简谈交互多机系统内部数据交互实现策略
最后更新时间：2024-04-21
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论文导读：
摘 要： 多机系统中的计算机间数据交互是实现多机系统协同工作的关键，也是实现系统备用功能的主要手段。为了分析多机系统内部数据交互方法的优点和缺点，对专用接口数据交互、基于共享存储区数据交互和分布式数据交互3种实现方法进行了说明，并简述了以数据为中心的订阅/发布机制的分布式多机系统开发过程。
关键词： 分布式多机系统； 数据交互； 订阅/发布机制； 外设控制器
1004?373X（2013）10?0071?03
0 引 言
随着计算机的广泛应用，需要处理的信息量越来越大，人们对于计算机的要求也越来越高，各种性能更高的计算机不断地被研制及应用，如P（对称多处理器）计算机、MPP（大规模并行处理）计算机等。这些计算机有很高的配置（如大内存、海量存储、可多达上千个的处理器等），具有很高的处理能力。但与这些计算机的高性能相对应的是它们高昂的。
早期人们利用专用接口及多总线把多台单机联结起来组成多机系统，以提高系统整体性能。随着网络技术的进步以及处理器性能的提高，越来越多的人开始用相对廉价的以太网等通用网络系统，把相对便宜的服务器/工作站联结起来组成多机系统使用，从而以较少的代价获得较高的性能。多机系统是由两台以上的计算机，通过共享存储资源（信息）或通过数据链路联结在一起的计算机系统。多机系统内部数据交互分为专用接口式数据交互、共享内存式数据交互及分布式数据交互等。多机系统中的计算机间的数据交互是实现多机系统协同工作的关键，也是实现系统备用功能的主要手段。
1 专用接口数据交互
多机系统中的单机（C1，C2）通过专用接口进行数据交互，常用的接口有串行口、并行口和以太网口等，两个单机把各自需要交互的数据组织成报文通过专用接口发送到目标机，实现数据交互。
系统中C2机可以是完全备份C1功能的备用机器，也可以是只与C1机进行数据交互的任务机（主要完成C1机发送过来的数据处理）。如果多机系统设计成一备一完全备份系统（同时C2机也要配上相应的外设控制器等），系统的可靠性和稳定性将得到提高。
2 基于共享存储区数据交互
多机系统中的单机（C1，C2，C3）通过系统总线访问公共存储区，利用公共存储区进行数据交互。公共存储区配备两套独立的地址、数据和控制线，允许2个独立的CPU或控制器同时异步地访问存储单元。其内部有访问仲裁控制，同一时刻只允许一个CPU访问同一地址单元，在某一时间段内由1个CPU对自定义的某一数据块进行读写操作。某些公共存储区还具有信令交换逻辑，数据写结束后可以硬件中断的方式通知其他CPU或控制器进行读数据操作。当无信令交换逻辑时，可以由计算机系统以硬件中断的方式通知其他计算机系统对数据进行读取。各单机把数据备份到公共存储区可以很容易实现系统的备份功能。如果3个单机（C1，C2，C3）设计成二备一，也就是在正常情况下有一个单机处于备份状态，当工作的2个单机有1个故障时，处于备份状态的单机读出公共存储区相应的数据然后转入运行接替故障的单机继续进行工作，以提高系统的可靠性。
3 分布式数据交互
目前分布式多机系统的信息交互流行采用以数据为中心的订阅/发布模型（DCPS）。
DCPS模型构建在“全局数据空间（Global Data Space，GDS）”的基础之上，DCPS定义了一个“全局数据空间”，并且指定了发布者和订阅者怎么与该空间进行通信，如图4所示。所有的数据对象都存在于这个全局共享空间之中，分布式节点通过简单的读或写操作便可以访问这些数据对象。所有相关应用都可以访问这个全局数据空间：想要向该数据空间提供信息的应用即为“发布者”，想从该数据空间中获取数据的应用即为“订阅者”。每当发布者将新数据发送到这个全局数据空间，中间件就会把信息传播给那些对这些数据感兴趣的订阅者。
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基于订阅/发布机制的分布式多机系统开发过程主要过程如下：
（1）系统交互需求分析：根据系统数据交互的需求，利用域将一个物理网络进行逻辑划分，没有数据交互的子系统之间被划分成不同的域，不同域之间不进行任何信息交互；对于同一域各个节点根据数据交互需要，可以设置一个主题或者多个主题，同时根据不同类型信息的交互需求不同，设置相应的QoS策略；
4 优缺点分析
