（测试计量技术及仪器专业论文）基于internet的测试网体系结构及顶层协议研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 本文主要对基于互联网的测试网体系结构及顶层协议进行研究。 首先，通过对以i n t e r n e t 为基础构建测试网的特点、可行性及制约因素进行深入 研究和探索，提出了基于互联网的，以测试中心服务器为管理核心、测试服务器为网 络测试节点、测试用户为服务对象、由测试用户灵活配置的，具有开放互连能力，实 现全网络范围内测试信息的实时获取和数据共享的分布式测试网体系结构。 其次，本文进步明确了组成测试网的测试服务器、测试中心服务器、测试客户 端等概念，深入分析了概念的内涵和外延，对每一部分的作用和功能进行了详细说明 和区分。 接着，制定了相应的测试网接口协议标准。指出该协议属于互联网o s i 参考模型 中的应用层协议，并详述了测试服务器入网子协议、测试服务器服务子协议、用户测 试子协议和测试网时间同步子协议等测试网运行所依赖的几个基本协议。 另外，作为所提出的测试网体系结构的一个应用实例，本文还对远程实物实验 平台进行了详细的介绍。 文章的最后，对测试网领域的标准化问题进行了一些简要的探讨和分析，对未来 测试领域的发展进行了一些展望。 关键字：互联网测试网络体系结构测试中心服务器测试服务器接口协议标准化 远程实验 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t t 1 1 i sp a p e rm a i n l yr e s e a r c h e st h ea r c h i t e c t u r ea n dt h et o pt i e rp r o t o c o lo ft h et e s t n e t w o r kb a s e do n 也ei n t e m e t f i r s t l y ，b a s e do n t h ed e e p l yr e s e a r c ha n d e x p l o r a t i o no r t h ec h a r a c t e r i s t i c ，f e a s i b i l i t y a n dr e s t r i c t i v ef a c t o ro ft h et e s tn e t w o r k sb u i l d i n gb a s e do nt h ei n t e m e t ，t h i sp a p e r b r i n g s f o r t ha no p e na r c h i t e c t u r eo ft h ed i s t r i b u t e dt e s tn e t w o r kb a s e do nt h ei n t e m e tw h i c hc a n b ef l e x i b l y c o n f i g u r e db yt h e r i s e r i nt h et e s tn e t w o r k , t h et e s t c e n t e rs e r v e ri st h e m a n a g e m e n tc e n t e r , t h et e s ts e r v e ri st h en e t w o r kt e s tn o d e ，t h eu s e r s a r et h es e r v i c e o b j e c t s ，a n df u t t h e l t n o t e ，i t c a r lr e a l i z et h eo n - l i n e a c q u i r i n g a n ds h a r eo ft h et e s t i n f o r m a t i o na n dd a t at h r o u g h o u tt h ew h o l en e t w o r k s e c o n d l y , t h i sp a p e rd i s t i n c t l y d e f i n e st h e c o n c e p t i o n s o ft h et e s t s e r v e r ，t h e t e s t - c e n t e rs e r v e ra n dt h et e s tc l i e n tw h i c hc o n s t i t u t et h et e s tn e t w o r k ，a n dd e e p l y a n a l y s e st h ec o r m o t a t i o na n de x t e n s i o n o ft h e s e c o n c e p t i o n s i t a l s oi l l u m i n a t e sa n d d i s t i n g u i s h e se a c hp a r t sf u n c t i o na n du s i n g n e x t ，t h ep a p e rc o n s t i t u t e sr e l e v a n tt e s t n e t w o