基于沖突檢測的通信數據多路徑自適應存儲系統＊

鄭振峰

(陜西國防工業職業技術學院，陜西 西安710300)

1 引言

如何快速有效存儲數據一直都是網絡存儲系統發展過程中的關鍵技術難點，傳統的無線通信網絡存儲系統無法識別存儲內容，主要是依靠文件系統利用主機CPU管理訪問請求，并利用鎖機制[1]控制訪問請求之間的路徑沖突；但是這與無線通信網絡存儲系統的多路徑數據分布特性不相符，對通信數據無法做出精準的分析。再加上鎖機制是以文件為單位的，這也在一定程度上大大限制了訪問請求的多路徑[2]并行，與通信系統特性發生沖突。與此同時，鎖機制需要將相應的進程在阻塞和就緒狀態之間進行調度，也影響了存儲系統的I/O性能[3]。

目前，大部分的存儲系統依然使用PCIe(peripheral component interconnect express)或SAS(serial attached SCSI)等接口，這些接口也是影響存儲設備I/O性能的原因之一，再加上現在的存儲設備主要是利用CPU主機來控制訪問請求，通過存儲設備接口獲取數據狀態信息，這就需要存儲設備和主機之間頻繁地互換信息，進一步加重了存儲設備對I/O 性能的影響，同時還占用了較大的CPU?？偟膩碚f，存儲設備現有的數據讀寫速度致使I/O 棧(I/O stack)成為影響I/O 性能的重要原因之一。但是目前現有的存儲系統還缺乏更優的存儲機制。文獻[4]設計基于DSP 的多元數據同步采集與存儲系，將DSP 作為中央處理芯片，利用CF 卡作為存儲介質，實現通信數據自容式存儲，此方法具有較高的存儲精度，但是可擴展性較差。文獻[5]設計一種機載高安全高可靠數據存儲系統，利用應急關鍵數據銷毀技術保障通信數據安全，通過Nand-Flash 數據存儲模塊進行數據分區操作，此方法在保障通信數據安全性上具有較高的價值，但是數據傳輸能耗較高。

為此，本文利用沖突檢測對通信數據的特征進行分析，并以此對數據結構進行分配，實現通信數據的遷移，最終獲得檢測條件和響應時間。在此基礎上完成存儲系統的構建，以存儲卡和上位機完成數據的過濾、解封裝和重組以及存儲，構建穩定的數據存儲環境。

2 基于沖突檢測的通信數據結構分析

2.1 通信數據結構沖突檢測

分析金字塔模型和奇異熵的通信數據機制，提取通信數據特征點，觀察單位時間內通信數據結構特征值的變化趨勢，計算其平均值和梯度值，進而對通信數據進行沖突檢測，詳細步驟如下所示：

金字塔時間模型主要可用來描述多個通信數據結構，假設aggi表示通信數據特征值，T表示通信數據從開始到當前時刻所需的時間，在時域計算復雜聚合需求的聚類值可以計算出金字塔時間模型(tpast，tnow)描述的通信結構的聚類序列，利用(tpast，tnow)時域中通信結構的聚集需求的絕對誤差如下所示：

式中，(aggnow-aggpast)為時間窗口上(tpast，tnow)的近似總價值，(aggnow-aggs)為(tnow，ts)上的近似總價值。通信系統的每一層結構中都包含著矢量信息，包含的矢量信息越多，表示時間的信息點也就越多，那么所得結果也就更加地精準。

