论文摘要
交换式以太网逐渐成为分布式实时系统的主要网络拓扑,开源系统软件和廉价商用网络硬件是构建基于分布式实时系统的轻量级实时通信系统的主要选择。在分布式实时系统中,设计多应用支撑的轻量级实时通信系统包括以下几个主要内容:第一是具备支持千兆及以上网络通信带宽的轻量级通信机制;第二是提供基于交换式以太网的软实时、硬实时以及非实时通信功能;第三是需要实时微内核的支持并且构架于开源系统软件和廉价商用网络硬件。交换式以太网已经能够提供千兆及更高的网络通信带宽,传统通信软件的处理开销成为网络通信系统的主要瓶颈。轻量级通信主要是为了提供更低的网络通信延时和更高的网络吞吐量。零拷贝通信机制是轻量级通信的主要实现方式,而零拷贝接收,特别是分片包的零拷贝接收,依然是零拷贝通信实现的主要挑战。针对轻量级通信的需求,提出了基于用户级分片和设备级分片重组的零拷贝通信机制,在零拷贝发送通信路径的基础上,以软件的方式解决了分片包的零拷贝接收问题。以太网因其普及程度高、速度快、简单以及低廉的价格而广泛地应用到实时通信中,然而基于交换式以太网的实时通信给研究者们带来了新的挑战。基于通信流的通信平滑技术,配合全局的静态网络通信资源的分配与管理机制,在解决基于交换式以太网的实时通信的同时,又能很好地利用交换式以太网带来的高通信带宽。基于交换式以太网,特别是多跳交换式以太网的硬实时通信依旧是当前的一个开放领域。基于网络微积分理论的两级通信平滑技术,首先应用网络微积分理论建模分析了交换式太网络中各网络组件的通信特征,并得到了经过所有网络组件的确定端到端通信延时的约束条件;然后提出了结合结点级通信平滑处理和基于全局通信平滑控制的两级通信平滑技术,解决并实现了基于单跳以及多跳交换式以太网的硬实时网络通信。在分布式实时系统中,物理分布的独立的处理器之间需要有全局系统时间来完成彼此的互相协作。传统的基于冗余的消息交换和复杂的时钟同步算法的时钟同步机制所带来的系统开销是实时通信系统所不能容忍的。为此,提出了基于实时微内核和轻量级实时通信机制的、结合通信平滑技术的轻量级时钟同步协议LCSP(Lightweigth Clock Synchronization Protocol)。在时钟同步期间,利用通信平滑技术,阻止或限制指定类别的消息,来保证时钟同步消息的确定的网络通信延时。同时探讨了多种时钟同步算法以保证不同要求的时钟同步精度。在实现高精度的时钟同步精度的同时,最大化地减少了每次时钟同步过程中因消息交换而带来的系统开销。