甚长基线干涉测量(Very Long Baseline Interferometry, VLBI)是20世纪60年代后期发展起来的射电干涉新技术。独立本振以及信号记录设备的应用使得角分辨率得到提高，是现代天文观测中角分辨率最高的观测技术之一^[1-3]。

为了适应不断提高的数据速率、不断增加的记录带宽、大数据量以及数字基带转换器各种观测模式的需求，新记录终端的需求迫在眉睫。例如，在大地测量学中，下一代的甚长基线干涉测量全球观测系统(VLBI2010 Global Observing Syste, VGOS)，希望在全球尺度上达到1 mm的定位精度，系统使用可以快速旋转的12 m灵敏小天线，并且所需带宽达到了4 GHz^[4]。天文学中视界望远镜(Event Horizon Telescope, EHT)工作在毫米波段，角分辨率达到20 μas，考虑到大气相干对观测幅度值的影响，在短时间内获得足够的灵敏度也需要4 GHz的带宽^[5]。两者目前的计划记录速率都是16 Gbps/台站，未来可能有更高记录速率的需求^[4-5]。

Mark6数据采集和记录系统是为了满足日益增加的甚长基线干涉测量灵敏度研发的，遵循高速存储、容易维护的原则，Mark6系统具有16 Gbps的稳定记录速率，支持通用的甚长基线干涉测量数据格式，并且可以从原来老的Mark5系列数据采集记录系统平稳过度升级。

目前主要的天文数据处理机构已经将终端更新到了主流的Mark6^[6]。上海天文台也已经配置了Mark6系统，并与上海天文台第2代数据采集系统^[7](Chinese Data Acquisition System 2, CDAS2) 进行了最新的数据采集记录测试实验。

1 甚长基线干涉测量数据采集系统简介

数据终端采集系统是甚长基线干涉测量系统的重要部分，它支持的数据采集、数据编码、记录速率、记录模式、数据连续性等，将直接影响后续的相关处理。

美国国家射电天文台(National Radio Astronomy Observatory, NRAO)于1967年研制了Mark1，经过50年不断的更新和快速发展，目前已经研发升级到Mark6系统，其中的记录媒介也从一开始的磁带记录转换到硬盘记录，并展开了相应的e-VLBI研究^[8]。

数据记录媒介从磁带(Mark1，Mark2，Mark3) 转移到硬盘(从Mark4系统开始)，这主要得益于硬盘价格的下降、容量的增加以及硬盘相比于磁带的诸多优点，比如记录/回放数据质量高，几乎没有误码，不会有磁头磨损问题等^[9]。

到目前为止各类终端的系统性能及使用年份信息见表 1。

中国VLBI网(Chinese VLBI Network, CVN)由上海25 m、佘山65 m、密云50 m、昆明40 m及新疆25 m望远镜组成^[11]，作为我国探月工程测控系统的甚长基线干涉测量测轨分系统，提供了嫦娥卫星的精确角位置信息，与我国航天测控网一起圆满完成了相应的测轨任务^[12]。

中国VLBI网目前的终端系统由上海天文台自行研制的数据采集系统(Chinese Data Acquisition System, CDAS)和数据采集记录系统Mark5B组成。Mark6系统相较于Mark5系统，在以下方面做出了改进：增加了记录数据率，将硬件全部更改为商用产品(Commercial Off The Shelf, COTS)，软件全部开源^[13-14]。

2 Mark6数据采集记录系统

Mark6系统起初是专门为甚长基线干涉测量优化的基于磁盘的数据获取和记录系统。作为Mark5系列的下一代产品，Mark6将稳定的记录速率提高到了16 Gbps。Mark6相对于原来的产品最大的区别在于使用了商用产品并开源相应的软件。

2.1 设计原则

作为基于磁盘技术的最新一代高数据速率的甚长基线干涉测量数据记录与回放系统，Mark6在设计之初坚持两个原则^[6]，一是主要原则，在硬件完成的基础上必须实现；二是扩展原则，在条件允许的情况下考虑实现。

