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

蔡本心

摘要：文章主要以當(dāng)前先進(jìn)的大數(shù)據(jù)技術(shù)作為依托，對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行分析。包括大數(shù)據(jù)技術(shù)的基本概述，網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)及其在當(dāng)今時(shí)代中的發(fā)展，以及大數(shù)據(jù)技術(shù)支持下的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)分析。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)代大數(shù)據(jù)環(huán)境條件下，要想充分發(fā)揮出網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，研究者與技術(shù)人員就需要結(jié)合實(shí)際需求，對(duì)該系統(tǒng)架構(gòu)加以合理設(shè)計(jì)，并采取合理的措施來進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)證，以此來確保其應(yīng)用效果。希望可以為網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)中的大數(shù)據(jù)應(yīng)用及其整體通信系統(tǒng)架構(gòu)的合理設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù)技術(shù)；網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)；系統(tǒng)架構(gòu)；設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.04.017

中圖分類號(hào)：G 230.7，TP 3? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ? 文章編碼：1672-7274（2024）04-00-03

Design of Network Communication System Architecture Based on Big Data

CAI Benxin

（Beijing Lianhai Information System Co.， Ltd.， Beijing 100041， China）

Abstract： The article mainly analyzes the design and implementation of network communication systems based on current advanced big data technology. This includes a basic overview of big data technology， network communication systems and their development in today's era， as well as the overall architecture design and implementation analysis of network communication systems supported by big data technology. After analysis， it was found that in the modern big data environment， in order to fully leverage the application advantages of network communication systems， researchers and technicians need to combine practical needs， design the system architecture reasonably， and take reasonable measures to verify the system， in order to ensure its application effectiveness. I hope that this analysis can provide scientific references for the rational design of big data applications and their overall communication system architecture in communication systems.

Keywords： big data technology; network communication system; system architecture; design and implementation

1? ?大數(shù)據(jù)技術(shù)概述

大數(shù)據(jù)技術(shù)是目前的一種新興網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過此項(xiàng)技術(shù)的合理應(yīng)用，可對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行快速、準(zhǔn)確、有效的處理，使傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理技術(shù)存在的不足得以有效彌補(bǔ)，充分滿足當(dāng)今海量信息數(shù)據(jù)的實(shí)際處理需求。具體應(yīng)用中，大數(shù)據(jù)技術(shù)主要將現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)作為基礎(chǔ)，對(duì)傳統(tǒng)行業(yè)和數(shù)據(jù)信息進(jìn)行深度整合，以此來實(shí)現(xiàn)當(dāng)今社會(huì)各個(gè)行業(yè)海量信息數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)提取、分析和處理等目標(biāo)。就目前的計(jì)算機(jī)信息領(lǐng)域而言，應(yīng)用在其中的大數(shù)據(jù)技術(shù)主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、數(shù)據(jù)挖掘、基礎(chǔ)架構(gòu)、統(tǒng)計(jì)分析、模型預(yù)測(cè)以及結(jié)果呈現(xiàn)等[1]。憑借著數(shù)據(jù)處理量大、處理效率高、智能化等的諸多優(yōu)勢(shì)，大數(shù)據(jù)技術(shù)已經(jīng)在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，且應(yīng)用效果十分突出。

2? ?網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)及其發(fā)展

在研究現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)者首先需要明確傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)中存在的問題，再以此為依據(jù)，對(duì)現(xiàn)代智能化通信系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)及其發(fā)展進(jìn)行分析，最終通過合理的技術(shù)措施來提升其網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)質(zhì)量，滿足現(xiàn)代社會(huì)實(shí)際應(yīng)用需求。

2.1 傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)架構(gòu)通常設(shè)計(jì)為分布式架構(gòu)，其主要原理是將一個(gè)大型的系統(tǒng)分解成若干個(gè)小的子系統(tǒng)，其中的每一個(gè)子系統(tǒng)都能夠在不同計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)上獨(dú)立運(yùn)行，從而使網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)具備高性能、高可用性以及彈性收縮等特點(diǎn)。但是在此類系統(tǒng)架構(gòu)實(shí)際的設(shè)計(jì)與開發(fā)中，數(shù)據(jù)一致性、容災(zāi)、容錯(cuò)、調(diào)度以及通信性能不佳等問題都比較常見[2]。在這樣的情況下，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其應(yīng)用都存在較大的局限性，無法滿足現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通信方面的實(shí)際需求。圖1為傳統(tǒng)分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖。

