Stak - straumborð er bjartsýni gagnagerð sem mikið er notuð í tölvuarkitektúr, netsamskiptum og gagnavinnslu. Kjarna markmið þess er að bæta skilvirka vinnslu getu kerfisins fyrir eina gagnaröð með því að einfalda rökfræði gagnaflæðis. Í samanburði við flókna tímasetningarleiðir multi - streymistöflanna (sem styðja samsíða eða multi - útibústreymi), draga stakar - streymi töflur verulega úr neyslu vélbúnaðar og útfærslu hugbúnaðar í sérstökum atburðarásum í gegnum miðlæga stjórnun og línulegt vinnslu rökfræði. Þessi grein mun byrja á grunnhugtökum og skýra smám saman hönnunarreglurnar, lykilútfærslutækni og dæmigerðar umsóknar atburðarásir af stakum - straumborðum.
I. Skilgreining og kjarnaeiginleikar stakra - straumborðs
Stakt - straumborð er í meginatriðum geymslu- og vinnslueining fyrir einn, samfellda gagnastraum. Eiginleikinn „stakur - streymi“ endurspeglast í tveimur þáttum: Í fyrsta lagi fylgja inntaksgögnum stranglega tímabundinni röð (svo sem stígandi tímamörkum eða atburði sem kveikir í röð), án þess að grenja eða samsíða inntakstíga; Í öðru lagi heldur framleiðslan strangt kortlagningarsamband við inntaksgögnin, án kross - streymis samspil gagna eða sameiningaraðgerðir.
Hægt er að draga saman megineiginleika þess í þrjú stig:
1. Línuleg vinnslu rökfræði: Gögn eru unnin eitt af öðru í fastri röð. Vinnsluárangur hverrar færslu fer aðeins eftir núverandi ástandi og fyrri skrá (ef einhver fylgni ríkisins er til), og útrýmir nauðsyn þess að huga að fjölmörgum- samstillingarvandamálum.
2. Miðlæga stjórnunarstjórnun: Allt millistig sem tengist gagnaflæðinu (svo sem teljara, skyndiminni og samhengisupplýsingum) er geymt í sameinuðu geymsluplássi og fljótt aðgangur að einni vísitölu (svo sem heimilisfang bendils eða lykilgildis).
3.Low - flækjustýringarplan: Vegna þess að það er engin þörf á að takast á við Multi - flæði forgangs gerðardóms gerðardóms og greiningar á átökum er hönnun stjórnunareiningarinnar mjög einfaldað og auðlindanotkun (svo sem skrár og klukkuferli) er verulega minnkuð.
II. Grunnþættir hönnunarreglunnar
(I) Gagnaflæðislíkan: Abstrakt framsetning á einni röð
Hönnun eins - rennslisborðs byrjar með nákvæmu líkani af markgagnaflæðinu. Skilgreina þarf þrjár lykilbreytur:
• Snið gagnaeininga: Skilgreinir uppbyggingu hverrar innsláttar/úttaksskrár (td reittegund og lengd), svo sem uppsprettu IP -tölu og áfangastaðsgáttarnúmer í netpakka, eða hitastigið - tímapar sem safnað er af skynjara;
• Tímasetningarþvingun: Tilgreindu tímabili kröfur um komu gagna (td smásöguþol í harða raunverulegu - tímakerfum), eða rökréttar pöntunarreglur (td fyrirskipun gagnagrunnsviðskipta);
• Ríkisfíkn: Greinir hvort núverandi skráningarvinnsla krefst tilvísunar í stöðu fyrri gagna (td uppsöfnun verður að halda sögulegum fjárhæðum) til að ákvarða stefnu um úthlutun geymslupláss.
Með ofangreindum líkanagerð er hægt að þýða raunverulegar viðskiptakröfur yfir í inntak forskriftir (td „fá 1.000 tímamerktar logs á sekúndu“) og framleiðsla væntingar (td, „framleiða topp 100 óeðlilegar skrár í öfugri tímaröð“) fyrir stakan - flæðitöflu.
(Ii) Geymsluuppbygging: Skilvirkan aðgangs- og uppfærslukerfi
Geymslu undirkerfisins er kjarnaþáttur í einum - rennslutöflu. Hönnun þess verður að halda jafnvægi á getu, hraða og sveigjanleika. Algengar lausnir fela í sér:
• Sequential Storage (fylking/tengdur listi): Hentar fyrir atburðarás með fastu magni af gögnum og „fyrst - í - fyrst - út" (FIFO) aðgangsstilling (svo sem skilaboðakaðir), hámarks skyndiminni högghlutfall í gegnum líkamlega stöðugt minnisrými;
• kjötkássa vísitalan: Þegar nauðsynlegt er að finna fljótt sérstakt lykilgildi (svo sem viðskiptaskrár sem samsvarar notandakenninu) er kjötkássa aðgerð notuð til að kortleggja innsláttarsviðið á geymslufangið og stefna ágreinings (svo sem opið heimilisfang) er notað til að koma á jafnvægi á skilvirkni fyrirspurna og nýtingu geimsins;
• Tiered Storage (skyndiminni + aðalminni): Fyrir oft aðgang að heitum gögnum (eins og 100 nýlega unnar skrár), er hátt - hraðskreyting (SRAM) notað til að flýta fyrir lestri og ritun, en lágt - tíðni kalt gögn eru geymd í stóru - afkastagetu en hægara aðalminni (dram/nvm).