將質數分配給通信系統中每一個項目集I的每一個項Ii，每個項Ii中，均有mi+1mi，那么用來記錄通信數據結構的哈希函數就是：

其中，d(Ix)表示首次出現Ix的位置信息，還需要進一步確定d(Ix)在子項目集中首次出現的位置，這就需要對子項目集進行分組：

通過以上對奇異熵結果的計算過程，可以確定通信數據特征值的有效階次[6]為：

其中，k表示奇異熵的有效數，m為奇異熵總數，△R0則表示奇異熵的增加量。

通過式(5)對數據結構二維數組S的奇異值分解結果，可以獲得S=U∧VH為奇異值分解矩陣∧中對角線的信息。具體的通信數據結構沖突檢測流程如圖1所示。

根據圖1可知，首先需要獲取存儲節點位置，得出奇異熵的增加量；然后，判斷矢量信息是否＞1，結果為是，則更新通信系統請求，生成檢測節點，進行奇異值分解，然后生成錯誤報告，輸出通信數據結構沖突檢測結果。結果為否，則直接生成錯誤報告，輸出通信數據結構沖突檢測結果。以上計算過程說明了沖突檢測對通信數據結構的檢測原理，該原理計算過程簡單，結果精準，實現了高效率的沖突檢測。

2.2 通信數據檢測條件與響應時間

在檢測之前，需要對數據進行預處理，得到通信系統各節點中待識別數據結構的局部等價類，以分配沖突檢測任務；然后根據分配結果對數據結構進行遷移[7]，對數據沖突識別的反應成本模型進行了建立。具體實施過程如下：

假設，Si為通信系統中以節點PD(Di)的名義進行數據處理需要的時間，完成所有的數據預處理后，進一步檢索網絡節點中數據結構的本地等價類，最終完成對數據結構的沖突檢測任務分配。

對數據結構φj，j[1，m]進行沖突檢測，節點的表示信息也可看作是該節點的執行節點。完成沖突檢測后，根據任務分配的結果對數據進行遷移。Di-out表示遷出數據，△Di-in表示遷入數據，可以計算出整個通信系統的通信數據遷移量，表達式如下：

當系統中所有節點完成遷移之后，每個節點根據沖突檢測任務分配的結果完成局部等價聚合。

假設merge(ECi)表示網絡節點Si進行局部等價類聚合的所需的時間，ECi表示待檢測網絡節點上數據的局部等價類聚合，表示通信數據遷移和局部等價類聚完成后網絡節點Si上的待檢測數據結構，check()表示沖突檢測所需要的時間，那么就可以利用式(7)將通信數據結構中集合沖突檢測總響應時間代價模型定義為：

式中，PD(Di)表示通信系統中網絡節點對通信數據做預處理所需時間，bω表示網絡帶寬，merge(ECi)表示獲得全局等效類所需的時間。

假設，tcij表示第i個數據結構在第j個節點上檢測所需的時間，tmij代表在第i個數據結構在第j個節點上局部等價聚類數據結構聚合所需的時間，依據costRT()，可知最小通信數據遷移耗時為，通信數據局部等價類聚合耗時，為通信數據結構沖突檢測耗時。將捕獲的通信數據結構進行合理分配后，通信數據遷移、局部等價類時間和沖突檢測時間相加所需時間最少，假設xij為第i個數據結構在第j個網絡節點上的局部部分，把第i個數據結構分配到第j個網絡節點時，符合xij=1，否則符合xij=0，可將該問題轉換成以下整數規劃的問題，那么目標函數[8]的表達式就可以表示為：

約束條件為：

其中，te表示系統中所有節點數據結構沖突檢測所需的時間，表示第i個數據結構的LHS部分在整體中所占的比例，表示第i個數據結構的LHSRHS部分在整體中所占的比例，表示第i個數據結構LHS部分在第j個網絡節點上所占的比例，表示LHSRHS部分在第j個網絡節點上所占的比例。

3 基于沖突檢測的通信數據多路徑存儲系統

通信數據多路徑自適應存儲系統架構圖如圖2所示，主要是由采集卡、上位機和大容量flash存儲卡構成。

光纖模塊將光信號轉換成電信號，并將其傳輸到采集卡。采集卡經過重新配置和打印，然后通過Aurora接口傳輸到存儲卡上，該存儲卡實現了如下功能：從Aurora發送數據，在大容量flash 中快速存儲，然后用DSP 存儲卡處理PCI并傳輸到頂層flash。以前的PCI總線控制采集卡和存儲卡，保證數據能準確無誤地轉儲到上位機硬盤中。