2.2? 現(xiàn)代智能網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)

為有效解決傳統(tǒng)分布式網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)應(yīng)用中面臨的諸多問題，研究者與技術(shù)人員對(duì)現(xiàn)代智能化網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)進(jìn)行了合理設(shè)計(jì)與開發(fā)，并逐漸將其投入實(shí)踐應(yīng)用?，F(xiàn)代智能網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)是在大數(shù)據(jù)技術(shù)條件下發(fā)展而來的一種新型高科技網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，通信、數(shù)據(jù)庫、計(jì)算機(jī)以及網(wǎng)絡(luò)等多項(xiàng)現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)都實(shí)現(xiàn)了有機(jī)融合，這也使整體系統(tǒng)得到了自動(dòng)化與智能化的管理。尤其是自大數(shù)據(jù)技術(shù)在其中的融合與應(yīng)用以來，智能網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)更是得到了進(jìn)一步的更新，并在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮出了顯著的數(shù)據(jù)化與智能化優(yōu)勢(shì)。

2.3 網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

隨著現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)與科學(xué)技術(shù)的協(xié)同發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)中的技術(shù)和服務(wù)也得到了不斷優(yōu)化。由于網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)所面臨的服務(wù)需求較高，整體服務(wù)環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，因此其網(wǎng)絡(luò)服務(wù)與資源參數(shù)設(shè)置等都可能面臨很多風(fēng)險(xiǎn)。在這樣的情況下，如果智能網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)得不到合理的開發(fā)與設(shè)計(jì)，便很容易在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)通信線路堵塞、信息資源丟失等的諸多問題，或?qū)⒚媾R著較大的安全隱患。此類情況若得不到有效應(yīng)對(duì)，不僅會(huì)對(duì)智能網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的通信服務(wù)質(zhì)量造成影響，使其無法充分滿足現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)用戶的實(shí)際應(yīng)用需求；同時(shí)也會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性及其安全性造成比較嚴(yán)重的威脅[3]。

3? ?大數(shù)據(jù)技術(shù)支持下的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)分析

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)分析

在當(dāng)今的大數(shù)據(jù)技術(shù)條件下，智能化網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)架構(gòu)主要建立在多核形式的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)上，通過路由和報(bào)文的形式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)信息數(shù)據(jù)的交換。在基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)架構(gòu)中，資源節(jié)點(diǎn)有很多個(gè)，這些資源節(jié)點(diǎn)主要借助于網(wǎng)絡(luò)的形式進(jìn)行連接。具體應(yīng)用時(shí)，對(duì)于該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上不同的資源節(jié)點(diǎn)，設(shè)計(jì)者需要通過互聯(lián)網(wǎng)的形式來為其搭建通信通道，使各類資源數(shù)據(jù)都能夠在各個(gè)資源節(jié)點(diǎn)之間有效傳輸，最終將資源數(shù)據(jù)及時(shí)、安全、可靠地傳遞到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。

為達(dá)到這一目標(biāo)，在此類系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)者需要將局域網(wǎng)作為基礎(chǔ)，采取合理的技術(shù)措施來優(yōu)化其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及通信協(xié)議等。經(jīng)實(shí)踐應(yīng)用和研究發(fā)現(xiàn)，在該系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行中，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以為其中的每一個(gè)通信節(jié)點(diǎn)提供靜態(tài)連接，以此來滿足其資源供應(yīng)需求，因此其對(duì)于網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的運(yùn)行功耗、吞吐率以及網(wǎng)絡(luò)延時(shí)等都會(huì)產(chǎn)生一定程度的影響。通常情況下，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要按網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、環(huán)面結(jié)構(gòu)等進(jìn)行劃分[4]。在該網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，二維環(huán)面結(jié)構(gòu)為對(duì)稱性結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有良好的拓展性，可以為整體架構(gòu)的設(shè)計(jì)提供足夠支持，并使其開發(fā)設(shè)計(jì)更加便利。而在二維環(huán)面結(jié)構(gòu)內(nèi)，通信協(xié)議主要應(yīng)通過通信雙方一起做出約定，其中的技術(shù)環(huán)節(jié)有很多個(gè)，比如數(shù)據(jù)交換、通信時(shí)序等。具體設(shè)計(jì)時(shí)，為使其整體結(jié)構(gòu)足夠科學(xué)合理，設(shè)計(jì)者應(yīng)基于OSI協(xié)議對(duì)全局時(shí)鐘模式下的數(shù)據(jù)分包和同步握手等各項(xiàng)協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì)，以此來實(shí)現(xiàn)NOC（網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中心）協(xié)議的合理搭建。

