（控制理论与控制工程专业论文）嵌入式海洋环境信息系统通信技术研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 海洋环境信息应用系统集成海洋中温度、盐度、密度、声场、海流、潮汐： 水深、底质等诸多信息，为船舶航行、操纵等活动提供必要的支持和保障。海洋 环境信息通信系统作为应用系统的重要组成部分，成为对内i 对外连接的桥梁。 本文以海洋环境信息应用系统作为工程背景，完成了海洋环境信息通信系统的设 计与实现。 本文对海洋环境信息系统的对外通信需求加以分析，完成方案设计、功能模 块设计和可靠性设计，并对各个模块的实现作了详细阐述。应用串口通信、单播 通信和组播通信三种通信方式，满足海洋环境信息传输的多样性要求；设计了一 种新的基于v x w o r k s 的代理服务器的网络拓扑结构，保证整个应用系统的工作独 立性，还可以避免外网与内部设备之间的相互影响，有利于集中式管理；深入研 究p 组播技术与虚拟网技术的原理并成功运用，解决了信息传输的带宽资源浪费 与网络扩充问题；应用嵌入式以太网通信技术与冗余备份技术，达到了高速的信 息传输与高稳定性和高可靠性要求。 最后，模拟海洋环境信息应用系统的工作环境，组建了具有多个v l a n 的海 洋环境综合通信系统网，并对整个通信系统进行须0 试。在对t c p i p 协议栈分析之 后，定位u d p 的丢包位置，分析丢包原因并给出解决方案。测试结果表明，海洋 环境信息通信系统设计合理，运行良好，满足了海洋环境信息应用系统的信息支 持和保障的要求。 关键词：v x w o r k s ：i p 组播；虚拟网 哈尔滨r 稗大学硕十学位论文 a b s t r a c t i n t e g r a t i n gv a r i o u si n f o r m a t i o no f o c e a n , i n c l u d i n gt e m p e r a t u r e ，s a l i n i t y ，d e n s i t y ， s o t m df i e l d ，o c e a n t ，f i d e 、d e p t h ，b a s e g e o l o g y , t h eo c e a n e n v i r o n m e n ta p p l i c a t i o n s y s t e mp r o v i d e sn e c e s s a r ys u p p o r tt on a v i g a t i o no fs h i p a sa ni m p o r t a n tp a r to f t h eo c e f l n e n v i r o n m e n ts y s t e m , t h ec o m m u n i c a t i o ns u b s y s t e mc o n n e c t si n s i d ew i t ho u t s i d e t a k i n g t h eo c e a ne n v i r o n m e n ts y s t e ma sab a c k g r o u n d , t h ee o m m u r l i e a t i o ns y s t e mi sd e s i g n e d a n di m p l e m e n t e di nt h i sw o r e a f t e ra r l a l y s m gt h er e q u i r e m e n t so ft h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m , t h es c h e m ed e s i g n , f u n c t i o nm o d u l ed e s i g na n dr e l i a b i l i t yd e s i g na l ep e r f o r m e da n dd e t a i l e de x p l a i n a t i o no f m o d u l e sa r ea l s o g i v e ni n t h i s p a p e r u t i l i z i n g s e r i a lc o m m u n i c a t i o n , u n i c a s t c o m m u n i c a t i o na n dm u l l i c a s tc o m m u n i c a t i o n , t h ec o m m t m i c a t i o ns y s t e ms a t i s f i e st h e v a r i e t yo ft h eo c e 1 1 te n v i r o n m e n ti n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o n an e wn e t w o r ks t r u c t u r e b a s e do nv x w o r k sa g e n c ys e r v e