基于MLVDS和USB3.0的大數(shù)據(jù)高并發(fā)傳輸控制系統(tǒng)設計

王育軍

(西安思源學院，西安 710038)

0 引言

目前大數(shù)據(jù)不斷發(fā)展促使數(shù)據(jù)量急劇增長，導致大數(shù)據(jù)傳輸在高并發(fā)、高效率和高穩(wěn)定性方面存在較大的問題[1]。從技術層面來看，大數(shù)據(jù)技術的應用需借助云計算網(wǎng)絡，因此無法利用單臺計算機對數(shù)據(jù)信息進行處理，所以主機元件對于大數(shù)據(jù)信息的識別通常采用分布式架構。然而，受到網(wǎng)絡信道組織承載能力的影響，大數(shù)據(jù)樣本的單位并發(fā)量水平會低于預設數(shù)值標準，對于網(wǎng)絡主機而言，其傳輸數(shù)據(jù)參量的控制能力無法得到保障[2]。因此，對大數(shù)據(jù)高并發(fā)傳輸控制進行研究具有重要意義。

文獻[3]設計了基于LoRa的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，在星型網(wǎng)絡體系中，借助自定義通信協(xié)議，對Contiki內部進行嵌入處理，再聯(lián)合NB-IoT網(wǎng)關，調度互聯(lián)網(wǎng)端口中的存儲信息。文獻[4]設計了基于海量數(shù)據(jù)的多維度應用系統(tǒng)，聯(lián)合多維度功能模塊，建立微應用架構，再通過交互響應的方式，將大數(shù)據(jù)信息參量由一個端口傳輸至另一個端口。然而上述兩種系統(tǒng)的網(wǎng)絡主機對傳輸數(shù)據(jù)參量的處理能力較弱，不能有效解決大數(shù)據(jù)樣本單位并發(fā)量有限的問題。

MLVDS(multi-point low voltage differential signaling)驅動器是負責處理差分信號的數(shù)控裝置，由于信號傳輸行為具有雙向性，所以驅動元件與MLVDS控制主機之間的連接采用雙絞線。在實際應用過程中，MLVDS驅動器與下級負載裝置之間的最大距離必須大于信號參量的半傳輸間距，所以源信號傳輸速率始終大于半頻負荷信號[5]。為了避免對網(wǎng)絡信號的傳輸實時性造成影響，MLVDS驅動器必須在瞬時接口裝置的作用下，才能接入網(wǎng)絡運行環(huán)境中。USB3.0是一類帶寬水平較高的USB接口，高頻情況下其對于信息參量的傳輸帶寬可以達到5.0 Gbps。相較于其他類型的接口組織，USB3.0的連接能力得到了更多IP端口的認可，能夠在快速傳輸數(shù)據(jù)信息的同時，按照接口協(xié)議的規(guī)定，對執(zhí)行參量進行識別，既保證了網(wǎng)絡體系的完整性，也不會對數(shù)據(jù)樣本的轉發(fā)速率造成影響[6]?；谏鲜龇治觯O計了基于MLVDS和USB3.0的大數(shù)據(jù)高并發(fā)傳輸控制系統(tǒng)。

1 大數(shù)據(jù)高并發(fā)傳輸控制系統(tǒng)的硬件結構設計

大數(shù)據(jù)高并發(fā)傳輸控制系統(tǒng)的硬件應用結構由Web服務器架構、MLVDS驅動器、并行接收器、可移動網(wǎng)關主控模塊四部分組成，本章節(jié)將針對每一模塊的設計方法及其之間的連接關系展開研究。

