（通信与信息系统专业论文）分布式仪器实时控制系统的研究与实现.pdf

摘要 摘要 近几年，基于网络的自动测试系统( a u t o m a t i ct e s ts y s t e m ) 逐_ 步替代传统的测 试模式，在各个领域中都有广泛的应用，如工业产品现场测试、卫星远程测控、 远程医疗。自动测试系统主要由仪器的远程控制、分布式数据计算和信息管理等 组成， 系统涉及的仪器设备已不是简单的物理硬件，而演化成基于p c 的虚拟仪器， 并向智能化、软件化、网络化发展。在这样的趋势下，利用软件技术和网络技术 共享各种物理仪器资源，实现远程仪器的实时控制在技术上成为可能。不受时空 限制，随时随地共享大型专用仪器，提高数据和硬件资源的利用率，是分布式仪 器实时控制系统的目标，也是自动测试系统实现的关键之一。 分布式仪器控制系统不只是物理仪器的简单互连，更重要的是提供了一个网 络仪器的管理平台，最优化硬件资源的分配。本文着重研究了分布式仪器对象描 述方式，创新地提出了层次化的管理控制模型，将仪器信息以服务节点的方式发 布到网络中。 基于活动目录和w i n d o w s 仪器管理技术，本文详细阐述了远程仪器实时控制 平台的设计，验证层次化模型的可行性和合理性。同时，本论文还在仪器资源的 负载平衡、分布式系统的访问安全等几个方面作了深入的研究与尝试，给出了解 决方案。 最后，本文选用了美国国家仪器( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ) 公司的p c i 6 0 2 4 e 作为 硬件仪器，完成了远程仪器的实时控制实例。用户可以通过网络，透明地访问数 据采集卡，并对其进行实时操作。 文章的结尾部分，作者对系统实现提出了进一步的建议和展望。 关键字：分布式仪器、虚拟仪器、a d 、c o m 、w m i 、负载平衡 a b s 计a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，n e t w o r kb a s e da u t o m a t i ct e s ts y s t e mh a st a k e np l a c eo f t r a d i t i o n a lm e a s u r e m e n tm o d e la n db e e nw i l d l yi m p l e m e n t e di nn u m e r o u sf i e l d s ，s u c h a si n d u s t r yf i e l dm e a s u r e m e n t s a t e l l i t er e m o t ec o n t r o la n dr e m o t ed i a g n o s e a t s c o n s i s t so ft h r e em a i np a r t s ：r e m o t ei n s t r u m e n t sc o n t r o l ，d i s t r i b u t e dd a t aa n a l y s i sa n d i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t t h ei n s t r u m e n ti na t si sn o to n l yt h es i m p l ep h y s i c a lh a r d w a r e ，b u ta l s ot h e v i r t u a li n s t r u m e n tb a s e do np c ，w h i c hb e c o m e sm o r ei n t e l l i g e n ta n dm o r ed e p e n d e n t o ns o f t w a r ea n dn e t w o r k t os u c ht r e n d s ，i ti sp r o b a b i et oi m p l e m e n tt h er e a l t i m e c o n t r o lo fd i s t a n ti n s t r u m e n t su s i n gt h es o f t w a r ea n dn e t w o r kt e c h n o l o g ya n dm a k e f e a s i b l es o l u t i o nt os h a r et h ep h y s i c a li n s t r u m e n t sr e s o u r c ei nt h ei n t e m e tt h e r e a l t i m ec o n t r o ls y s t e mo fd i s t r i b u t e di n s t r u m e n t s ，o n eo ft h ek e yp o i n t si nt h ea t s ， i n t e n d st os h a r et h es p e c i a li n s t r u m e n t sw i t h o u tt