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海底观测网岸基分类号: 密级:TP311公开皁位代码:10335 学 号: 21025108硕士学位论文中又论文题目:海底观测网斥基数据局域网系统的设计与实现夬又论又题 & : The Design and Implementation of snoreLocal Area Network Data System ofSeafloor Observatory 申请人姓名:夏凡壹指导教师:李德骏专业名称: 机械电子工程研究方向:深海机电装备所在学院:机械工程学系论文提交日期二零一三年一月数据局域网的设计与实现论女作者鏊名:m指导教师签名:. 細论文评阅人1: 评阅人2: _ 评阅人3: _ 评阅人4: _ 评阅人5:答辩委员会主席:被年、委员1:_ _r an論vt:你视r 、委员2:銮疏漁細委员3:誠遮漸iL这机織!副輕袭委员4:委员5:答辩日期:The Design and Implementation of ShoreLocal Area Network Data System _of Seafloor ObservatoryAuthors signature: Supervisor* s signature:External Reviewers:Examining Committee Chairperson:Examining Committee Members:Date of oral defence:浙江大学研究生学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果,也不包含为获得浙江大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示謝意。学位论文作者签名:学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解浙江大学有权保留并向国家有关部门或机构送交本论 文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。本人授权浙江大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本授权书)时光飞逝,岁月如梭。转眼间,在浙大两年半的研究生生涯已经快接近尾声。值此论 文即将完成之际,谨向关杯、鼓励、支持和帮助过我的老师、同学、朋友和亲人们表示衷 心的感謝。首先要感謝我的导师李德骏教授。本论文是在李老师的悉心指导和热情关怀下完成的。 李老师在学术上高瞻远瞩,严谨求是,知识渊博;生活中,平易近人,时常与我们聊天, 排忧解难,教会我们许多做人的道理及人生的感悟。这些都使我受益匪浅,并铭记于心。 这些教诲在以后的工作和生活中会一直给我鼓舞和激励。在此,向李老师致以最诚挚的谢 意,并衷心祝愿李老师及家人,身体健康,幸福美满。同时也要感谢课题组的杨灿军教授和金波副教授,作为课题组的指导老师,他们为我 的毕业设计提出了很多宝贵意见。他们渊博的知识、精益求精的工作态度和稳重练达的处 事方法于我助益良多。感谢课题组陈鹰教授,吴世军老师,陈燕虎老师的细心指导和关心。 感谢我的课程老师丁凡教授,杨华勇教授,王宣银教授,傅周东教授,刘昊副教授等无私 地授予我丰富的专业知识。感谢实验室的林冬冬、张继园、范双双、杨竣程、陆晴云、陈诚、陈刚、朱亚光、赵 立军等师兄师姐指导和帮助;感谢裴跃飞、王海洋、张锋、卢振华、林龙贤、孙辉、张艳 松、黎开虎、谢玉、毕千、张璐璐、张姹、胡肖亨、汪港、何志强、李晨、朱雨时、张璐、 苏凤歌、王晨、王俊、李世通等硕士博士支持,感谢你们陪我走过一段美好快乐的研究生 之旅。祝你们前程似锦,有缘再相聚。感谢男友胡任的支持和关心,让我对生活有了新的认识和感悟。也祝愿你能早日实现 自己的梦想。感谢我的室友杨雪兰、朱榆璇,和你们一起经历和分享这两年多来每个开心 与不开心的点点滴滴,将是我人生中难以忘怀的情愫。感谢浙大88泳版的各位泳友,让 我在科研之余,能跟你们一起在泳池畅游,挥洒激情。感谢那些远在他乡的朋友,虽然相 聚不多,但总会不时收到你们问候。特別的,感谢家人的养育和牵挂,感謝老爸坚实而温暖的肩膀,感谢老妈重复却亲切 的唠叨。成长路上,一路相伴,你们是我的守望和动力。浙江大学硕士学位论文摘要最后,感谢百忙之中抽出时间审阅论文和参加答辩的各位老师和专家,你们辛苦了。夏凡壹2013年1月浙大求是园摘要岸基数据局域网系统作为岸基控制与数据管理系統的重要部分,是远程用户 与海底设备之间的纽带。