r ki n t e r f a c e p r o t o c o l s t a n d a r da n d p o i n t so u tt h i sp r o t o c o lb e l o n g s t ot h e a p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o lo f t h ei n t e m e t o s im o d e l i ta l s oi n t r o d u c e ss o m eb a s i cp r o t o c o l si n c l u d i n gt h et e s ts e r v e rl o g g i n gp r o t o c o l ，t h e t e s ts e r v e rs e r v i c ep r o t o c o l ，t h eu s e rt e s tp r o t o c o la n dt h et i m es y n c h r o n i z a t i o n p r o t o c o l ，e t e i na d d i t i o n , a sa l la p p l i c a t i o ne x a m p l eo ft h et e s tn e t w o r ka r c h i t e c t u r es e tf o ma b o v e t h i sp a p e ra l s oi n t r o d u c e st h ed i s t a n c e p r a c t i c a l i t ye x p e r i m e n t p l a t f o r mi nd e t a i l i nt h ee n d ，t h i sp a p e rs i m p l yd i s c u s s e sa n da n a l y s e st h ei s s u e so ft h es t a n d a r d i z a t i o n i nt h ef i e l do ft h et e s tn e t w o r k ，a n da l s ov i e w st h ed e v e l o p m e n t p r o s p e c to f t h ef u t u r et e s t f i e l d k e y w o r d s ：i n t e r n e t ，t e s tn e t w o r k ，a r c h j t e c t u r e ，t e s t - 0 e n t e rs e r v e r ，t e s t s er v e r ，in t e r f a c ep r o t o c o ，s t a n d a r d iz a t i o r ，d is t a n c ee x p e r i m e n t 第1 i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 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 何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目： 基土! ! ! ! 盟! 曲趔达圆生丕箜控丞亟星盐这盈究 学位论文作者签名：岳登鳖日期：卫啦年，月，平日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查l 阉和借阒；可以将学位论文的全部或部分内容编入有差数据 库进行检索，可以呆用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目：基王i ! ! ! ! ! ! ! 鲍型达圈佳叠鳖拉丞亟星盐这丑宜 学位论文作者签名：生盟鳖日期：矽口上年j f 月，年日 作者指导教师签名：塾幽日期：年月 日 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 1 1 in t e r n e t 的发展对测试领域的影响 1 1 1 网络化是测试领域发展的新趋势 随着以i n t e m e t 为代表的计算机网络的迅猛发展，在测试领域掀起了一场新的革 命，测试正在由传统的单点测试向多点网络化测试方向发展，测试系统也由传统的集 中模式向分布式模式方向发展，网络化已经成为测试领域发展的新趋势。 测试仪器仪表的发展也将遵循跟着通用计算机走、跟着通用软件走和跟着标准网 络走的指导思想；仪器设计的标准也将向计算机标准、通用网络规范靠拢【2 】。相应地， 各种接口转换设备和具有网络接入能力的测试仪器相继出现，包括v x i 在内的许多 测试技术标准也推出了相应的测试设备上网规范，极大地加快了网络化测试的进程。 现在，测控系统的设计思想也明显受到了计算机网络技术的影响，基于网络化、 模块化、开放性等原则，测控网络也由传统的集中模式转变为分布模式成为具有开 放性、可互操作性、分散性、网络化、智能化的测试系统。网络的节点上不仅有计算 机、工作站还有智能测控仪器仪表，测控网络将有与信息网络相似的体系结构和通 信模型。