h el i m i t a t i o no ft i m ea n dl o c a t i o n ， a n di m p r o v e st h eu t i l i z a t i o nr a t i oo fd a t aa n dh a r d w a r e t h ed i s t r i b u t e di n s t r u m e n t sc o n t r o ls y s t e md o s e sn o ts i m p l yc o n n e c ta l lt h e i n s t r u m e n t st o g e t h e r , b u t ，m o r ei m p o r t a n t l y , p r o v i d eam a n a g e m e n tp l a t f o r mf o rt h e n e t w o r kd e v i c e sa n do p t i m i z et h ea l l o c a t i o no fi n s t r u m e n tr e s o u r c e t h ep a p e r e m p h a s i z e so n t h eo b j e c t - o r i e n t e dd e s c r i p t i o no ft h ed i s t r i b u t e di n s t r u m e n t s ，a n d c r e a t e sa l a y e r e dm o d e lo fn e t w o r kd e v i c e sc o n t r o ls y s t e m i nt h es y s t e m ，t h e i n f o r m a t i o no ft h ed e v i c e si sp u b l i s h e dt ot h ei n t e r a c t a sas e r v i c en o d e b a s e do na c t i v ed i r e c t o r ya n dw i n d o w sm a n a g e m e n ti n s t r t u n e n t ，t h ep a p e r d e s i g n st h er e a l t i m ec o n t r o lp l a t f o r mo ft h ed i s t r i b u t e di n s t r u m e n t si n d e t a i la n d v a l i d a t e si t sf e a s i b i l i t ya n dr e a s o n a b i l i t y i nt h em e a n t i m e ，f u r t h e rr e s e a r c hr e l a t e dt o l o a db a l a n c i n go f i n s t r u m e n tr e s o u r c ea n dt h es y s t e ms e c u r i t yi sd i s c u s s e d t h ea r t i c l e p r o v i d e ss e v e r a ls o l u t i o n st ot h e s ep r o b l e m s a tl a s t ，p c i 一6 0 2 4 eo fn a t i o n a li n s t m m e n t si ss e l e c t e da sp h y s i c a li n s t r u m e n ti n t h ep a p e rt or e a l i z ea ne x a m p l eo ft h ed i s t r i b u t e di n s t r u m e n ts y s t e m t h eu s e rc a n a c c e s st h ed a qb o a r dr e m o t e l yw i t h o u tk n o w i n gi t sp o s i t i o n ，a n do p e r 砒et h e i n s t r u r n e n ti nr e a l t i m e t h ea u t h o rg i v e ss o m ea d v i c ea n dm a k e sp r o s p e c tf o rt h es y s t e ma p p l i c a t i o na sa c o n c l l u s i o i l k e y w o r d s ：d i s t r i b u t e di n s t r u m e n t ，v i r t u a li n s t r u m e n t ，a d ，c o m ，w m i ，l o a d b a l a n c i n g 绪论 1 绪论 1 1 论文应用背景 近年来，计算机软硬件技术、网络通讯技术的发展极大地推动了分布式系统 的应用。