Að taka staka flæðisborðið í netumferð greiningu sem dæmi, samsettur lykill „fimm - tuple (uppspretta/ákvörðunarstaður IP+Port+Protocol)+tímagluggi“ er venjulega notaður sem vísitala til að geyma bæti talning og tölur um pakka um samsvarandi umferð og A hass tafla er notuð til að innleiða O (1) margbreytileika og uppfærslu.
(Iii) Control Logic: Sequence - Driven Processing
Stjórnareiningin er ábyrg fyrir því að samræma inntak, vinnslu og framleiðsla. Hönnun þess fylgir meginreglunni um „stakt - snittari röð framkvæmd.“ Dæmigert ferli felur í sér:
1. Móttaka gagna: Fær hráa gagnastrauminn í gegnum viðmótseining (svo sem DMA stjórnandi í vélbúnaði eða falsandi í hugbúnaði) og framkvæmir staðfestingareftirlit (svo sem heilleika á sviði og sannprófun á svið);
2. State Update: Breytir innra ástandi út frá núverandi skráningu innihaldi (svo sem að auka teljara og uppfæra skyndiminni). Ef það eru kross - skráningarfíkn (svo sem að reikna meðaltal), lesið fyrra ástand úr geymslu undirkerfinu;
3. Result kynslóð: Býr til framleiðsla skrár byggðar á vinnslu rökfræði (svo sem síunarreglur og umbreytingarformúlur) og skrifar þær á markgeymslusvæðið (svo sem skráarkerfið eða downstream einingjalausn);
4. Stjórnun stjórnun á flæði: Notar bakpressur til að koma í veg fyrir að inntakshraði fari yfir vinnslugetuna (svo sem að gera hlé á móttöku nýrra gagna þegar geymslupláss er ófullnægjandi) til að tryggja stöðugleika kerfisins.
Í útfærslum á vélbúnaði (svo sem stakum - flæðispakkaframkvæmdum sem eru hannaðir með FPGA) er stjórnunarrökfræði venjulega storknuð í formi endanlegrar stöðu vélar (FSM), með hverju skrefi ferlisins ("Bíddu eftir gögnum → Parse Headers → Uppfærslutala → framleiðsla niðurstaðna") Skýrt skilgreint í gegnum umbreytingarskýrslu. Í hugbúnaðarútfærslum (svo sem Log Analysis forskriftir sem skrifaðar eru í Python) er þetta táknað með skilyrtum eftirliti og aðgerðum í lykkjubyggingu.
Iii. Lykilleiðbeiningar um hagræðingu tækni
(I) Hröðun vélbúnaðar: Lágt - Datency vinnsla með sérstökum hringrásum
Fyrir atburðarás með afar háu raunverulegu - tímakröfum (svo sem notandi - Planagagnavinnsla í 5G grunnstöðvum), eru stakar - flæðitöflur oft flýttar í gegnum vélbúnaðarrásir. Sem dæmi má nefna að sérstök leiðsla er hönnuð með ASIC eða FPGA: Inntakseining breytir háu - hraða raðgögnum í samsíða bitastraum, Parsing mát dregur út lykilreitir (eins og VLAN merki í Ethernet ramma), vinnslueiningar (svo sem aðgangsstýringar eða að lokum Byggt á fyrirfram {{{{6} Úttakseining nærir niðurstöðunum aftur í stjórnplanið. Með því að samhliða vettvangsflokkun og raðgreining á uppfærslum ríkisins dregur þessi hönnun dregur úr vinnslutíma einni skránni í nanósekúndur.
(2) Hugbúnaðar hagræðing: CO - hönnun reiknirita og gagnaskipta
Almennt - tilgangs örgjörvar (CPU) eða dreifð kerfi, hagræðing árangurs fyrir stakan - flæðitöflur beinist að reiknirit skilvirkni og gagnastað. Til dæmis, til að draga úr stórfelldum gagnastraumum, er hægt að nota blóma síu til að ákvarða fljótt hvort skrá sé þegar til, ásamt kjötkássatöflu fyrir nákvæma talningu. Fyrir tíðar fyrirspurnir um svið (svo sem „að telja hámarksgildið innan ákveðins tímabils“) er hægt að nota sleppulista eða B+ tré í stað kjötkássa og fórna einhverjum skrifhraða í skiptum fyrir O (Log N) skilvirkni fyrirspurna. Ennfremur geta tækni eins og minni röðun og skyndiminni padding dregið úr skyndiminni þegar CPU nálgast minni og bætir afköst enn frekar.
