随着大量面向内容应用的出现及发展,互联网功能主要是实现大规模、高效的数据分发,但现有互联网端到端的通信模式限制了网络分发数据的效率。因此,未来网络研究领域的一些研究者提出了一种全新的、革命性的信息中心网络架构,其中代表性的研究是命名数据网络(NDN,Named Data Networking)。NDN采用接收端(请求方)驱动的端到网络的通信模式实现基于Pull的包粒度数据分发。对于实时视频、网络直播等发送方驱动的实时流数据分发应用,这种数据获取方式要求用户必须持续发送兴趣包才能连续获得数据,同时用户必须提前发送兴趣包以保证数据分发实时性。但是,随着数据源数据包产生速率增大,这种数据获取方式导致用户端操作越来越复杂、难以控制,并给网络路由节点带来巨大的操作开销和资源浪费。针对上述问题,本文引入Push思想,提出了基于订阅的实时流数据分发机制。在该机制中,用户通过发送简单的订阅信息在用户与数据源之间建立稳定的数据分发链路,数据源可以沿该链路直接向用户推送数据。为保证丢包处理过程的有效性,本文给路由节点引入丢包检测功能实现对丢失数据包的预存取操作以提高丢包处理速度。同时,从缓存放置角度出发,提出基于订阅接口数目的缓存放置策略实现缓存冗余度与丢包处理时延的均衡。仿真结果表明,基于订阅的实时流数据分发机制能够简化用户操作,并降低用户丢包处理时延。另一方面,本文在基于订阅的实时流数据分发机制基础上引入内容分层的思想,进一步提出了基于分层订阅的实时流数据分发机制。在该机制中,用户通过对每层数据单独发送订阅信息在用户与数据源之间建立多条稳定的数据分发链路,数据源能够实现多个层次上的数据并发推送。仿真结果表明,在多径条件下,基于分层订阅的实时流数据分发机制能够利用NDN架构多径转发特性最大化用户吞吐量并降低网络数据丢包率。
随着信息技术的飞速发展,嵌入式系统中数据量不断增长,而数据是信息时代的重要资源,如何快速存储并传输流数据是嵌入式系统中亟待解决的问题。由于存在多级内存拷贝且嵌入式处理器性能有限,传统存储模式无法满足存储数据速率不断提升带来的更高存储要求。针对该问题,本文基于ARM+FPGA异构嵌入式平台,提出一种“一级地址映射+两级地址替换”优化方式,实现基于标准文件系统管理的端到端实时流数据存储功能。实时流数据通过FPGA直接存储到SSD(Solid State Disk:固态硬盘),期间不再需要ARM进行多级内存拷贝,大幅减少处理器资源占用,以此提高存储效率。同时为避免SSD存储速率波动导致实时流数据丢数,本文在FPGA侧开辟DDR(Double Data Rate:双倍速率同步动态随机存储器)作为流数据缓存区,并由ARM进行管理。针对嵌入式系统实时流数据传输应用,本文借鉴NVMe(Non-Volatile Memory Express:非易失性内存主机控制器接口规范)协议交互思想,提出一种资源池缓存区管理方式,实现高性能软硬件数据交互功能,提升嵌入式系统实时流数据传输能力。此外,本文基于C/S(Client/Server:客户端/服务端)网络模型,开发可视化应用程序,实现对嵌入式系统的远端管理以及实时流数据网络传输功能。最后,本文搭建实验平台对上述技术方法进行验证。经测试,在Ext4(Fourth extended filesystem:第四代扩展文件系统)标准文件系统管理下,端到端存储优化方案文件写速率为2.6GB/s(CPU占用率49%),读速率为2.4GB/s(CPU占用率67%)。相较于传统存储方案写速率为521MB/s(CPU占用率98%),读速率为689MB/s(CPU占用率99%),本文端到端存储优化方案可有效提高文件读写性能,同时减少资源开销。针对实时流数据传输过程,本文软硬件实时流数据传输速率在数据包尺寸为128k B时的不丢包速率可达1740MB/s,远端数据传输速率在千兆以太网络下达到113MB/s。
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