多機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)交互實現(xiàn)方法研究

摘 要： 多機(jī)系統(tǒng)中的計算機(jī)間數(shù)據(jù)交互是實現(xiàn)多機(jī)系統(tǒng)協(xié)同工作的關(guān)鍵，也是實現(xiàn)系統(tǒng)備用功能的主要手段。為了分析多機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)交互方法的優(yōu)點和缺點，對專用接口數(shù)據(jù)交互、基于共享存儲區(qū)數(shù)據(jù)交互和分布式數(shù)據(jù)交互3種實現(xiàn)方法進(jìn)行了說明，并簡述了以數(shù)據(jù)為中心的訂閱/發(fā)布機(jī)制的分布式多機(jī)系統(tǒng)開發(fā)過程。

關(guān)鍵詞： 分布式多機(jī)系統(tǒng)； 數(shù)據(jù)交互； 訂閱/發(fā)布機(jī)制； 外設(shè)控制器

中圖分類號： TN919?34； TP399 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）10?0071?03

0 引 言

隨著計算機(jī)的廣泛應(yīng)用，需要處理的信息量越來越大，人們對于計算機(jī)的要求也越來越高，各種性能更高的計算機(jī)不斷地被研制及應(yīng)用，如SMP（對稱多處理器）計算機(jī)、MPP（大規(guī)模并行處理）計算機(jī)等[1]。這些計算機(jī)有很高的配置（如大內(nèi)存、海量存儲、可多達(dá)上千個的處理器等），具有很高的處理能力。但與這些計算機(jī)的高性能相對應(yīng)的是它們高昂的價格。

早期人們利用專用接口及多總線把多臺單機(jī)聯(lián)結(jié)起來組成多機(jī)系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)整體性能。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步以及處理器性能的提高，越來越多的人開始用相對廉價的以太網(wǎng)等通用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，把相對便宜的服務(wù)器/工作站聯(lián)結(jié)起來組成多機(jī)系統(tǒng)使用，從而以較少的代價獲得較高的性能。多機(jī)系統(tǒng)是由兩臺以上的計算機(jī)，通過共享存儲資源（信息）或通過數(shù)據(jù)鏈路聯(lián)結(jié)在一起的計算機(jī)系統(tǒng)[1]。多機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)交互分為專用接口式數(shù)據(jù)交互、共享內(nèi)存式數(shù)據(jù)交互及分布式數(shù)據(jù)交互等。多機(jī)系統(tǒng)中的計算機(jī)間的數(shù)據(jù)交互是實現(xiàn)多機(jī)系統(tǒng)協(xié)同工作的關(guān)鍵，也是實現(xiàn)系統(tǒng)備用功能的主要手段。

1 專用接口數(shù)據(jù)交互

多機(jī)系統(tǒng)中的單機(jī)（C1，C2）通過專用接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，常用的接口有串行口、并行口和以太網(wǎng)口等，兩個單機(jī)把各自需要交互的數(shù)據(jù)組織成報文通過專用接口發(fā)送到目標(biāo)機(jī)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

系統(tǒng)中C2機(jī)可以是完全備份C1功能的備用機(jī)器，也可以是只與C1機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的任務(wù)機(jī)（主要完成C1機(jī)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)處理）。如果多機(jī)系統(tǒng)設(shè)計成一備一完全備份系統(tǒng)（同時C2機(jī)也要配上相應(yīng)的外設(shè)控制器等），系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性將得到提高。

2 基于共享存儲區(qū)數(shù)據(jù)交互

多機(jī)系統(tǒng)中的單機(jī)（C1，C2，C3）通過系統(tǒng)總線訪問公共存儲區(qū)，利用公共存儲區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。公共存儲區(qū)配備兩套獨立的地址、數(shù)據(jù)和控制線，允許2個獨立的CPU或控制器同時異步地訪問存儲單元。其內(nèi)部有訪問仲裁控制，同一時刻只允許一個CPU訪問同一地址單元，在某一時間段內(nèi)由1個CPU對自定義的某一數(shù)據(jù)塊進(jìn)行讀寫操作。某些公共存儲區(qū)還具有信令交換邏輯，數(shù)據(jù)寫結(jié)束后可以硬件中斷的方式通知其他CPU或控制器進(jìn)行讀數(shù)據(jù)操作。當(dāng)無信令交換邏輯時，可以由計算機(jī)系統(tǒng)以硬件中斷的方式通知其他計算機(jī)系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取。各單機(jī)把數(shù)據(jù)備份到公共存儲區(qū)可以很容易實現(xiàn)系統(tǒng)的備份功能。如果3個單機(jī)（C1，C2，C3）設(shè)計成二備一，也就是在正常情況下有一個單機(jī)處于備份狀態(tài)，當(dāng)工作的2個單機(jī)有1個故障時，處于備份狀態(tài)的單機(jī)讀出公共存儲區(qū)相應(yīng)的數(shù)據(jù)然后轉(zhuǎn)入運行接替故障的單機(jī)繼續(xù)進(jìn)行工作，以提高系統(tǒng)的可靠性。