比如目前测控系统中迅猛发展的现场总线，它的通信模型和o s i 模型对应， 将现场的智能仪表和装置作为节点，通过网络将节点连同控制室内的仪器仪表和控制 装置联成有机的测控系统。测控网络的功能将远远大于系统中各个独立个体功能的总 和，结果是测控系统的功能显著增强，应用领域及范围明显扩大。 1 1 2i n t e r n e t 技术发展对测试网络化的影响 当今时代，i n t e m e t 正在极大地改变着人们的生活面貌，具体到测试领域，以 i n t e m e t 为代表的计算机网络的迅速发展及相关技术的日益完善，突破了传统通信方 式的时空限制和地域障碍，使更大范围内的通信变得十分容易，i n t e m e t 拥有的软硬 件资源正越来越多地在测试领域中得到应用比如远程故障诊断、远程医疗、远程数 据采集与控制、高档仪器设备资源的网络共享和远程实时调用等。与此同时，高性能、 低成本的网关、路由器、中继器及网络接口芯片等网络互联设备的不断进步，又方便 了i n t e m e t 、不同类型测控网络、企业网络间的互联i l 】。 i n t e m e t 领域最为成功的以太网( e t h e m e t ) ，也从最初1 0 m b p s 以太网，过渡到 1 0 0 m b p s 陕速以太网和交换式以太网，直至发展到今天的千兆以太网和光纤以太网。 可以说，开放的e t h e m e t 是2 0 多年来发展最为成功的网络技术，并导致了一场信息 技术的革命。 过去一直认为，e t h e m e t 是为i t 领域应用而开发的，在工业自动化领域只能得到 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 有限应用，这是因为它采用c s m a c d 碰撞检测方式，在网络负荷较重时，网络的确 定性不能满足工业控制的实时要求：它所用的电缆、交换机等设备不符合工业现场恶 劣环境的要求，抗干扰能力差等缺点。现在，随着网络技术的发展，这些问题正在迅 速得到解决。为了促进e t h e m e t 在工业领域的应用，国际上成立了工业咀太网协会 ( i n d u s t r i a le t h e m e ta s s o c i a t i o n ) ，并与美国a r c a d v i s o r yg r o u p 、a m rr e s e a r c h 研 究中心和g a r t n e rg r o u p 等机构合作开展工业以太网关键技术的研究，加上各大网络 公司、自动化公司( 如西门子公司) 等的努力，可以预见，像当年p c 进入工业自动 化领域一样e t h c m e t i p 将会十分迅速地进入工业控制系统的各级网络。 因此，利用现有i n t e v n e t 资源而不需建立专门的拓扑网络，就可以组建满足工业 应用的测试网络，并且可以方便地实现测试网络和企业内部网络以及i n t o n e t 间的互 联，这就为测试网络的普遍建立和广泛应用铺平了道路。 1 2 基于i n t e r n e t 的测试网的特点 计算机网络的飞速发展，尤其是i n t e m e t 的日益普及和网络技术的日益完善，使 得采用i n t e m e t 所具有的开放性互联通信标准，组建基于现有i n t e m e t 网的通用测试 网络成为可能，和传统的测试网相比较，基于i n t e m e t 的测试网具有以下显著特点： l 、搭建方便 i n t e m e t 经过近十年的发展现在已经日益成熟，不论是网络设备，还是网络运行 协议，都已形成了比较规范的标准。基于i n t e m e t 的测试网络是建立在现有i n t e m e t 基础之上的，因此可以充分利用现有的网络资源，不必搭建专门的网络，只需把测试 仪器设备当作i n t e r n e t 网络中的节点即可这使得组建测试网络如同现在组建信息网 络一样简单方便。 2 、成本低 以i n t e m e t 为基础构建测试网络可以充分利用现有成熟的网络技术和i n t e m e t 所 具有的软硬件资源，节约大量的现场布线，大大降低测试网络搭建成本。随着i n t e m e t 的广泛普及，现有的i n t e m e t 网络设备如网关、路由器、交换机等，相对专用测试网 络设备来讲，不仅性能越来越高，而且成本也越来越低。而专用的测试网络，如 l o n w o r k s 总线网络、c a n 总线网络等，由于需要专用的设备和网络布线，不仅增加 了搭建的难度，而且还提高了网络搭建的成本。 3 、开放性强 很显然，采用i n t e m e t 技术组建的测试网可以报方便地与外界连接，尤其是与 i n t e m e t 连接，这种互联性是建立在i n t e r a c t 高度开放的基础之上。不仅如此，现有的 专用测试网络也开始向i n t e m e t 靠拢使之能够成为i n t e r a c t 的一个网段或子网，这 样就实现了各种测试网络在i n t e r a c t 范围内的互联。在这样构成的测试网络中，信息 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 可跨越网绍传输至所及的任何领域，实时、动态的在线测控将成为现实。 