一方面,岸基局域网能与海底设备建立通信,对水下接 驳盒和各种设备的运行状态,包括各路电压电流,腔体温度湿度等,进行监测和 实时监控。同时对故障情况进行监测和控制。另一方面能实现对实时采集到的数 据进行显示、管理、归档。并可以为用户提供数据服务,服务类型包括静态信息, 实时动态信息,历史动态信息,应用平台等。本文在吸取国内外海底观测网络运行控制与数据管理平台的经验基础上,针 对现有海底观测网结构以及已有设备情况,分析了岸基数据局域网系统应具备的 网络通信、数据解析、数据存储、数据库维护、数据发布的基本功能。并以此为 依据,对数据库服务器进行了设计与实现。岸基数据局域网按功能划分为以下子系统组成:运行管理子系統、故障诊断 子系統、数据管理子系统和数据服务子系统。运行管理系統,运行在岸机控制服务器上,与海底接驳盒建立通讯连接,对 水下接驳盒和各个传感设备进行监控管理。使各接驳盒以及传感设备运行状态信 息,包括电压电流,以及温湿度,油压等状态信息,能够实时传输到岸机服务器 上,并对其状态进行实时动态可视化显示,实现对各接驳与传感设备系统的运行 状态的监视与控制,同时可以通过岸基控制计算机对海底设备及接驳盒等进行开 关断控制。各个岸基管理系统还需要将数据发送到数据库服务器中存储,便于管 理和远程查看。数据库服务器是整个岸基信息局域网的核心部分,一方面,服务器承担着与 多个岸基运行管理系统交互数据,将水下设备与接驳盒采集数据接收解析,并存 储到制定表里。另一方面,还为用户提供了远程访问的接口,用户通过各类动态 数据表可以及时了解海底设备运行情况。数据库服务器需要完成数据存储、数据 通信、数据解析入库和数据维护的功能。具体来说,数据库服务器需要数据处理 中心软件和数据库组成。数据服务处理中心需要有大致分为三大模块:与岸基运行管理系统通信模块,数据采集解析和存储模块,数据管理与查询模块。数据库 按照观测网的情况,建立实体属性表,公共表和观测日志表三种。数据服务系统是数据储存在数据库服务器之后进行对外发布的平台。在海底 观测网中,为了更好的监控接驳盒和其他传感器的工作状况,实现海底数据的实 时传输及历史数据的显示,并通过Internet实现远程访问,更广泛的扩大浙江大 学海底观测系統的影响,需要建立自己的海底观测网网站。网站即是一个外界了 解学习观测网知识的一个平台,也是外界远程用户实时获得海底观测数据的一个 窗口。最后,通过联调试验测试,数据能实现从海底设备到运行管理系統到数据库 服务中心,再通过网站发布到Internet的全过程。数据传输稳定,数据解析正确 完整,达到预期目标。关键词:海底观测网;岸基运行控制与数据管理中心,服务器,套接字浙江人学硕士学位论文AbstractAbstractAs an important component of shore-side opration control and data management system,the shore local area network data system is the link between the remote user and the subsea equipment. On one hand, and shore local area network data system can establish communication with the subsea equipment, monitoring and control the running status of the junction box and subsea equipment,including the output voltage, current and temperature in box. On other hand, it could collect data in real time for display, mangment and archiving. It could also provide userwith data service, type of service, including static information, real-time dynamic information, history, dynamic information, applications platform.On the basis of learning experiences on data