1.1 Web服務器架構

Web服務器架構通過在Linux OS云主機上部署服務連接的方式，為Tomcat集成結構提供連接端點，從而在滿足大數(shù)據(jù)主機運行需求的同時，使下級機組能夠長時間保持高速率執(zhí)行狀態(tài)。Web服務器機組中包括4類應用模塊，其中MLVDS驅動器負責轉發(fā)并處理大數(shù)據(jù)參量；并行接收器是MLVDS驅動器的下級附屬元件，能夠完整接收Tomcat集成結構輸出的數(shù)據(jù)信息樣本；可移動網(wǎng)關主控模塊協(xié)調與Web服務器機組相關的協(xié)議連接行為，可以調節(jié)大數(shù)據(jù)樣本在Linux OS云環(huán)境中的傳輸速率；并發(fā)處理模塊負責對大數(shù)據(jù)樣本進行集成處理，并可以按照相關模塊組織的實際應用需求，將這些數(shù)據(jù)包傳輸至目標節(jié)點端口。MySQL數(shù)據(jù)庫應用機制負責存儲未被Web服務器架構完全消耗的大數(shù)據(jù)信息參量，能夠根據(jù)高并發(fā)傳輸控制系統(tǒng)的實時運行需求，更改數(shù)據(jù)樣本的單位存儲時長。具體的Web服務器架構布局模式如圖1所示。

圖1 Web服務器架構的布局模式

在Web服務器架構體系中，Linux OS云主機、Tomcat集成結構、大數(shù)據(jù)運行主機等應用元件之間存在信息互傳關系，所以隨著大數(shù)據(jù)樣本輸出量的增大，高并發(fā)傳輸控制系統(tǒng)也不會出現(xiàn)程序指令滯后執(zhí)行的問題。

1.2 MLVDS驅動器

MLVDS驅動器的工作原理就是將電量信號轉換成同頻率的高并發(fā)傳輸驅動信號，從而使得大數(shù)據(jù)參量能夠在互聯(lián)網(wǎng)總線上保持較為穩(wěn)定的傳輸狀態(tài)。一般情況下，驅動器主體部分是一個TTL線型驅動結構和一個循環(huán)回路，能夠根據(jù)大數(shù)據(jù)信息輸出量與并發(fā)傳輸后接收量的差值水平，來分析系統(tǒng)主機對傳輸數(shù)據(jù)參量的控制能力。TTL線型驅動結構由A、C兩個接口和一個Driver同頻應用設備組成。其中，A接口與Web服務器架構相連，是大數(shù)據(jù)信息的輸入接口；C接口與并行接收器元件相連，是大數(shù)據(jù)信息的輸出接口[7]。Driver同頻應用設備具有較強的控制能力，可以聯(lián)合Receive二級元件，協(xié)調大數(shù)據(jù)信息的高并發(fā)傳輸行為，從而使得大數(shù)據(jù)樣本傳輸能夠保持相對穩(wěn)定的行為狀態(tài)。循環(huán)回路由B、D兩個接口組成，前者吸收MLVDS驅動器外部的大數(shù)據(jù)信息參量，后者將處于靜止狀態(tài)的大數(shù)據(jù)信息輸出至高并發(fā)傳輸環(huán)境中[8]。完整的MLVDS驅動器連接結構如圖2所示。

圖2 MLVDS驅動器的結構示意圖

大數(shù)據(jù)高并發(fā)傳輸控制系統(tǒng)的應用，直接消耗USB3.0控制電路輸出的電信號參量，所以MLVDS驅動器連接在+VCC、-VDD端口之間。

1.3 并行接收器

并行接收器是大數(shù)據(jù)高并發(fā)傳輸控制系統(tǒng)的核心應用結構，其作用行為包括兩條完全獨立的流程回路，可以聯(lián)合大數(shù)據(jù)處理器、兼容元件等多個應用設備，實現(xiàn)對信息參量的高并發(fā)傳輸與處理。所謂并型就是指完全并列地連接模型，對于ICMR接收器而言，一條流程回路由Type-1設備指向微信號接收器(第一回路)，另一條流程回路由Type-2設備指向并發(fā)轉存設備(第二回路)。其中，第一回路借助Type-1設備輸出的信息參量，構建與數(shù)據(jù)樣本相關的高并發(fā)傳輸回路，并聯(lián)合大數(shù)據(jù)處理器與兼容元件，對微信號接收器中待輸出的信息參量進行重排處理[9-10]。第二回路中，Type-2設備輸出的信息參量經由大數(shù)據(jù)處理器傳輸至微信號接收器，再通過連續(xù)轉存的方式到達并發(fā)轉存設備，以供可移動網(wǎng)關主控模塊對大數(shù)據(jù)信息參量進行直接調取與利用。具體的并行接收器結構應用如圖3所示。