4 、范围广 由于i n t e m e t 是为实现全球范围内资源共享和信息交流而设计的，它可以实现全 球范围内的寻址，因此，基于现有i n t e m e t 组建测试网络的测试范围可以很广。不久 的将来，将能够实现从地球上的任意地点、任意时间对任何地方测试信息的实时获取。 5 、兼容隍强 i n t e m e t 是一个开放的网络，它所采用的技术具有很强的通用性，基于i n t e r n e t 组建测试网络无疑具有兼容性强的特点。而传统的测控网络都是面向特定应用定制 的，它们对某一领域具备一定的开放性，但还不具备普遍的适用性；因为它们不是采 用通用的遍及全球的互联网，因此相互之间的兼容性，以及测试的范围和测试数据的 共享都是很有限的，而采用i n t e m e t 以太网技术组建的测试网由于使用互换性很强的 标准网络设备，通用性很强，将来有望替代或融合现在的专用测试网络。 6 、便于标准化 现在常用的测控网络由于历史的原因或集团利益的驱使，相互之间形成了激烈的 竞争，还没形成统一的标准，因此很不便于推广。比如，现存的现场总线就有几十种， 如c a n 总线、l o n w o r k s 总线等，它们都开发自己的现场总线产品，并投入了市场， 各种不同标准的产品充实市场，以及关于总线的无休止的争论使用户无法判断到底使 用哪种现场总线。而i n t e r n e t 得以迅猛发展的原因就是它采用的是开放性的标准，各 开发商都可以参与标准的制定并遵循统一的标准，因此，将来的测试网络就有可能在 i n t e r n e t 的规范之下形成统一的标准。 1 3 基于in t e r n e t 构建测试网的可行性 基于i n t e r a c t 构建的测试网络相对于传统的测试网络来讲，具有兼容性更强，网 络范围更广、成本更低、互联性更高以及便于标准化等优点，那么就现在技术水平 和将来的发展来言，构建这种普遍使用的、实现全球范围测试数据实时获取和共享的 通用测试网络是不是有可能呢? 回答是肯定的，主要基于以下几点理由： l 、网络化仪器的概念已经形成，并且在现实中已经有了相应的产品 根据网络化测试技术的特点，我们试将服务于人们从任何地点、在任何时间都能 够获取到测试信息( 或数据) 的所有软、硬件条件的有机集合称为“网络化仪器”。 安捷伦科技有限公司遵循“对网络看得越清楚，问题就能越快地解决”的宗旨， 几年前就将联网功能作为其i n f i n i u m 系列数字存储示波器的标准性能，并且研制出了 具有网络功能的1 6 7 0 0 b 型逻辑分析仪，这种网络化逻辑分析仪可实现任意时间、任 何地点对系统的远程访问，实时地获得仪器的工作状态，还能将远程仪器测得的数据 经网络迅速传递给本地计算机。又如国防科技大学机电工程与自动化学院3 2 3 教研室 第3 页 国防科学技术大学研宄生院学位论文 研制的某型号发动机综合参数测试系统，该系统配有通用以太网卡，可以通过网络远 程控制，方便地实现系统的网络操作。 2 、各种网络接口协议转换设备已经投入使用 这些接口协议转换设备可以将现在广泛使用的r s 2 3 2 4 8 5 4 8 8 以及g p i b 等接口 转换成r j 4 5 网卡接口，并赋予t c p 仰地址，方便地把这些传统仪器设备联入网络。 比如，具有口地址的g p i b - e n e t 协议转化设备可以将g p i b 仪器转换成以太网 接口设备，使之成为网络上的一个节点；又如江苏银河电子股份有限公司 ( h t t p ：w w w y i n h e c o r n ) 的串口设备服务器，具有r j 4 5 网络接口、提供可靠的t c p i p 连接，能使所有r s 2 3 2 4 2 2 4 8 5 串口设备轻松联入以太网，形成了“设备控制终 端网络”的体系，从任何地方都可实时访问、管理和控制设备，构建完全自动化 的网络系统。 3 、网络化智能传感器技术快速发展 有专家预测，2 1 世纪半数以上的传感器都是应用于端到端通信的分布式系统中 的、具有互操作性能力的智能型传感器。测试网络的终端不仅有网络化的测试仪器， 而且还包括大量的具有网络通信能力的智能传感器。随着大规模集成电路、微处理器 技术、微机电系统( m e m s ) 技术的发展，这些新型的传感器能将传感、转换、数据 处理、网络通信等硬件集成在一起，从而实现采集、处理和传输的统一。现在，i e e e 和n a t i o n a li n s t i t u t eo f s t a n d a r d sa n dt e c h n o l o g y ( n i s t ) 联合制定了i e e et c 9 智能 传感器通信标准，进一步规范了传感器制造的标准，突破了传感器和网络之间的障碍。 4 、各种测试网络系统解决方案层出不穷 现在，很多公司都相继推出了各种测试网络系统解决方案，比如，北京英贝多 嵌入式网络技术有限公司0 a t t p ：w w w e m b e d o r ) 的e m 2 0 0 2 系列解决方案可将设备接 入e t h e r n e t i n t e m e t 。该方案具有完备的网络协议( h t t p t c p u d p f t p i p i c m p 等) ， 可实现基于s o c k e t 的网络通讯和浏览器下的设备控制。