大數(shù)據(jù)下的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)范文

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摘要：探討大數(shù)據(jù)背景下的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，展開(kāi)大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)。進(jìn)一步分析FPGA平臺(tái)下的驗(yàn)證、實(shí)現(xiàn)方法及結(jié)果。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù)；網(wǎng)絡(luò)通信；系統(tǒng)架構(gòu)

1引言

網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的高速發(fā)展，充分顯現(xiàn)了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)與信息飛速發(fā)展時(shí)代需求的不符，由于網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)管理信息化是社會(huì)發(fā)展的必經(jīng)之路，這就要求大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)是必然趨勢(shì)。大數(shù)據(jù)技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)通信建設(shè)的重要組成，為新時(shí)期的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)提供基礎(chǔ)。網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的產(chǎn)生與信息化技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)，積極建設(shè)并充分應(yīng)用大數(shù)據(jù)及物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，保障系統(tǒng)數(shù)據(jù)的有效分析，解決網(wǎng)絡(luò)卡頓的現(xiàn)象，能夠最大程度滿足用戶的服務(wù)需求。

2大數(shù)據(jù)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)

2.1大數(shù)據(jù)技術(shù)

大數(shù)據(jù)技術(shù)是近些年興起的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)海量數(shù)據(jù)的處理，利于改善傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法[1-6]，是經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展下的產(chǎn)物。大數(shù)據(jù)技術(shù)將計(jì)算機(jī)信息技術(shù)作為基礎(chǔ)，使傳統(tǒng)行業(yè)與大數(shù)據(jù)技術(shù)深度融合，對(duì)社會(huì)各項(xiàng)因素更新、調(diào)整，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型目標(biāo)。大數(shù)據(jù)技術(shù)的產(chǎn)生，進(jìn)一步發(fā)揮互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。大數(shù)據(jù)技術(shù)基于云計(jì)算理念，云計(jì)算為大數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)，具有開(kāi)放性，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析與整合，在數(shù)據(jù)下觀察需求間的關(guān)系，是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的飛躍，對(duì)提升社會(huì)生產(chǎn)力具有重要推動(dòng)作用。新時(shí)期各個(gè)領(lǐng)域需要不斷融合大數(shù)據(jù)技術(shù)，以保障在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中永遠(yuǎn)保持強(qiáng)有力的技術(shù)實(shí)力。

2.2網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)

傳統(tǒng)電力行業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)采取分布式方式，現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)采取智能通信系統(tǒng)，智能通信系統(tǒng)是建立在分布式系統(tǒng)之上，對(duì)分布式系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，更新設(shè)備、數(shù)據(jù)分析方法以及通信方式。傳統(tǒng)分布式網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)示意見(jiàn)圖1，智能化網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)示意見(jiàn)圖2。網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量為新時(shí)期理念，在大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展下，融合計(jì)算機(jī)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)的現(xiàn)代化及智能化管理。網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量是計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的衍生物，隨著社會(huì)不斷發(fā)展與時(shí)代接軌，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)持續(xù)優(yōu)化才可在社會(huì)發(fā)展中體現(xiàn)其價(jià)值，從而提升用戶體驗(yàn)要求。網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)服務(wù)環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，資源參數(shù)設(shè)置難度較大，提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)面臨一定風(fēng)險(xiǎn)，相關(guān)工作的開(kāi)展可能面臨網(wǎng)絡(luò)資源缺失、通信線路阻塞等問(wèn)題，此類(lèi)問(wèn)題的發(fā)生直接導(dǎo)致用戶服務(wù)無(wú)法滿足，甚至引發(fā)不良后果，大大降低了服務(wù)質(zhì)量。網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)中量度指標(biāo)的可用性及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)吞吐率等決定服務(wù)的安全性及可靠性。

3大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

隨著網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)用戶量的不斷遞增，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)業(yè)務(wù)量迅速增加，保障網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)正常運(yùn)行、解決網(wǎng)絡(luò)延遲以及防止數(shù)據(jù)丟失等現(xiàn)象已成為現(xiàn)階段亟待解決的主要問(wèn)題。在保障用戶正常開(kāi)展網(wǎng)絡(luò)工作的前提下，建設(shè)基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)架構(gòu)極為重要。

