基于MLVDS和USB3.0的大數據高并發傳輸控制系統設計

王育軍

(西安思源學院，西安 710038)

0 引言

目前大數據不斷發展促使數據量急劇增長，導致大數據傳輸在高并發、高效率和高穩定性方面存在較大的問題[1]。從技術層面來看，大數據技術的應用需借助云計算網絡，因此無法利用單臺計算機對數據信息進行處理，所以主機元件對于大數據信息的識別通常采用分布式架構。然而，受到網絡信道組織承載能力的影響，大數據樣本的單位并發量水平會低于預設數值標準，對于網絡主機而言，其傳輸數據參量的控制能力無法得到保障[2]。因此，對大數據高并發傳輸控制進行研究具有重要意義。

文獻[3]設計了基于LoRa的數據傳輸系統，在星型網絡體系中，借助自定義通信協議，對Contiki內部進行嵌入處理，再聯合NB-IoT網關，調度互聯網端口中的存儲信息。文獻[4]設計了基于海量數據的多維度應用系統，聯合多維度功能模塊，建立微應用架構，再通過交互響應的方式，將大數據信息參量由一個端口傳輸至另一個端口。然而上述兩種系統的網絡主機對傳輸數據參量的處理能力較弱，不能有效解決大數據樣本單位并發量有限的問題。

MLVDS(multi-point low voltage differential signaling)驅動器是負責處理差分信號的數控裝置，由于信號傳輸行為具有雙向性，所以驅動元件與MLVDS控制主機之間的連接采用雙絞線。在實際應用過程中，MLVDS驅動器與下級負載裝置之間的最大距離必須大于信號參量的半傳輸間距，所以源信號傳輸速率始終大于半頻負荷信號[5]。為了避免對網絡信號的傳輸實時性造成影響，MLVDS驅動器必須在瞬時接口裝置的作用下，才能接入網絡運行環境中。USB3.0是一類帶寬水平較高的USB接口，高頻情況下其對于信息參量的傳輸帶寬可以達到5.0 Gbps。相較于其他類型的接口組織，USB3.0的連接能力得到了更多IP端口的認可，能夠在快速傳輸數據信息的同時，按照接口協議的規定，對執行參量進行識別，既保證了網絡體系的完整性，也不會對數據樣本的轉發速率造成影響[6]。基于上述分析，設計了基于MLVDS和USB3.0的大數據高并發傳輸控制系統。

1 大數據高并發傳輸控制系統的硬件結構設計

大數據高并發傳輸控制系統的硬件應用結構由Web服務器架構、MLVDS驅動器、并行接收器、可移動網關主控模塊四部分組成，本章節將針對每一模塊的設計方法及其之間的連接關系展開研究。

1.1 Web服務器架構

Web服務器架構通過在Linux OS云主機上部署服務連接的方式，為Tomcat集成結構提供連接端點，從而在滿足大數據主機運行需求的同時，使下級機組能夠長時間保持高速率執行狀態。Web服務器機組中包括4類應用模塊，其中MLVDS驅動器負責轉發并處理大數據參量；并行接收器是MLVDS驅動器的下級附屬元件，能夠完整接收Tomcat集成結構輸出的數據信息樣本；可移動網關主控模塊協調與Web服務器機組相關的協議連接行為，可以調節大數據樣本在Linux OS云環境中的傳輸速率；并發處理模塊負責對大數據樣本進行集成處理，并可以按照相關模塊組織的實際應用需求，將這些數據包傳輸至目標節點端口。MySQL數據庫應用機制負責存儲未被Web服務器架構完全消耗的大數據信息參量，能夠根據高并發傳輸控制系統的實時運行需求，更改數據樣本的單位存儲時長。具體的Web服務器架構布局模式如圖1所示。

圖1 Web服務器架構的布局模式

在Web服務器架構體系中，Linux OS云主機、Tomcat集成結構、大數據運行主機等應用元件之間存在信息互傳關系，所以隨著大數據樣本輸出量的增大，高并發傳輸控制系統也不會出現程序指令滯后執行的問題。

1.2 MLVDS驅動器

MLVDS驅動器的工作原理就是將電量信號轉換成同頻率的高并發傳輸驅動信號，從而使得大數據參量能夠在互聯網總線上保持較為穩定的傳輸狀態。一般情況下，驅動器主體部分是一個TTL線型驅動結構和一個循環回路，能夠根據大數據信息輸出量與并發傳輸后接收量的差值水平，來分析系統主機對傳輸數據參量的控制能力。TTL線型驅動結構由A、C兩個接口和一個Driver同頻應用設備組成。其中，A接口與Web服務器架構相連，是大數據信息的輸入接口；C接口與并行接收器元件相連，是大數據信息的輸出接口[7]。Driver同頻應用設備具有較強的控制能力，可以聯合Receive二級元件，協調大數據信息的高并發傳輸行為，從而使得大數據樣本傳輸能夠保持相對穩定的行為狀態。循環回路由B、D兩個接口組成，前者吸收MLVDS驅動器外部的大數據信息參量，后者將處于靜止狀態的大數據信息輸出至高并發傳輸環境中[8]。完整的MLVDS驅動器連接結構如圖2所示。

