分布式多空间数据智能交换系统设计
张永安+谭振江
摘 要： 分布式多空间数据在利用主控计算机进行数据读取中容易受到端口溢出限制，需要进行智能交换读取，选择块传输模式提高数据的读取和传输性能。提出一种基于高速局部总线控制的分布式多空间数据智能交换系统设计方法，系统的开发流程采用多线程自上而下开发方法，开发环境建立在嵌入式Web服务平台中，采用Socket编程构建分布式多空间数据传输的网络协议栈，通过协议栈开发智能交换系统的网络应用程序，采用高速局部总线控制进行数据交换的端口设置和通道控制，通过局部总线送到接收模块，实现智能数据交换。系统测试结果表明，该系统进行分布式多空间数据交换的可靠性较好，提高了总线接收数据块的速率和准确性。
关键词： 分布式多空间数据； 主控计算机； 局部总线； 数据交换
中图分类号： TN916.428?34； TP391 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）18?0043?03
Design of intelligent exchange system for distributed multi spatial data
ZHANG Yongan1， TAN Zhenjiang2
（1. Songyuan Technical College， Songyuan 138000， China； 2. Jilin Normal University， Siping 136000， China）
Abstract： When the master computer is used to carry out data reading， the distributed multi spatial data is vulnerable to restriction on port overflow. Therefore， the intelligent exchange reading is needed， and the block transfer mode should be selected to improve the data acquisition and transmission performance. A design method of distributed multi spatial data intelligent exchange system based on high?speed local bus control is put forward. The multi?thread top?down development method is adopted in the system development process. The development environment is based on the embedded Web service platform. Socket programming is used to build the network protocol stack for distributed multi spatial data transmission. The protocol stack is employed to develop the network application program of intelligent exchange system. The high?speed local bus control is adopted to set the data exchange port and channel control. The data is sent to the receiving module through the local bus to realize the intelligent data exchange. The system test results show that the system has better reliability for the distributed multi spatial data exchange， and can improve the speed and accuracy of the bus to receive data blocks.
Keywords： distributed multi spatial data； host computer； local bus； data exchange
随着物联网、移动互联网技术的发展以及集群网格云计算技术的应用，网络空间中的数据采用的是分布式多空间网格存储的传输，在网络空间中产生的数据量以几何级数增长，分布式多空间数据的优化存储和调度设计能有效降低数据存储的开销，提高数据计算和处理的效率。在分布式网络空间中，多空间数据存储和检索离不开数据的交换处理和智能调度，面对数据爆炸式的增长，构建云环境下公平性优化的资源分配方法[1]，通过智能交换系统设计能提高数据调度和检索的有效性，因此研究分布式多空间数据智能交换系统设计方法具有重要的意义。在数据智能交换系统设计中，需要综合考虑客户/服务器的C/S构架和负载，数据的安全、可靠、效率等指标，设计异构云计算体系结构及其多资源联合公平分配策略[2]，进行数据交换设计。本文针对在数据智能交换中存在端口溢出和网络环境复杂多变的问题，利用高速局部总线控制原理进行数据智能交换系统的优化设计，并得出有效性结論。
1 系统模型
分布式多空间数据通过将无线访问服务和云计算技术在网络空间中进行信息交换，为了实现对分布式空间数据与其他实体和服务的通信访问，需要进行数据交换智能设计，在数据的应用程序运行期间实现数据调度和任务移交，为计算资源（比如CPU、内存、存储器）提供移动应用支撑，首先进行分布式多空间数据智能交换系统的总体模型构架分析。