3.1NOC系統(tǒng)架構(gòu)

NOC系統(tǒng)架構(gòu)是在網(wǎng)絡(luò)通信多核系統(tǒng)上建立，路由及報(bào)文實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。NOC系統(tǒng)架構(gòu)含有多個(gè)資源節(jié)點(diǎn)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將資源節(jié)點(diǎn)銜接，針對(duì)不同資源節(jié)點(diǎn)，利用互聯(lián)網(wǎng)搭建通信通道，資源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，將數(shù)據(jù)傳輸至目的節(jié)點(diǎn)。NOC系統(tǒng)構(gòu)架在建設(shè)過(guò)程中，在局域網(wǎng)上展開(kāi)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及通信協(xié)議兩個(gè)方面的優(yōu)化。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為NOC系統(tǒng)通信節(jié)點(diǎn)提供資源的靜態(tài)連接方式，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)延時(shí)及吞吐率、功耗方面具有一定影響。普遍拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及環(huán)面結(jié)構(gòu)等，其中二維環(huán)面結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性，拓展性良好，易于設(shè)計(jì)。二維環(huán)面結(jié)構(gòu)通信協(xié)議為系統(tǒng)通信雙方約定，其中含有通信時(shí)序及數(shù)據(jù)交換技術(shù)等環(huán)節(jié)。為保障設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的合理性，利用OSI協(xié)議作為基礎(chǔ)，在全局時(shí)鐘下進(jìn)行同步握手協(xié)議及數(shù)據(jù)分包等，搭建NOC通信協(xié)議。

3.2NOC系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)

首先在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)層面，NOC通信系統(tǒng)架構(gòu)中含有資源節(jié)點(diǎn)、通信節(jié)點(diǎn)以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等。資源節(jié)點(diǎn)有預(yù)先設(shè)置好的IP地址，設(shè)計(jì)主要針對(duì)資源節(jié)點(diǎn)完成設(shè)計(jì)連接、網(wǎng)絡(luò)鏈路建立以及通信節(jié)點(diǎn)設(shè)置，并對(duì)設(shè)計(jì)指標(biāo)及投資成本進(jìn)行研究及比較。例如建設(shè)架構(gòu)為5×5二維環(huán)面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（圖3），該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有哈密爾頓性及哈密爾頓連通性，實(shí)現(xiàn)嵌入式網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，可進(jìn)一步進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹OC架構(gòu)含有25個(gè)路由節(jié)點(diǎn)及RNI接口，路由器地址自（0,0）過(guò)渡到（4,4），在資源節(jié)點(diǎn)持續(xù)增加的情況下實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓展。其次在路由器設(shè)計(jì)層面，路由器具有數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、報(bào)文交換等功能，其性能決定NOC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)功能，設(shè)置完備的路由器包括輸入緩存及路由選擇等模塊。路由器在接收上節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包后將其緩存，并判斷數(shù)據(jù)地址是否正確，在通道中發(fā)出轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)，使通道處于空閑狀態(tài)，仲裁模塊予以應(yīng)答，開(kāi)放輸出通道中，數(shù)據(jù)包將數(shù)據(jù)承載于輸入通道中。最后在路由仲裁設(shè)計(jì)層面，片上網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)總線網(wǎng)絡(luò)相比具有較大優(yōu)勢(shì)，比如通信帶寬高、數(shù)據(jù)吞吐量大等。片上網(wǎng)絡(luò)在處理數(shù)據(jù)及信號(hào)時(shí)，會(huì)發(fā)生同一路由節(jié)點(diǎn)爭(zhēng)奪信號(hào)的問(wèn)題。這就需要設(shè)計(jì)仲裁模塊解決此問(wèn)題，并分段返回準(zhǔn)許信號(hào)。利用NOC輪循調(diào)度仲裁機(jī)制，在調(diào)度器的循環(huán)作用下實(shí)現(xiàn)服務(wù)，使其具有公平及靈活等特點(diǎn)。路由數(shù)據(jù)傳輸示意見(jiàn)圖4。

4FPGA平臺(tái)下的驗(yàn)證及實(shí)現(xiàn)