3.1 存儲系統硬件

為了適應通信系統的特性，存儲卡可同時存儲多路徑數據，并對存儲的數據進行過濾、解封裝和重組，將重復數據去除掉，節省內存存儲開銷，并在一定程度上保證了數據存儲的安全性。存儲卡整體結構構成如圖3所示。

存儲卡內部可實現對數據的分類，主要有三個類別：一類為FC 幀、一類為FC 原語信號、另一類為其他形式的數據。

存儲卡工作的主要原理：對新存儲的數據進行過濾篩選，過濾規則通過上位機軟件與存儲卡之間的PCI 總線接口寫入過濾模塊中，執行開始指令。存儲卡將需要過濾的信息從GTX接口傳送至過濾模塊中，通過過濾的數據將進入幀解析模塊，未通過的數據則被系統永久刪除。幀解析模塊確定FC幀的幀長，并將詳細信息寫入描述符傳送給幀重組模塊。幀重組模塊將接收到的描述符和FC 幀一一對應結合在一起，并傳送至Aurora 接口。如果不進行過濾操作，上位機軟件直接通過PCI 總線接口對存儲卡執行存儲命令，GTX 數據不需要過濾直接傳輸到幀解析模塊，解析模塊必須為三種不同的數據類型創建出不同的描述符，然后創建它們的幀重組模塊send。幀重組模塊分別對應于這三個描述符，FC幀并將其傳輸到Aurora 接口。幀重組模塊的極光接口直接連接到存儲卡的極光接口，重構后的數據傳輸到存儲卡實時存儲。

存儲卡硬件部分FPGA 主要有6 個部分組成：GTX接口、過濾模塊、幀解析/重組模塊、Aurora 接口和PCI總線接口。

(1) GTX接口：GTX接口由GTX核來控制，可將系統中的通信數據進行串并轉化、比特同步和8B10B編解碼。

(2) 過濾模塊：過濾規則由RAM上位機軟件控制，當數據進入到過濾模塊后，會提取FC 幀中的所有字符信息，和RAM 中的進行對比，通過過濾規則的將直接傳送至下一階段，未能通過過濾規則的則被系統直接刪除。

貧困農村男青年婚戀困難還可能使農村婚姻道德和社會倫理道德受到嚴重沖擊?，F階段農村社會“閃婚閃離”現象較為普遍，很多不道德和丑惡的社會現象得以滋生。同時，在調查中發現，由于女青年嚴重短缺，女青年在婚姻締結談判過程中占據主動權，而且在婚后家庭生活中也比較強勢，甚至不能維持對公婆的基本孝順和尊敬，家庭生活稍有不如意，便以離婚、離家出走相要挾。這些現象的存在，影響了農村的社會安定，也沖擊了傳統社會的夫妻相敬如賓、家庭恩愛和睦、孝順公婆等社會倫理道德。

(3) 幀解析模塊：幀解析模塊主要對通信系統中的三種不同類型的數據做出處理。

針對FC幀這類數據，當解析模塊檢測到含有SOF類型的數據開始接收命令，直到檢測到含有EOF 類型的數據停止工作。并計算此次接收數據的幀長，在幀尾處構建該FC 幀的描述符信息。描述符中一般包含有數據類型的標志、幀長和時標等信息。對于原語信號，在FC協議中，原語信號的表現形式為一個雙字(DW：Double Word)。為了節省存儲開銷，當通信系統中幀間隙發送原語IDLE時，連續出現的原語信息僅構建一個描述符。對于其他類型的數據，在接收后只需要構建一個描述符傳送給后面的步驟進行重組即可。因為這類數據出現的幾率很小，而且基本都是無用數據。

(4) 幀重組模塊：這一模塊的主要功能是將傳送過來的描述符和FC幀一一對應，重新組合在一起。具體實現步驟為：首先將接收到的描述符和FC幀分別存在不同的先進先出FIFO(First In First Out)中，然后對其判斷，如果描述符與FC 幀是對應的則傳送給Aurora 接口，根據描述符中的幀長信息讀幀FIFO；如果描述符和FC 幀不對應，則直接傳送給Aurora 接口即可，無需進行下一步操作。這樣就完成了數據重組。