又如四川拓普数字设备有限 公司的某大型分布式远程数据采集系统将服务器、客户机、r s 2 3 2 4 8 5 仪器设备、g p i b 仪器通过t c p i p 掷议联网，可远程控制各测量仪器、远程读取采集数据、实现仪器 的共享等，并能适应系统硬件结构和规模的改变。 5 、采用以太网新技术能够提供工业网络一样的可靠性。 阻太网技术的发展增强了其通信的确定性，首先，在网络拓扑结构上，采用星形 连接及交换式h u b ，交换式h u b 提供数据缓冲及具有确定接收数据的网段功能，使 数据冲撞及重发机会最小化；其次，快速以太网( 1 0 0 m b i t s ，1 g b i t s ) 的发展及网络 冗余技术使以太网更适应于实时应用：另外，改进的通信协议克服了t c p s p 协议中 的缓冲器满再发送及冲撞控制中的允许“丢”包等缺点，这些都为基于以太网技术的 测试网数据传输提供了可靠性保证。 6 、数字同步网为测试仪器的同步提供了保障 ： 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 数字同步网作为电信网的三大支撑网之一，为网内需要同步的电信设备提供了高 质量的定时信号，对电信网的正常、稳定运行起到了巨大的支撑作用，提高了电信网 的运行质量。而i n t e m e t 与电信网有着密不可分的联系，利用电信网的数字同步技术 可以很方便地解决测试网络中各仪器设备的时间同步问题。 基于以上六点主要原因，我们有理由相信，在不久的将来，采用以太网技术、基 于i n t e m e t 的通用测试网络必将能够广泛使用。 1 4 基于i n t e r n e t 构建测试网的制约因素 基于i n t e m e t 的测试网络是建立在测试技术、仪器仪表技术、通信技术和网络技 术之上的，但却不是这些技术的简单组合，由于受技术发展的限制，现在构建基于 i n t e m e t 的测试网还有很多制约因素，具体地主要有以下几点： 1 、时间同步问题 分布式测试网中各测试仪器设备之间的时间同步问题是测试网中最基本和最重 要的问题之一，这在基于i n t e m e t 构建测试网络的过程中显得尤为突出。因为在测试 应用场合，各测试项目的数据通常都是紧密相关的，各测试设备的触发也要求按照一 定的时序和节拍，为了保证测试结果的正确性，必须为网络中各设备提供统一的时钟 和时间基准信号，以保证它们能够协调工作，也就是说整个测试网络内的测试设备必 须在统一的时钟节拍下运行。但是，现在被广泛应用的i n t e m e t 或以太网基本上都是 异步的，对时间同步的支持较弱，目前还没有专门的同步技术可以被直接使用，所以 对基于i n t e m e t 的测试网时间同步问题应给予重点研究解决。 2 、可靠性问题 由于i n t e m e t 是为i t 领域应用而开发的，较少考虑工业现场的恶劣环境，因此其 抗干扰能力较差，而且传统的毗太网结构使用总线将各个节点连在一起，允许同时将 数据发送到网上，这样就发生了冲撞，必须采用重发机制以达到相对高的成功率，这 种机制最终会导致数据传输的非确定性。基于i n t e r a c t 的测试网作为互联网领域的一 个应用，不可避免地要遇到可靠性问题，而且会显得更加突出，必须通过改进以太网 技术来加以解决。 3 、安全性问题 因为i n t e m e t 是一个高度开放的网络，全球范围内的网络环境非常复杂，安全性 是一个不可回避的问题。这在诸如局域网等网络环境己知的情况下可以加以限制，但 若采用现有的国际互联网搭建更大范围内的测试网来说，安全性是一个不可回避的问 题，如何做到测试网络的安全，是另一个值得解决的问题。 4 、数据传输速率 现场总线的传输速率都有严格的规定，而i n t e m e t 是一个非常宽泛的网络，对传 输介质、数据传输速率等指标有很大的包容性，允许各种速率的网段存在，这就为测 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 试带来了一定的麻烦，因为测试对数据的传输速率有较高的要求，因此必须对这个问 题加以研究。 5 、数据总线接口控制问题 基于i n t e m e t 组建测试网络的好处之一就是它具有强大的兼容性，要想实现这个 目标，除了现有网络本身所具有的兼容性外，还要考虑到测试领域中各种数据总线接 口控制问题，应该能够将各种标准接口如r s 2 3 2 、r s 4 2 2 、r s 4 8 5 、1 5 5 3 、1 8 5 0 、i s a 、 e p p 、g p i b 、v x i 、u s b 及以太网等都很好地纳入测试网系统体系结构中。 1 5 课题研究的现状及意义 现在，关于以i n t e m e t 为基础构建测试网络的研究已经进行得越来越深入了，各 种思路相继出现并得到了较好的实现，主要表现在以下方面： l 、设法将传统测试仪器联入网络 根据这个思路，设计出了各种各样的接口协议转换设备，比如前面讲到的具有i p 地址的g p m e n e t 转化器可以将g p m 仪器联入网络，还有很多将r s 2 3 2 4 8 5 等串 口仪器设备联入网络的转换器等，这个思路解决了现存的大量仪器的上网问题。 2 、采用网卡接口芯片或嵌入式系统设计具有联网功能的新型仪器 这个思路是把t c p i p 协议作为一种嵌入式的应用，嵌入现场智能仪器的r o m 中，使信号的收、发都以t c p i p 方式进行，如此，系统在数据采集、信息发布、系 统集成等方面都以i n t e m e t 或以太网为依托，将测试仪器或系统和企业内部网及 i n t e m e t 互联，便于实现测试网和信息网的统一。 