4.1驗(yàn)證

仿真與驗(yàn)證功能是檢測(cè)設(shè)計(jì)是否準(zhǔn)確的重要手段，從而對(duì)所設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不斷改進(jìn)及修正[7-10]，對(duì)組件的邏輯功能及通信架構(gòu)的功能進(jìn)行判斷，是NOC通信架構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)完善的驗(yàn)證方式。在驗(yàn)證過(guò)程中，常規(guī)下FPGA設(shè)計(jì)驗(yàn)證流程包括功能驗(yàn)證、時(shí)序驗(yàn)證2個(gè)層面，功能驗(yàn)證為Modelsim、VCS及EDA等軟件模擬電路行為；時(shí)序驗(yàn)證則是在FPGA及CPLD等編程器實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能并搭建系統(tǒng)環(huán)境，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)測(cè)試及向量驗(yàn)證，觀察其是否滿足設(shè)計(jì)要求及使用標(biāo)準(zhǔn)。功能驗(yàn)證是設(shè)計(jì)有效功能的驗(yàn)證方案，建立數(shù)據(jù)吞吐量不同的通信網(wǎng)絡(luò)交換測(cè)試，并保障其功能完整性，實(shí)現(xiàn)無(wú)阻塞點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信驗(yàn)證。驗(yàn)證路由邏輯算法及鏈路連通性等功能，從而判斷NOC通信架構(gòu)的傳輸正確性。在設(shè)計(jì)多節(jié)點(diǎn)并行通信驗(yàn)證中，需觀察驗(yàn)證構(gòu)架讀寫(xiě)時(shí)序及輪循調(diào)度路由仲裁是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。通過(guò)利用FPGA平臺(tái)展開(kāi)時(shí)序驗(yàn)證，與功能驗(yàn)證類(lèi)似時(shí)序驗(yàn)證將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存ROM作為資源IP，并展開(kāi)NOC通信架構(gòu)加載測(cè)試，在原基礎(chǔ)上增加UART傳輸過(guò)程，節(jié)點(diǎn)中的串口數(shù)據(jù)在PC端讀取，并在實(shí)際對(duì)比中輸出結(jié)果，在仿真平臺(tái)下觀察是否滿足預(yù)期結(jié)果，并將此作為判斷時(shí)序的參考依據(jù)。

4.2物理實(shí)現(xiàn)

在FPGA物理實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，利用FPGA平臺(tái)完成電路綜合，該系統(tǒng)物理實(shí)現(xiàn)利用18046組合運(yùn)算器、15134邏輯寄存器以及21650儲(chǔ)存單元，整個(gè)系統(tǒng)占據(jù)FPGA平臺(tái)資源的少部分儲(chǔ)存量，最高時(shí)鐘頻率達(dá)到118.55MHz，滿足預(yù)定的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，在大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)設(shè)計(jì)中還需不斷研究現(xiàn)階段尚未達(dá)到的理想結(jié)果。大數(shù)據(jù)背景下的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)服務(wù)層，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信及數(shù)據(jù)共享功能，此層面實(shí)現(xiàn)各類(lèi)數(shù)據(jù)共享、各類(lèi)數(shù)據(jù)交換，為主系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及數(shù)據(jù)分析等服務(wù)。大數(shù)據(jù)背景下的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)融合層，實(shí)現(xiàn)各類(lèi)數(shù)據(jù)交換，前置交換層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合交換。

5結(jié)語(yǔ)

網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的產(chǎn)生與發(fā)展是基于信息技術(shù)。針對(duì)大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，將大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)構(gòu)建中，對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展將起到積極的推動(dòng)作用。系統(tǒng)架構(gòu)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，利用FPGA平臺(tái)對(duì)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證，明確相關(guān)物理實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)，所設(shè)計(jì)的架構(gòu)滿足標(biāo)準(zhǔn)，具有良好的實(shí)用性。在未來(lái)的研究中仍需不斷深入，比如探討綜合電力通信管理系統(tǒng)技術(shù)更新方法，并強(qiáng)化對(duì)拓?fù)涞姆治?，解決入庫(kù)及操作量問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)電力通信的架構(gòu)統(tǒng)一性、自主可控性，使電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)更加穩(wěn)定及可靠。

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作者：李琦 金翠 單位：內(nèi)蒙古電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院