圖3 并行接收器結構框圖

為避免大數(shù)據(jù)傳輸行為在并行接收器元件內表現(xiàn)出混亂狀態(tài)，Type-1流程回路、Type-2流程回路之間不存在信息互傳關系。

1.4 可移動網(wǎng)關主控模塊

可移動網(wǎng)關主控模塊具有輸出大數(shù)據(jù)參量、協(xié)議作用等多項作用能力，可以在大數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡中借助PWM網(wǎng)關組織對MLVDS驅動裝置、基礎網(wǎng)關協(xié)議進行同步調節(jié)。此外，當大數(shù)據(jù)參量經由信道組織進入STM32F1控制芯片后，主控模塊按照相關連接協(xié)議的作用能力，打開GPIO端口，從而在MLVDS驅動器提供大數(shù)據(jù)信息樣本的同時，避免信息參量在USB3.0端口組織中出現(xiàn)明顯堆積的表現(xiàn)情況[11]?？梢苿泳W(wǎng)關主控模塊定義PWM可移動網(wǎng)關組織對于MLVDS驅動裝置與基礎網(wǎng)關協(xié)議的作用為大數(shù)據(jù)參量輸出，定義STM32F1控制芯片對于GPIO端口的作用為協(xié)議作用，且整個主控單元的組成形式相對簡單，在可移動網(wǎng)關組織的運行過程中，各級設備結構之間的連接關系并不會發(fā)生改變[12]。各級單元結構之間的連接關系如圖4所示。

圖4 可移動網(wǎng)關主控模塊的單元結構

外圍電路同時為PWM可移動網(wǎng)關組織和GPIO端口提供電量信號，通常情況下，隨著大數(shù)據(jù)并發(fā)傳輸量的增大，電信號的輸出總量也會不斷增大，但MLVDS驅動裝置對于數(shù)據(jù)樣本的承載能力始終保持恒定，所以可移動網(wǎng)關主控模塊中可能存在數(shù)據(jù)信息未被完全利用的情況。

2 基于USB3.0的控制電路

控制電路為系統(tǒng)各級硬件結構提供電量傳輸信號，為滿足大數(shù)據(jù)樣本的高并發(fā)傳輸需求，對于控制系統(tǒng)電路體系的開發(fā)還需借助USB3.0端口組織。

2.1 USB3.0控制芯片

USB3.0控制芯片是一個具備全功能、高度集成的超高速控制器元件，該控制器正因為提供了靈活的GPIF 3.0接口與32EPS接口，所以USB INTERFACE主裝置通過這些接口組織與可移動網(wǎng)關主控模塊、并行接收器等多個應用結構連接通信，既能夠維持系統(tǒng)控制電路的運行穩(wěn)定性，也不會對MLVDS驅動器與互聯(lián)網(wǎng)主機元件之間的大數(shù)據(jù)高并發(fā)傳輸關系造成影響[13]。USB3.0控制芯片的具體邏輯如圖5所示。

圖5 USB3.0控制芯片邏輯框圖

UART、SPI、12S設備聯(lián)合形成了獨立的內核處理器單元，且由于該處理器與USB INTERFACE主板同時集成在SS Changer模塊中，所以并行接收器接收到的所有大數(shù)據(jù)信息樣本都能夠經由JTAG端口直接進入模塊組織中，不僅建立了MLVDS驅動器與USB3.0接口之間的數(shù)據(jù)互傳關系網(wǎng)絡，而且也使得傳輸控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫主機能夠對信息參量進行實時存儲[14]。如果互聯(lián)網(wǎng)空間中同時存在大數(shù)據(jù)樣本的正向與反向傳輸行為，那么USB3.0控制芯片在協(xié)調信息參量時，就必須同時打開GPIF 3.0接口與32EPS接口，且二者對于數(shù)據(jù)樣本的傳輸不得存在差異性。此外，對于USB3.0控制芯片而言，只有在12c、12i、12u結構同時閉合的情況下，SS Changer模塊與Application組織之間的數(shù)據(jù)互傳關系才能得到保障。