ri sd e s i g e d , w h i c he n s u r e st h ei n d e p e n d e n c eo ft h e a p p l i c a t i o ns y s t e m , a v o i d st h ei n t e r f a c eb e t w e e nt h ei n s i d ee q u i p m e n t sa n do u t s i d e n e t w o r k , a n da c c o m p l i s h e sc e n t r a l i z e dm a n a g e m e n t b yu t i l i z m gt h e i pm u l f i c a s ta n d v l a n t e c h n i q u e s ，t h eb a n dr e s o 嗽w a s t e a n dn e t w o r ke x p a n s i o np r o b l e m sa l es o l v e d b yu c i l i 2 i 1 1 9t h ee m b e d d e de n t h e m e ta n dr e d u n d a n c yb a c k u pt e c h n i q u e s ，t h eh i g h r e l i a b i l i t ha n dh i g hs t a b i l i t ho f f a s ti n f o r m a t i o nl r a n s m i s s i o na r eo b t a i n e d f i n a l l y , t h ew o r k i n ge n v i r o n m e n to f t h ea p p l i c a t i o ns y s t e mw i t hs e v e r a lv l a n si s s i m 出i e da n dt e s ti sp e r f o r m e do nt h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m a f t e ra n a l y s i n gt h et c p i p s t a c k , t h el o s tu d pp a c k e ti sl o c a t e d , t h er e a s o na n ds o l u t i o no f t h el o s ta r eg i v e n t h e t e s t r e s u l t ss h o wt h a tt h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sd e s i g n e da p p r o n a t e l y , w h i c hs a t i s f i e st h e i n f o r m a t i o nr e q u i r e m e n tt ot h eo c e a ne n v i r o n m e n ta p p l i c a t i o ns y s t e m k e yw o r d s ：v x w o r k s ；i pm u l f i c a s t ；v l a n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中己 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：蔓之斗 日期： 二印87 年厂月2 占e t 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 i i i i i m 一 一i i i i i i i i i i i i 宣i i l 1 选题背景 第1 章绪论 随着网络技术的成熟，具有价格低廉、连接方便等优点的以太网已成为各种控 制系统接口互联的主要媒介，它作为一种通用网络数据通讯系统，在全球的计算机 网络领域已经得到了广泛的应用。把这种成熟、高速、抗干扰能力强的通讯技术应 用在舰船信息系统，其优越性是十分明显的绍建成本低、开发手段多样、物理 协议及数据协议完善、传输速率高等。 海洋环境信息应用系统集成海洋中温度、盐度、密度、声场、海流、潮汐、水 深、底质等各种信息，为船舶航行、操纵等诸多活动提供必要的支持和保障。此系 统由应用人机交互系统、数据库系统和通信系统三部分组成。通信系统是对内、对 外连接的桥梁。对内是利用串口接收传感器采集到的实时信息，并将这些信息以网 络通信的方式提供给应用人机交互系统，实时显示。对外一方面是将数据库所存储 的历史信息和传感器采集到的实时信息提供给外部的控制系统进行辅助决策；对外 另一方面接收导航系统提供的实时的和全面的导航信息与电子海图数据库文件信 息，并将这些信息传输给应用系统，应用系统将以人机交互的方式提供给使用部门。 