同时给测试领域带来了巨大的变革 “。传统的电子测试仪器已从模拟技 术向数字技术发展：从单一功能向技术聚合多功能发展：从单台仪器向多种功能 的组合及系统发展；从完全由硬件实现仪器功能向不断由软件完成更多功能的方 向发展；从系统集成向以个人计算机为核心构成通用测试平台、功能模块及软件 包形式的自动测试系统发展。自动测试系统( a t s ，a u t o m a t i ct e s ts y s t e m ) 平l l 自动 测试设备( a t e ，a u t o m a t i ct e s te q u i p m e n t ) 应运而生，其在电子、通讯、半导体、 汽车工业、航空、消费类产品、远程教育 2 1 等各领域有着极其广泛的应用空间， 如i c 测试、专业通信设备测试、网络测试、现场测试、工业产品测试、军用品 测试、实验室信息采集、虚拟实验室等等。 自动测试系统是指采用计算机控制，能实现自动化测试的系统。测试系统的 发展出现了两个主要的趋势。一方面，原有仪器设备由本地的物理硬件，演化成 基于p c 的虚拟仪器，形成一个更为宽泛的概念：完成特定测试功能的仪器模块。 另一方面，借鉴计算机及其总线技术向智能化、刚络化和系统化发展。目前，绝 大多数独立仪器采用总线技术进行仪器互连或与p c 通讯。常用的总线标准有 g p i b 、i e e e1 3 9 4 ，u s b 、p x i 和v x i 等【3 】。 但是，由于总线的距离限制，测试人员的操作范围非常有限，因此基于总线 的测试系统仍然无法满足要求。随着计算机网络的迅猛发展和相关技术的不断完 善，基于网络的分布式测试系统变得可能 ”。著名仪器制造商h p 将未来的仪器 定义成“将传统测试仪器中的公共部分集中起来共享，利用计算机及网络技术通 过软件与硬件的结合实现多种物理仪器的共享”。用户将不受时空的限制，随时 随地共享专用仪器设备，提高数据和软硬件资源的利用率。 远程分布式结构体系之所以得到广1 泛认可的原因应归功于它大大降低了用 户和访问的信息以及信息本身之间存在的距离所引起的问题。简单地说，不管测 试仪器在同一个房间，在其它建筑物内，在另一个州或在地球的另一端，软件的 绪论 操作方式都是一样的。通常，分布式测试系统允许多个用户同时访问，支持对不 同地理位置的仪器的访问，对测试数据能进行集中并行处理等【“。较之传统单一 的硬件测量设备而言基于网络的分布式测试系统具有可靠性、智能性、容错性、 灵活性等特点。同时，由于用户和仪器位于不同的地理位置，需要处理仪器定位、 分配、测试数据的高速处理等问题，对现有分布式应用的软件和网络技术带来新 挑战。 总之，在目前技术条件下，分布式测试系统是一个结合对象化设计、分布式 组件、多媒体网络传输、并行计算等多项软硬件技术为一体的综合性智能系统。 1 2 国内外研究现状 分布式测试系统在国外测试领域和制造业研究得较早。设备供应商试图寻求 灵活、公开的软件标准将单独的硬件仪器通过网络构成一个整体，推进a t e 智 能化、标准化、网络化发展。i e e e 为测试系统制定了a b b e t 标准【5 】。美国国家 仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ) 最早提出虚拟仪器的概念，“t h es o f t w a r ei st h e i n s t r u m e n t ”是其核心思想。同时m 推出了用于虚拟仪器开发的工具l a b v i e w 和l a bw i n d o w s c v i 。其最新图像化编程语言l a b v i e w6 还提供了i n t e m e t 开发 手段d a t a s o c k e t 6 j ，主要用于简化计算机和测试应用之间的数据交换。l i p 公司 的v e e 、i o t e c h 公司的d a s y l a b 、c a p i t a le q u i p m e n t 公司的t e s t p o i n t 等，都是通 过建立和连接图标来构成虚拟仪器的组件工具。在仪器信息的网络传输方面，安 捷伦( a g i l e n t ) 公司成立了一个仪器描述语言讨论会，定义仪器测试和控制信息的 数据格式。h p 、t e k t r o n i x 等公司正在研究通过l a n 或i n t e m e t 进行数据共享和 远程测试的仪器。美国n a s a g o d d a r d 空问飞行中心开发了a i m l 语言完成宇 航设备的远程控制 7 1 。近期，意大利s a l e r n o 大学将分布式测试系统应用于远程 教学，并在系统结构和性能上做了探索性研究 2 】。 国内比较大的虚拟仪器公司主要由哈尔滨哈特( h i t ) 虚拟仪器股份有限公 司，重庆大学虚拟仪器研究开发中心和北京中科泛华测控技术有限公司等，主要 集中在虚拟仪器的研究上。在仪器系统网络化平台的开发上，国内尚没有成熟的 产品，与国际先进水平相比，还存在很大差距。 绪论 1 3 论文研究内容 本论文着重讨论测试系统中分布式仪器资源的实时控韦0 问题，主要完成了以 下几方面的工作： 1 ) 介绍自动测试系统的现状，及a b b e t 对分布式仪器实时控制的要求。 