2.2 接口電路組織

接口電路組織提供了大數(shù)據(jù)高并發(fā)傳輸控制系統(tǒng)所需的電量信號，可以聯(lián)合USB3.0控制芯片對MLVDS驅動器進行同步調節(jié)，從而在保證可移動網(wǎng)關主控模塊運行能力的同時，確保大數(shù)據(jù)信息能夠處于高并發(fā)傳輸狀態(tài)，完整的電路結構如圖6所示。

圖6 接口組織電路圖

接口端復合USB3.0控制芯片輸入的電量信號，經由反相器裝置的聚合處理后，這些信號參量在AIO裝置中大量累積，當AIN1、AIN2、AIN3設備完全接入時，已存儲電量信號快速分散至VRout設備與Vref設備中[15-16]。VRout設備、Vref設備串聯(lián)在同一接口回路中，在外界輸入電量水平遠高于內部循環(huán)電量水平的情況下，兩個設備元件同時呈現(xiàn)閉合狀態(tài)，此時TDFN設備兩端的負載電壓數(shù)值持續(xù)增大，直至其數(shù)值水平能夠與大數(shù)據(jù)高并發(fā)傳輸行為所需電量需求相匹配時，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫主機開始對大數(shù)據(jù)信息參量進行存儲。在大數(shù)據(jù)樣本輸入量相對較多的情況下，控制開關L有可能無法保持連續(xù)閉合狀態(tài)，此時接口電路組織的實時運行能力會受到影響，信息參量的高并發(fā)傳輸速率也會適當下降。

3 傳輸控制行為分析

傳輸控制行為分析就是按照系統(tǒng)運行流程，制定與系統(tǒng)主機相關的控制執(zhí)行指令，本章節(jié)以MySQL數(shù)據(jù)庫作為切入點，聯(lián)合TCP/IP 協(xié)議文本，展開對INF傳輸控制指令的研究。

3.1 MySQL數(shù)據(jù)庫

MySQL數(shù)據(jù)庫對于信息參量的讀寫速度影響了控制系統(tǒng)的運行效率，因此對數(shù)據(jù)庫讀寫速度進行優(yōu)化是搭建控制系統(tǒng)的關鍵設計內容。MySQL機制經過不斷地演化與更新，可以對大數(shù)據(jù)樣本進行多種方式的存儲，且編寫信息參量存儲指令的過程中，大數(shù)據(jù)樣本高并發(fā)傳輸?shù)哪康牡夭粫l(fā)生變化，這就意味著控制指令的執(zhí)行只影響信息參量的存儲形式，不會對MLVDS驅動器、USB3.0接口中數(shù)據(jù)樣本的傳輸行為造成影響[17-18]。此外，在系統(tǒng)運行過程中，MySQL數(shù)據(jù)庫還具有兼容性調節(jié)的能力，對于MLVDS驅動器與USB3.0接口組織而言，兼容性調節(jié)的數(shù)據(jù)庫組織既能按需接收處于高并發(fā)傳輸狀態(tài)的大數(shù)據(jù)樣本，也可以調節(jié)實時存儲信息參量的排列形式。從宏觀性角度來看，只有MySQL數(shù)據(jù)庫能夠同時滿足MLVDS驅動器、USB3.0接口組織與大數(shù)據(jù)高并發(fā)傳輸控制系統(tǒng)的實際運行需求。

3.2 TCP/IP 協(xié)議

TCP/IP 協(xié)議對于大數(shù)據(jù)高并發(fā)傳輸行為的作用表現(xiàn)在源碼、編碼原則及譯碼3個方面。

TCP/IP 協(xié)議對于大數(shù)據(jù)信息源碼的定義滿足式(1)：

(1)

TCP/IP 協(xié)議對于大數(shù)據(jù)信息編碼原則的定義滿足如下表達式：

(2)

式中，ΔQ為大數(shù)據(jù)樣本的單位累積量，ΔR為MLVDS驅動器對于大數(shù)據(jù)樣本的聚合處理總量。

TCP/IP 協(xié)議對于大數(shù)據(jù)信息譯碼的定義滿足如下表達式：

(3)