针对海洋环境信息系统的特点，一方面不仅要求通信系统能实现高速的信息传 输，还要求具有强的抗干扰能力，并且在网络局部故障或受损时，全系统不至于瘫 痪失效，实现网络的高稳定性和高可靠性；另一方面要求充分考虑到对海洋环境信 息需求成员的扩充，动态的加入与离开的问题。并且信息的传输不会浪费大量的网 络带宽资源，避免网络堵塞。鉴于上述要求，本文融合嵌入式技术、以太网技术、 串口通信技术、网络通信技术、虚拟网技术、碑组播技术设计并实现嵌入式海洋环 境信息通信系统，完成海洋环境信息系统的对外部系统通信，以及对内部成员的信 息传输。并在实验室模拟海洋环境信息系统的工作环境，组建综合系统网，利用三 层交换机划分虚拟网，进行功能测试号陛能强度测试，统计串口通信与网络通信的 丢包率，分析原因并给出解决方案。 本文将虚拟网技术与口组播技术成功应用在海洋环境信息系统上，解决了信息 传输的浪费资源带宽与网络扩充问题。将嵌入式以太网通信技术与冗余备份技术应 哈尔滨t 稃大学硕士学何论文 _i i i i i 用到此系统上，解决了高速的信息传输与高稳定性和高可靠性要求。具有很高的应 用价值。 1 2 虚拟局域网技术 所谓虚拟局域网( v i r t u a ll o c a la r e a n e t w o r k ，即v l a n ) 是指网络中的站点不 拘泥于所处的物理位置，可以根据需要灵活的加入到不同的逻辑子网中的一种网络 技术”。 1 2 1 v l a n 技术的产生 在传统的局域网中，各站点共享传输信道所造成的信道冲突和广播风暴是影响 网络性能的重要因素。为了解决发生在网络第二层的信道冲突和发生在网络第三层 的广播风暴问题，网桥和路由器被广泛的应用于局域网中。由网桥连接的网络站点 具有相同的网络层地址，属于同一个逻辑子网。需要由路由器将不同的逻辑子网连 接起来，逻辑子网间的通信必须经路由器进行。 在这种网络结构中，由集线器、粗缆、细缆所构成的物理网络与逻辑子网相对 应。通常一个口子网或者i p x 子网属于一个广播域，网络中的广播域是根据物理网 络来划分的，这_ r 4 - 的网络结构无论从效率和安全| 生角度考虑都有所欠缺。同时，由 于网络的站点被束缚在所处的物理网络中，而不能够根据需要将其划分至相应的逻 辑子网中，因此网络的结构缺乏灵活陛，为了解决这一问题，从而引出了虚拟局域 网的栩念。 1 2 2 v l a n 技术的发展 随着交换机变得普及，带宽的增加，快速以太网变得很普遍，千兆比特以太网 作为主干，v l a n 将成为每个交换网络的必须部分。不同厂家的v l a n 会变得可以 兼容使用，使得不同种类的网络可以互连。然而，更多的带宽需要更多的交换设备， 使网络管理工作更加复杂? 。 今后的网络解决方案中增加安全性和灵活性将处于更加重要的地位。将来，为 了增加灵活性，属于个v l a n 集合的分组规模变小，同时，分组数量增加，甚至 达到每个使用者能自定义用台式计算胡进行设置，用户可以规定自己需要的传输通 道。应用程序集中化控制，使它们都居于服务器端，用户可以选择他们需要的方案。 2 哈尔溟 二程大学硕十学位论文 i i 一 it i 这也有利于节约公司的开支。 为了安全考虑，网络管理员仍然能够阻止一些用户访问特定应用程序。基于策 略的v l a n 是使网络更有效更安全的一种方法，整个系统变得更自动化，v l a n 结 构使网络管理员能够极精确实现基于服务器的v l a n ，将来可以支持多生成树和一 些特殊的程序功能。随着安全的要求越来越急迫，v l a n 变成安全策略的一部分。 随着整个社会的进步，新的技术和标准必须基于安全和灵活两个方面，基于策 略的v l a n 对有效的安全网络管理将变得十分必要。 1 3p 组播技术与发展 p 组播是利用一种协议将口数据包从一个源地址传送到多个目的地，将信息 的拷贝发送到一组地址，到达所有想要接收它的接收者处。m 组播是将p 数据包 “尽最大努力”传输到一个构成组播群组的主机集合，群组的各个成员可以分布于 各个独立的物理网络上。 1 9 8 8 年s t e v ed e e f i n g 的博士论文中最早提出口组播的概念，随后s t e v ed e e r i n g 对标准p 网络层协议进行了扩展，提出了碑组播规范；1 9 9 2 年3 月第一次建立组 播主干网m b o n e ，i e t f 并成功地在组播网上举行了次会议，才引起了人们的广 泛关注。而和w w w 相比组播的发展远远慢于w w w ，1 9 9 0 年第一个w w w 浏览 器出现，到1 9 9 3 年发展到1 0 0 个w w w 站点，组播发展缓漫的主要原因是口组播 通信模式需要状态相当复杂的路由器，要求路由器能提供每个群组和每个源的信息 状态，并且随着i n t e m e t 的越来越复杂，给组播的进一步发展带来了困摧引。后来， 出现的一些设计精巧的组播路由协议( 如p i m d m 、p i m - s m 等) ，使口组播数据 包能够正确而又迅速地发送给成千上万的接收者，妒组播的技术和应用开始陕速发 展。目前，伊组播可以运行在任意体系结构的网络之匕包括因特网、a t m 、帧中 继、s m d s 和卫星等许多应用领域，能应用在视频会议、多媒体、新闻发布和来自 太空的远程实况广摺q 。 1 4 课题的主要工作及创新点 论文开展的主要工作有以下几个方面： 1 ) 对整个通信系统进行方案设计、功能设计、可靠性设计。