(3) Bilunarþol og samkvæmni: Að tryggja styrkleika í óeðlilegum atburðarásum
Stakar - flæðitöflur verða að takast á við óeðlilegar aðstæður eins og gagnatap og bilun í vélbúnaði. Algeng bilun - Umburðarlyndi fela í sér:
• Óþarfur geymsla: Gagnrýnin upplýsingar (svo sem uppsöfnuð talning) eru skrifaðar samtímis til aðalgeymslu og afritunargeymslu (svo sem EEPROM). Eftir að bilun er bata eru ósamkvæm gögn lagfærð með samanburði á eftirliti;
• Ferilpunktur á ný: Síðasta árangursríka upptökustaða (svo sem skrá yfir skrá eða gagnagrunnsviðskipti) er skráð og vinnsla er hafin aftur frá þeirri stöðu eftir að kerfið endurræsir og forðast fullan endurreikning á gögnum;
• Samkvæmni samskiptareglur: Í dreifðri stakri - flæðitöflu atburðarás (svo sem þegar margir hnútar vinna saman að því að vinna úr sama gagnastraumi shard), eru paxos eða fleki samskiptareglur notaðir til að tryggja samræmi við hnúta og koma í veg fyrir frávik gagna af völdum netskipta.
IV. Dæmigert umsóknar atburðarás
(I) Umferðarstjórnun netsins
Stakar - flæðitöflur í leiðum eða eldveggjum fylgjast með upplýsingum um ástand (svo sem framvindu TCP þriggja - hátt handabands og fjöldi bæti sem sendir) fyrir hverja nettengingu (auðkennd með fimm - tuple). Með því að viðhalda samhengi eins flæðis getur tækið fljótt ákveðið framsendingarleið fyrir pakka (svo sem að leyfa eða neita aðgangi að sérstökum IP -tölum) eða útfæra QoS stefnu (svo sem að úthluta hærri bandbreidd fyrir vídeóstrauma).
(2) Industrial Internet of Things (IIOT) gagnaöflun
Tími - röð gagna eins og hitastig og þrýstingur sem myndaður er af skynjara hnútum er venjulega hlaðið upp á hliðið sem einn straum. Í þessari atburðarás skyndiminni skyndiminni - straumborðið nýjasta N skrárnar (td gögn frá síðustu stundu) fyrir raunverulegar - tímaþróunargreiningar (td greinir óeðlilegar sveiflur) með Edge Computing Module. Það þjappar einnig sögulegum gögnum til að draga úr kröfum um bandbreidd.
(3) Vinnsla gagnagrunns viðskiptaskrár
Viðskiptaskráin (Endurtaka skrá) í venslagagnagrunni (svo sem MySQL) er í meginatriðum straumur af skrifaðgerðum sem skráðar eru í tímaröð. Stakar - straumborð eru notaðar til að skyndiminni sem ekki - urðu viðvarandi annálar, sem tryggir að hægt sé að endurheimta samkvæmni gagna með því að spila annálinn eftir kerfishrun. Vinnsla hverrar skráaskrár (td að skrifa til disks) verður stranglega að fylgja röð þess innan straumsins; Allir út - - pöntunaraðgerðir geta leitt til spillingar gagna.
Niðurstaða
Single - straumborð bjóða upp á einstaka kosti í atburðarásum með miklum raunverulegum - tímakröfum og takmörkuðum fjármunum með því að einbeita sér að línulegri vinnslu á einum gagnastraumi, einfalda stjórnunarrökfræði og veita skilvirkan geymsluaðgangsaðferð. Hönnunarreglur þess miðast við samræmda þróun gagnalíkanagerðar, hagræðingu geymslu og stjórnun, ásamt hröðun vélbúnaðar og stöðugri endurbótum á reikniritum hugbúnaðar. Það hefur orðið grundvallaratriði í tölvuarkitektúr og dreifðum kerfum. Í framtíðinni, með uppgangi Edge Computing og Real - tíma mun Big Data Analytics, stakur - rennslisborðshönnun þróast enn frekar í átt að litlum orkunotkun, mikil samtímis (margfeldi forgangs undir- rennur innan eins flæðis) og upplýsingaöflun (aðlögunaraðlögun geymsluprófa) til að styðja stöðugt flóknari kröfur um notkun.