transmission and management from the momitoring and control system at home and abroad,this paper anlyses the basic function which the shore local area network data system should have, such as network communication, data analysis,data storage and data maintenance. According to that the LAN is desiged and implemented.Shore local area network data system is divided into the following subsystems according to its function: operation and control subsystem,fault diagnosis subsystem, the data management subsystem and data services subsystem.Operation and control subsystem, running on the shore control server, establish the connction between the underwater facilities and shore monitoring sytem. The running status of each sensor, including voltage and current, as well as temperature and humidity, hydraulic, and other status information, could be transmited to shore-server in real-time, and be displayed dynamicly. And each of the shore-based management systems also needs to send the data to the database server storage, easy to manage and to remotely view. Correspondingly, the switch-off of the subsea浙江大学硕士学位论文Abstractequipment and junction box should be controlled by shore-based control computer.The database server is the core part of the Shore local area network data system. On one hand, the server assumes its interaction with the plurality of marine data, receiving the data acquisition of the Shuttle box parsing, and stored in the formulation list. On the other hand, it provide users with remote access interface, the user can keep abreast of the operation of the subsea equipment through the various types of dynamic data table. The database server needs to complete the data storage, data communications, data parsing warehousing and data maintenance. Thus, it is constituted by data processing center and database software. The data service processing center roughly divided into three modules: communication module with shore-based