目前测试使用的Mark6已经完成了主要的设计目标，主要目标如下：

(1)16 Gbps持续稳定的记录能力：在4个硬盘模组全部在线的情况下，保持该速率进行持续记录；

(2) 支持通用的甚长基线干涉测量数据格式：目前支持天文通用的Mark5B和VDIF数据格式；

(3) 尽可能使用商用产品：数据传输使用Conduct公司设计的底板^[15]；

(4) 开源软件：在Debian系统上可以查看安装的所有源码及相应的程序；

(5) 价格相对便宜：不包括硬盘的Mark6，价格在2万美元左右；

(6) 保持对Mark5的硬件投资：从Mark5可以平稳过度到Mark6，以保留对Mark5的硬件研发投资，可以通过购买升级配件，将Mark5B升级到Mark6。

2.2 硬件设计

Mark6主要由商用部件组成，其主底盘机架内含有计算机主板、硬盘；机架后面板有外接显示器、键盘、鼠标、SFP+网卡、千兆网卡等接口。

Mark6的硬件如图 1和图 2，由5 U的主底盘(图中数字1、2标示)、1 U的线缆控制面板和5 U的扩展底盘(图中数字3、4标示)组成，共占用空间11 U。

通过标记的数字可以知道，模组1、2、3、4在线缆控制面板的顺序为1、3、2、4，这也对应了前后面板的连接线顺序。

Mark6的前面板如图 1，包括4个硬盘模组(含1、2主模块组以及3、4扩展模块组)、一个1 U的线缆挡板以及4对SAS连接线，其中每对SAS负责一个硬盘模组的高速数据传输采集，后面板如图 2，包括4个万兆光模块(用于10 G网络数据的采集)、2个千兆光模块(其中一个用于对Mark6的控制，另外一个保留)、及4对SAS线接口(用于连接前面板的硬盘模组)。其中通信控制接口位于最左端的1 G以太网接口eth0，右端与之相邻的eth1目前保留不用。外接显示器的视频图形阵列(Video Graphics Array, VGA)插槽右边有2个网络接口卡(Network Interface Cards, NIC)。每个网络接口卡都有2个10 G的SFP+光纤模块(10 Gigabit Small Form Factor Pluggable, SFP+)，对应的接口分别为：eth2、eth3、eth4、eth5，各自的默认IP为192.168.1.2-5。

2.2.1 硬件连线示意图

考虑到不同型号的Mark6有不同的接口规则，针对Mark6主底盘型号为4023及以后的版本，硬件的连线示意图如图 3，连接时需要特别注意硬盘模组的位置与线缆控制面板的连接顺序以及连接中的SAS线的顺序，其中前面板示意图上的颜色对应后面板的颜色接口。图 4中4个万兆光模块eth2~eth5主要用于10 G网络数据的接收，千兆光模块eth0用于对Mark6的通讯控制，4对SAS线接口为光模块到硬盘模组的数据传输接口。

2.3 软件设计

Mark6的操作系统采用通用的Debian发行版系统^[16]，该系统非常稳定，内核和内存的占用非常小，使用的软件都是经过测试的稳定版本，特别适合用做服务器操作系统。

Mark6的软件设计使用分层的概念模型，Mark6软件模组化顶层设计，主要展示了软件设计的两个主要软件模组，即cplane和dplane，其中的10 MB数据块为每次缓存的存储量如图 5。软件主要包含cplane、dplane和da-client 3个组件，其中与用户交互的称为cplane，与网络和磁盘硬件交互的称为dplane。cplane和dplane通过UDP协议通信。

2.3.1 cplane

cplane为用户提供了一个接口，并完成了一系列不同的高层次监控和控制。考虑到cplane的复杂性、易用性及可实现性，使用Python语言实现。用户的接口采用标准VSI-S协议^[17]，该协议增加了对Mark6系统的指令集。cplane同时也负责管理磁盘模组，诸如挂载、卸载并绑定不同的磁盘到一个虚拟磁盘模组，最多支持32个磁盘的管理。