（1）专用接口数据交论文导读：（10）：29?31.韩乐平，薛军敖，孟洛明.OMG.CORBA系统结构原理与规范.北京：电子工业出版社，2000.OpenCCM.CORBAComponents，Volume1..http：//openccm.ow2.org/doc/resources/orbos.OpenCCM.CORBAComponents，Volume2..http：//openccm.ow2.org/doc/resources/orbos.OpenCCM.CORBAComponents，Vo
互，主要优点：通信距离远，软件控制简单，系统交互内容易于扩展；主要缺点：需要占用系统的接口资源，系统点对点方式导致可扩展性差，连接线缆多，布线复杂，数据传输速率受专用接口限制，实时性受影响。
（2）基于共享存储区数据交互，主要优点：系统实时性好，可靠性高，软件控制简单；主要缺点：系统需要提供专用的公共存储资源，系统可扩展性差，通信距离近。
（3）分布式数据交互，主要优点：提供了一种“松耦合”的系统，不存在中心节点，提供冗余备份机制，没有单点故障的风险，系统可靠性较高，且系统易于扩展；主要缺点：分布式软件复杂，开发、调试困难，系统实时性较难保证。
5 结 语
随着网络技术的进步，分布式数据交互得到了广泛应用。本文重点介绍了分布式数据交互，并分析了专用接口数据交互、基于共享存储区数据交互和分布式数据交互的优点和缺点，希望为读者进行多机系统内部数据交互设计实现时提供帮助。
参考文献
李学干，苏东庄.计算机系统结构[M].2版.西安：西安电子科技大学出版社，1994.
辛春生，陈宗斌.分布式系统原理与范型[M].2版.北京：清华大学出版社，2008.
[3] 马龙军.STC?Ada多机系统的互连结构及共存管理的实现[J].山东工程学院学报，1994（3）：17?19.
[4] 张军本，宁伟，王强.基于构件的分布式软件体系结构设计[J].哈尔滨理工大学学报，2001（7）：52?55.
[5] 曹建福，周理琴.基于构件的软件开源于：本科www.7ctime.com
发模型及其实现[J].小型微型计算机系统，2002（10）：29?31.
[6] 韩乐平，薛军敖，孟洛明.OMG.CORBA系统结构原理与规范[M].北京：电子工业出版社，2000.
[7] OpenCCM. CORBA Components， Volume 1 [EB/OL]. [1999?07?01]. http：//openccm.ow
摘 要： 多机系统中的计算机间数据交互是实现多机系统协同工作的关键，也是实现系统备用功能的主要手段。为了分析多机系统内部数据交互方法的优点和缺点，对专用接口数据交互、基于共享存储区数据交互和分布式数据交互3种实现方法进行了说明，并简述了以数据为中心的订阅/发布机制的分布式多机系统开发过程。
关键词： 分布式多机系统； 数据交互； 订阅/发布机制； 外设控制器
1004?373X（2013）10?0071?03
0 引 言
随着计算机的广泛应用，需要处理的信息量越来越大，人们对于计算机的要求也越来越高，各种性能更高的计算机不断地被研制及应用，如P（对称多处理器）计算机、MPP（大规模并行处理）计算机等。这些计算机有很高的配置（如大内存、海量存储、可多达上千个的处理器等），具有很高的处理能力。但与这些计算机的高性能相对应的是它们高昂的。
早期人们利用专用接口及多总线把多台单机联结起来组成多机系统，以提高系统整体性能。随着网络技术的进步以及处理器性能的提高，越来越多的人开始用相对廉价的以太网等通用网络系统，把相对便宜的服务器/工作站联结起来组成多机系统使用，从而以较少的代价获得较高的性能。多机系统是由两台以上的计算机，通过共享存储资源（信息）或通过数据链路联结在一起的计算机系统。多机系统内部数据交互分为专用接口式数据交互、共享内存式数据交互及分布式数据交互等。多机系统中的计算机间的数据交互是实现多机系统协同工作的关键，也是实现系统备用功能的主要手段。
1 专用接口数据交互
多机系统中的单机（C1，C2）通过专用接口进行数据交互，常用的接口有串行口、并行口和以太网口等，两个单机把各自需要交互的数据组织成报文通过专用接口发送到目标机，实现数据交互。
系统中C2机可以是完全备份C1功能的备用机器，也可以是只与C1机进行数据交互的任务机（主要完成C1机发送过来的数据处理）。如果多机系统设计成一备一完全备份系统（同时C2机也要配上相应的外设控制器等），系统的可靠性和稳定性将得到提高。
2 基于共享存储区数据交互