operation management system,parsing and storage of data acquisition module, data management and query module. Database has an entity attribute table, common table and logs table three observations in accordance with the circumstances of the observation network.Data service system is a released platform after the data has been stored. A website is established to monitor runing status of the underwater sensor and junction box remotely. Also the website is the platform for user to get the knowledge of ocean and seafloor obsertory.Finally, the shore local area network data system can simultaneously communicate with underwater ficilites in a long time after the tests in pool experiments. The transsion couse of the data is steady and the data can be stored and release completety. The anticipatory target is achieved.Key Words: Seafloor Observatoy Network; Shore-side Opration Control and Data Management System, Server, Socket#浙江大学硕士学位论文目录目录&WImIAbstractI第一章绪论11.1研究背景和项目背景11.2海底观测网络研究概况21.2.1海底观测网络国外研究现状21.2.2海底观测网络国内研究情况41.2.3海底观测网络基本结构41.2.4数据管理系統研究现状51.3主要研究内容8第二章主要技术及开发工具介绍102.1数据局域网系统主要开发技术102.2开发平台与开发工具102.3水下与岸基通信方式112.3.1水下通信模式112.3.2岸基通信摸式122.4数据库服务器开发方式选择172.4.1数据库的选择172.4.2 SQLServer 特点182.4.3 ADO访问方式182.5数据发布开发方式192.5.1PHP5.0编程语言192.5.2WAMP开发环境202.5.3 CSS层叠样式表202.5.4 JavaScript 程序语言202.5.5 Ajax网页开发技术21第三章岸基数据局域网系统需求分析和总体设计223.1岸基数据局域网系统总体需求分析223.2岸基数据局域网系统总体概要设计22第四章运行管理系统详细设计及实现244.1运行管理系统需求分析244.1.1主接驳盒岸基运行管理系統244.1.2次级接驳盒岸基运行管理系統254.2系统概要设计264.2.1接驳盒通信模块274.2.2数据解析、本地存储和显示预警274.2.3与数据服务器、故障计算机的通信274.2.4接地故障检测与数据分析284.3数据包格式设计284.3.1接驳盒与运行管理系統通信数据指令294.3.2发往数据库管理系統的数据包格式324.4运行管理系统实现334.4.1通信模块实现344.4.2数据解析、本地存储和显示预警364.4.3接地故障检测模块414.4.4程序实现效果42第五章数据库管理系统详细设计及实现455.1海底数据特点及数据描述455.2数据管理系统需求465.3数据库管理系統概要设计475.3.1数据库概要设计:485.3.2软件部分:515.4系统详细设计及实现525.4.1通信模块设计实现535.4.2数据处理与存储模块设计与实现575.4.3数据管理楔块设计与实现63第六章数据发布系统详细设计及实现716.1网站背景调研和需求分析716.2 web M站设计746.2.1网站页面结构设计746.2.2 Web服务器建立756.2.3客户端程序实现756.2.4基于服务器扩展API的体系结构766.3 