方案设计包括接入 网方案设计和通信模式方案设计；功能设计包括海洋环境信息系统与外网接口设备 哈尔滨丁程大学硕十学侮论文 i i i i i i i ii 声|一 一 i i i 一 i i i i i i i 宣 的功能设计和数据库服务器网络接口功能设计。 2 ) v x w o r k s 下u 】d p 并发服务器设计与实现，完成对外网络接口设备的信息传 输与服务请求的接收。 3 ) v x w o r k s 下多路串口通信系统设计与实现，完成多路传感器信息的串口传 输与接收。 4 ) l i n u x 下多进程的u d p 并发服务器设计与实现，完成历史海洋信息的查询 与传输。 5 ) v x w o r k s 下双网卡冗余备份、多网卡配置，完成整个系统可靠性设计与实 现。 6 ) 整个通信系统的功能测试与性能强度测试，完成u d p 丢包统计与解决方案 设计。 论文取得的创新成果如下： 1 ) i p 组播技术与虚拟网技术的成功应用，解决了海洋环境应用系统中广播通 信方式引起的广播风暴与网络带宽占有等问题，达到系统关于网络上相同海洋环境 信息需求设备的动态加入与离开以及后续网络扩充等要求。 2 ) 系统设计了种新的基于v x w o r k s 的代理服务器网络结构模式，既可以屏 蔽外网对整个海洋环境信息系统的内部设备的影响，又能够保证整个系统的工作独 立。 3 ) 系统融合有串口通信，单播通信与组播通信的多种通信方式，满足了系统信 息传输的多样性要求。 4 哈尔滨 二程大学硕十学位论文 i i i i i i i i i i i i i i i l 一一 _ i ii|m i i i i i 第2 章海洋环境信息通信系统的基本技术与原理 海洋环境信息通信系统主要采用网络通信和串口通信方式。本课题的网络通信 都是基于t c p i p 协议栈，利用s o c k e t 套接字技术实现c s 模式，完成不同设备 之间的互通与互访。本章主要介绍整个通信系统所用到的主要技术与原理。 2 1 串行通信的基本原理 串行端口的本质功能是作为c p u 和串行设备间的编码转换器。当数据从c p u 经过串行端口发送出去时，字节数据转换为串行的位。在接收数据时，串行的位被 转换为字节数据咧。 在通信程序中，通信双方都必须遵守个统一的通信协议，双方才能正常通信。 从接收到的数据中提取出有用的信息，以及我们发送出去的数据对方如何处理等， 都是通信程序中必须要考虑的事隋，提取有用的信息正是通信编程的目标所在。 串口通信协议分为底层通信协议和用户层协议。底层协议一般由计算机硬件提 供商和设备厂家提供，在般的通信编程中很少涉及，而用户层协议则是面向使用 者的，也就是通信编程中通常所说的通信协议。用户层通信协议，简单来说，就是 数据以何种格式发送出去，或者如何从接收到的某种格式的数据串中提取出需要的 数据，以及在发送和接收过程中如何保证这些数据的正确性，即数据校验。 在串口用户层的通信协议中，一般是围绕发送方如何建立数据包和接收方如何 处理数据包并从数据包中提取出有效的信息，通信协议也必须有利于这一目的。 编制用户层的通信协议具有很大的随意性，但有几个原则是必须要遵守的： 1 ) 数据包应该有包头。包头是供接收方判断一个数据包开始传输的重要标志， 接收方从接收到的数据中判断接收到了包头，就认为接收的数据已经开始，真正的 数据信息马上就会到达。包头字符必须有别于数据信息，这种特征是数据包中其他 数据没有的，否则就会引起混乱。 2 ) 非定长数据包应该有包尾。所谓非定长，是指没有指明数据包的长度。对于 非定长的数据包，接收方只能根据包尾标志判断数据包是否结束。同包头一样，包 尾字符必须也有别于数据信息，这种特征是数据包中其他数据没有的，否则也会引 起混乱。 哈尔溟丁程大学硕十学何论文 i l l 3 ) 定长数据包应该指明长度。对于长度不变的数据包，数据长度可以事先约定， 也可以在数据包中的约定位置定义；对于长度可变的数据包，则必须每次在数据包 中的指定位置说明。接收方在知道了接收长度后，就能够判断接收的数据包是否结 束。 4 ) 一般应该对数据进行校验。串口通信底层龇g ( e h 机器硬件实现) 已经设置了 奇偶校验方式，在用户层加入校验，可以对数据进行进一步的排错，更好地保证数 据的正确性，因为在重要的场合，数据出错可能会引发严重的后果。 5 ) 为便于观察和调试，数据应该在结尾加入换行等符号。对于产品化的设备输 出数据或者需要经常调试的数据，应该在结尾加上换行，以便于在调试工具中查看 数据，方便调试程序时观察数据。 6 ) 更新陕的数据，应尽量简短。传输的数据越多，需要的时间越长，但传输速 率是有限制的，针对具体的硬件系统有不同的限制。因此，如果要求数据更新快， 就要让每次传送的数据尽量短。 上面所讲的通信协议，要在串口通信编程中实现，即如何处理数据包。即数据 发送时根据通信协议对数据进行打包，人机界面程序接收数据时根据协议对接收到 的数据信息“拆包 ，并取出有效的数据信息。 