基于緩沖隊(duì)列的帶網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能的網(wǎng)絡(luò)通信模式應(yīng)用

1引言

現(xiàn)代監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控對(duì)象越來(lái)越復(fù)雜，越來(lái)越分散，信號(hào)采集終端呈現(xiàn)分布式趨勢(shì)。各個(gè)信號(hào)采集終端經(jīng)常用小巧靈便、易于控制和性價(jià)比高的嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成相對(duì)獨(dú)立的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，然后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?a target="_blank">上位機(jī)服務(wù)器進(jìn)行統(tǒng)一分析處理 ［1］。負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸?shù)?a target="_blank">網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和軟件在整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)中起著十分重要的作用，然而周圍環(huán)境的電磁干擾、上位機(jī) CPU被占用等情況可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)阻塞、連接中斷等，如果軟件不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并做出相應(yīng)的處理，將會(huì)直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集中斷，甚至使系統(tǒng)癱瘓。利用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) VxWorks對(duì)多任務(wù)的良好支持，本文提出了一種基于緩沖隊(duì)列的網(wǎng)絡(luò)通信模式，并添加了網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能，使系統(tǒng)能夠快速的對(duì)網(wǎng)絡(luò)斷線等故障做出響應(yīng)，提高了網(wǎng)絡(luò)通信的穩(wěn)定性和可靠性。

2 VxWorks及分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)介紹

VxWorks是美國(guó)風(fēng)河（ Wind River Systems）公司開(kāi)發(fā)的一套具有微內(nèi)核、可裁減的高性能實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，適用于當(dāng)下所有流行的目標(biāo) CPU平臺(tái)，支持廣泛的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，為開(kāi)發(fā)者提供了高效的實(shí)時(shí)多任務(wù)調(diào)度、終端管理、實(shí)時(shí)的系統(tǒng)資源及實(shí)時(shí)的任務(wù)間通信功能，是嵌入式領(lǐng)域中應(yīng)用最多的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)之一［2］。VxWorks采用了與 4.4BSD TCP/IP兼容的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，使得網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)變得易于進(jìn)行和方便移植。利用 VxWorks對(duì)多任務(wù)和Socket的良好支持，可以方便地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊。

圖1是我們開(kāi)發(fā)的一個(gè)基于 TCP/IP協(xié)議的分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。該系統(tǒng)主要可分為三個(gè)層次結(jié)構(gòu)：服務(wù)器、采樣節(jié)點(diǎn)、傳感器。傳感器負(fù)責(zé)采集信號(hào)，將物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；采樣節(jié)點(diǎn)首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，然后通過(guò) A/D芯片將信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，最后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送給服務(wù)器；服務(wù)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收、分析、存儲(chǔ)并顯示結(jié)果。服務(wù)器和采樣節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)TCP/IP協(xié)議進(jìn) 行數(shù)據(jù)的傳輸與接收，網(wǎng)絡(luò)通訊程序的質(zhì)量直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。TCP/IP協(xié)議是目前廣泛采用的一組完整的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，可以用在各種各 樣的信道和底層協(xié)議之上，是一組不基于任何特定硬件平臺(tái)而可實(shí)現(xiàn)異種機(jī)互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，在網(wǎng)絡(luò)通信中被廣泛應(yīng)用［3-4］。

具體表現(xiàn)為，消息隊(duì)列初始為空，數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)阻塞在消息隊(duì)列上，網(wǎng)絡(luò)正常情況下，每有新的消息單元到達(dá)時(shí)，數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)就將該消息單元指向的數(shù)據(jù)包立刻發(fā)送出去；如果某個(gè)時(shí)刻網(wǎng)絡(luò)受到外界環(huán)境的影響變地不穩(wěn)定或發(fā)生短暫阻塞，數(shù)據(jù)包不能及時(shí)發(fā)出，該數(shù)據(jù)包就可緩存在 Buffer中，其地址信息緩存在消息隊(duì)列中，而不會(huì)丟失，等網(wǎng)絡(luò)正常后再發(fā)送出去?；诰彌_隊(duì)列的網(wǎng)絡(luò)通信模式如圖 3所示。根據(jù)待傳輸信息的緊急程度，不同的任務(wù)可以選擇基于 FIFO或優(yōu)先級(jí)向緩存隊(duì)列中寫入消息單元。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，以一臺(tái)普通 PC機(jī)作為上位機(jī)服務(wù)器，采樣節(jié)點(diǎn)和服務(wù)器之間通過(guò)一個(gè)百兆的交換機(jī)相連。采樣節(jié)點(diǎn)的所有采集通道全開(kāi)，均設(shè)為最大采樣率，服務(wù)器每隔 5秒鐘查詢一次節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，此時(shí)數(shù)據(jù)傳輸率約為 65Mbit/s，系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行 8小時(shí)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示服務(wù)器收到的數(shù)據(jù)包數(shù)目和采樣節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)目相同，數(shù)據(jù)傳輸丟失率為 0.0%。