Web网站代码实现766.3.1服务器端配置检测模块766.3.2网站页面内容显示模块776.3.3 PHP 操作 SQL Server 数据模块786.3.4 Ajax动态数据曲线模块806.3.4网站语言设置setlang模块826.3.5网站完成和发布83第七章总体实验847.1实验目的847.2实验环境847.3实验过程及结果857.4实验结论87第八章结论与展望888.1结论888.2展望89参考文献90浙江大学硕士学位论文绪论9第一章绪论1.1研究背景和项目背景海洋面积占地球表面积的三分之二,海洋被称为地球上最后一个未开拓的疆 域,她不仅可以为人类提供“取之不尽、用之不竭”的能源,而且海上人类探索 生命奥秘的绝好窗口。自古以来,人类就一直对海洋进行着探索和观测。随着科 学技术的发展,海洋以其丰富的生物资源、能源、矿产资源以及对气候的调节能 力,日益受到人类关注w。海洋观测手段也日益完善,观测范围也从海面,延伸 到海洋中,直至海底。随着信息技术的飞速发展,综合运用GIS, GPS, RS以 及海洋要素的自动监控系统等高科技对海洋进行监测与管理已经成为世界各国 争相发展的领域。这为我们对海洋的探索与研究,提供了新的契机2。由于海洋环境的复杂多变,人们了解海洋的历史还不是很久远,对于深海更 是知之甚少。20世纪开始,随着科学技术的发展和生产力的进步,人类观测手 段逐渐多祥化,从最初仅仅依靠乘船从海面直接观测来感知海洋到投放各式各样 科学仪器来搜集海洋信息。如今的海洋探索技术包括大洋钻探,或在海底定点投 放一些针对性比较强的探测仪器如水样采样器、生物采样器、物理传感器、化学 传感器、地震监测仪器、热液喷口物理量探测仪器、水层剖面仪(SBP)等等。 甚至利用载入潜水器、侧扫声纳(SSS)、水下机器人(ROV)、水下自治机器人 (AUV)等先进设备直接对海洋从海底到海面进行三维探测31。本世纪初,有人提出海底观测网络的概念。作为地球观测的第三个平台,海 底观测系統,正逐步成为海洋科技领域一个新亮点。2000年佛罗里达海洋观测 会议首次定义了海底观测系統:一种将水下定点仪器、设备,通过水声与浮标或 水下接驳盒与光电复合缆,连接到陆地的无人系统41。通过海底观测系統,我们 可以了解海底的科学現象,观测海底物理信息、化学特征以及生物系統的变化情 况;通过海底观测系統,我们不仅可以获得长期、连续的海底观测资料,还能了解海底的现状信息,如即时温度、流速、溶解氧含量等s。海底观测网络的建立, 无论是对于科学研究,海洋环境保护,还是对于海底资源勘探与开发,都是十分 重要的6。我国于2012正式开始 “863” 计划之“深海组网接驳设备研制”重点项目, 总体目标是:在“十一五”的研究基础上,进一步突破海底网节点以及组网、网 络布放与维护、系统控制和原位多参数探測等技术,完成光电复合缆与湿插拔接 口设备、深海接驳设备系統、海底环境长期实时监测系統、岸基诊断控制管理维 护系统等关键系統和设备研制。本文所涉及的研究内容即位该 “863” 重点项目 背景下的子课题部分。1.2海底观测网络研究概况 1.2.1海底观测网络国外研究现状美国,日本及西方等发达国家早在20世纪卯年代开始了海底观测网的研究 和建设工作。到目前为止,国外在建或者已经建成的观测网有VENUS,NEPTUNE 海底观测网络(图1.1)、ESONET欧洲海底观测网络(图1.2),MARS海底观 测网络、ARENDA日本海底观测网等等78。2001年,加拿大科学家首次提出了 VENUS计划。维多利亚海底试验网络 (The Victoria Experimental Network Under the Sea)是通过光缆与陆地研究所相 连接的海底电缆观测网。不同地区的海洋科学研究院、学生和公众都能通过互联 网与VENUS数据库的web服务器连接,以获取更多的海洋信息。2006年,作为NEPTUNE先驱的试验性项目VENUS项目正式运行。VENUS 观测网的主要功能是解决一下五个基本要求:实现海底观测的远程访问;实现服 务器与观测点仪器的高速实时连接;实现观测仪器采样功能的可控性;实现系统 访问权限的无限性;实现对数据库方便快捷的访问9。VENUS海底观测网络主要结构如图1.1。安置在加拿大Saanich海底和 Georgia海峡的观测仪器包括物理和化学传感器、声学传感器和图像传感器等, 实现海洋各种数据的广泛采集功能。观测仪器通过SIIM接口模块与VENUS观测节点连接,将实时观测数据流传送到岸基观测站。