本文设计的分布式多空间数据智能交换系统建立在Microsoft公司的Visual C++和Visual Basic等开发软件环境中，采用嵌入式Web服务平台构建应用软件的集成编程环境，在ANSI C内核中进行嵌入式设计[3]，进行多种数据采集、分析和显示等；在LabWindows/CVI中1 ms内控制时间驱动，支持多种总线类型的用户界面编辑，设计ANSI C库作为分布式多空间数据的专用图形控件；在图形用户界面中进行系统的人机交互控制和面向对象设计，提高了编程效率。综上分析，得到本文设计的数据智能交换系统的软件开发环境具有如下功能特征：
（1） 采用完整的ANSI C内核进行时间驱动与回调函数编程，用户管理层通过底层的VISA软件接口进行程序实时采集和驱动配置，物理接口层是软件和硬件的结合层，采用的I/O控制库构建物理接口层进行在源程序编程与数据交换的引擎控制， 基于ARM和LabVIEW 进行网络数据采集测试[4]。
（2） 智能交换系统的程序运行时先启动VISA资源管理器，若采集的数据有效，LabWindows/CVI则以工程文件为框架进行集成化软件开发，循环读取HP E1562E的SCSI硬盘数据，进行32位ANSI C编译和堆栈控制[5]。
（3） 支持多种总线类型的仪器和数据采集设备，为用户提供GPIB 488.2库、DAQ库、VISA库、RS 232库和IVI库等。各种功能函数集成在一个开发环境中，并且为用户提供函数面板和仪器驱动编程向导等交互式开发工具。用户可以快速地编写、调试和修改应用程序，形成独立的可执行文件[6]。
（4） 分布式多空间数据信息的数据传输单元提供格式化I/O库、Analysis库，在Advanced Analysis库进行状态触发控制，在所有采集参数配置成功后，保存采集的信息为系统文件，建立ANSI C数据库[7]。
2 系统的软件开发实现
2.1 分布式多空间数据传输的网络协议栈设计
开发环境建立在嵌入式Web服务平台中，采用Socket编程构建分布式多空间数据传输的网络协议栈，分布式多空间数据传输的网络协议栈开发相比桌面软件的开发，有其特殊性，采用交叉编译环境配置分布式多空间数据传输的网络协议内核，要建立一个分布式的网络系统进行数据传输通信，一个对称协议的例子是Internet中用于终端仿真的TELNET。分布式多空间数据传输的服务程序被“惊醒”并且为客户提供服务，采用了流式套接字来实现连接的服务客户机/服务器通信[8]，进行分布式多个空间数据的智能交换请求，得到客户机/服务器请求过程如图1所示。
图1 分布式多空间数据传输的客户机/服务器请求过程
2.2 数据交换系统的高速局部总线控制
采用高速局部总线控制进行数据交换的端口设置和通道控制，进行智能交换读取，使用不同的通道组句柄命令设置交换系统的高速局部总线，调用hpe1432_getGroupInfo（ ）函数获取通道组的信息。得到分布式多空间数据传输的模块列表、通道号等信息，数据交换系统的控制器采用至多7个PXI或CompactPCI仪器模块，通过协议栈开发智能交换系统的网络应用程序，提供了系统参考时钟、触发总线、星形触发线的数据交互和通道设计，接口设计中主要是对数据交换系统的串口、并口、USB端口、鼠标、键盘口、以太网口进行设计。PXI?6713模拟输出系统采集的数据，通过外部I/O接口的EXTREF引脚上引入通道控制程序，10个可编程功能口（PFI）连接在高速局部总线的主要接口通道，使用可编程功能口引入外部触发、高速局部总线输入或输出时钟信号，通过任意可编程功能口实现PXI总线高速PCI数据交换。由于执行数据交换的数据量较大，采用双缓冲区回放，采用高速局部总线控制进行数据交换的端口设置和通道控制，通过局部总线送到接收模块，设置双缓冲区的大小和传输缓冲区，先读数据到循环缓冲区，且读取数据文件中的数据加载双缓冲区和传输缓冲区，数据交换过程中用WFM_DB_HalfReady函数检测时钟路由，启动数据采集和交换程序，进行计数器工作模式和参数配置，打开数据文件，读文件头信息，选择外部更新信号、外部触发信号、时钟源信号，在多个模块间保证分布式多空间数据交换过程的严格同步。综上分析，得到本文设计的分布式多空间数据智能交换系统的软件实现流程如图2所示。
3 系统测试分析
为了测试文本设计的基于高速局部总线控制的分布式多空间数据智能交换系统的性能，进行实验法分析，测试的分布式多空间数据来自于3个云服务提供商，数据在网络中传输的带宽分别为1 Mb/s，2 Mb/s，1 Mb/s，分布式多空间数据被分为8 KB固定大小的数据块，数据中心网络中具有40%的服务器利用率。根据上述测试环境设定，得到本文设计的数据交换系统的GUI控制界面如图3所示。在图3给出的数据交换界面中进行分布式多空间数据智能交换，通过主界面进行参数设定，通过主设备号向内核注册字符设备驱动程序，执行数据交换。图4给出了采用本文系统和传统方法进行数据交换下总线接收数据块的速率对比，分析得知，本文设计的系统进行数据交换的速率较快，说明对分布式多空间数据的处理效能较高。
4 结 语
本文提出一种基于高速局部总线控制的分布式多空间数据智能交换系统设计方法，采用多线程自上而下開发方法，在嵌入式Web服务平台中进行软件开发，采用Socket编程构建分布式多空间数据传输的网络协议栈，通过协议栈开发智能交换系统的网络应用程序，采用高速局部总线控制进行数据交换的端口设置和通道控制，通过局部总线送到接收模块，实现智能数据交换。测试得知，该系统进行分布式多空间数据交换的可靠性较好，提高了总线接收数据块的速率，数据交换的效率和准确性较好。
注：本文通讯作者为谭振江。
参考文献
[1] 薛胜军，胡敏达，许小龙.云环境下公平性优化的资源分配方法[J].计算机应用，2016，36（10）：2686?2691.
