（电力系统及其自动化专业论文）基于rtps的实时通讯中间件.pdf

a b s t r a c t c o m m u n i c a t i o ni sb a s i co fr e a l - t i m ea p p l i c a t i o nj n s tl i k es c a d as y s t e m d a t ai sm e a n i n g f u l o n l yw h e n i ti st r a n s f e r r e dr e l i a b l yi nal i m i t e dt i m e d i s t r i b u t e dr e a l - t i m ea p p l i c a t i o nh a su n i q u e c o m m u n i c a t i o nr e q u i r e m e n t s r e a l - t i m ea p p l i c a t i o n sm u s th a n d l ed i f f e r e n tk i n d so fd a t af l o w ； m a n y n o d e si n t e m o m m u n i c a t i o nm a k i n gd a t af l o wc o m p l e x ；a n dd y n a m i cc o n f i g u r a t i o nc h a n g e s o c c k f fa sn o d e sl e a v ea n dj o i nt h en e t w o r k s t r i c tt i m i n gr e q u i r e m e n t sf u r t m re o m p t i c a t et h e e n t i r ed e s i g n t r a d i t i o n a lc l i e n t s e r v e ra r c h i t e c t u r e sr o u t ea l lc o m m u n i c a t i o n st h r o u g hac e n t r a l s e r v e r t h i sm a k e st h e mi l l - s u i t e d t oh a n d l er e a l - t i m ed a t ad i s t r i b u t i o n p u b l i s h s u b s c r i b e a r c h i t e c t u r e s ，d e s i g n e dt od i s t r i b u t ed a t at om a n yn o d e ss i m u l t a n e o u s l ya n da n o n y m o u s l y , h a v e c l e a ra d v a n t a g e sf o rr e a l - t i m ea p p l i c a t i o nd e v e l o p e r s i np u b l i s h s u b s c r i b em o d e l ，p u b l i s h e ra n d s u b s c r i b e ts e n do rr e c e i v ed a t aa n o n y m o u s l ya n dd o e sn o tn e c dt oh a v ed e t a i li n f o r m a t i o no f n e t w o r k s n o ra d d r e s so f o t h 时n o d e s a p p l i c a t i o nc a nb ep u b l i s h e ro rs u b s c r i b e ro rb e t ho ft h e m p u b l i s h s u b s c r i b ew o r kw c l li nd i s t r i b u t e da p p l i c a t i o nw h i c hh a n d l e sc o m p l e xd a t af l o w p u b l i s h s u b s c r i b e ，嬲a l le f f e c t i v e c o m m u n i c a t i o nm o d e li nr e a l - t i m e a p p l i c a t i o n ，b e c o m e s p o p u l a rm o r ea n dm o r e w em a ys a y t h a tp u b l i s h s u b s c r i b em o d e li ss u c c e s sb o t hi nt h e o r ya n d a p p l i c a t i o n ，i t sd e v e l o p m e n ti sm e a n i n g f u l t ow h o l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m t h i se s s a y , t o g e t h e rw i t ht h ef e a t h e ro fs c a d a s y s t e m 。