3 、为现场总线配置以太网t c p i p 的访问机制 按照这个思路设计的现场总线控制器一方面能够将各种现场总线设备联成网络， 另一方面还支持以太网接口的配置和维护这样就可以将现场总线测试网络当作基 于i n t e m e t 的测试网络的一个基本单元或子网，实现现场总线和测试网的融合。比如 s i e m e n s 公司c p 3 4 3 模块在继承原有现场总线结构的基础上，提供以太网t c p 的访 问机制，为测试网提供了灵活的解决方案。 将来，以太网t c p i p 很有可能取代现场总线成为工业网络的标准，如今已有多 家企业和协会致力于全集成网络标准的制定，如s i e m e n s 的p r l f i n e t 、l e a ( 工 业以太网协会) 和o d v a ( 开放设备网制造商联盟) 提出的e h e r e t i p 就是很不错 的协议标准。 不过，短时间内，此类标准不可能统一，真正的互用性无法实现，而且有关以 i n t e m e t 为基础构建的测试网络体系结构及接口协议标准还没有制定出来，这就与信 息化、数字化、网络化时代对测试信息的巨大需求产生了深刻的矛盾，因此，研究基 于i n t e m e t 的测试网络具有很重要的意义： 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 l 、研究基于i n t e m e t 的测试网络协议，把现有仪器设备联入网络，组建分布式网 络化测试系统，可以有效地利用互联网现有的软硬件资源和成熟的组网技术方便系 统的搭建降低测试网络建设成本。 2 、通过研究测试网接口协议，提出一套用于将各种测试系统、测试仪器、网络 化传感器等联入网络的方式，能够实现高档测量仪器设备以及测量信息的地区性、全 国性乃至全球性资源共享。 3 、研究基于i n t e m e t 的测试网体系结构，对于建设网络化多参数综合测试系统、 远程实物实验系统、远程医疗、高档测量仪器设备资源的远程实时调用、远程设备故 障诊断、楼宇监控等具有指导和推动作用。 4 、研究基于i n t e m e t 的测试网络体系结构及接口协议，致力于全集成网络标准的 制定，最终目标是实现通过网络在全球范围内对各种测试数据信息的实时获取，因此 具有一定的前瞻性，对将来实现数字化地球、网络化生活是一种有益的尝试。 1 6 课题来源及研究的主要内容 本课题来源于总参军训部“全军网上虚拟实验室平台”建设子项目“远程实 物实验平台”建设，和我校测控技术及仪器教研室研制的“基于园区网的传感器振动 测试平台远程实物实验系统”的后期完善工作。“全军网上虚拟实验室平台”建设 的一个主要目标就是逐步更新与完善军队网上虚拟实验室建设技术规范，努力争取填 补国家远程教育标准化委员会网上虚拟实验室建设技术规范的空白。本课题通过设计 远程实物实验平台，进而研究基于互联网的通用测试网体系结构及接口协议标准，主 要完成的任务有： l 、完善“基于园区网的传感器振动测试平台远程实物实验系统”。原来这个系 统的网络通信、控制程序采用p o w e r b u i l d e r 编写客户机服务器之间采用代理的方式 进行远程调用层与层之间耦合较重，适合于企业组网而不便于基于互联网范围内的 联网，而且不是基于w e b 浏览器的客户端控制方式，需要下载客户端。本课题采用 j a v a 语言编写中心服务器，实现了平台无关性：层与层之间采用基于t c p i p 协议的 s o c k e t 连接，各层之间的耦合很小：客户端采用基于w e b 浏览器的控制方式，不仅 实现了开放性，而且可以很方便的在任何联网的计算机上操作该远程实物实验系统。 这部分工作已经圆满完成。 2 、在完善“基于园区网的传感器振动测试平台远程实物实验系统”的基础上， 着手设计“远程实物实验平台”该平台为全军各单位开发的不同的远程实物实验提 供了一个通用的网络平台，它把中心服务器层抽象出来，使各开发单位把主要精力放 在具体实验系统搭建和客户端分析程序的设计上，而不必关心上层实验服务如何实 现，能够避免重复劳动，提高工作效率。 3 、提出一套远程实物实验系统组建的方法并设计相应的通信协议，指导全军 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 各单位快速开发出各具特色的远程实物实验系统( 主要是测试类实验) ，努力争取填 补国家远程教育标准化委员会关于远程实物实验系统建设技术规范的空白。该协议初 稿已经提交给各单位进行测试，并不断接到反馈修改意见。 4 、进一步理清基于互联网的通用测试网体系结构，深入研究组建测试网的各项 关键技术，着手设计测试网顶层服务程序，并尝试提出测试网接口协议标准的建议， 努力争取使该协议成为未来军训网乃至互联网上运行的通用应用层标准协议。 第8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章测试网体系结构 第一章绪论里已经讲到，i n t e m e t 网络的发展尤其是以太网技术的迅猛发展，在 测试领域掀起了一场革命，网络化测试技术的时代已经来临。