圖2 MLVDS驅動器的結構示意圖

大數據高并發傳輸控制系統的應用，直接消耗USB3.0控制電路輸出的電信號參量，所以MLVDS驅動器連接在+VCC、-VDD端口之間。

1.3 并行接收器

并行接收器是大數據高并發傳輸控制系統的核心應用結構，其作用行為包括兩條完全獨立的流程回路，可以聯合大數據處理器、兼容元件等多個應用設備，實現對信息參量的高并發傳輸與處理。所謂并型就是指完全并列地連接模型，對于ICMR接收器而言，一條流程回路由Type-1設備指向微信號接收器(第一回路)，另一條流程回路由Type-2設備指向并發轉存設備(第二回路)。其中，第一回路借助Type-1設備輸出的信息參量，構建與數據樣本相關的高并發傳輸回路，并聯合大數據處理器與兼容元件，對微信號接收器中待輸出的信息參量進行重排處理[9-10]。第二回路中，Type-2設備輸出的信息參量經由大數據處理器傳輸至微信號接收器，再通過連續轉存的方式到達并發轉存設備，以供可移動網關主控模塊對大數據信息參量進行直接調取與利用。具體的并行接收器結構應用如圖3所示。

圖3 并行接收器結構框圖

為避免大數據傳輸行為在并行接收器元件內表現出混亂狀態，Type-1流程回路、Type-2流程回路之間不存在信息互傳關系。

1.4 可移動網關主控模塊

可移動網關主控模塊具有輸出大數據參量、協議作用等多項作用能力，可以在大數據傳輸網絡中借助PWM網關組織對MLVDS驅動裝置、基礎網關協議進行同步調節。此外，當大數據參量經由信道組織進入STM32F1控制芯片后，主控模塊按照相關連接協議的作用能力，打開GPIO端口，從而在MLVDS驅動器提供大數據信息樣本的同時，避免信息參量在USB3.0端口組織中出現明顯堆積的表現情況[11]。可移動網關主控模塊定義PWM可移動網關組織對于MLVDS驅動裝置與基礎網關協議的作用為大數據參量輸出，定義STM32F1控制芯片對于GPIO端口的作用為協議作用，且整個主控單元的組成形式相對簡單，在可移動網關組織的運行過程中，各級設備結構之間的連接關系并不會發生改變[12]。各級單元結構之間的連接關系如圖4所示。

圖4 可移動網關主控模塊的單元結構

外圍電路同時為PWM可移動網關組織和GPIO端口提供電量信號，通常情況下，隨著大數據并發傳輸量的增大，電信號的輸出總量也會不斷增大，但MLVDS驅動裝置對于數據樣本的承載能力始終保持恒定，所以可移動網關主控模塊中可能存在數據信息未被完全利用的情況。

2 基于USB3.0的控制電路

控制電路為系統各級硬件結構提供電量傳輸信號，為滿足大數據樣本的高并發傳輸需求，對于控制系統電路體系的開發還需借助USB3.0端口組織。

2.1 USB3.0控制芯片

USB3.0控制芯片是一個具備全功能、高度集成的超高速控制器元件，該控制器正因為提供了靈活的GPIF 3.0接口與32EPS接口，所以USB INTERFACE主裝置通過這些接口組織與可移動網關主控模塊、并行接收器等多個應用結構連接通信，既能夠維持系統控制電路的運行穩定性，也不會對MLVDS驅動器與互聯網主機元件之間的大數據高并發傳輸關系造成影響[13]。USB3.0控制芯片的具體邏輯如圖5所示。

圖5 USB3.0控制芯片邏輯框圖

UART、SPI、12S設備聯合形成了獨立的內核處理器單元，且由于該處理器與USB INTERFACE主板同時集成在SS Changer模塊中，所以并行接收器接收到的所有大數據信息樣本都能夠經由JTAG端口直接進入模塊組織中，不僅建立了MLVDS驅動器與USB3.0接口之間的數據互傳關系網絡，而且也使得傳輸控制系統數據庫主機能夠對信息參量進行實時存儲[14]。如果互聯網空間中同時存在大數據樣本的正向與反向傳輸行為，那么USB3.0控制芯片在協調信息參量時，就必須同時打開GPIF 3.0接口與32EPS接口，且二者對于數據樣本的傳輸不得存在差異性。此外，對于USB3.0控制芯片而言，只有在12c、12i、12u結構同時閉合的情況下，SS Changer模塊與Application組織之間的數據互傳關系才能得到保障。

