性测试算法分析  90-93
  7.4 MEDF算法举例  93-96
  7.5 MEDF算法的进一步探讨  96-99
    7.5.1 通信调度开销的考虑  96-98
    7.5.2 交换机级连的考虑  98-99
  7.6 本章小结  99-100
第八章：结束语  100-102
参考文献  102-108
附录  108-110
致谢  110-111
西北工业大学学位论文知识产权声明书  111
西北工业大学学位论文原创性声明  111

基于软硬件协同的机群互连系统通信协议的研究

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