现在，网络化仪器设备 的概念已经形成，并在现实中有了相应的产品：各种接口协议转换设备的大量使用， 使得网络节点上不仅有计算机、工作站，而且还有传统的仪器设备和测试系统；各种 分布式测试网络系统解决方案层出不穷，为用户提供了不同的选择：还有一些现场总 线标准的制定更使组建测试网络变得方便快捷。可以说，现在仪器上网的技术障碍已 经不复存在，组建基于局域网乃至互联网的通用测试网络的技术已经成熟。 在这一章里，首先介绍我们提出的基于i n t e m e t 的通用测试网体系结构，然后详 细分析测试网各部分的概念、功能、特点和模块划分等，最后，基于我们提出的测试 网体系结构，讲述了堆积木式的测试网搭建方法。其中介绍的一些概念，如测试服务 器、测试中心服务器、测试客户端等，是理解基于i n t e m e t 的测试网体系结构和测试 网搭建方法的关键，也是下文介绍测试网接口协议的基础。 2 1测试网体系结构 2 1 1 系统总体结构 我们提出的测试网体系结构是建立在本实验室负责开发的“远程实物实验平台” 的基础之上。该平台设计的目标之一就是实现各种不同实验系统方便快捷地挂接到平 台之上，通过互联网或局域网，用户可以远程操作实验系统获取到实验结果。 在研制该平台的过程中，经过对实物实验网络的深入研究，以及对远程实验系统 和分布式测试网特点和功能的比较发现，如果能够实现将各种仪器设备或测试系统像 实验系统一样挂接到网络上，就可实现用户对这些仪器设备或测试系统的远程操作， 从而能够获取到实时的测试数据。基于此，我们初步理清了基于i n t e m e t 的测试网体 系结构，提出了基于互联网的，以测试中心服务器为核心、测试服务器为基础、测试 客户为服务对象、由测试客户灵活配置的，具有开放互连能力实现全网络范围内测 试信息的实时获取和数据共享的分布式测试网体系结构，如图2 1 所示。 如图2 1 所示，根据功能的不同，分布式测试网可分为测试客户端、测试中心服 务器、测试服务器等三层。其中测试中心服务器处于核心位置，它一方面要管理挂接 到它上面的测试服务器，另一方面还要响应来自测试客户的测试请求，同时要负责处 理协调各测试服务器和各测试客户的相关事务；测试客户端配置人机交互界面，用来 配置测试网、输入测试参数和分析测试结果；测试服务器是测试网的关键部分，它负 责完成具体的测试任务，得到测试数据。 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图2 - 1 分布式测试网体系结构图 各层之间通过网络连接，这里的网络指的是执行t c p i p 协议的互联网或局域网， 联网的方式可以是有线的也可以是无线的，网络中也可以存在路由器、网关和防火墙 等，各部分用口地址进行定位，实现全网络范围内的相互访问。 在图2 1 所示的测试网体系结构中，测试中心服务器作为管理中心，负责直接与 各测试服务器连接，测试网作为一个太型分布式网络系统是由各个测试服务器按照一 定的逻辑联系组成的，其具体配置是由测试客户按照实际需要确定的。要想实现由测 试服务器联成大型测试网络，首先要解决以下三个问题： 1 、作为执行具体测试任务的测试服务器首先必须“入网”。这里的“入网”指 的是测试服务器向测试中心服务器登录、注册以告知其存在，与中心服务器进行时间 比对，实现时间同步，并汇报本身能够实现的测试功能、仪器运行状况等。通过测试 服务器入网，可以实现测试中心服务器对测试服务器的统一调用和管理，这个过程就 像手机开机后首先寻找移动通信网络一样； 2 、测试服务器入网成功以后，它就作为一个测试服务网络节点，开始启动服务 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 侦听程序，准备接收来自测试中心服务器或测试客户的测试命令，实现其对外测试服 务的功能； 3 、用户在测试客户端向测试中心服务器发出测试请求测试中心服务器作为其 代理向测试服务器发送测试命令，测试服务器被动地响应测试命令，进行测试返回 测试结果，测试中心服务器再把结果返回给客户端，由客户端进行进一步的分析。 相应地，图2 一l 所示的测试网络也由测试服务器入网、测试服务器对外实现其测 试服务和测试客户发出测试请求等三部分组成，与此对应还有相应的接口协议，将在 下一章详细描述，本章主要简要介绍这三个组成部分的结构模型。 2 j2 测试服务器入网的模型 测试服务器入网是指测试服务器主动建立与测试、中心服务器的t c p 连接，进行 登录注册以告知其存在，并汇报它所实现的测试服务信息的过程。 这一部分基于c l i e n t s e r v e r ( 客户机服务器) 结构，采用基于t c p f i p 协议的s o c k e t 连接，其中，测试中心服务器处于服务器地位它在某个已知端口侦听测试服务器的 t c p 连接，把其作为一个测试服务资源记录在数据库中，并不断接收测试服务器所汇 报的测试服务信息，其结构模型如下图2 2 所示： 图2 - 2 测试服务器入网的模型圈 2 1 _ 3 测试服务器实现服务的模型 测试服务器实现服务是指测试服务器响应测试请求，开始测试并返回测试结果 的过程。 