e x a m i n e st h ep r i n c i p l ea n dm o d e lo f p u b l i s h s u b s c r i b e ，d e s c r i b e st h ea r c h i t e c t u r a la d v a n t a g e sa n dl i m i t a t i o n so fi t ，a n di n t r o d u c e sa n e t w o r km i d d l e w a mt h a ti m p l e m e n t sp u b l i s h s u b s c r i b ei nt h ew a yo fa c t i v e xc o m p o n e n t s a t l a s tw e c o m p a r e o u r d e s i g nw i t ho t h e rp r o d u c t sa b r o a da n d m a k ef u r t h e rp r e d i c t i o n k e yw o r d s ：r t p s ；m o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e m ；s c a d a ：m i d d l e w a r e a c t i v e x 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 问题的提出 第1 章绪论 电力监控系统通信是监控系统实现其功能的重要保证。如何在控制局域网 内更加有效、更加高效地进行信息传递是监控系统的一个研究热点。传统的 c l i e n t s e r v e r 结构由一个中心服务器处理所有数据，所有的通讯都必须通过中 心服务器，是一种典型的多对一的通讯模式，当服务器具备所有需要的信息的时 候，这种模式可以正常工作。典型的c l i e n t s e r v e r 通讯模式的应用有数据库 系统、文件系统等。当数据来源于多个节点同时又被多个节点使用的时候， c 1 i e n t s e r v e r 结构就显得力不从心了，因为这种结构要求所有的数据都必须通 过服务器中转，而不是直接的点对点方式，这样一来对整个系统的通讯就增 加了不必要的延时，丽且，服务器还是整个系统的性能瓶颈，当服务器由于某 种原因出现故障的时候，整个系统的通讯便陷入瘫痪。在这种情况下，急需一 种新的通讯结构来保证监控局域网内数据的定时传送和可靠传输。 p u b l i s h s u b s c r i b e 结构形成于九十年代后期，是过程内通讯i p c ( i n t e r p r o c e s sc o m m u n i c a t i o n ) 的一种实现方式。过程内通讯能力是分布式 实时应用实现的基础。分布式实时应用的目标，诸如：编程简单、可移植性、 分析预测能力、效率、动态配置等，它们的实现都与过程内通讯能力直接相关。 实时应用对过程内通讯i p c 提出了诸如应用环境无关性、通讯规约无关性、网 络类型无关性、多节点效率、容错性等一系列要求。针对这些要求i p c 提出了 具体的p u b l i s h s u b s c r i b e 模型。p u b l i s h s u b s c r i b e 结构的形成来源于分组编 程技术( g r o u p b a s e dp r o g r a m m i n gt e c h n i q u e s ) 和匿名通讯模型技术 ( a n o n y m o u sc o m m u n i c a t i o nm o d e l ) 。这种模型在非实时应用环境中被称为“盲 播”( b l i n d c a s t ) 。p u b l i s h s u b s c r i b e 结构不仅可以使网络编程变得较以往容 易，更重要的是可以使应用系统具有可分析性、动态配置特性以及高效性。在 p u b l i s h s u b s c r i b e 结构中，节点通过。p u b l i s h 来发送数据，通过。s u b s c r i b e ” 来接收所需要的数据。现实中的p u b l i s h s u b s c r i b e 系统很常见，如电视节目， 报纸和杂志的发行等。这些应用系统都有一个特点，那就是需要很快地发送大 量的、时间限制要求很高的信息。 在p u b l i s h s u b s c r i b e 结构中信息的获取十分简单一节点或用户只需要 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 声明其想要的数据，系统就可以为之传递这些数据。p u b l i s h s u b s c r i b e 结构可 以处理十分复杂的数据流模式。p u b l i s h s u b s c r i b e 结构在对带宽的利用和周期 性数据的交换方面非常有效，它为在分布式环境中快速地交换数据提供了一种 出色的解决方案。另外，因为r t p s 结构支持多对多通讯，所以它是那种需要动 态地加入、删除节点的系统的理想通讯方式。 1 2 国内外研究现状 目前，p u b l i s h s u b s c r i b e 通讯结构已经成为i e e e 的行业标准，应用非常 广泛。