2 2t c p 佃协议分析 2 2 1t c p i p 参考模型 t ( ：p 腰协议( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l i n t e m e tp r o t o c 0 1 ) 网络体系来源于 美国a r p a n e t 工程，它的设计目的是独立于机器所在的某个网络，在它们之间提 供通用的互连。有了t c p h p 协议，我们就可以把互联网看成一个单独的虚拟网络， 所有的计算机都与它相连而不考虑实际的物理连接m 。 t c p i p 协议不是一个单一的协议，而是一系列通讯协议所组成，它们以交互方 式工作以便共同控制各主机与网络之间的数据交换。t c p i p 通常被认为是一个四层 协议系统( 如图2 1 所示) ，每层分别负责不同的通信功能，所以又叫t c p i p 协 议族。 6 哈尔滨t 稗大学硕十学位论文 概念上的层次层间传递的对象 广1 l 应用层 i ：二二二二二二= b报文或数据流 i 传输层 f = 二= 二二二二= 一 传输协议分组 i 网络层 l = 二二二二二二= ：卜 t p 数据报 i 网络接口层 l ：= = = = = = = = 卜 特定的网络帧 ： 硬件 ： 。：，一一 图2 1t c p 仰协议栈结构 2 2 2 t c p i p 工作原理 t c p i p 协议的执行过程是包括对来自应用层数据的封装过程和对接收的网络 数据进行解析的过程。 数据的发送过程对应的是数据的封装过程。应用层将字节流传给传输层，传输 层将其分成t c p 段，加上t c p 包头交给p 层，p 层将t c p 段放入其数据域，并 加上源主机和目的主机的i p 地址，封装成p 数据包，经网络接口层，交给数据链 路层，p 数据包再加上以太网帧首部( 如源端与目的端的m a c 地址、帧类型、校 验码等信息) 就封装成了一个完整的以太网帧并送至以太网。 接收数据的过程对应的是解析的过程。在目的主机端，数据链路层将以太网帧 头去掉，将p 数据包经网络接口层交给口层，口层检查口包头，如果包头中的检 查和计算出来的不_ 致，则丢弃该包，如果检查一致，p 层去掉口头，将t c p 段 交给t c p 层，t c p 层检查j l 颐序号来判断是否为正确的t c p 段，t c p 层检查t c p 包 头，如果不正确就抛弃，若正确就向主机发送确认，目的主机端在传输层去掉t c p 头，将字节流传给应用程序。如图2 2 网所示。 7 哈尔滨t 稗大学硕十学1 _ 奇：论文 2 2 3 应用层分析 图2 2t c p i p 工作原理图 应用层 8 在网络体系结构中，最高层协议与最底层协议一_ 样，总是有很多种类，各种最 底层协议针对不同物理硬件技术，各种最高层切议针对不同的应用。应用层负责处 理特定的应用程序细节。常用的应用协议包括h t l q ，、s m t p 、f t p 、t e l n e t 等。 2 2 4 传输层分析 传输层主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。将应用程序数据分成 合适的小块交给网络层，确认接收到的分组，设置发送最后确认分组的超时时钟等。 传输层提供了高可靠性的端到端的通信，因此应用层可以忽略所有这些细节。传输 层主要包括：t c p ( 传输控制协议) 、u d p ( 用户数据报协议) 。其中t c p 提供面 向连接的，高可靠性的服务：而u d p 提供无连接的，高效率的服务。t c p 、u d p 提出协议端口( p r o t o c o lp o r t ) 的概念，用于标识通信的进程，应用程序通过系统调 用与端口建立连接，传输层传给该端口的数据都被相应进程接收。 2 2 4 1 t c p 协议 t c p 在i n t e m e t 协议族的所有协议里是最复杂的。它为两个任意处理速率的、 使用不可靠i p 连接机制的机器之间的通信提供可靠的、具有流量控制的、端到端的 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 i lli_i ii i i iii i= i i i i i i 宣i 数据流服务。像大多数可靠的传输协议一样，t c p 使用重传超时机制以实现其可靠 性。然而，与大多数传输协议不同，t c p 在构造时必须非常仔细，以保证其在数据 报被延迟、复制、丢失、发送乱序或发送损坏、截断的数据时仍能正常工催1 。 每台支持t c p 的机器均有一个t c p 传输实体或者是用户进程，又或者为负责 管理t c p 流以及与p 层接口的核心。t c p 实体从本地进程接收用户数据，并将其 分为不超过6 4 k 字节的数据片段，并将每个数据片段作为单独的d 数据报发送出去。 当包含有t c p 数据的p 数据报到达某台相连的机器后，它们又被送给该机器内的 t c p 实体，被重新组合为原来的字节流。发送和接收方t c p 实体以数据段( s e g m e n t ， 也可称为数据包) 的形式交换数据。一个数据包包含一个固定的2 0 字节的头( 加上 个可选项) ，后面跟着0 字节或多字节的数据，数据包的大小由t c p 软件决定。 t c p 提供面向连接的、可靠的字节流传送服务。t c p 段包含源端和目的端的端 口号，用于寻找发送端和接收端应用进程。