2.2 接口電路組織

接口電路組織提供了大數據高并發傳輸控制系統所需的電量信號，可以聯合USB3.0控制芯片對MLVDS驅動器進行同步調節，從而在保證可移動網關主控模塊運行能力的同時，確保大數據信息能夠處于高并發傳輸狀態，完整的電路結構如圖6所示。

圖6 接口組織電路圖

接口端復合USB3.0控制芯片輸入的電量信號，經由反相器裝置的聚合處理后，這些信號參量在AIO裝置中大量累積，當AIN1、AIN2、AIN3設備完全接入時，已存儲電量信號快速分散至VRout設備與Vref設備中[15-16]。VRout設備、Vref設備串聯在同一接口回路中，在外界輸入電量水平遠高于內部循環電量水平的情況下，兩個設備元件同時呈現閉合狀態，此時TDFN設備兩端的負載電壓數值持續增大，直至其數值水平能夠與大數據高并發傳輸行為所需電量需求相匹配時，系統數據庫主機開始對大數據信息參量進行存儲。在大數據樣本輸入量相對較多的情況下，控制開關L有可能無法保持連續閉合狀態，此時接口電路組織的實時運行能力會受到影響，信息參量的高并發傳輸速率也會適當下降。

3 傳輸控制行為分析

傳輸控制行為分析就是按照系統運行流程，制定與系統主機相關的控制執行指令，本章節以MySQL數據庫作為切入點，聯合TCP/IP 協議文本，展開對INF傳輸控制指令的研究。

3.1 MySQL數據庫

MySQL數據庫對于信息參量的讀寫速度影響了控制系統的運行效率，因此對數據庫讀寫速度進行優化是搭建控制系統的關鍵設計內容。MySQL機制經過不斷地演化與更新，可以對大數據樣本進行多種方式的存儲，且編寫信息參量存儲指令的過程中，大數據樣本高并發傳輸的目的地不會發生變化，這就意味著控制指令的執行只影響信息參量的存儲形式，不會對MLVDS驅動器、USB3.0接口中數據樣本的傳輸行為造成影響[17-18]。此外，在系統運行過程中，MySQL數據庫還具有兼容性調節的能力，對于MLVDS驅動器與USB3.0接口組織而言，兼容性調節的數據庫組織既能按需接收處于高并發傳輸狀態的大數據樣本，也可以調節實時存儲信息參量的排列形式。從宏觀性角度來看，只有MySQL數據庫能夠同時滿足MLVDS驅動器、USB3.0接口組織與大數據高并發傳輸控制系統的實際運行需求。

3.2 TCP/IP 協議

TCP/IP 協議對于大數據高并發傳輸行為的作用表現在源碼、編碼原則及譯碼3個方面。

TCP/IP 協議對于大數據信息源碼的定義滿足式(1)：

(1)

TCP/IP 協議對于大數據信息編碼原則的定義滿足如下表達式：

(2)

式中，ΔQ為大數據樣本的單位累積量，ΔR為MLVDS驅動器對于大數據樣本的聚合處理總量。

TCP/IP 協議對于大數據信息譯碼的定義滿足如下表達式：

(3)

式中，y′為USB3.0接口組織中大數據樣本的高并發處理動量，Wmax為大數據樣本在USB3.0接口組織中的最大輸出量。

聯立式(1)～(3)，可將TCP/IP 協議作用表達式定義為：

(4)

其中：ΔT為大數據樣本的單位傳輸時長，δ為控制系統中大數據信息的高并發傳輸系數[19-20]。MLVDS驅動器、USB3.0接口組織對于大數據樣本的承載能力有限，所以在控制信息參量的高并發傳輸行為時，必須在MySQL數據庫中，對大數據樣本特征進行統一取值。

3.3 大數據并發文本

(5)

由于MySQL數據庫是一種兼容型的數據樣本存儲機制，所以即便是MLVDS驅動器、USB3.0接口組織暫時關閉的情況下，控制系統中的大數據并發處理行為也并不會停止執行[22]。

3.4 INF傳輸控制指令

INF傳輸控制指令是用來引導大數據高并發傳輸行為的，為避免數據樣本出現漏傳、錯傳的情況，每一個并發文本只能對應一個INF指令程序，且隨著控制系統運行時間的延長，這種對應關系也不能發生改變。如果MySQL數據庫是大數據并發文本的唯一存儲空間，那么INF傳輸控制指令就是確保控制程序順利執行的前提[23-24]。對于INF傳輸控制指令定義條件的求解滿足下式：