2 1 利用w i n d o w s 2 0 0 0 目录服务和仪器管理技术，详细设计分布式仪器实时 控制系统的软硬件组成结构。 3 ) 研究系统中仪器资源的动态负载平衡问题，提出了相应的解决策略以及 软件实现模块。 4 ) 研究和探讨分布式环境中，分布式仪器系统的安全性，提出了实现方法。 5 ) 运用组件技术，以m 的数据采集卡为例，实现一个实际的分布式仪器 控制系统，支持用户对分布式网络仪器的远程访问与控制。 论文第一章为绪论，阐述论文的背景及研究内容。第二二章介绍分布式网络仪 器实时控制系统的实现模块，及其主要功能。第三章着重分析目录服务和c o m 组件技术的特点，给出了w i n d o w s 平台下的开发方法。第四章结合有关技术， 以m 数据采集卡为例，实现一台模拟电压采集器的远程监控。针对分布式仪器 的负载平衡问题，给出了相应的策略与算法。同时讨论系统的访问安全问题，分 析现有几种控制策略。第五章是论文系统实现的部分结果介绍。最后，论文对系 统进行了总结，并就今后的研究提出展望。 1 4 论文创新之处 本文目的是建立分布式仪器的实时控制平台，基于现有的远程仪器控制技术 上，在以下几个方面做出了新的尝试： 将分布式仪器抽象为服务结点，实现用户的透明访问。 不同于传统的仪器控制，本文将目录技术引入分布式仪器资源控制， 增强系统对物理仪器的管理能力。 分布式仪器资源分配中提出负载平衡问题，芳给出了简单有效的实 现方案。 2 分布式仪器实时控制系统的设计 2 分布式仪器实时控制系统的设计 2 1 分布式测试系统概述 分布式测试系统是在一个网络环境中，实现测试过程的控制、试验数据的采 集，及其结果的综合分析为一体的自动系统。系统基于多种异构的软硬件平台。 仪器负责测试对象的数据采集，并通过总线与控制p c 相连。这些仪器处于不同 的物理位置，运行时与系统进行实时交互。系统中的处理结点专门负责数据的计 算和分析。目前，分布式测试系统在很多应用背景下出现：需要从恶劣环境中实 时获取数据的特殊科学试验；卫星远程采集系统【8 】，工业实时监控管理系统，城 市气温及污染情况测试n 远程渗断、远程教育等。图2 1 展现的是实际应用中 的分布式测试系统，包括三大部分现场数据采集：仪器通过p c i 、g p i b 、s e r i a l 等总线，或者无线方式接入到局域网中；数据处理和分析：数据存储和分析，测 试数据的汇总和信息挖掘；系统控制及管理：负责远程访问控制，系统测试过程 及网络资源的管理。 图2 1 分布式测试系统组成 应用领域要求分布式测试系统具有以下几大特点： 用户位置的空间分布性：允许用户在权限范围内，远程控制仪器，获取 测试分析结果。 数据采集的空间分布性：测试仪器可以位于网络的任何位胃。 2 分布式仪器实时控制系统的殴计 实验数据的高速处理能力：系统具有高效地处理能力，包括并行性，负 载平衡，可伸缩性等。 2 2 仪器控制的需求 2 2 1a b b e t 标准介绍 针对自动测试的应用，i e e e 提出了a b b e t ( ab r o a d b a s e de n v i r o n m e n tf o r t e s t ) 标准。a b b e t 定义了测试领域的一组软件接口标准，从低层的仪器控制到 高层的测试定义都有详细的规范卦。标准制定的目标就是利用面对对象技术和信 息模型为测试系统定义一组与软硬件无关的统一接口，便于在不同环境和应用中 替换测试信息和实现细节。如图2 2 表示a b b e t 标准模块之间的关系。 翻2 2a b b e l r h ；准戈系 a b b e t 标准涵盖了自动测试过程中所有方面：测试需求定义、测试资源管 理、测试信息配置等。本文的主要研究对象是分布式环境中的仪器实时控制，属 于其中的资源管理和测试资源信息模型部分。 2 分布式仪器实时控制系统的设计 2 2 2a b b e t 资源管理的需求 仪器是测试系统中重要的物理资源，a b b e t 要求系统信息库中保存仪器资 源的测试接口，测试能力和控制特性等信息。在这样的信息模型下，现存的测试 定义能适用于具有不同测试资源的其他应用。为了实现仪器资源的灵活性和重用 性，a b b e t 定义了测试对象这一概念来代表硬件设备，而其提供测试接口可以 在不同的测试应用背景下进行移植。上层功能模块通过仪器对象来控制和操作基 于总线的仪器硬件。 大量测试对象分散集合是无法实现a b b e t 制定目标。由于测试对象是可重 用的，测试定义者或者仪器使用者必须事先了解测试环境中对象是否存在以及有 关的信息，即测试对象需要在系统中发布自身的信息。a b b e t 资源管理模块负 责组织、管理仪器资源对象，提供一个共享测试对象信息的平台。同时，该平台 能提供动态或静态资源分配服务。 2 2 3 分布式仪器实时控制的需求 分布式仪器的实时控制遵循a b b e t 有关测试资源方面的标准。同时，由于 分句式网络环境的特殊性，控制系统应该满足以下几方面的实际要求： 2 2 3 1 仪器资源的抽象 实际物理仪器没备能抽象成统一的逻辑仪器对象，屏蔽不同功能、不同厂商 的仪器实现细节。