式中，y′為USB3.0接口組織中大數(shù)據(jù)樣本的高并發(fā)處理動量，Wmax為大數(shù)據(jù)樣本在USB3.0接口組織中的最大輸出量。

聯(lián)立式(1)～(3)，可將TCP/IP 協(xié)議作用表達式定義為：

(4)

其中：ΔT為大數(shù)據(jù)樣本的單位傳輸時長，δ為控制系統(tǒng)中大數(shù)據(jù)信息的高并發(fā)傳輸系數(shù)[19-20]。MLVDS驅動器、USB3.0接口組織對于大數(shù)據(jù)樣本的承載能力有限，所以在控制信息參量的高并發(fā)傳輸行為時，必須在MySQL數(shù)據(jù)庫中，對大數(shù)據(jù)樣本特征進行統(tǒng)一取值。

3.3 大數(shù)據(jù)并發(fā)文本

(5)

由于MySQL數(shù)據(jù)庫是一種兼容型的數(shù)據(jù)樣本存儲機制，所以即便是MLVDS驅動器、USB3.0接口組織暫時關閉的情況下，控制系統(tǒng)中的大數(shù)據(jù)并發(fā)處理行為也并不會停止執(zhí)行[22]。

3.4 INF傳輸控制指令

INF傳輸控制指令是用來引導大數(shù)據(jù)高并發(fā)傳輸行為的，為避免數(shù)據(jù)樣本出現(xiàn)漏傳、錯傳的情況，每一個并發(fā)文本只能對應一個INF指令程序，且隨著控制系統(tǒng)運行時間的延長，這種對應關系也不能發(fā)生改變。如果MySQL數(shù)據(jù)庫是大數(shù)據(jù)并發(fā)文本的唯一存儲空間，那么INF傳輸控制指令就是確?？刂瞥绦蝽樌麍?zhí)行的前提[23-24]。對于INF傳輸控制指令定義條件的求解滿足下式：

(6)

式中，p1、p2為兩個隨機選取的大數(shù)據(jù)樣本參量取值結果，且p1≠p2的取值條件恒成立，i1表示與p1參量匹配的INF傳輸參數(shù)，i2表示與p2參量匹配的INF傳輸參數(shù)，φ表示大數(shù)據(jù)并發(fā)文本與INF指令程序之間的對應系數(shù)。如果大數(shù)據(jù)并發(fā)文本與INF指令程序之間的對應關系不滿足MLVDS驅動器與USB3.0接口組織中信息參量的實時輸出需求，式(6)的求解結果就會出現(xiàn)偏小的情況。

4 實驗分析

4.1 實驗原理

為驗證設計的基于MLVDS和USB3.0的大數(shù)據(jù)高并發(fā)傳輸控制系統(tǒng)的有效性，本次實驗選擇設備元件搭建實驗環(huán)境。實驗設備如表1所示。

表1 實驗設備

為避免信息波動對大數(shù)據(jù)傳輸行為造成影響，要求信息參量的輸出必須保持穩(wěn)定狀態(tài)。

在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中，大數(shù)據(jù)樣本單位并發(fā)量決定了網(wǎng)絡主機對傳輸數(shù)據(jù)參量的實時控制能力。由于互聯(lián)網(wǎng)是開放性空間環(huán)境，所以大數(shù)據(jù)樣本的單位并發(fā)量越大，表明網(wǎng)絡主機對傳輸數(shù)據(jù)參量的控制能力越強。

4.2 實驗流程

本次實驗的具體執(zhí)行流程如下：

1)以MySQL數(shù)據(jù)庫為切入點，基于源碼E1、編碼原則E2、譯碼E3獲取TCP/IP 協(xié)議表達式E，統(tǒng)一提取大數(shù)據(jù)樣本特征；

2)通過大數(shù)據(jù)并發(fā)文本表達式Y對文本數(shù)據(jù)進行并發(fā)處理；

3)制定INF傳輸控制指令A控制傳輸參數(shù)，提高數(shù)據(jù)的傳輸效率；

4)結合表1中的設備元件搭建實驗環(huán)境；

5)在KG316T計算機中輸入本文設計的基于MLVDS和USB3.0的大數(shù)據(jù)高并發(fā)傳輸控制系統(tǒng)的運行程序，記錄該系統(tǒng)作用下，大數(shù)據(jù)樣本單位并發(fā)量的數(shù)值變化情況，所得結果為實驗組變量；