2.3.2 dplane

dplane负责所有与高速数据流相关的任务。dplane从10 G网卡读取数据，首先放入一个容量为56 GB的随机存取存储器(Random-Access Memory, ARM)大的缓存区中，然后写入多个磁盘的文件中。数据的起始时间通过读取数据包的数据帧并解码帧头信息精确控制。

由于10 G网卡需要达到4 Gbps的记录速率(非爆发模式下)，考虑到dplane对高速处理的需求，使用C编写，并将代码进行了高度优化。

程序dplane采用多线程编程，针对每个输入流将单独分配一个线程资源，其中分配的缓存为全部64 GB物理内存的56 GB，占比达到87.5%。

3 与CDAS2联调测试

Mark6的输入为10 G网络数据，此处采用上海天文台自行研制的第2代数据采集系统，输入的数据格式为VDIF，每台CDAS2输入速率为4 Gbps。

测试中，使用4台CDAS2系统分别连接Mark6系统提供的4个10 G光模块，记录的数据保存在Mark6硬盘上，Mark6与CDAS2的连接示意图如图 6。图 6展示了记录速率为16 Gbps的示例，存储使用32块SATA硬盘，每块容量6 TB，共192 TB。

3.1 测试步骤

在对Mark6进行数据采集记录之前，首先需要对输入源进行设置，实验中使用CDAS2，带宽可以设置100 KHz~32 MHz，支持16通道，最高支持16 bit采样，详细的设置如图 7。该图为设置其中一台CDAS2系统，其中带宽为8 MHz，8通道，2 bits采样。

Mark6的采集记录流程与Mark5B不同，所有的记录操作在一个称为da-client的可交互程序里完成，da-client通过接口协议与cplane和dplane进行通信。

具体的测试步骤如下：

(1)#初始化硬盘模组，分别为4组硬盘模组

(2) mod_init=1:8:SHAO_001:sg:new;

(3) mod_init=2:8:SHAO_002:sg:new;

(4) mod_init=3:8:SHAO_003:sg:new;

(5) mod_init=4:8:SHAO_004:sg:new;

(6)#建立虚拟硬盘组

(7) group=new:1234;

(8) group=open:1234;

(9)#设置输入数据流并提交

(10) input_stream=add:CDAS2:vdif:1032:42:0:eth2:192.168.100.61 :12000;

(11) input_stream=commit;

(12)#开始记录，参数可配置

(13) record=on

3.2 测试结果分析

测试中，CDAS2采用Mark5B格式器编码，输入数据记录系统Mark6中；Mark6使用分散-收集(Scatter-Gather, SG)模式对输入数据进行记录保存，保存的数据包括meta数据与二进制数据，其中meta数据称为元数据，包含保存数据的各种信息，用于将分散的数据在聚合时提供参数。

图 8为使用CDAS2与Mark6连接记录的5秒左右的VDIF格式数据，对该数据进行解帧头检验，横坐标为时间，纵坐标为秒内帧号，可以看到帧头信息联系，数据正确。

4 总结与展望

为了应对VLBI2010、毫米波甚长基线干涉测量及其他日益增加的宽带观测，Mark6包括硬件和软件的研发还在更新升级，硬件的更新表现在后面板的设计布局在不断变化，包括对应的线缆插槽也可能更改，软件的升级表现在数据采集及更新中支持指令的扩充及参数更改，这也是Mark6在调试过程中容易出现问题的主要原因。所以，在调试时需要特别注意硬软件版本。

后续关于Mark6的测试，将考虑使用ROACH数字终端作为输入数据源，并将输出的数据使用上海天文台相关处理机或DiFX进行相关处理，并测试32 Gbps爆发模式的记录能力，以及对e-VLBI和回放的支持。