仪器对象必须基于“即插即用”技术和通用的数据接口标准， 使得系统具有开放性，功能上也易于扩展【2 】o 2 2 3 2 仪器资源的控制 由于仪器资源的分布性，系统的全局管理平台，除了存储所有仪器对象信息， 还必须提供仪器定位服务，便于访问用户在庞大的网络环境中搜索适台的仪器 n 管理平台具有以下特性： 开放性：建立基于“即插即用”技术和软件间的标准数据接口体系，系 2 分布式仪器实时控制系统的设计 统功能便于修改和扩展。 分布性：在现有的网络协议基础上，构建分布式系统管理工具，方便管 理人员配置系统资源( 包括仪器资源，用户资源以及服务等) ，共享测试 过程中的信息。 位置无关性：将所有网络资源视为一种服务，用户通过高效的查询接口， 能在网络中找到适用的仪器设备或服务，了解如何使用它们。 从逻辑上看，管理平台可以看作是软件模块的集合，提供了三种类型的服务： 配置、管理和查询服务。配置服务主要完成信息库结构与信息的更新和修改，例 如向系统添加新的仪器，改变已有仪器的属性结构，更新仪器实例的属性值等： 管理服务主要实现与用户有关的设置，比如用户权限管理：查询则向用户提供高 速有效的服务，印分布式环境中哪些仪器或服务是可用的，哪些是不可用的。 本文系统中利用信息库集中存储仪器资源的静态信息，包括仪器型号、功能、 制造厂家、生产日期等用户感兴趣的信息。文献 8 设想运用u d d i 和l d a p 服 务来组织分布式系统中的资源信息。对于仪器资源的动态信息，系统则需要由一 些组件，执行相应的服务。 2 2 3 3 仪器资源的负载平衡 仪器实时控制系统是建立在分布式结构上的。分布式环境下资源的合理分配 和调度，是一个共性问题。系统需要支持多个用户同时访问，多个仪器具有相同 测试功能，以及测试数据的高速处理等要求。本文主要讨论多个测试功能类似的 仪器之间如何实现资源的最优配置。 图2 3 是分布式仪器组织结构。可以看到，仪器的繁忙可能造成仪器控制端 与本地服务器之间瓶颈，本地服务器运行状态也会影响系统执行性能，全局服务 器则是系统接受用户请求的关键。选择有效的负载平衡解决方案，动态选择空闲 的执行仪器，充分发挥分布式系统的潜力，减少数据通讯瓶颈，加快测试速度。 当然，测试系统中除了仪器资源的空间分布性，数据处理及分析模块，也可 能位于不同的网络结点上，形成了分布式计算环境。那么计算分析结点之间的信 息通讯，计算任务的最优分配，同样关系到整个系统的性能。由于本论文主要讨 论分布式仪器控制问题，故对数据分析和处理的负载问题暂时不作考虑。 2 分布武仪器实时控制系统的i 5 计 嘲2 ： 分布，仅嚣扪纵缩缃 2 2 3 4 仪器访问的安全控制 通常基于网络的应用，服务器系统响应用户的服务请求前，需要检验用户的 合法身份，确定用户是否具有操作权限。在本文系统中，仪器远程访问的安全性 问题更为重要，即如何防止未授权的操作请求。 对仪器有效监控与普通文件资源不同，仪器控制的粒度更小更细，不仅仅包 括仪器本身的访问权限，还包括该仪器提供的所有操作指令是否可以执行，如运 行、停止、读取参数、设置参数、获取测试结果等。不同的用户对仪器具有不同 的权限，只有授权的用户才能获得服务。非授权的用户欲执行非法控制操作，系 统“屏蔽”或拒绝提供服务。 系统安全控制实现的关键在于灵活有效地把握远程用户对网络仪器的使用 权限，在系统设计和配置中，充分考虑仪器操作和测试数据的安全性。 2 3 目前仪器控制存在的不足 现有硬件仪器功能繁多，即使同一功能的仪器，不同厂商的产品具有各自的 特点，没有统一的描述接口，在此基础上很难实现a b b e l - 标准对测试对象提出 的需求：便于在不同测试坏境中的重用。 c i 肿 妻 焦 1 五。覃昼五 r 五直一亩 一 个 ；。l 蕊 产嚼曼呲最生匿 2 分布式仪器实时控制系统的设计 分布式仪器也缺乏专门的管理平台。n i 推出了d a t a s o c k e t 技术初步实现网 上仪器的简单通汛。通过d s t p ( d a t a s o c k e tt r a n s f e rp r o t o c 0 1 ) 协议，通用资源定 义符u r l 和文件格式等技术规范，用户和网络仪器的远程数据通信任务均通过 d a t a s o c k e t 服务器读写端口，进行操作。但是，d a t a s o c k e t 的功能局限于数据交 换，对分布式仪器的控制管理能力比较差。 至于分布式仪器实时控制的负载平衡和安全问题，由于缺乏真正有效的仪器 管理控制平台，这两个问题尚未深入讨论和解决。 分布式仪器实时控制要真正实现a b b e t 的规范，还有许多内容值得探讨。 这些也是本文研究并着重解决的问题。 2 4 系统总体设计 依据a b b e t 对网络仪器管理和控制的需求，本文提出了分布式仪器实时控 制系统的层次化模型。针对上述的几大问题，讨论目录服务及c o m 技术的可行 性。 2 4 1 仪器控制系统的层次模型 分布式仪器系统意味着物理仪器的地址在空闭上是分布的，同时对仪器的管 理和实时控制也是分布的。本文为了在网络环境下发布物理仪器信息，同时兼顾 今后系统结构扩展，符合a b b e t 对资源管理的标准，整个管理控制平台模型从 下至上划分为：物理仪器层、本地逻辑仪器层、仪器管理层和信息数据库。 1 ) 物理仪器层：实际测试仪器，包括通过仪器总线与控制p c 相连的硬件 设备，或基于软件技术的虚拟仪器。 