3網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)原理

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生中斷時(shí)，系統(tǒng)軟件應(yīng)該能夠盡快發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障，并在網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后仍可正常運(yùn)行，因此軟件應(yīng)該具備網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控功能，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的連通性。監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)連通性的一個(gè)比較簡(jiǎn)單的方法就是通過(guò)服務(wù)器向采樣節(jié)點(diǎn)不間斷發(fā)送 ICMP（Internet控制消息協(xié)議 ）包，如果能收到回應(yīng)則證明網(wǎng)絡(luò)連通，反之則表示網(wǎng)絡(luò)中斷。此法雖然簡(jiǎn)單，但是當(dāng)節(jié)點(diǎn)比較多時(shí)，大量的 ICMP數(shù)據(jù)包會(huì)占用 CPU資源，降低服務(wù)器的效率，故此法不可行。圖 4是我們?cè)O(shè)計(jì)的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控原理圖。

為避免影響到數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，通信雙方各建立兩個(gè) socket端口，一個(gè)作為數(shù)據(jù)通道專門用來(lái)傳遞數(shù)據(jù)信息，另一個(gè)用作監(jiān)控通道，傳遞應(yīng)答信號(hào)，監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的連通性；監(jiān)控通道負(fù)責(zé)管理和維護(hù)數(shù)據(jù)通道。節(jié)點(diǎn) 和服務(wù)器端運(yùn)行的監(jiān)控任務(wù)都是無(wú)限循環(huán)任務(wù)，每若干秒運(yùn)行一次。在每一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)，采樣節(jié)點(diǎn)都會(huì)向服務(wù)器發(fā)起一次連接，服務(wù)器端收到采樣節(jié)點(diǎn)的連接請(qǐng)求 后，和其建立連接，然后向其發(fā)送信號(hào)指令。采樣節(jié)點(diǎn)收到信號(hào)指令后，向服務(wù)器發(fā)送應(yīng)答信號(hào)，服務(wù)器若能在 T_wait時(shí)間內(nèi)收到應(yīng)答信號(hào)，則判定網(wǎng)絡(luò)通暢，否則認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)中斷。如果某時(shí)刻網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)斷線，那么重新建立連接后，服務(wù)器會(huì)向采樣節(jié)點(diǎn)發(fā)送重新連接指 令，采樣節(jié)點(diǎn)收到重新連接指令后，會(huì)關(guān)閉原有的數(shù)據(jù)傳輸 socket，重新和服務(wù)器建立數(shù)據(jù)傳輸通道。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過(guò)插拔網(wǎng)線模擬網(wǎng)絡(luò)的連通和斷線。結(jié)果表明，在系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)拔掉網(wǎng)線，若在 20秒內(nèi)再接上，由于采樣節(jié)點(diǎn)具有一定的緩存能力，數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，網(wǎng)絡(luò)仍可正常工作；若拔掉網(wǎng)線，超過(guò) 20秒之后再接上網(wǎng)線，采樣節(jié)點(diǎn)和服務(wù)器之間會(huì)重新建立連接，網(wǎng)絡(luò)仍可正常工作，但由于緩存隊(duì)列溢出，數(shù)據(jù)會(huì)發(fā)生丟失；若拔掉網(wǎng)線超過(guò) 30分鐘，采樣節(jié)點(diǎn)會(huì)判定網(wǎng)絡(luò)中斷、記錄故障并自動(dòng)關(guān)閉系統(tǒng)，插上網(wǎng)線后，服務(wù)器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程啟動(dòng)采樣節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)繼續(xù)正常工作。

4總結(jié)

利用 VxWorks對(duì)多任務(wù)和網(wǎng)絡(luò)的良好支持，本文提出了一種基于緩沖隊(duì)列的帶網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能的網(wǎng)絡(luò)通信模式，目前已經(jīng)在我們開(kāi)發(fā)的分布式監(jiān)控系統(tǒng)中得到應(yīng) 用。該網(wǎng)絡(luò)通信模式使系統(tǒng)能夠應(yīng)付一定的網(wǎng)絡(luò)故障，提高了系統(tǒng)的可靠性。該模式還可以方便地應(yīng)用到其它嵌入式網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)中，具有廣泛的應(yīng)用前景。本文作者創(chuàng) 新點(diǎn)：本文提出的這種基于緩沖隊(duì)列的帶網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能的網(wǎng)絡(luò)通信模式，充分地利用了 VxWorks對(duì)多任務(wù)和網(wǎng)絡(luò)的良好支持，消息隊(duì)列不僅同步任務(wù)，還可作為緩存隊(duì)列用來(lái)緩存數(shù)據(jù)，使系統(tǒng)能夠應(yīng)付一定的網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)；監(jiān)控任務(wù)的工作模式使系 統(tǒng)能夠快速發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障并做出響應(yīng)，待網(wǎng)絡(luò)故障排除后仍可正常運(yùn)行。