(5) Aurora 接口：Aurora 協議是一種占用內存開銷極低、并且協議不明確的輕量級鏈路層協議。其主要優點是可以在任意硅片器件或者軟件中操作，適用范圍較廣。

(6) PCI總線接口：PCI總線接口主要的工作內容是執行存儲、過濾命令，并實行上位機軟件的過濾規則。存儲卡通過配置PCI核實現以上功能，完成數據的存儲工作。

3.2 系統軟件

系統的軟件部分主要是由上位機軟件實現對存儲卡的管理和控制。上位機軟件與存儲卡之間通過PCI總線接口進行連接。上位機對存儲卡的控制主要體現在兩個方面：

(1) 開始/停止存儲命令，顯示存儲數據的大小，以及轉儲操作；

(2) 控制存儲卡是否接收數據存儲在flash 中，并監視存入數據的大小。上位機軟件還可以通過PCI總線接口將flash中的數據轉儲到計算機硬盤中。

4 系統性能測試

系統性能測試中路徑數量越多的數據沖突數量會越小，為了保證本文提出的存儲系統可以有效地運行，對該系統性能進行測試，確保該系統的整體功能和性能滿足通信系統多路徑的需求，這也是系統性能測試的目的。

在測試實驗中，選擇網絡虛擬服務器來模擬路由器，數據沖突檢測模塊用C語言來編寫，選取30條通信數據。圖4所表示的信息是，當沖突檢測數量由30條突然增加到210條時，不同系統檢測所用時間的增長幅度變化趨勢。

通過圖4可以看出，隨著沖突檢測任務的增加，檢測時間也隨之增加。當檢測數量為120條時，文獻[4]系統的所用時間為130ms，文獻[5]系統的所用時間為125ms，設計系統的所用時間為90ms。當檢測數量為210 條時，文獻[4]系統的所用時間為168ms，文獻[5]系統的所用時間為160ms，設計系統的所用時間僅為130ms。由此可見，本文對數據沖突檢測的算法可以在復雜的通信環境中，利用較短的時間來完成計算。

表1 沖突檢測數據量、占用內存大小及總體耗費時間

隨著通信數據的暴增，此次實驗還對完成沖突檢測后的數據占用存儲空間的大小以及總體耗費的時間做了實驗。自適應性能通過系統存儲耗時指標來驗證，系統存儲耗時越久說明自適應性越好，系統存儲耗時越短說明自適應性越差，實驗結果如表1所示。

通過表1可以看出，當沖突檢測數據數量不同時占用的存儲空間大小和總體耗費時間也是不同的。數據由30條突然增加至210條，占用的存儲空間大小變化不是很明顯。這主要是因為存儲系統的過濾和重組功能，過濾掉了無用信息，大大節省了存儲開銷，使存儲內存利用得更加合理、高效，并且耗費的時間也比較少。

同時，此次實驗還對存儲系統大小在CPU上的開銷差異做了測試。實驗環境同上，對不同大小的存儲開銷在CPU上的占用率進行了仿真實驗，實驗結果如圖4所示。

由圖5可知，不同大小的存儲開銷使得CPU 的占用率發生了很大的變化。實驗啟動時，CPU 的占用率為75%。隨著實驗的進行，可以發現，占用率逐漸從3．2%上升至28%，但整體數據都在30%以下，可以保證計算機的正常運行、不卡頓。所有實驗數據均在可接受范圍內。

5 結束語

文章提出基于沖突檢測的通信數據多路徑自適應存儲系統。首先對通信數據的結構特征進行分析，在此基礎上完成數據的沖突檢測，并以此對數據進行沖突分配，不同類型的數據經由存儲卡完成遷移、過濾、解析和重組，由上位機軟件控制將數據描述符和FC幀一一對應并完成數據的存儲。通過系統性能測試結果表明，本系統性能穩定性較高，且占用的計算機CPU 開銷較小，符合系統設計需求。