岸基观测站除了有接受储存 数据功能,还有位水下观测仪器提供电力系統的功能和访问用户提供互联网连接 通道的功能fl(5。VENUSCabled Observatory System图1.1 VENUS基本结构美国与加拿大合作的NEPTUNE海底观测网络计划的目标是在太平洋东北部500kmX 1000km的海域即整个胡安德富卡板块上布置长约3000 km的光缆或电缆,把上千个海底观测设备联网,将30个海底实验室连接起来,以便研究靠近加拿大和美国海岸的胡安德富卡海底板块。11NEPTUNE海底观测网络建成后可进行水层、海底和地壳连续实时观测25年,从而建立长期、实时的海底观测网络系統,能够在海洋、海底和洋底以下从事区域性、长期的实时观察和试验。 10,12 !23数据管理系统(DMAS)分为两个部分:数据获取架构(DAF)主要是用于对海底设备的控制和监控以及数据存 取的交互作用。这个架构同样包括对设备的操作控制。用户交互功能包括数据检索和信息分配。现在主流的web 2.0技术,为 用户提供了工作、在线交流、数据处理、可视化数据、观测网进度管理、的完整 平台,这个平台被称为Ocean2.0.DMAS架构主要关注于减少数据丢失和最大化时间。这是一个面向服务的 体系结构,其中提供使用了一些先进的技术。整个代码用Java写成,采用企业 服务总线(Enterprise Service Bus)和公众订阅模式。支持VENUS与NEPTUNE Canada海底观测网的软件系统架构需要完成下 面的工作:使海底观测站看起来像Internet在海底的延伸。为系统中海底设备成功采集的海底数据,提供一个长期的,可实现,有组织 化的数据档案中心。提供一个完整的安全的环境来存取海底系统产生的数据。自动完成数据获取,数据评估,尽可能的利用。通过为不同用户提供满足需要的接口,支持各种科学研究及教育活动124。图1.4表现了观测网络中的物理组成部分。图1.4海底观测网站物理架构0)INSTRUMENTS数据管理系統是一个建立起来满足以上需求的软件工具。它包含了面向服务 的体系结构概念的环境,有多个应用层。这个系统核心是数据获取架构(DAF), 这个架构采用了与水下设备的交互模式,并且满足了系统所必须的基本要求:数 据归档存储,标定,事件监测,实时数据采集。数据获取架构(DAF)的核心的 企业服务总线,这样可以使信息从一个模块传输到下一个发布模块25。图1.5展 示了这个架构。图1.5 DMAS的概念设计在软件开发的过程中,由于VENUS与NEPTUNE Canada是第一次开发这 样大型的海底观测网絡。设计过程中,在初始阶段定义的很多详细需求有时候不能很好满足用户的需求。因此整个开发过程需要采用更加灵活的方式,使项目开 发能快速对用户需求的变化进行相应。传统的软件开发的瀑布模式,由于软件开 发过程修改周期较长,不能很好适应这个软件开发情况。在这个体统中,采用了 敏捷开发模型,采用三个开发团队。研发队伍,主要工作是用户需求的收集,分 析,系統的设计,编码和单元模块测试工作。质量控制团队(QA),主要工作是 用户环境下的软件测试。系统操作团队主要工作是硬件和系统软件的准备和支持, 回收,在QA提出新的监控环境操作之后,安装发布新的代码。这种方式能很好 的适应用户的需求变化。新功能的实现包括代码错误修改等,平均周期为一个星 期26。1.3主要研究内容本课题研究对于整个海底长期观测网络具有重要意义。本课题目的是为了设 计开发一套完整可靠的岸基数据局域网系統,实现对海底观测网末端传感器采集 的实时数据合接驳盒内部电能管理数据进行传输,处理,存储,查看,以及对接 驳盒电能转化和传感器运行情况参数的实时监控,对各腔体运行的温度、漏水情 况等进行监测。对异常进行实时处理并将监测数据上传到上位机数据库,并可通 过上位机人机界面可以对系统进行远程控制,且允许在因特网上访问观测网页面, 实现数据共享。从功能上划分,岸基服务器系統包括三个部分:岸基运行管理系統、岸基运 行保障系统和数据信息管理及服务平台。如图1.6所示。其中,岸基运行管理系 统通过光电复合缆与水下接驳盒设备通信,保证海底设备正常供电和无故障运行。 岸基运行保障系统主要监控岸基设备及岸基局域网计算机,保障岸基设备供电和 正常运行。本文涉及数据库局域网针对岸基运行管理系统和数据管理服务平台。主要对 水下接驳盒和各种设备的运行状态,故障情况进行监测,并对实时采集到的数据 进行显示、管理、归档,并对远程用户提供数据服务。:部,d想:飄纖*wi.