2 ) 本地逻辑仪器层：位于物理仪器层之上，包括仪器驱动和仪器控制两大 模块。仪器驱动直接负责与仪器通讯，由i o 接口操作仪器，获取数据。 仪器控制将实际的具体仪器抽象为逻辑仪器对象，向上层提供统一的仪 器表示格式。 2 分布式仪器实时控制系统的设计 3 ) 仪器管理层：位于网络的管理服务器，主要负责本地逻辑仪器层与仪器 数据库之间的信息交互。将逻辑仪器对象实例信息，存放入数据库。同 时，该层是系统的管理核心，完成仪器负载平衡、用户访问权限控制、 仪器信息格式转换等。 4 ) 仪器信息库：仪器信息的存储空间。各个物理仪器以不同的逻辑仪器对 象保存在信息库中。 分布式仪器控制平台将形形色笆的实际仪器，在本地逻辑仪器层抽象成一些 通用的逻辑仪器对象。这些逻辑仪器对象通过仪器管理和信息库组成的平台，向 网络中发布所支持的方法和属性。从某种意义上看，物理仪器在系统中被抽象成 了服务结点。这样的分层模型，充分利用对象化的设计思想，清晰地描述现实中 的物理仪器。同时，每一层在保持服务接口不变的前提下，可以更换实现方式， 以适应不同的应用环境，具有较强的开放性和扩展性，满足了a b b e t 对测试对 象以及资源管理的构想。 2 4 2 系统实现分析 系统实现中，笔者在模块化设计的基础上，运用了较多面向对象的技术。面 2 分布式仪器实时控制系统的设计 向对象程序设计的描述是自下而上的，强调如何抽象出公共成分以组成类与超 类。系统设计任务主要是类的定义和继承关系的确定。系统依据分布式仪器控制 系统的模型，将实际物理仪器进行不同层次的对象化描述，在不同的技术结构下 加阻实现。基于面向对象的设计思想，整个系统具有很强的逻辑性和扩展性。 l 甲黔 l 晖一 设器皑川披糌：e 恤 倪擀慵胞 咋铭理 圈2 5 系统变蚺州! 鞠 图2 5 所示框图结构，用户访问系统可以得到三类服务：仪器信息库的管理、 仪器定位以及仪器调用。系统采用了目前网络管理中流行的目录服务技术，作为 仪器信息库的实现载体，完成仪器信息管理和定位的功能。活动目录( a c t i v e d i r e c t o r y ) 是微软w i n d o w s2 0 0 0 平台上提供的基于l d a p 目录标准的商业产品。 活动目录将所有的仪器资源以统的对象形式进行存储并发布到网络中。同时， 目录提供层次化的访问方式，极大方便了用户对网络仪器的查询和访问。 与一般的分布式数据库相比，活动目录在网络资源管理中最大的特点就是将 网络目录与微软的其他网络服务集成起来，其中包括d n s 服务、s q l 服务器、 e x c h a n g e 服务器、系统管理服务器和站点服务器等等。因此，仪器控制部分能 非常方便地与测试系统的其他部分交互。 本地逻辑仪器层，系统采用w i n d o w s 管理设备( w m i ) 技术，将物理仪器抽象 成逻辑仪器对象。w i n d o w s 设备管理是w b e m ( w e bb a s e de n t e r p r i s em a n a g e m e n t ) 的微软实现。基于通用信息模型( c o m m o ni n f o r m a t i o nm o d e l ) ，w m i 将本地设备 抽象为系统的类对象，向外部开放一组标准接口，而隐藏物理仪器的实现细节。 用户可以通过w m i 提供的接口和方法操作底层物理仪器，实现仪器调用。 2 分布式仪器实时控制系统的设汁 活动目录保存网络仪器的静态信息。实际测试过程中仪器端通过c o m 组件， 与系统服务器或远程用户进行数据交换。具体表现为：远程用户向服务器发出测 试请求；服务器选择可用仪器分配测试任务；仪器响应用户的调用，反馈测试结 果。 安全方面，活动目录使用标准安全协议( 如k e r b e r o s ) 及加密机制( 如d e s ) ， 同时集中网络中所有的安全配置信息：用户名、口令和访问权限。c o m + 组件 服务本身也提供基于角色的安全配置。借用w i n d o w s 强大的安全机制，系统能 在不同的层次上进行访问控制，并将使用权限授予不同的用户组。 2 4 3 分布式仪器控制技术的选择 论文系统中本地逻辑仪器层一w m i 以及仪器信息库一活动目录技术，都是 基于c o m 组件技术。仪器控制系统还需要在网络环境中进行数据交换。目前， 支持仪器远程控制的技术大致有三种：d d e 、d a t a s o c k e t 和c o m 组件。 动态数据交换( d d e d y n a m i cd a t ae x c h a n g e ) 是一种进程通讯协议，可用来实 现多个应用软件平台之间的交换数据和发送指令】。在d d e 中，应用软件平台 之间通过消，息( m e s s a g e ) 传递来实现相互之间的信息交互。所有通过d d e 进行通 讯的应用软件必须处于运行状态。在d d e 通讯开始之前，应用软件平台必须把 回调函数地址传递给w i n d o w s 系统。 d a t a s o c k e t 技术则是一种面向测控领域的编程新技术。