6)在KG316T計算機中輸入文獻[3]基于LoRa的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)在星型網(wǎng)絡體系的運行程序，記錄該系統(tǒng)作用下，大數(shù)據(jù)樣本單位并發(fā)量的數(shù)值變化情況，所得結果為對照(A)組變量；

7)在KG316T計算機中輸入文獻[4]基于海量數(shù)據(jù)的多維度應用系統(tǒng)的運行程序，記錄該系統(tǒng)作用下，大數(shù)據(jù)樣本單位并發(fā)量的數(shù)值變化情況，所得結果為對照(B)組變量；

8)統(tǒng)計所得變量數(shù)據(jù)，總結實驗規(guī)律。

4.3 結果與討論

針對大數(shù)據(jù)樣本單位并發(fā)量數(shù)值的實驗，由順序傳輸、逆序傳輸兩部分組成，而本次實驗所需的數(shù)值結果，就是上述兩個實驗指標的均值。

大數(shù)據(jù)樣本順序單位并發(fā)量的實驗數(shù)值如圖7所示。

圖7 順序單位并發(fā)量

大數(shù)據(jù)樣本逆序單位并發(fā)量的實驗數(shù)值如圖8所示。

圖8 逆序單位并發(fā)量

聯(lián)合圖7、圖8中實驗結果，對大數(shù)據(jù)樣本單位并發(fā)量均值進行求解，如表2所示。

表2 大數(shù)據(jù)樣本單位并發(fā)量均值

分析表2可知，實驗組大數(shù)據(jù)并發(fā)量順序均值的數(shù)值水平最高，與對照(A)組和對照(B)組大數(shù)據(jù)并發(fā)量順序均值相比，分別增大了2.1 MB/ms、3.4 MB/ms；實驗組大數(shù)據(jù)并發(fā)量逆序均值的數(shù)值水平雖然相對較低，但與對照(A)組和對照(B)組大數(shù)據(jù)并發(fā)量均值相比，均增大了1.3 MB/ms。由此可知，本文設計的基于MLVDS和USB3.0的大數(shù)據(jù)高并發(fā)傳輸控制系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)樣本單位并發(fā)量的均值水平較高。

4.4 結論

本次實驗結論為：

1)基于LoRa的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、基于海量數(shù)據(jù)的多維度系統(tǒng)的應用，在提升大數(shù)據(jù)并發(fā)量均值方面的能力相對較弱，不能有效解決大數(shù)據(jù)樣本單位并發(fā)量有限的問題，并控制大數(shù)據(jù)高并發(fā)傳輸數(shù)據(jù)參量。

2)基于MLVDS和USB3.0的大數(shù)據(jù)高并發(fā)傳輸控制系統(tǒng)的應用，可以大幅提升大數(shù)據(jù)樣本順序、逆序并發(fā)量的均值，能夠解決大數(shù)據(jù)樣本單位并發(fā)量有限的問題，并且可以有效控制大數(shù)據(jù)高并發(fā)傳輸數(shù)據(jù)參量。

5 結束語

本文設計的大數(shù)據(jù)高并發(fā)傳輸控制系統(tǒng)，以MLVDS驅動器、USB3.0接口組織為基礎，在Web服務器架構體系上，規(guī)劃并行接收器、可移動網(wǎng)關主控模塊之間的實時連接關系，再聯(lián)合接口電路組織，定義大數(shù)據(jù)并發(fā)文本，從而實現(xiàn)對INF傳輸控制指令的規(guī)范處理。通過實驗驗證了設計系統(tǒng)能夠提升大數(shù)據(jù)樣本順序和逆序并發(fā)量的均值水平，有效解決了大數(shù)據(jù)樣本單位并發(fā)量有限的問題，并且可以有效控制大數(shù)據(jù)高并發(fā)傳輸數(shù)據(jù)參量。