黃秀亮

HUANG Xiu-liang

（湖南信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程系，長沙 410200）

1 分布式系統(tǒng)

分布式系統(tǒng)是建立在網(wǎng)絡(luò)之上的軟件系統(tǒng)。因?yàn)檐浖奶匦?，因此分布式系統(tǒng)有著高度的內(nèi)聚性以及透明性。網(wǎng)絡(luò)和分布式系統(tǒng)之間的區(qū)別更多的在于高層軟件，而不是硬件。內(nèi)聚性是指每一個數(shù)據(jù)庫分布節(jié)點(diǎn)高度自治，有本地的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。透明性是指每一個數(shù)據(jù)庫分布節(jié)點(diǎn)對用戶的應(yīng)用來說都是透明的，看不出是本地還是遠(yuǎn)程。主流標(biāo)準(zhǔn)化組織對于分布式無線通信技術(shù)越來越重視。分布式無線網(wǎng)絡(luò)根據(jù)其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)，主要可以分為無基礎(chǔ)設(shè)施的分布式無線網(wǎng)絡(luò)和具有基礎(chǔ)設(shè)施的分布式無線網(wǎng)絡(luò)。

1.1 無基礎(chǔ)設(shè)施的分布式無線網(wǎng)絡(luò)

無基礎(chǔ)設(shè)施的分布式無線網(wǎng)絡(luò)主要以Adhoc和Mesh為代表。Ad hoc是一種全分布式的無線網(wǎng)絡(luò)，而Mesh則是Ad hoc的一種演進(jìn)，它在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上與Adhoc有一定區(qū)別。Adhoc的全分布式是一種物理上和邏輯上的分布式，即網(wǎng)絡(luò)的通信和管理能力在物理上和邏輯上都是分布式的。這是通過節(jié)點(diǎn)間的對等關(guān)系來實(shí)現(xiàn)的，網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)在能力方面都是對等的，具有通信能力，更主要的是具有轉(zhuǎn)發(fā)能力。Adhoc方式一個主要特征就是節(jié)點(diǎn)需要通過競爭的方式共享信道。由于競爭的隨機(jī)性，決定了這種方式在QoS保障以及信道利用率方面的性能目前都還不能滿足寬帶無線接入的要求。Mesh技術(shù)則是在Adhoc技術(shù)基礎(chǔ)上由軍用、專用向民用轉(zhuǎn)換的一個產(chǎn)物。它與Adhoc的區(qū)別在于，節(jié)點(diǎn)間的對等性發(fā)生了改變，一類專用節(jié)點(diǎn)分離出來，專門承擔(dān)路由轉(zhuǎn)發(fā)以及外網(wǎng)連接等職責(zé)，其他作為客戶端的節(jié)點(diǎn)功能則相對弱化。這些專用節(jié)點(diǎn)實(shí)際上為客戶端提供了一個相對穩(wěn)定的骨干網(wǎng)。與Adhoc相似的是專用節(jié)點(diǎn)之間、專用節(jié)點(diǎn)與客戶端之間甚至客戶端之間的通信仍然可以采用P2P的方式，仍然存在以競爭方式共享信道的問題。還有一種典型的無基礎(chǔ)實(shí)施的分布式無線網(wǎng)絡(luò)就是傳感器網(wǎng)絡(luò)。與前面兩類網(wǎng)絡(luò)不同的是，傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍比較特殊，主要用于數(shù)據(jù)采集，節(jié)點(diǎn)具有一次性使用、低數(shù)據(jù)速率以及大規(guī)模等特點(diǎn)。

圖1 無基礎(chǔ)設(shè)施的分布式無線網(wǎng)絡(luò)

1.2 具有基礎(chǔ)設(shè)施的分布式無線網(wǎng)絡(luò)