它是n i 在l a b v i e w 中新增加的开发工具，包括d a t a s o c k e t 服务器管理程序、d a t a s o c k e t 服务器和 d a t a s o c k e t 函数库等工具软件，并含有d a t a s o c k e t 函数模块，开发比较容易。但 是，d a t a s o c k e t 也存在一定的不足：远程用户通过p 地址识别服务器，透明度 较差；客户端控制性能较弱；提供的授权机制较简单；与网络环境中的其他模块 集成比较困难等。 组件技术是一种广泛的体系结构，支持包括设计、开发和部署在内的整个生 命周期计算的理念。用户可以根据自己的需求灵活组合组件，构建自己的应用系 统。基于这一概念，组件技术适合与系统中的数据计算分析和管理模块相结合。 基于以下几点本文考虑采用c o m 技术来实现系统远程仪器动态信息的控 制。 2 分布式仪器实时控制系统的设计 与本地逻辑层、仪器信息库及测试系统的其他模块，如数据处理分析等， 能很好地集成。 w i n d o w s 系统对c o m 组件的广泛支持。 c o m 技术不依赖与特定地网络技术，可以在t c p i p 、u d p 、i p x s p x 和n e t b i o s 等各种网络协议上实现。 l a b v i e w 也支持c o m 技术，能较好地兼容已有的虚拟仪器。 最后以列表的方式对这三种技术加以比较： 麓鹚鬻黧黼缓激糍缓墼辫熬甥燮翻徽鐾黧罐絮燃 d d e差差中差差 d a t a s o c k e t 好中低中中 c o m较好好高好好 2 5 小结 表2 1 分布式测试系统的发展及a b b e t 测试标准对远程仪器控制提出新的需求。 在此背景下，本章详细阐述了分布式仪器实时控制系统的设计模型，同时对现有 实现技术作了具体分析和讨论，提出了系统的设计方案。 3 分布式仪器实时控制的关键技术 3 分布式仪器实时控制的关键技术 论文系统中主要采用活动目录作为分布式仪器的控制管理平台，同时基于 c o m 技术实现仪器信息的发布和仪器的远程控制。因此，本章将对这两大关键技 术，及其相关的应用进行详细介绍。 3 1 活动目录技术 3 1 1 目录和目录服务 简单地说，目录就是一个分布式数据库，它包含了网络以及在网络上运行的 应用程序所需的信息12 1 ，可以通过计算机网络访问与更新。目录存储有关网络 资源与服务的信息，包括用户信息、安全数据，以及可用的服务清单，例如打印 机和发行服务。 目录服务是为用户和应用程序提供目录信息的存储与提取。例如：利用目录 服务在一个计算机系统中组织、管理和定位感兴趣的对象( 打印机、文档、e m a i l 地址、数据、用户、分布式组件或其他资源) t 3 j 。最简单的形式，服务就像电 话薄的白页，使用特定的输入( 姓名) ，可以获得特定的输出( 地址和电话号码) 。 服务也可以提供类似于黄页的功能，用一般的输入信息，如打印机在哪里，可以 获得打印机资源列表。 目录服务必须解决的问题是性能、安全、可靠性和易于使用。通常这种服务 是建立在一种接口协议与目录交互协议的基础上，将所有网络、安全系统、用户 以及信息资源集中到一个可扩展、可伸缩的目录服务方案中。 目录服务具有以下几个特点： 1 ) 安全 网络目录提供给用户访问所有网络的单一认证机制，可以解决多个不同的用 户名和口令带来的安全隐患。另外，网络目录采用复杂的公钥和私钥( p k d s s l ) 安全认证【”1 ，进一步增强系统的安全性。 2 ) 设备识别和定位 在非目录的环境下，用户必须使用运行服务的主机名称或者网络地址来识别 3 分布式仪器实时控制的关键技术 服务。网络目录为网络中定位仪器设备提供分类和查询机制。通过一个易于使用 的目录浏览器，允许用户使用可理解的名字或设备特征来查找。 3 1 位置无关 网络目录具有位置无关的优点。在一个非目录的环境中，当网络资源的位置 发生变化，不得不改变每一个用户的p c 配置，指向新的仪器或资源。而在一个 基于目录的应用中，由于用户通过目录名识别和访问网络资源，管理员只需简单 地改变目录中的地址和配置数据即可。 4 1 简化管理 目录为网络管理信息提供一个存储库，对所有信息集中管理，不需要使用不 同的实用工具在不同的地方更新数据，减少出错的概率，降低成本。 某种概念上来说，目录是分布式网络中的全局数据库，提供数据和资源的物 理存储体和操作数据的相关服务。但与一般的分布式数据库存在明显的差异，见 表3 1 ： 数据在物理是上分布的，逻 将一个大型数据库 数据描述 辑上是集中的。目录按照网 分散到不同的机器 方式 络层次结构划分资源。上进行存储。 基于属性的安全机制，允许不能限制某个用户 安全性设置某一个对象的某一个对某个特殊字段的 属性的访问权限。 访问。 基于模式的可扩展，可以直 关系型数据库中增 扩展性 接新增属性和对象类。 加字段必须新建表。 允许类的继承和包容，支持同目录 继承性 多重继承。 事务 一般不支持支持 适合于存储网络内描述资适合于经常需要更 应用背景源对象的属性数据，支持大新、添加数据的信息 量读操作请求。 应用系统。 表3 1 本文利用网络目录的特点，在分布式环境下存储和发布仪器信息，用户和管 一1 9 一 3 分布j 仪器实时挖制的关键技术 理员可以通过仪器的某些特征：如功能、物理位置、型号来识别和定位网络设备 而无需了解其确切的网络地址。 