它可以响应来自测试中心服务器的请求，还可以直接响应来自客户端的请求，两 种请求都是采用c l i e n t s e r v e r 结构，和测试服务器入网不同的是，在这一部分里测试 服务器处于s e r v e r 地位，它在某已知端口侦听测试请求进行测试，并返回测试结果， 其结构模型如下图2 3 所示： 圈2 - 3 测试服务器实现服务的模型蚓 第| | 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 1 4 测试客户请求测试的模型 测试客户请求测试是指测试客户端建立与测试中心服务器或测试服务器的t c p 连接发送测试请求命令获取测试结果的过程。 一般情况下，测试客户要向测试中心服务器请求远程测试任务。由测试中心服务 器代理完成对远程测试服务器的调用，但在特殊情况下，比如，测试数据量比较大、 对测试的实时性要求比较高、需要尽可能地减少中间环节以提高效率等情况下，在测 试中心服务器的授权和监督下，允许测试客户与远程测试服务器直接建立会话连接 进行远程测试。 以测试客户向测试中心服务器请求测试的过程为例，这一部分同样采用 c l i e n t s e r v e r 结构，显然，测试中心服务器处于s e r v e r 地位，它在某己知端口侦听来 自客户的连接请求，并向测试服务器发送测试命令，获取测试结果，并把数据返回到 客户端，其过程如下图2 - 4 所示： 图2 - 4 测试客户请求测试的模型图 由图2 - 4 可以看到，客户端还要向测试中心服务器建立h r r p 连接，申请w e b 页面，这是因为，为了实现客户在任何地点能够进行测试的目的，在客户端采用浏览 器控制的方式，即将客户端程序嵌入到网页中，从测试中心服务器中的w e b 服务器 上下载。测试中心服务器中的中心服务器是实现测试网协议的核心，它负责侦听客户 端程序的测试请求，并返回测试数据等，关于测试中心服务器的概念和组成下文将有 详细介绍。 2 1 5 体系结构的特点 简单地讲，我们所设计的测试网体系结构具有以下显著特点： 1 、开放性 开放性也是我们设计的测试网体系结构的初衷开放性指的是测试网中允许存在 不同类型的测试服务器和测试客户并且可以很方便地添加和删除。这就要求中心服 务器对外呈现统一的接口执行统一的掷议标准，这样只要测试服务器和测试客户 端按协议规定实现了相应的接口协议，就可以很方便地联入网络。 开放性要求系统的设计是“松耦合”、“高内聚”的，“松耦合”是指层与层之 间的联系尽可能的少，“高内聚”指的是层内部各部分要联系紧密共同实现本层的功 第】2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 能。为此我们舍弃像c o j a 、d c o m 、e j b 等基于代理方式的分布式软件设计方法， 而采用i m e m e t 网上广泛使用的基于t c p f l p 协议的s o c k e t 连接方式和c l i e n d s e r v e r 体系结构，保证系统具有较强的开放性。 2 、可伸缩性 我们是采用基于t c p ，i p 协议的网络来构建测试网的，因此组建的测试网伸缩性 比较大，可以组建局域网范围内的小型测试网，也可组建园区网范围甚至全球范围内 的大型测试网络。而且，不同的测试中心服务器之间也能互连，进行资源的交换和共 享，这样，可以将测试网分解成实现不同功能的测试子网，利用模块化的思想，简化 测试网的搭建。 3 、灵活性 测试网的配置可以根据测试目的和测试内容灵活配置，这是因为，测试服务器入 网成功后，它对外即作为一个测试服务节点处于被调用状态，由测试客户选择具体调 用哪些测试服务器及调用时序，因此，对于一定的测试服务器可以灵活地组建多个实 现不同功能要求的测试网络。 4 、交互性 交互性是指测试客户发送的测试命令都有相应的应答信息，客户能够了解测试进 程和测试服务器运行状况，对出现的异常也可以进行相应处理。 2 2 测试服务器 2 2 1 概念 简单的讲，测试服务器是测试网中负责完成具体测试任务，具有网络互联功能和 数据传输服务能力的测试系统。 测试服务器是测试网中一个非常重要的概念，它是组建测试网的基本测试单位， 测试网正是由许多执行不同测试任务的测试服务器通过测试中心服务器联接而成的， 为了更好地理解钡4 试服务器，下面简要分析一下它的内涵： 首先，测试服务器是一个测试系统，它的首要任务是用来进行测试，获取真实测 试结果。因此，它必须要完成某种测试任务，这种测试任务可能是对某一个参数、某 一点的测量，也可能是对一组参数、多个点的测量，甚至是对不同类型、多点多参数 的测量，总之，最终都能够获取到一定的测试结果数据： 其次，测试服务器必须具有网络互联功能，即它必须能够联入网络中，这一点是 测试服务器区别于一般测试仪器或测试系统的地方。也就是说，测试服务器不仅要能 够获取数据，而且还要有能力联网，和其他测试服务器一起组成测试网络。 再次，测试服务器必须具有数据传输服务能力，具体地说，就是它必须能够执行 t c p i p 协议，在某端口侦听测试请求连接，并响应测试命令，把测试结果数据通过 网络发送出去。 第1 3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 最后，测试服务器必须具有服务的特点，服务是指它能够在某端口侦听连接，被 动响应测试请求，根据不同的请求，能够返回相应的测试结果或执行相应的动作。 广义地理解测试服务器，可以把它看作是能够接收测试参数、测试命令，执行测 试过