再加上p 包头中的源端i p 地址和目的 端i p 地址，唯一确定个t c p 连接。只有在两端都实现了t c p 连接，才可以进行 点对点的数据通信。消除传输中的错误，依赖持续跟踪已发出数据段的应答是否返 回。在设定的时间段内，如果未收到该段的应答则应重发。在总的极限时间段内一 直不能等到应答返回，则本次连接失效，并应将出错情况及时通知应用程序。 2 2 4 2 u d p 协议 用户数据报协议( u s e rd a t a g r a mp r o t o c 0 1 ) 提供应用程序之间的无连接通信。 用户数据报协议u d p 建立在i p 协议之匕，同口样提供无连接的数据报传输。相 对于p 协议，它唯一增加的功能是提供协议端口，提供应用程序之间的无连接进程 通信，它允许某个机器上的一个程序向其他机器上的一个或多个程序发送数据报并 接收相应信息。用户数据报协议u d p 虽然高效，但它不能保证数据报的可靠到达 和顺序到达，没有流量控制，所以在不可靠通信子网上使用切) p 协议，应用程序 就必须自己解决诸如报文丢失、重复、失序和流量控制等可靠性问题，保证u d p 数据报可靠的到达对方。 许多基于u d p 的应用程序在高可靠性、低延迟的局域网上运行的很好，而一 旦到了通信子网q o s 很低的网间环境下，可能根本不能运行。原因就在于u d p 不 可靠，而这些程序本身又没有做可靠性处理。因此，基于u d p 的应用程序在不可 靠子网上必须自己解决可靠性问题。 9 哈尔滨t 稃大学硕士学位论文 但正是由于l ) p 没有保证可靠性的机制，没有其他关卡机制，u d p 才得以实 现数据的高速发送。使用低速处理器时，因u d p 的开销很小，会使其传输率比t c p 高出很多。u d p 适用于微处理器性能有限、实时性要求较高且可靠陛要求不高的嵌 入式系统。因此，u d p 的设计对于嵌入式协议栈至关重要。 2 2 5 网络层分析 网络层，有时也称作互联网层。网络层的目标是隐藏物理网络细节，向上提供 一致、通用的服务。网络层协议包括p 协议( 网际协议) 、i c m p 协议( i n t e m e t 互联网控制报文协议) 以及i g l 、口协议( i n t e m e t 组管理协议) 。 网际协议i p ( i n t e m e tp r o t o c 0 1 ) 是t c p i p 协议族中最为核心的协议。所有的 t c p 、u d p 、i c m p 及i g m p 数据都以口数据报格式传输。i p 提供的是一种无连接、 不可靠的服务。无连接的意思是口并不维护任何关于后续数据报的状态信息。每个 数据报的处理是相互独立的。这也说明，p 数据报可以不按发送顺序接收。如果一 信源向相同的信宿发送两个连续的数据报( 先是a ，然后是b ) ，每个数据报都是 独立地进行路由选择，可能选择不同的路线，因此b 可能在a 到达之前先到达。不 可靠的意思是它不能保证口数据报能成功地到达目的地。口仅提供最好的传输服 务。如果发生某种错误时，如某个路由器暂时用完了缓冲区，p 有个简单的错误 处理算法：丢弃该数据报，然后发送i c m p 消息报给信源端。任何要求的可靠性必 须由上层来提供( 如t c p ) 。 i p 提供了三个重要的定义：第一、口定义了在整个网络上数据传输所用的基本 单元。因此，它规定了网络上e 传输的数据的确切格式；第二、口软件完成选路的 功能，选择一个数据发送的路径；第三、除了数据格式和选路的精确而j 下式的定义 外，p 还包括了一组体现了不可靠分组交付思路的规则。这些规则指明了主机和路 由器应该如何处理分组、何时及如何发出错误信息以及在什么情况下可以放弃分组。 2 2 6 数据链路层分析 数据链路层负责接收妒数据报或者从网络接收物理帧。数据链路层分为介质访 问控制子层m a c 和逻辑链路控制子层l l c ，m a c 子层的协议实现由m a c 接口芯 片来完成；而l l c 子层的实现由网络接口芯片的驱动程序来完成。数据链路层主要 包括a r p 协议( a d d r e s sr e s o l u t i o np r o t o c 0 1 ) 和r p 姻协议。a r p 协议的功能是为 i o 哈尔滨工程大学硕十学位论文 3 2 位i pt c _ 址n 对应的4 8 位以太网物理地址之间提供映射，将上层的i p 地址与底 层的物理地址进行绑定。r a r p 协议则是a r p 协议的逆过程，将物理地址映射成口 地址。 2 3 套接字技术及其原理 套接字( s o c k e t s ) 是支持t c p i p 协议的网络通信的基本操作单元。可以将套接 字看作不同主机间的进程进行双向通信的端点。它构成了在单个主机内及整个网际 间的编程界面。一般来说，跨机应用进程之间要在网络环境下进行通信，必须要在 网络的每一端都要建立一个套接字，两个套接字之间是可以建立连接的，也是可以 无连接的，并通过对套接字的“读”、“写”操作实现网络通信功能。类似于u n i x 系统中的i o 概念，像文件那样有打开、读、写、关闭的方式。根据传输数据类 型的不同，套接字可分为面向连接的数据套接字( s t r e a ms o c k e t s ) 和无连接的数据 报套接字( 岫s o c k e t s ) 两种类型州”习。 