多机系统中的单机（C1，C2，C3）通过系统总线访问公共存储区，利用公共存储区进行数据交互。公共存储区配备两套独立的地址、数据和控制线，允许2个独立的CPU或控制器同时异步地访问存储单元。其内部有访问仲裁控制，同一时刻只允许一个CPU访问同一地址单元，在某一时间段内由1个CPU对自定义的某一数据块进行读写操作。某些公共存储区还具有信令交换逻辑，数据写结束后可以硬件中断的方式通知其他CPU或控制器进行读数据操作。当无信令交换逻辑时，可以由计算机系统以硬件中断的方式通知其他计算机系统对数据进行读取。各单机把数据备份到公共存储区可以很容易实现系统的备份功能。如果3个单机（C1，C2，C3）设计成二备一，也就是在正常情况下有一个单机处于备份状态，当工作的2个单机有1个故障时，处于备份状态的单机读出公共存储区相应的数据然后转入运行接替故障的单机继续进行工作，以提高系统的可靠性。
3 分布式数据交互
目前分布式多机系统的信息交互流行采用以数据为中心的订阅/发布模型（DCPS）。
DCPS模型构建在“全局数据空间（Global Data Space，GDS）”的基础之上，DCPS定义了一个“全局数据空间”，并且指定了发布者和订阅者怎么与该空间进行通信，如图4所示。所有的数据对象都存在于这个全局共享空间之中，分布式节点通过简单的读或写操作便可以访问这些数据对象。所有相关应用都可以访问这个全局数据空间：想要向该数据空间提供信息的应用即为“发布者”，想从该数据空间中获取数据的应用即为“订阅者”。每当发布者将新数据发送到这个全局数据空间，中间件就会把信息传播给那些对这些数据感兴趣的订阅者。
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基于订阅/发布机制的分布式多机系统开发过程主要过程如下：
（1）系统交互需求分析：根据系统数据交互的需求，利用域将一个物理网络进行逻辑划分，没有数据交互的子系统之间被划分成不同的域，不同域之间不进行任何信息交互；对于同一域各个节点根据数据交互需要，可以设置一个主题或者多个主题，同时根据不同类型信息的交互需求不同，设置相应的QoS策略；
4 优缺点分析
（1）专用接口数据交论文导读：（10）：29?31.韩乐平，薛军敖，孟洛明.OMG.CORBA系统结构原理与规范.北京：电子工业出版社，2000.OpenCCM.CORBAComponents，Volume1..http：//openccm.ow2.org/doc/resources/orbos.OpenCCM.CORBAComponents，Volume2..http：//openccm.ow2.org/doc/resources/orbos.OpenCCM.CORBAComponents，Vo
互，主要优点：通信距离远，软件控制简单，系统交互内容易于扩展；主要缺点：需要占用系统的接口资源，系统点对点方式导致可扩展性差，连接线缆多，布线复杂，数据传输速率受专用接口限制，实时性受影响。
（2）基于共享存储区数据交互，主要优点：系统实时性好，可靠性高，软件控制简单；主要缺点：系统需要提供专用的公共存储资源，系统可扩展性差，通信距离近。
（3）分布式数据交互，主要优点：提供了一种“松耦合”的系统，不存在中心节点，提供冗余备份机制，没有单点故障的风险，系统可靠性较高，且系统易于扩展；主要缺点：分布式软件复杂，开发、调试困难，系统实时性较难保证。
5 结 语
随着网络技术的进步，分布式数据交互得到了广泛应用。本文重点介绍了分布式数据交互，并分析了专用接口数据交互、基于共享存储区数据交互和分布式数据交互的优点和缺点，希望为读者进行多机系统内部数据交互设计实现时提供帮助。
参考文献
李学干，苏东庄.计算机系统结构[M].2版.西安：西安电子科技大学出版社，1994.
辛春生，陈宗斌.分布式系统原理与范型[M].2版.北京：清华大学出版社，2008.
[3] 马龙军.STC?Ada多机系统的互连结构及共存管理的实现[J].山东工程学院学报，1994（3）：17?19.
[4] 张军本，宁伟，王强.基于构件的分布式软件体系结构设计[J].哈尔滨理工大学学报，2001（7）：52?55.
[5] 曹建福，周理琴.基于构件的软件开源于：本科www.7ctime.com
发模型及其实现[J].小型微型计算机系统，2002（10）：29?31.
[6] 韩乐平，薛军敖，孟洛明.OMG.CORBA系统结构原理与规范[M].北京：电子工业出版社，2000.
[7] OpenCCM. CORBA Components， Volume 1 [EB/OL]. [1999?07?01]. http：//openccm.ow