VxWorks下基于緩沖隊列的網(wǎng)絡(luò)通信

1引言

現(xiàn)代監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控對象越來越復(fù)雜，越來越分散，信號采集終端呈現(xiàn)分布式趨勢。各個信號采集終端經(jīng)常用小巧靈便、易于控制和性價比高的嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成相對獨立的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，然后通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C服務(wù)器進行統(tǒng)一分析處理 [1]。負責數(shù)據(jù)傳輸?shù)?strong>網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和軟件在整個監(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 CPU被占用等情況可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)阻塞、連接中斷等，如果軟件不能及時發(fā)現(xiàn)故障并做出相應(yīng)的處理，將會直接影響到整個系統(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。利用實時操作系統(tǒng) VxWorks對多任務(wù)的良好支持，本文提出了一種基于緩沖隊列的網(wǎng)絡(luò)通信模式，并添加了網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測功能，使系統(tǒng)能夠快速的對網(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是美國風(fēng)河( Wind River Systems)公司開發(fā)的一套具有微內(nèi)核、可裁減的高性能實時操作系統(tǒng)，適用于當下所有流行的目標 CPU平臺，支持廣泛的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，為開發(fā)者提供了高效的實時多任務(wù)調(diào)度、終端管理、實時的系統(tǒng)資源及實時的任務(wù)間通信功能，是嵌入式領(lǐng)域中應(yīng)用最多的實時操作系統(tǒng)之一[2]。VxWorks采用了與 4.4BSD TCP/IP兼容的實時網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，使得網(wǎng)絡(luò)開發(fā)變得易于進行和方便移植。利用 VxWorks對多任務(wù)和Socket的良好支持，可以方便地實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊。



圖1是我們開發(fā)的一個基于 TCP/IP協(xié)議的分布式監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。該系統(tǒng)主要可分為三個層次結(jié)構(gòu)：服務(wù)器、采樣節(jié)點、傳感器。傳感器負責采集信號，將物理信號轉(zhuǎn)換為電信號；采樣節(jié)點首先對信號進行預(yù)處理，然后通過 A/D芯片將信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，最后通過網(wǎng)絡(luò)傳送給服務(wù)器；服務(wù)器負責數(shù)據(jù)的接收、分析、存儲并顯示結(jié)果。服務(wù)器和采樣節(jié)點之間通過TCP/IP協(xié)議進行數(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而可實現(xiàn)異種機互聯(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，消息隊列初始為空，數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)阻塞在消息隊列上，網(wǎng)絡(luò)正常情況下，每有新的消息單元到達時，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；如果某個時刻網(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列中，而不會丟失，等網(wǎng)絡(luò)正常后再發(fā)送出去?；诰彌_隊列的網(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)先級向緩存隊列中寫入消息單元。

實驗時，以一臺普通 PC機作為上位機服務(wù)器，采樣節(jié)點和服務(wù)器之間通過一個百兆的交換機相連。采樣節(jié)點的所有采集通道全開，均設(shè)為最大采樣率，服務(wù)器每隔 5秒鐘查詢一次節(jié)點狀態(tài)，此時數(shù)據(jù)傳輸率約為 65Mbit/s，系統(tǒng)連續(xù)運行 8小時。實驗結(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%。

4網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測原理

當網(wǎng)絡(luò)發(fā)生中斷時，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)后仍可正常運行，因此軟件應(yīng)該具備網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控功能，實時監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的連通性。監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)連通性的一個比較簡單的方法就是通過服務(wù)器向采樣節(jié)點不間斷發(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。此法雖然簡單，但是當節(jié)點比較多時，大量的 ICMP數(shù)據(jù)包會占用 CPU資源，降低服務(wù)器的效率，故此法不可行。圖 4是我們設(shè)計的一個網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控原理圖。

 

為避免影響到數(shù)據(jù)的實時傳輸，通信雙方各建立兩個 socket端口，一個作為數(shù)據(jù)通道專門用來傳遞數(shù)據(jù)信息，另一個用作監(jiān)控通道，傳遞應(yīng)答信號，監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的連通性；監(jiān)控通道負責管理和維護數(shù)據(jù)通道。節(jié)點和服務(wù)器端運行的監(jiān)控任務(wù)都是無限循環(huán)任務(wù)，每若干秒運行一次。在每一個循環(huán)周期內(nèi)，采樣節(jié)點都會向服務(wù)器發(fā)起一次連接，服務(wù)器端收到采樣節(jié)點的連接請求后，和其建立連接，然后向其發(fā)送信號指令。采樣節(jié)點收到信號指令后，向服務(wù)器發(fā)送應(yīng)答信號，服務(wù)器若能在 T_wait時間內(nèi)收到應(yīng)答信號，則判定網(wǎng)絡(luò)通暢，否則認為網(wǎng)絡(luò)中斷。如果某時刻網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)斷線，那么重新建立連接后，服務(wù)器會向采樣節(jié)點發(fā)送重新連接指令，采樣節(jié)點收到重新連接指令后，會關(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。

實驗時，通過插拔網(wǎng)線模擬網(wǎng)絡(luò)的連通和斷線。結(jié)果表明，在系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)傳輸時拔掉網(wǎng)線，若在 20秒內(nèi)再接上，由于采樣節(jié)點具有一定的緩存能力，數(shù)據(jù)不會丟失，網(wǎng)絡(luò)仍可正常工作；若拔掉網(wǎng)線，超過 20秒之后再接上網(wǎng)線，采樣節(jié)點和服務(wù)器之間會重新建立連接，網(wǎng)絡(luò)仍可正常工作，但由于緩存隊列溢出，數(shù)據(jù)會發(fā)生丟失；若拔掉網(wǎng)線超過 30分鐘，采樣節(jié)點會判定網(wǎng)絡(luò)中斷、記錄故障并自動關(guān)閉系統(tǒng)，插上網(wǎng)線后，服務(wù)器通過網(wǎng)絡(luò)遠程啟動采樣節(jié)點，系統(tǒng)繼續(xù)正常工作。

5總結(jié)

利用 VxWorks對多任務(wù)和網(wǎng)絡(luò)的良好支持，本文提出了一種基于緩沖隊列的帶網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測功能的網(wǎng)絡(luò)通信模式，目前已經(jīng)在我們開發(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)開發(fā)中，具有廣泛的應(yīng)用前景。本文作者創(chuàng)新點：本文提出的這種基于緩沖隊列的帶網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測功能的網(wǎng)絡(luò)通信模式，充分地利用了 VxWorks對多任務(wù)和網(wǎng)絡(luò)的良好支持，消息隊列不僅同步任務(wù)，還可作為緩存隊列用來緩存數(shù)據(jù)，使系統(tǒng)能夠應(yīng)付一定的網(wǎng)絡(luò)波動；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行。