1 ) 端口：网络中可以被命名和寻址的通信端口是操作系统可分配的一种资源， 它用于标识通信的进程。按照o s i 七层协议的描述，传输层与网络层在功能上的最 大区别是传输层提供进程通信能力，而网络层不提供进程通信能力。网络通信的最 终地址就不仅仅是主机地址了，还包括可以描述进程的某种标识符。为此，t c p i p 协议提出了协议端口( p r o t o c o lp o r t ，简称端口) 的概念。 这样，进程就可以通过系统调用与某端口建立连接后，就可以接收数据链路层 传给该端口的数据，还可以把应用程序发给传输层的数据通过相应的端口进行输出。 在t c p i p 协议的实现中，端口操作类似于一般的操作，进程获取个端口， 相当于获取本地唯一的哟文件，可以用一般的读写原语访问。 2 ) 端1 2 1 号：类似于文件描述符，每个端口都拥有一个叫端口号( p o r tm m a b e r ) 的整数型标识符，用于区别不同的端口。 端口号的分配有两种基本方式： ( 1 ) 全局分配，这是一种集中控制方式，由个公认的中央机构根据用户需要 进行统一分配，并将结果公布于众。但这种方法不能适应大量的、变化迅速的端口 使用环境，如果在一个大型的网间网中，进程数目很大，显然全局端口分配满足不 了需要。 ( 2 ) 本地分配，又叫动态连接，即在进程需要访问传输层服务时，向本地操作 哈尔滨t 程大学硕七学位论文 系统提出申请，操作系统返回一个本地唯一的端口号，进程再通过合适的系统调用， 将自己与该端口号联系起来。本地分配方式不受网络规模的限制，但其它主机无法 获知分配结果，进程之间依然难以建立通信。 3 ) 地址：网络通信中通信的两个进程分别位于不同的机器上。而且，在互联网 络中，两台机器可能位于不同的网络中，这些网络通过网络互连设备( 网关、网桥、 路由等) 连接。因此需要三级寻址： ( 1 ) 如一个主机与多个网络相连，必须指定特定网络地址。 ( 2 ) 网络上每一台主机都有其唯一的地址。 ( 3 ) 每一主机上的每进程应有在该主机上的唯一标识符。 通常主机地址由网络d 和主机d 组成，在t c p h p 协议中用3 2 位整数值表 示，t c p 和u d p 均使用1 6 位端口号标识服务用户进程。 2 4c s 模式以及并发服务器 网络编程中最常见的是c s 模式，在该模式下，服务器端有一个任务( 或多个任 务_ ) 在指定的端口等待客户来连接，服务程序等待客户的连接信息，一旦连接上之后， 就可以按照设计的数据交换方法和格式进行数据的传输；而客户端则在需要的时候 发出向服务端的连接请求。客户端与服务器端的关系如图2 3 所示。 请求 、 ，、7 应答 图2 3c s 模式 服务端的程序设计在结构上可以使用两种基本模式：循环模式和并发模式。 循环模式：服务端进程在总体上是一个循环，一次处理一个请求。在有很多客 户端请求时，请求放入队列，依次等待处理。如果某个请求的处理时间过长，就会 导致队列满而不能接受新的请求。 并发模式：服务端进程可以同时处理多个请求，结构上一般采用父进程接受请 求，然后调用f o r k 产生子进程，由于进程处理请求。该模式的优点是可以同时处理 1 2 哈尔滨t 稗大学硕十学f 7 ：论文 i f i i i i i i i i i i i i 多个请求，客户端等待时自j 短。 2 5 网络中的通讯方式介绍 网络中的通讯方式有三种：单播、组播和广播。 单播( u n i c a s t ) 传输：在发送者和每一个接收者之间都需要单独的数据信道。 如果一台主机同时给很少量的接收者传输数据，般没有什么问题。但如果有大量 主机希望获得数据包的同份拷贝时却很难实现。这将导致发送者负担沉重、延迟 长、网络拥塞，为保证一定的服务质量就需要增加硬件和带宽。如图2 4 所示。 丰机l 图2 4 单播模式 广播传输( b r o a d c a s t ) ：是指网络向广播域内每个目的节点投递一个分组的拷 贝。它的主要缺点是所有通信节点都要接收和处理所有送到网络上的数据报，再依 靠协议软件来丢弃非该节点的数据报，这将严重消耗所有通信节点的资源。在网络 e 存在大量广播报文时，会严重影响网络通信的性能，并形成广播风暴。广播风暴 是一种在网上广播的消息导致大量响应，每个响应又导致其它大量响应的状态。严 重的广播风暴有可能封锁所有网络通信端口，导致网络灾难。如图2 5 所示。 组播传输( m u l t i c a s t ) ：是一种将个分组的多份拷贝传送给所有可能目标站 的选定子集的技术。一些硬件( 如以太网) 通过使某个网络接口加入一个或多个组播 群组而支持组播，被称为硬件组播( h a r d w a r em u l f i c a s t ) 技术。p 组播( i pm u l f i e a s t ) 哈尔滨1 _ 程大学硕+ 学位论文 是对i n t e m e t 网络中硬件组播的抽象。它是指将口数据报传输到一个构成了p 组播 群组( 口m u l t i c a s tg r o u p ) 的主机集合。群组中的各个成员可能分布于各个独立的物 理网络上。