3.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)策略

3.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通常情況下，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中心通信系統(tǒng)的整體架構(gòu)中會(huì)含有眾多通信節(jié)點(diǎn)、資源節(jié)點(diǎn)以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等，這里的通信節(jié)點(diǎn)通常是預(yù)先設(shè)置好的IP地址。具體設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)者應(yīng)按實(shí)際的資源節(jié)點(diǎn)情況來合理建立網(wǎng)絡(luò)通信鏈路和連接，再做好通信節(jié)點(diǎn)設(shè)置，并通過設(shè)計(jì)指標(biāo)和投資成本等的綜合比較來確定出最佳的設(shè)計(jì)方案。

比如，對(duì)于一個(gè)5×5形式的二維環(huán)面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由于該結(jié)構(gòu)具備哈密爾頓連通性以及哈密爾頓性特征，所以在架構(gòu)搭建時(shí)，設(shè)計(jì)者可將該網(wǎng)絡(luò)建設(shè)為嵌入式結(jié)構(gòu)，并以此為依據(jù)，進(jìn)一步實(shí)施網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)。通常情況下，NOC架構(gòu)里的路由節(jié)點(diǎn)數(shù)量有25個(gè)，RNI接口數(shù)量有25個(gè)，路由器地址過渡是從（0，0）到（4，4）。在開發(fā)升級(jí)設(shè)計(jì)時(shí)，如果因用戶應(yīng)用需求增加而加設(shè)了資源節(jié)點(diǎn)，設(shè)計(jì)者就需要根據(jù)資源節(jié)點(diǎn)的實(shí)際增加情況及其具體應(yīng)用需求來合理拓展其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

3.2.2 路由器設(shè)計(jì)

在基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)架構(gòu)中，路由器的主要功能是數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和報(bào)文交換等。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，路由器自身的性能將會(huì)對(duì)整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的功能產(chǎn)生直接影響。因此，在通過大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)現(xiàn)代智能化網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)者需要對(duì)路由器中的所有模塊進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，使其足夠完備，包括路由選擇模塊以及輸入緩存模塊等，從而使其具備以下功能：在接收到來自于上一個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包之后，路由器會(huì)對(duì)其數(shù)據(jù)地址的正確性進(jìn)行判斷，在確定其數(shù)據(jù)地址正確之后，才可以將需要轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)信號(hào)從通道里發(fā)出；對(duì)于數(shù)據(jù)地址錯(cuò)誤或無法判斷地址正確性的數(shù)據(jù)信號(hào)，路由器會(huì)阻止其進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，并將“數(shù)據(jù)來源不安全”提示及時(shí)發(fā)送給用戶。

3.2.3 路由仲裁設(shè)計(jì)

在對(duì)該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)中的路由器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，片上網(wǎng)絡(luò)的合理應(yīng)用是一項(xiàng)有待重點(diǎn)解決的問題。相比較傳統(tǒng)的總線網(wǎng)絡(luò)而言，片上網(wǎng)絡(luò)具有更大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，其通信帶寬更寬，數(shù)據(jù)吞吐量更大。但是在片上網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用中，無論是信號(hào)處理還是數(shù)據(jù)處理，都很容易出現(xiàn)同一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)爭(zhēng)奪信號(hào)的情況。為有效避免此類情況的發(fā)生，確保網(wǎng)絡(luò)信號(hào)和數(shù)據(jù)的處理質(zhì)量，設(shè)計(jì)者需要將仲裁模塊合理應(yīng)用于其中，并將準(zhǔn)許信號(hào)設(shè)置為分段返回模式。同時(shí)也可以將NOC輪循調(diào)度仲裁機(jī)制合理引入其中，借助于其調(diào)度器自身所特有的循環(huán)作用，充分滿足路由器實(shí)際的仲裁服務(wù)需求，使其更具公平性和靈活性。

3.3 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)檢測(cè)