3 1 2 目录服务协议标准 目前主流的目录服务模型主要有两大类：x 5 0 0 和l d a p 。 1 9 8 8 年，国际电信同8 d ( i t u ) 发布了x5 0 0 目录服务建议，并定义了目录访 问协议( d i r e c t o r ya c c e s sp r o t o c o l ，d a p ) 。这个标准是由国际电话与电报顾问委员 会( c c i t t ，现在称为i t u t ) 与国际标准化组织( i s o ) 通力台作制定的，形成一个 全球目录服务标准。 目录中包含信息的主要结构是目录对象或者目录项( e r a r y ) 。每个目录对象包 含一组属性( a t t r i b u t e ) ，存储关于对象的信息。每个属性包含对象的某种特征信息。 属性浯法描述了属性包含的数据类型。x 5 0 0 使用对象类的概念指定目录中对象 类型。每个对象由o b j e c t c l a s s 属性指定所属类型。对象类都有一个类定义，列 出了必须包含的属性集和可能包含的属性集，同时指明继承关系。x 5 0 0 中的对 象类继承关系呈树状排列。 x 5 0 0 层次式地组织目录信息库的名字空间，这种层次式的组织称作目录信 息树d i t ( d i r e c t o r yi n f o r m a t i o nt r e e ) 。，每个目录对象都占掂d i t 中的特定位置。 d i t 中的目录对象通过区别名字( d n ，d i s t i n g u i s h e d n a m e ) - 并5 标示。图3 1 是x 5 0 0 的信息模型 d i t 潮：j 1x 5 0 0 ( 。1 i 息模型 x 5 0 0 是一个分布式目录服务系统，具有简单、统- - a i j 命名机制，分布式、 高效的信息查询功能和表示层数据接口等优点。但是x 5 0 0 是一个非常庞大的标 准，觇模犬，接1 2 1 复杂性高，所以客户端的软件实现比较困难。同时，x 5 0 0 依 雾 ! 坌翌垫堡竖生堕丝型塑茎壁塾查 赖于开放式系统互联网络协议，而不是当前流行的t c p i p 模型。针对x5 0 0 目 录服务的局限性，又充分利用x 5 0 0 的强大功能，出现了另一种轻型目录访问协 议( l d a p ) 。 l d a p 是密歇根大学于1 9 9 4 年提出的目录服务模型，其目标就是“9 0 的 x 5 0 0 功能只需1 0 的代价”。r f c l 4 8 7 中将l d a p 定义为“x 5 0 0l i g h t w e i g h t a c c e s sp r o t ) c o l ，| ：1 5 。l d a p 运行于t c p i p 上，而不是依赖o s i 协议，降低了 资源需求，简化x 5 0 0 的协议操作，使实现更加容易。 l d ? d ，协议的一般模型是客户服务器模型，客户对目录服务器执行协 义操作， 客户传输描述操作的协议请求，目录服务器负责在目录中执行必要的操作，一旦 服务器完成操作，服务器将返回包含结果或错误的响应送到请求的客户。 l d a p 客户和l d a p 服务器的一般交互过程如下：见图3 2 蠛定 ( h ，r i d 7 l d a p 操作蔚求 l d a p 客户端 臌务嚣 媒炸啊直 螺障绑一 “j n f l l m l j 洲3 2l e i a p 尝衍 l d a p 目录对象代表现实世界中的对象或概念，例如用户，服务器，组织等。 其信息的组织方式与x 5 0 0 协议相同。l d a p 将目录定义为一个命名对象的层次 集合。l d & p 目录有一个根，目录中每个对象或者是容器对象( 意味着逻辑上包 含其他对象) 或者是叶子对象”j 。 3 1 3a c t i v ed i r e c t o r y 技术 3 1 3 1w i n d o w s2 0 0 0 的目录服务 活动目录是w i n d o w s2 0 0 0 的目录服务。活动目录主要依赖于两个标准 ( l d a p 和d n s ) 。活动目录存储信息的方式，目录对象的组织形式，目录查询 功能都遵循l d a p 规则。同时，几乎所有w i n d o w s2 0 0 0 的特征都一定程度上使 3 分布武仪器实时控制的关键技术 用了活动目录。登录和认证服务使用了活动目录，大部分的基本服务，例如远程 访问服务器( r a s ，r e m o t ea c c e s ss e r v e r ) 、d n s 、文件复制( f r s ，f i l er e p l i c a t i o n s e r v i c e ) ，以及索引服务( i n d e xs e r v i c e ) 都从目录获取它们需要的配置信息 1 2 】。 活动目录的复制机制也具有自己的特点。活动目录具：苜松散一致性，对象进 行改变以后，系统需要一段时间更新，进行传递性复制，以更新所有副本。 活动目录还提供图形化的工具，通过拖拉等操作完成网络资源的初始管理。 3 1 3 2a c t i v ed i r e c t o r y 组织结构 活动目录在逻辑上可分为域、