具有基礎(chǔ)設(shè)施的分布式無線網(wǎng)絡(luò)根據(jù)分布式節(jié)點(diǎn)間的連接方式，可以分為有線分布式和無線分布式兩種。有線分布式以采用RoF的分布式天線技術(shù)為代表，如清華的DWCS、北郵的Group Cell以及東南大學(xué)DRS都屬于這一類系統(tǒng)。這類系統(tǒng)的特點(diǎn)在于利用大量的分布式天線單元在整個系統(tǒng)內(nèi)提供高質(zhì)量的、無縫的無線電信號覆蓋。一方面通過合理地選擇天線單元為不同的用戶提供覆蓋，并獲得空間分集，提高用戶的通信質(zhì)量。另一方面通過靈活的切換方式，為移動用戶提供可靠的高質(zhì)量通信鏈路。小區(qū)不再完全以某個地理位置為中心，而是以用戶為中心，以業(yè)務(wù)為中心。這改變了傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)對于系統(tǒng)流量分布變化只能被動應(yīng)對的狀況。無線分布式以目前的研究熱點(diǎn)Relay增強(qiáng)蜂窩系統(tǒng)為主要代表。與基于分布式天線技術(shù)的系統(tǒng)類似，Relay網(wǎng)絡(luò)同樣是利用造價相對較低的專用節(jié)點(diǎn)RS來改善覆蓋質(zhì)量，避免增加基站而產(chǎn)生的費(fèi)用。區(qū)別在于對于控制中心而言，RS是一個特殊的MS。BS可以與MS直接通信，也可以通過RS轉(zhuǎn)發(fā)的方式通信。在無線資源調(diào)度方面，RS需要服從BS或上一跳RS的控制，同時RS也可以具備二次調(diào)度的能力。

圖2 有基礎(chǔ)設(shè)施的分布式無線網(wǎng)絡(luò)

1.3 分布式無線通信技術(shù)的應(yīng)用

目前分布式無線通信技術(shù)主要的應(yīng)用集中在Mesh、Relay以及家庭小區(qū)等幾個方面：首先是Mesh技術(shù)。由于Mesh技術(shù)蘊(yùn)涵巨大的潛力，新出現(xiàn)的很多無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議都開始支持mesh組網(wǎng)，包括代表城域網(wǎng)的802.16、代表局域網(wǎng)的802.11s以及代表個域網(wǎng)的802.15.5等，其中802.11s得到了廣泛的關(guān)注。其目標(biāo)是通過Mesh機(jī)制的引入，打破傳統(tǒng)WLAN AP布設(shè)必須要有線Backhaul支撐的限制，同時實(shí)現(xiàn)終端之間真正意義上的Ad hoc通信。通過對802.11e EDCA接入控制機(jī)制的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)對多業(yè)務(wù)類型的QoS保障。利用合理的擁塞控制機(jī)制，有效地實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡。該標(biāo)準(zhǔn)目前仍在討論中，還有部分技術(shù)難題有待解決。其次是Relay。Relay這一改善網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能的有效手段，在802.16j中得到了充分的應(yīng)用[7]。802.16j在保持對802.16e PMP模式兼容的基礎(chǔ)上加入了多跳中繼的功能，繼承了802.16e在QoS保障方面的優(yōu)點(diǎn)，并針對多跳連接模式，進(jìn)行了改進(jìn)和增強(qiáng)，支持多種場景的終端切換以及RS切換。由于多跳機(jī)制的引入，增加了MAC的路徑管理及路由功能。針對中繼節(jié)點(diǎn)引入而產(chǎn)生的干擾管理的問題，增強(qiáng)了RS節(jié)點(diǎn)在干擾測量方面的功能。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化工作于2005年啟動，目前還在制定中，主要的電信廠商以及大部分的運(yùn)營商都參加了標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。

2 嵌入式系統(tǒng)

隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，人們對嵌入式系統(tǒng)的性能提出了越來越高的要求。許多嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)從單處理機(jī)體系結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向分布式多處理器的體系結(jié)構(gòu)。在嵌入式領(lǐng)域中許多嵌入式應(yīng)用設(shè)備，為了提高性能，在多處理器體系裝備有更多的具有自治能力的處理器節(jié)點(diǎn)，每個節(jié)點(diǎn)都有屬于自己的CPU、內(nèi)存和輸入輸出設(shè)備，每個節(jié)點(diǎn)上都運(yùn)行自已的嵌入式內(nèi)核。這些節(jié)點(diǎn)上的應(yīng)用設(shè)備緊密相聯(lián)，互相協(xié)調(diào)，由下層嵌入式操作系統(tǒng)提供分布式處理功能，形成具有分布式體系結(jié)構(gòu)的嵌人式系統(tǒng)。