[2] 王金海，黄传河，王晶，等.异构云计算体系结构及其多资源联合公平分配策略[J].计算机研究与发展，2015，52（6）：1288?1302.
[3] 杜鑫，王建英.连续时间线性时滞系统的负虚性分析[J].信息与控制，2016，45（1）：45?52.
[4] GHODSI A， ZAHARIA M， HINDMAN B， et al. Dominant resource fairness： fair allocation of multiple resource types [C]// Proceedings of the 8th USENIX Conference on Networked Systems Design and Implementation. Berkeley： USENIX， 2011： 24?37.
[5] WANG W， LIANG B， LI B. Multi?resource fair allocation in heterogeneous cloud computing systems [J]. IEEE transactions on parallel and distributed systems， 2015， 26（10）： 2822?2835.
[6] 陈颖峰，王玉红，王蕾.基于ARM和LabVIEW的网络数据采集测试系统设计[J].现代电子技术，2016，39（13）：88?92.
[7] PAO W， LOU W， CHEN Y， et al. Resource allocation for multiple input multiple output?orthogonal frequency division multiplexing?based space division multiple access systems [J]. IET communications， 2014， 8（18）： 3424?3434.
[8] PLA A， LOPEZ B， MURILLO J. Multi?dimensional fairness for auction?based resource allocation [J]. Knowledge?based systems， 2015， 73： 134?148.
[9] 徐利谋，黄长远.基于GPRS和ZigBee的城市路灯监控系统研究与实现[J].物联网技术，2016，6（6）：34?35.
摘 要： 分布式多空间数据在利用主控计算机进行数据读取中容易受到端口溢出限制，需要进行智能交换读取，选择块传输模式提高数据的读取和传输性能。提出一种基于高速局部总线控制的分布式多空间数据智能交换系统设计方法，系统的开发流程采用多线程自上而下开发方法，开发环境建立在嵌入式Web服务平台中，采用Socket编程构建分布式多空间数据传输的网络协议栈，通过协议栈开发智能交换系统的网络应用程序，采用高速局部总线控制进行数据交换的端口设置和通道控制，通过局部总线送到接收模块，实现智能数据交换。系统测试结果表明，该系统进行分布式多空间数据交换的可靠性较好，提高了总线接收数据块的速率和准确性。
关键词： 分布式多空间数据； 主控计算机； 局部总线； 数据交换
中图分类号： TN916.428?34； TP391 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）18?0043?03
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Abstract： When the master computer is used to carry out data reading， the distributed multi spatial data is vulnerable to restriction on port overflow. Therefore， the intelligent exchange reading is needed， and the block transfer mode should be selected to improve the data acquisition and transmission performance. A design method of distributed multi spatial data intelligent exchange system based on high?speed local bus control is put forward. The multi?thread top?down development method is adopted in the system development process. The development environment is based on the embedded Web service platform. Socket programming is used to build the network protocol stack for distributed multi spatial data transmission. The protocol stack is employed to develop the network application program of intelligent exchange system. The high?speed local bus control is adopted to set the data exchange port and channel control. The data is sent to the receiving module through the local bus to realize the intelligent data exchange. The system test results show that the system has better reliability for the distributed multi spatial data exchange， and can improve the speed and accuracy of the bus to receive data blocks.