如岸基运行保障系统F-数据信 总管理 及服务平台,111ii图1.6岸基运行控制与数据管理系统本文研究内容主要包括一下几个方面:网络节点接驳盒与岸机的数据通信:主要实现从检测电路采集的数据从 接驳盒传送入基站春岸机局域网的搭建以及各个控制计算机与服务器间通信:windows标准 下的socket网络通信模型的搭建,并实现数据通信。控制计算机运行管理系统开发:实现对水底设备的运行状态的实时监控 和控制。数据库的建立、数据管理。数据按时间存入数据库中,并实现数据库的 管理。数据发布:建立动态交互网站,实现对实时数据的发布。通信可靠性安全性保障研究浙江大学硕士学位论文主要技术及开发工具介绍第二章主要技术及开发工具介绍2.1数据局域网系统主要开发技术在建设数据局域网系統的过程中,通信方式与协议的选择是保证数据传输的 前提。国内有不少学者研究了监控系统中进行数据通信采用的方式和协议。如武 汉大学电子学院信息学院开发的基于GPRS和SMS技术的嵌入式无线远程环境 监控系统,使用RS232将传感器采集信息传入ARM7芯片,再通过GPRS modem, 使用中国移动数据平台将数据传输到远程终端27。云南农业大学基础与信息工程 学院在设计基于TCP/IP网络控制公路交通监控使用时,使用光纤网络和TCP/IP 协议将前端传感器采集到的车辆违章信息实时上传到服务器28。吴文佳等在设计 污水远程监视监控系统时,采用TCP/IP通信,通过H.324协议实现了污水图像 的数据传输29。水利部黄河水利委员会在“数字黄河”工程建设中,使用了包括 RS、GPS在内的先进技术和设备,对黄河体系的水文气象、工程数据等进行了 采集,通过千兆光纤连接,自检SDH通道,组建了黄河流域专业通信网络和计 算机网络系统3()。国家海洋局在海域使用动态监视检测数据传输网络建设技术规 程中提出个网络节点局域网应使用TCP/IP协议进行数据交換1311。因此,在岸基数据局域网设计时以TCP/IP协议为基础进行网络通信,在TCP 通信中,由于UDP协议不能保证接收端一定能收到发送数据,为了保证数据通 信的完整性和可靠性,不予采用。通信方式上,使用在Windows环境下标准网 络编程接口 Winsock进行通信。开发平台上,为了保证上传数据的处理的高效性, 代码的可重阳性和可靠性,选择Visual Studio中面向对象语言VC+来进行开发。 数据库选用SQLServer,使用ADO的访问机制。数据发布平台使用PHP5.0。2.2开发平台与开发工具Visual Studio是一套完成开发工具集,包括公共语言运行库、统一编程类、 ASP.NET三大部分,用于生成ASP.NET应用程序、XML Web Service、桌面应用 11浙江大学硕士学位论文主要技术及开发工具介绍程序和移动程序。本文所实现的程序都使用Visual Studio用C+语言开发。Microsoft Visual C+.NET为使用者提供了强大和灵活的开发环境。是微软推出的用于创建高性 能Windows应用程序的最佳语言。并提供了许多有助于对应用程序进行编码的 重要库,其中包括支持Windows API用于创建各种Windows应用程序C+类一 MFC基础类库、用于COM对象的基于模板的C+类。其面向对象的思想 使模块化代码维护更加简单、可扩充性更强可重用性更好、执行效率更高。这也 使C+成为世界上最流行的系统级语言,而Visual C+则为开发人员提供生成软 件的世界级工具332.3水下与岸基通信方式2.3.1水下通信模式海底观测网络水下部分的通信协议和通信管理控制子系统构成包括通信子 网和用户子网两个部分,如图2.1所示。通信子网即主干光纤网,是从初级接驳盒到岸站的骨干网,由光纤以太网连 接。主要完成接驳盒大量数据到海岸基站的传送,由水下局域网中的接驳盒连接 采集观测设备中的数据和信息,通过光交換机将电信号转换成光信号。主干光纤 网采用光纤通信方式。网络规范的通信协议采用TCP/IP协议组以及自定义协议 通信(通信帧格式、内容等自定义的通信协议)。主干网采用环型网络拓扑结构,由基站的通信工作站作为前置处理机,通过基站光交換机和接驳盒中的光交換机 连接构成环网方式拓扑。采用光纤作为主干网的原因是它的高带宽,长传输距离 和对电磁干扰的高抗性,海底观测网络系统中,光电复合缆用于传递电能和数据。用户子网即支网部分,主要是接驳盒和各个终端比如CTD传感器、 DATALOGGER数据采集器和水下摄像头等设备。子网中连接的各通讯部件之间 的传输距离短,各传感器和仪器等通过各自的传输线传递数据,数据量相对较小, 对带宽要求低,因而可用常用的双绞铜线代替连接复杂的光纤。