3 分布式數(shù)據(jù)交互

目前分布式多機(jī)系統(tǒng)的信息交互流行采用以數(shù)據(jù)為中心的訂閱/發(fā)布模型（DCPS）。

DCPS模型構(gòu)建在“全局?jǐn)?shù)據(jù)空間（Global Data Space，GDS）”的基礎(chǔ)之上，DCPS定義了一個“全局?jǐn)?shù)據(jù)空間”，并且指定了發(fā)布者和訂閱者怎么與該空間進(jìn)行通信，如圖4所示。所有的數(shù)據(jù)對象都存在于這個全局共享空間之中，分布式節(jié)點通過簡單的讀或?qū)懖僮鞅憧梢栽L問這些數(shù)據(jù)對象。所有相關(guān)應(yīng)用都可以訪問這個全局?jǐn)?shù)據(jù)空間：想要向該數(shù)據(jù)空間提供信息的應(yīng)用即為“發(fā)布者”，想從該數(shù)據(jù)空間中獲取數(shù)據(jù)的應(yīng)用即為“訂閱者”。每當(dāng)發(fā)布者將新數(shù)據(jù)發(fā)送到這個全局?jǐn)?shù)據(jù)空間，中間件就會把信息傳播給那些對這些數(shù)據(jù)感興趣的訂閱者。

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基于訂閱/發(fā)布機(jī)制的分布式多機(jī)系統(tǒng)開發(fā)過程主要過程如下：

（1）系統(tǒng)交互需求分析：根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互的需求，利用域?qū)⒁粋€物理網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行邏輯劃分，沒有數(shù)據(jù)交互的子系統(tǒng)之間被劃分成不同的域，不同域之間不進(jìn)行任何信息交互；對于同一域各個節(jié)點根據(jù)數(shù)據(jù)交互需要，可以設(shè)置一個主題或者多個主題，同時根據(jù)不同類型信息的交互需求不同，設(shè)置相應(yīng)的QoS策略；

4 優(yōu)缺點分析

（1）專用接口數(shù)據(jù)交互，主要優(yōu)點：通信距離遠(yuǎn)，軟件控制簡單，系統(tǒng)交互內(nèi)容易于擴(kuò)展；主要缺點：需要占用系統(tǒng)的接口資源，系統(tǒng)點對點方式導(dǎo)致可擴(kuò)展性差，連接線纜多，布線復(fù)雜，數(shù)據(jù)傳輸速率受專用接口限制，實時性受影響。

（2）基于共享存儲區(qū)數(shù)據(jù)交互，主要優(yōu)點：系統(tǒng)實時性好，可靠性高，軟件控制簡單；主要缺點：系統(tǒng)需要提供專用的公共存儲資源，系統(tǒng)可擴(kuò)展性差，通信距離近。

（3）分布式數(shù)據(jù)交互，主要優(yōu)點：提供了一種“松耦合”的系統(tǒng)，不存在中心節(jié)點，提供冗余備份機(jī)制，沒有單點故障的風(fēng)險，系統(tǒng)可靠性較高，且系統(tǒng)易于擴(kuò)展；主要缺點：分布式軟件復(fù)雜，開發(fā)、調(diào)試?yán)щy，系統(tǒng)實時性較難保證。

5 結(jié) 語

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步，分布式數(shù)據(jù)交互得到了廣泛應(yīng)用。本文重點介紹了分布式數(shù)據(jù)交互，并分析了專用接口數(shù)據(jù)交互、基于共享存儲區(qū)數(shù)據(jù)交互和分布式數(shù)據(jù)交互的優(yōu)點和缺點，希望為讀者進(jìn)行多機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)交互設(shè)計實現(xiàn)時提供幫助。

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