Keywords： distributed multi spatial data； host computer； local bus； data exchange
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本文设计的分布式多空间数据智能交换系统建立在Microsoft公司的Visual C++和Visual Basic等开发软件环境中，采用嵌入式Web服务平台构建应用软件的集成编程环境，在ANSI C内核中进行嵌入式设计[3]，进行多种数据采集、分析和显示等；在LabWindows/CVI中1 ms内控制时间驱动，支持多种总线类型的用户界面编辑，设计ANSI C库作为分布式多空间数据的专用图形控件；在图形用户界面中进行系统的人机交互控制和面向对象设计，提高了编程效率。综上分析，得到本文设计的数据智能交换系统的软件开发环境具有如下功能特征：
（1） 采用完整的ANSI C内核进行时间驱动与回调函数编程，用户管理层通过底层的VISA软件接口进行程序实时采集和驱动配置，物理接口层是软件和硬件的结合层，采用的I/O控制库构建物理接口层进行在源程序编程与数据交换的引擎控制， 基于ARM和LabVIEW 进行网络数据采集测试[4]。
（2） 智能交换系统的程序运行时先启动VISA资源管理器，若采集的数据有效，LabWindows/CVI则以工程文件为框架进行集成化软件开发，循环读取HP E1562E的SCSI硬盘数据，进行32位ANSI C编译和堆栈控制[5]。
（3） 支持多种总线类型的仪器和数据采集设备，为用户提供GPIB 488.2库、DAQ库、VISA库、RS 232库和IVI库等。各种功能函数集成在一个开发环境中，并且为用户提供函数面板和仪器驱动编程向导等交互式开发工具。用户可以快速地编写、调试和修改应用程序，形成独立的可执行文件[6]。
（4） 分布式多空间数据信息的数据传输单元提供格式化I/O库、Analysis库，在Advanced Analysis库进行状态触发控制，在所有采集参数配置成功后，保存采集的信息为系统文件，建立ANSI C数据库[7]。
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图1 分布式多空间数据传输的客户机/服务器请求过程
2.2 数据交换系统的高速局部总线控制
采用高速局部总线控制进行数据交换的端口设置和通道控制，进行智能交换读取，使用不同的通道组句柄命令设置交换系统的高速局部总线，调用hpe1432_getGroupInfo（ ）函数获取通道组的信息。得到分布式多空间数据传输的模块列表、通道号等信息，数据交换系统的控制器采用至多7个PXI或CompactPCI仪器模块，通过协议栈开发智能交换系统的网络应用程序，提供了系统参考时钟、触发总线、星形触发线的数据交互和通道设计，接口设计中主要是对数据交换系统的串口、并口、USB端口、鼠标、键盘口、以太网口进行设计。PXI?6713模拟输出系统采集的数据，通过外部I/O接口的EXTREF引脚上引入通道控制程序，10个可编程功能口（PFI）连接在高速局部总线的主要接口通道，使用可编程功能口引入外部触发、高速局部总线输入或输出时钟信号，通过任意可编程功能口实现PXI总线高速PCI数据交换。由于执行数据交换的数据量较大，采用双缓冲区回放，采用高速局部总线控制进行数据交换的端口设置和通道控制，通过局部总线送到接收模块，设置双缓冲区的大小和传输缓冲区，先读数据到循环缓冲区，且读取数据文件中的数据加载双缓冲区和传输缓冲区，数据交换过程中用WFM_DB_HalfReady函数检测时钟路由，启动数据采集和交换程序，进行计数器工作模式和参数配置，打开数据文件，读文件头信息，选择外部更新信号、外部触发信号、时钟源信号，在多个模块间保证分布式多空间数据交换过程的严格同步。综上分析，得到本文设计的分布式多空间数据智能交换系统的软件实现流程如图2所示。
3 系统测试分析
为了测试文本设计的基于高速局部总线控制的分布式多空间数据智能交换系统的性能，进行实验法分析，测试的分布式多空间数据来自于3个云服务提供商，数据在网络中传输的带宽分别为1 Mb/s，2 Mb/s，1 Mb/s，分布式多空间数据被分为8 KB固定大小的数据块，数据中心网络中具有40%的服务器利用率。根据上述测试环境设定，得到本文设计的数据交换系统的GUI控制界面如图3所示。在图3给出的数据交换界面中进行分布式多空间数据智能交换，通过主界面进行参数设定，通过主设备号向内核注册字符设备驱动程序，执行数据交换。图4给出了采用本文系统和传统方法进行数据交换下总线接收数据块的速率对比，分析得知，本文设计的系统进行数据交换的速率较快，说明对分布式多空间数据的处理效能较高。
4 结 语
本文提出一种基于高速局部总线控制的分布式多空间数据智能交换系统设计方法，采用多线程自上而下開发方法，在嵌入式Web服务平台中进行软件开发，采用Socket编程构建分布式多空间数据传输的网络协议栈，通过协议栈开发智能交换系统的网络应用程序，采用高速局部总线控制进行数据交换的端口设置和通道控制，通过局部总线送到接收模块，实现智能数据交换。测试得知，该系统进行分布式多空间数据交换的可靠性较好，提高了总线接收数据块的速率，数据交换的效率和准确性较好。
注：本文通讯作者为谭振江。
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