i p 组播群组中成员的关系是动态的，主机可以在任何时候加入或退出群 组，不是某群组成员的主机也能向该群组发送组播数据报。m 组播基于口网络层， 使用u i ) p 数据报。和u d p 数据报一样，p 组播的数据报也可能出现丢失、延迟、 重复以及乱序到达等现象。如图2 6 所示。具体的原理会在第4 章介绍。 图2 5 广播模式 图2 6 组播模式 1 4 哈尔滨1 ：程大学硕十学何论文 i i i i i i i i i i i i i i i 宣i i i i | i i i i i i i i i i j ii i i i 鲁 2 6 本章小结 本章简要地介绍了海洋环境信息通信系统所应用到的主要技术和原理。包括串 i z l 通信原理；t c p i p 参考模型，详细介绍了p 协议、u d p 协议的功能及原理； s o c k e t 套接字技术与原理；c s 模式与并发服务器；通信方式介绍。 哈尔滨t 稗大学硕+ 学位论文 i m mi i ii i ! - i i i i i i 第3 章海洋环境信息通信系统总体设计 海洋环境信息应用系统集成海洋中温度、盐度、密度、声场、海流、潮汐、水 深、底质等各种信息，为船舶航行、操纵等诸多活动提供必要的支持和保障。海洋 环境信息通信系统作为其重要的组成部分，成为应用系统是对内、对外连接的桥梁。 3 1 方案设计 由于海洋环境信息系统属于主干网上的一个设备，对于设备接入主干网的方式 进行详细方案设计，进行充分论证；对于整个系统的通信方式进行选择和设计，避 免广播风暴，又能充分考虑以后网络扩充问题。 3 1 1 海洋环境信息系统接入主干网的方案设计 针对海洋环境信息系统与外网接入方式，有以下两种方案选择：1 ) 交换机作为 接入主干网的设备。2 ) 代理服务器作为接入主干网的设备。现在分别进行分析。 3 。1 1 。1 交换机作为接入主干网的设备 交换机接入方式，海洋环境信息应用系统内的所有设备都连接到主干网上，相 当于主干网上的一个子网。子网内的设备采用分布式管理。设计框图如图3 1 所示。 这种接入方式的优点如下： 1 ) 外网的设备通过海洋环境信息应用系统内的交换机直接访问系统内的分设 备，可以满足更好的实时性要求。 2 ) 连接方式简单，成本低，开发简单，布线容易。 缺点如下： 1 ) 海洋环境系统内的各设备之间的互访，要经过主干网的三层交换机。这样会 增加主干网上的网络路由，加重主干网上的网络负荷，在主干网上的设备比较多的 情况下。这种多开销的网络路由对主干网的影响是不可忽略的，会造成主干网上的 网络拥塞。 2 ) 不利于协调本系统设备与外网的关系，不便于集中管理系统内的各设备。 1 6 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 星型以太网 综合 导航 系统 墼葶毫麓同 服务器分系统设备l t j 交换机 0 尸彳硼奉+ 钏岔嚣每懂 l ill j 设备i 。：j l 竺竺! 竺! l u l 一网一l h 回 i 主干网三l 一 层交换机 一! 图遁二三：二蛩一 图3 1 交换机接入主干网 3 1 1 2 代理服务器作为接入主干网的设备 设置外网与海洋环境信息应用系统的接口设备。此接口设备与主干网连接。系 统内设备连接到本系统内部的交换机上，这样与外网之间是集中式管理，本分系统 内部是分布式管理。设计框图如图3 2 所示。这样接入方式的优点： 嚼 综合 导航 系统 图3 2 代理服务器接入主干网 1 ) 保证海洋环境信息应用系统工作独立，不受主干网的影响。无论主干网是否 工作，都能保证系统向用户提供实时和历史的海洋信息。 2 ) 不会带来主干网上额外的网络路由，本系统内部设备的互访都经过系统内部 的交换机，信息不会传输到外网，这样保证与外网的相对隔离。 3 ) 有利于协调本系统内部设备之间的关系，对于与外网的连接，采用集中式管 1 7 哈尔滨工程大学硕十学何论文 理。例如主干网上的设备管理器发送给海洋环境信息系统的工作状态询问，可以通 过与外网的接口设备直接查询本系统内部设备，将信息综合起来之后，外网的接口 设备将信息发送给主干网上的设备管理器，这样体现了集中式管理的优点，有利于 系统维护。同时本系统内部设备的信息传输采用分布式传输，可以满足实时性的要 求。 缺点如下： 1 ) 所有与外网对数据库服务器的访问都要经过外网接口设备。这样会增加系统 的时间开销和外网接口设备的工作压力。 2 ) 对与外网连接的设备的稳定性、可靠性和实时l 生有更高的要求，所以在嵌入 式系统选择和硬件配置方面有更高的要求。 针对上述两种方案，综合考虑性能要求，要求海洋环境信息系统工作独立以及 便于系统管理，本海洋环境信息通信系统选择方案二作为接入主干网方式。 3 1 2 通信模式方案设计 当网络中信息需求用户数量比较多时，与单播应用相比，使用p 组播技术分发 信息能够从本质上减少整个网络带宽的需求，下面通过海洋环境信息网络传输来说 明，p 组播的优点体现在以下几个方面： 1 ) 带宽 对于海洋环境信息网来说，大量的用户经常要在大致相同的时间里访问相同的 信息，如果使用口单播，网络带宽的消耗就会呈线性增长。因为重复的数据流被单 一数据流传送所代替，从而使得网络带宽更有效的使用。 2 ) 服务器负载 如果海洋环境信息网使用单播传送柳制，随着相同