在對(duì)該系統(tǒng)架構(gòu)的功能設(shè)計(jì)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，最為重要的一種手段就是仿真和驗(yàn)證，該方法可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)其中存在的不足，并使其得到不斷的修正與改進(jìn)。檢測(cè)過程中，設(shè)計(jì)者首先需要判斷其系統(tǒng)架構(gòu)的整體功能及其各個(gè)組件的邏輯功能，以此來驗(yàn)證NOC架構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。具體檢測(cè)時(shí)，通常需要采用EDA、VCS以及Modelisim等軟件對(duì)其電路行為進(jìn)行模擬，以此來驗(yàn)證其功能設(shè)計(jì)的合理性；采用CPLD以及FPGA等編程器來搭建供其設(shè)計(jì)的系統(tǒng)環(huán)境，以此來為整體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其驗(yàn)證操作提供支持。對(duì)于NOC架構(gòu)數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，設(shè)計(jì)者可對(duì)其鏈路連通效果以及邏輯算法進(jìn)行驗(yàn)證，以此來保障其正確性。對(duì)于多節(jié)點(diǎn)并行形式的通信系統(tǒng)架構(gòu)，驗(yàn)證時(shí)，則需要觀察并驗(yàn)證其輪詢調(diào)度路由器仲裁和架構(gòu)讀寫時(shí)序是否與標(biāo)準(zhǔn)要求相符。在此過程中，設(shè)計(jì)者需借助于FPGA平臺(tái)進(jìn)行時(shí)序驗(yàn)證，并對(duì)NOC通信框架展開加載測(cè)試，將UART傳輸過程加設(shè)到原來的架構(gòu)基礎(chǔ)上，通過PC端來讀取其節(jié)點(diǎn)里的串口數(shù)據(jù)。這樣便可在仿真平臺(tái)上對(duì)具體的仿真驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行檢測(cè)，并通過仿真模擬的方式來進(jìn)行優(yōu)化，以此來滿足其實(shí)際的功能及其應(yīng)用需求。

3.4 系統(tǒng)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)

在該系統(tǒng)架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)過程中，用戶首先需要通過FPGA平臺(tái)來進(jìn)行電路綜合處理，采用18046型組合運(yùn)算器、15134型邏輯寄存器和21650型組合運(yùn)算系統(tǒng)來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。經(jīng)實(shí)踐應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，這些模塊在FPGA平臺(tái)資源存儲(chǔ)量中的占比非常少，其時(shí)鐘頻率最高可以達(dá)到118.55 MHz，可充分滿足該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。同時(shí)，通過大數(shù)據(jù)技術(shù)的合理應(yīng)用，也使得該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)具備了更好的數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)共享等服務(wù)功能，可為整體系統(tǒng)提供更加優(yōu)越的數(shù)據(jù)分析、處理與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等服務(wù)。由此可見，在大數(shù)據(jù)技術(shù)的支持作用下，現(xiàn)代智能化網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)架構(gòu)的整體設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)都更加符合實(shí)際應(yīng)用需求，可進(jìn)一步提升現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)質(zhì)量。

4? ?結(jié)束語

綜上所述，隨著現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的先進(jìn)技術(shù)都已經(jīng)在網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。其中，大數(shù)據(jù)技術(shù)便是一種先進(jìn)且典型的技術(shù)形式。將大數(shù)據(jù)技術(shù)作為基礎(chǔ)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，可有效解決傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)架構(gòu)中存在的問題和弊端，提升其數(shù)據(jù)處理效果與通信服務(wù)質(zhì)量。因此，在對(duì)智能化網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)者一定要結(jié)合系統(tǒng)實(shí)際的應(yīng)用現(xiàn)狀與應(yīng)用需求，對(duì)其整體架構(gòu)以及路由器等進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。完成設(shè)計(jì)后，設(shè)計(jì)者還需要應(yīng)用一些先進(jìn)的仿真試驗(yàn)軟件來進(jìn)行功能驗(yàn)證，在確定所有功能均符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)之后，才可以將該系統(tǒng)架構(gòu)正式投入使用。通過這樣的方式，不僅可有效提升整體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)質(zhì)量，確保其信息傳輸?shù)陌踩院涂煽啃裕瑫r(shí)也可以進(jìn)一步提升該系統(tǒng)的通信服務(wù)質(zhì)量，促進(jìn)整體系統(tǒng)的智能化發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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