(6)

式中，p1、p2為兩個隨機選取的大數據樣本參量取值結果，且p1≠p2的取值條件恒成立，i1表示與p1參量匹配的INF傳輸參數，i2表示與p2參量匹配的INF傳輸參數，φ表示大數據并發文本與INF指令程序之間的對應系數。如果大數據并發文本與INF指令程序之間的對應關系不滿足MLVDS驅動器與USB3.0接口組織中信息參量的實時輸出需求，式(6)的求解結果就會出現偏小的情況。

4 實驗分析

4.1 實驗原理

為驗證設計的基于MLVDS和USB3.0的大數據高并發傳輸控制系統的有效性，本次實驗選擇設備元件搭建實驗環境。實驗設備如表1所示。

表1 實驗設備

為避免信息波動對大數據傳輸行為造成影響，要求信息參量的輸出必須保持穩定狀態。

在互聯網環境中，大數據樣本單位并發量決定了網絡主機對傳輸數據參量的實時控制能力。由于互聯網是開放性空間環境，所以大數據樣本的單位并發量越大，表明網絡主機對傳輸數據參量的控制能力越強。

4.2 實驗流程

本次實驗的具體執行流程如下：

1)以MySQL數據庫為切入點，基于源碼E1、編碼原則E2、譯碼E3獲取TCP/IP 協議表達式E，統一提取大數據樣本特征；

2)通過大數據并發文本表達式Y對文本數據進行并發處理；

3)制定INF傳輸控制指令A控制傳輸參數，提高數據的傳輸效率；

4)結合表1中的設備元件搭建實驗環境；

5)在KG316T計算機中輸入本文設計的基于MLVDS和USB3.0的大數據高并發傳輸控制系統的運行程序，記錄該系統作用下，大數據樣本單位并發量的數值變化情況，所得結果為實驗組變量；

6)在KG316T計算機中輸入文獻[3]基于LoRa的數據傳輸系統在星型網絡體系的運行程序，記錄該系統作用下，大數據樣本單位并發量的數值變化情況，所得結果為對照(A)組變量；

7)在KG316T計算機中輸入文獻[4]基于海量數據的多維度應用系統的運行程序，記錄該系統作用下，大數據樣本單位并發量的數值變化情況，所得結果為對照(B)組變量；

8)統計所得變量數據，總結實驗規律。

4.3 結果與討論

針對大數據樣本單位并發量數值的實驗，由順序傳輸、逆序傳輸兩部分組成，而本次實驗所需的數值結果，就是上述兩個實驗指標的均值。

大數據樣本順序單位并發量的實驗數值如圖7所示。

圖7 順序單位并發量

大數據樣本逆序單位并發量的實驗數值如圖8所示。

圖8 逆序單位并發量

聯合圖7、圖8中實驗結果，對大數據樣本單位并發量均值進行求解，如表2所示。

表2 大數據樣本單位并發量均值

分析表2可知，實驗組大數據并發量順序均值的數值水平最高，與對照(A)組和對照(B)組大數據并發量順序均值相比，分別增大了2.1 MB/ms、3.4 MB/ms；實驗組大數據并發量逆序均值的數值水平雖然相對較低，但與對照(A)組和對照(B)組大數據并發量均值相比，均增大了1.3 MB/ms。由此可知，本文設計的基于MLVDS和USB3.0的大數據高并發傳輸控制系統的大數據樣本單位并發量的均值水平較高。

4.4 結論

本次實驗結論為：

1)基于LoRa的數據傳輸系統、基于海量數據的多維度系統的應用，在提升大數據并發量均值方面的能力相對較弱，不能有效解決大數據樣本單位并發量有限的問題，并控制大數據高并發傳輸數據參量。

2)基于MLVDS和USB3.0的大數據高并發傳輸控制系統的應用，可以大幅提升大數據樣本順序、逆序并發量的均值，能夠解決大數據樣本單位并發量有限的問題，并且可以有效控制大數據高并發傳輸數據參量。

5 結束語

本文設計的大數據高并發傳輸控制系統，以MLVDS驅動器、USB3.0接口組織為基礎，在Web服務器架構體系上，規劃并行接收器、可移動網關主控模塊之間的實時連接關系，再聯合接口電路組織，定義大數據并發文本，從而實現對INF傳輸控制指令的規范處理。通過實驗驗證了設計系統能夠提升大數據樣本順序和逆序并發量的均值水平，有效解決了大數據樣本單位并發量有限的問題，并且可以有效控制大數據高并發傳輸數據參量。