子网采用星型或 总线型拓扑结构,由接驳盒中的ICL、RS232/RS422/RS485及子网光纤等通信接 口連接到不同的海底观测设备构成,可实现双向通信。这里的通信协议主要是根浙江大学硕士学位论文主要技术及开发工具介绍远程计算机控制计算机数据服务器Web服务器据主干网及传感器终端的规约和协议来选择确定(如RS485及各种自定义协议 等)34】交换机.:_SM 000网络交換机图2.1海底观测网络通信结构I 海岸基站_2J.2岸基通信模式在数据通信与网络传输中,需要采用一定的网络结构和通信协议。目前主流 的通信模型和协议有ISO和TCP/IP两种。数据通信的OSI模型是国际标准化组织于1984年开发的,OSI七层參考摸 型不是通讯标准,它只给出一个不会由于技术发展而必须修改的稳定模型,使有 关标准和协议能在模型定义的范围内开发和相互配合,一般的通讯协议只符合 OSI七层模型的某几层3536。表2.1概述OSI模型各层的主要功能,相应的信息单元与地址类型。#浙江大学硕士学位论文主要技术及开发工具介绍表2.10SI模型各层及主要功能OSI模型分层分层功能信息单元地址类型应用层用户功能程序表不层字符显示、压缩和安全性字符和字会话层建立、引导和终止会话传输层从发送计算机进程向接收消息在应用程序之间从进计算机进程发送信息程到进程网络层通过网络传输单个数据包数据包识别接收方网络和主机位置的数据包地址数据链路层通过一条链路路由向最终帧网卡(网络中的下一个目的地址发送含有数据包结点)的帧物理层通过物理介质以信号的形比特式传输二进制数TCP/IP 是指传输控制协议(Transmission Cotrol Protocol)和网际协议(Internet Protocol),是目前应用最广泛的协议之一,并且它是现在互联网协议标准。73 TCp/Ip协议共分为4层,它和OSI模型的对比如图2.2所示。OSI模型TCP/IP模型应用层表示层应用层会话层传输层传输层网络层网络层数据链路层链路层物理层图2.2 TCP/IP模型与OSI模型之间的对应关系 TCP/IP各层的作用如下:3738应用层:应用层的作用是应用程序通过此层访问网络,在这一层的协议 浙江大学硕士学位论文主要技术及开发工具介绍有FTP、HTTP、DNS等,这一层兼有OSI模型中的表示层和会话层的作用 传输层:传输层负责在网络上相互通信的主机之间提供通信会话,这一 层包括两个协议,分别对应面向连接通信和无连接通信,它们是TCP和UDP协 议。网络层:网络层协议将数据包封装成数据报,并且运行路由算法。在互 联层主要有4个协议:IP、ARP, ICMP和IGMP,其中IP协议负责在网络之间 寻址和路由。链路层:链路层是TCP/IP模型的最底层,负责数据包的发送和接收。 包括报头和数据的完整的TCP消息在通过网络传送时被封装在一条IP数据 报中。图2.3所示给出了一个帧封装的例子图2.3以太网帧封装基站局域网系统采用总线结构,网络采用TCP/IP通信。IP协议负责将数据从一处传往另一处,TCP负责控制数据流量,并保证传 输的正确性。由于在最底层的计算机通信网络提供的服务是不可靠的分组传送, 所以当传送过程中出现错误以及在网络硬件失效或网络负荷太重时,数据包有可 能丟失、延迟、重复和乱序,因此应用层协议必须使用超时和重传机构。为了防 止报文在传送过程中丢失或重复传送,自定义通信协议的报文的控制域定义了 发送序号和接收序号,发送方每发送一个报文,其发送序号应加1,接收方每接 收到一个与其接收序号相等的报文后,其接收序号也应加1。需要注意的是,毎 次重新建立TCP连接后,基站和接驳盒的接收序号和发送序号都应清零,因此 在双方开始数据传送后,接收方若收到一个报文,应判断此报文的发送序号是否 等于自己的接收序号。若相等则应将自己接收序号加1,若此报文的发送序号大 于自己的接收序号,这说明发送方发送的一些报文出现了丟失;若此报文的发送#浙江大学硕士学位论文主要技术及开发工具介绍序号小于自己的接收序号,这意味着发送方出现了重复传送。此外,报文的接收 序号表明了发送该报文的一方对已接收到的报文的确认,若发送方发送的某一报 文后长时间无法在对方的接收序号中得到确认,这就意味着发生了报文丟失。当 出现上述这些报文丟失、错序的情况时,通常意味着TCP连接出现了问题,发 送方或接收方应关闭现在的TCP连接然后再重新建立新的TCP连接,并在新的 TCP连接上重新开始会话过裎394。Microsoft已经提供了一个WINDOWS下的T

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