2.1 硬件體系結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用兩個CPU構(gòu)成，一個主CPU，一個從CPU，可擴(kuò)展為多個從CPU，如圖1所示。主CPu端沒有網(wǎng)絡(luò)接口，從CPU端包括兩個網(wǎng)絡(luò)接口卡，一個LAN口，一個WAN口，相應(yīng)備有兩個MAC地址。主CPU是系統(tǒng)的控制核心，負(fù)責(zé)控制和配置功能，及部分復(fù)雜的數(shù)據(jù)報(bào)轉(zhuǎn)發(fā)；從CPU主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)報(bào)轉(zhuǎn)發(fā)。在主CPU上運(yùn)Montavista Linux內(nèi)。核01，而從CPU運(yùn)行一個基于自行開發(fā)的簡單任務(wù)構(gòu)成的嵌入式實(shí)時微內(nèi)核。CUP之間采用PCI總線相接。

2.2 軟件體系結(jié)構(gòu)

由于各處理器節(jié)點(diǎn)之間不存在共享內(nèi)存．因此分布式通信機(jī)制的設(shè)計(jì)使用消息傳遞的方法。采用分布式操作系統(tǒng)的模型，對運(yùn)行在從CPU上的微內(nèi)核和主CPU上的Montavista Linux內(nèi)核進(jìn)行擴(kuò)展，提供分布式消息通信機(jī)制。

2.3 Ics模塊

分布式消息通信機(jī)制架構(gòu)于各節(jié)點(diǎn)內(nèi)核之上，用于實(shí)現(xiàn)分布式消息通信機(jī)制的模塊稱為Ics模塊。ICS模塊的設(shè)計(jì)目標(biāo)是針對具有分布式體系結(jié)構(gòu)的嵌入式多功能網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)適合于網(wǎng)絡(luò)報(bào)文處理高效、透明的消息通信。多功能網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，具有分布式的體系結(jié)構(gòu)，主要面向IP應(yīng)用，需要處理各種網(wǎng)絡(luò)報(bào)文。由于在硬件設(shè)計(jì)上，只有從CPU上具有網(wǎng)絡(luò)接口，因此需要ICS通信模塊提供的主要功能包括：1）主CPU上的應(yīng)用程序可以透明的正常使用網(wǎng)絡(luò)。2）主CPU上的應(yīng)用程序可以通過ICS進(jìn)行交互。3）主CPU上的應(yīng)用程序可以和從CPU上的任務(wù)進(jìn)行通信。4）從CPU上的應(yīng)用程序可以通過ICS進(jìn)行通信。

圖3 DRS系統(tǒng)的三總線結(jié)構(gòu)

3 結(jié)束語

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)#微電子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，人類社會正逐步進(jìn)入后PC時代，分布式以及嵌入式系統(tǒng)也在向更深的方向發(fā)展，而且以其越來越先進(jìn)的技術(shù)和越來越廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，必將成為后PC時代的擎天柱，可以相信，未來的電子技術(shù)就是分布式嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的天下。21世紀(jì)初，以信息家電為代表的嵌入式系統(tǒng)，其應(yīng)用廣泛、領(lǐng)域特色突出、發(fā)展空間巨大，加之互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在世界范圍的擴(kuò)展和中國通信事業(yè)的高速發(fā)展，相信嵌入式系統(tǒng)在我國將有美好的發(fā)展前景。

[1]WU JIE.高傳善.譯.分布式系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2009.

[2]李善平,劉文峰,王煥龍.Linux與嵌人式系統(tǒng)[M].北京：清華大學(xué)出版社,2003.

[3]ANDREW S TANENBAUM.陳向群,譯.現(xiàn)代操作系統(tǒng)EM3.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2009.