国内外比较著名的p u b l i s h s u b s c r i b e 产品有：t i b c o 的 t i b r e n d e z v o u s ；n o t i f i c a t i o ns e r v i c e ；l o t u s 的i n f o b u s ；t r a n s a r c 的 p u b l i s h s u b s c r i b ea p i ；r t i 公司的r t p s 中间件n d d s 等。另外，基于 p u b l i s h s u b s c r i b e 的各种通讯应用软件更是层出不穷。监控、数据采集、网络 管理、金融系统到处都可以看到它的影子。p u b l i s h s u b s c r i b e 结构在各种分布 式应用中得到越来越广泛的应用，如金融系统，w e b 领域中的“推”技术，以及 s c a d a 系统等，在广域网中广泛使用的j a v 技术也采用了p u b l i s h s u b s c r i b e 结构。另外，在信息集成化日新月异的今天，分布应用还经常应用于嵌入式系 统当中。 1 3 本文研究的主要内容、目标与方法 本论文正是在解决现有的通讯软件结构的缺陷方面作了一点尝试。论文的 设计目标是在了解p u b l i s h s u b s c r i b e 结构的原理和具体模型的基础上，实现 一个能够满足监控系统实时性要求的、基于r e a l t i m ep s 结构的、可重用的网 络实时通讯中间件，并在局域霸环境中对其性能加以测试。为了实现这一目标， 需要在以下方面有所准备： 监控系统的特点、发展趋势 以太网实时性分析。 。 传统的c l i e n t s e r v e r 模型的优缺点。 p u b l i s h s u b s c r i b e 结构的基本原理和模型 国内外相关领域的发展现状。 另外，还需要对具体实现时用到的组播技术、中间件技术、a c t i v e x 技术以 及v i s u a lc + + 高级编程知识有所了解。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 第2 章监控系统的基本情况及目前存在的问题 2 1 电力系统远程监控及其组成 2 1 1 电力监控系统简介 电力系统是由发电机、变电所、输电网、配电网和用户的用电设备等组成， 并由调度控制中心对全系统的运行进行统一的管理。对电力系统生产过程的监 控，如按照地域的远近，可分为近程监控和远程监控两大类。各种继电器、传 感器等都属于近程监控，两调度中心要对电力系统中分布地域辽阔的变电所进 行的监控就属于远程监控。 现代的电力系统，调度控制中心需要采集和处理的数据数量多，实时性要 求高，早期的靠电话采集数据、下达命令的手段显然速度慢，实时性差，已无 法满足要求。科学技术的发展为调度自动化提供了强有力的支持，目前已经广 泛采用计算机对电力系统进行监视和控制。远动系统( $ c a d a ) 可为调度控制中 心采集实时数据。实现对远方设备的监视和控制，因此它是电力系统调度自动 化的基础。电力系统远动的主要任务是：将表征电力系统运行状态和变电所的 有关实时信息采集到调度控制中心；把调度控制中心的命令发往变电所，对设 备进行控制和调节。 从变电所发往调度控制中心的信息有遥信量和遥测量等。 遥信量是指应用通讯技术完成对设备状态信息的监视。如断路器、隔离开 关的位置状态，自动装置、继电保护的动作状态，发电机组、远动设备的运行 状态等。 遥测量是指应用通讯技术传送被测变量的测量值。如有功功率、无功功率、 电压、电流、频率等。 调度控制中心送给变电所的远程命令有遥控命令和遥调命令等。 遥控命令是指应用遁信技术，完成对有两个确定状态的运行设备状态的控 制的命令。如调度控制中心需要直接控制发电、变电所中的某些设备，如断路 器的分合闸。发电机的开机停机等，就发出相应的控制命令。 遥调命令是指对于具有两个以上状态的运行设备发出的远程命令。如调度 中心发出相应的调节命令来改变机组有功功率的整定值。 遥信、遥测、遥控和遥调是远动系统的四项基本功能，在我国称之为四遥。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 远动技术是应用通讯技术完成遥信、遥测、遥控和遥调等功能的总称。随着科 学技术的进步，远动系统的功能根据电力系统调度自动化的实际需要还在不断 扩展，例如远程监视即遥视的功能，就是为满足用户对现场的实际情况的监视 的需求而出现的。 2 1 2 电力监控系统组成 实际的监控系统按照功能可以划分为4 个子系统，如图2 - 1 所示。 人机联系信息采集处理 调度端 与其它厂站通信 图2 - 1 监控系统基本结构 厂站端 信息采集和命令执行子系统监控系统厂站端通过信息输入设备将遥信量、 遥测量等采集处理后经信息传输子系统发往调度端，并接收调度端发来的命令， 做出响应，通过命令输出执行设备。执行遥控、遥调等命令。 信息传输子系统调度端与厂站端通常距离较远，采用通信技术，由通信机 和信道组成的信息传输予系统实现两端的信息交换。 信息采集处理和控制子系统调度端采集各个厂站的信息，经处理加工后通 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 过人机联系子系统告知工作人员，并接受工作人员的命令，也可与上级调度交 换信息，或给厂站下达命令，进行调节、控制。 人机联系子系统监控系统通过人机联系子系统为运行人员提供完整的电 力系统实时运行状态信息。人机联系的手段有调度模拟屏、屏幕显示器、打印 机等，运行人员可以通过操作键盘对整个系统的运行进行管理，向厂站下达遥 控、遥调命令l l l 。 2 2 监控系统的基本结构和类型 2 2 1 监控系统的基本结构 电力监控系统又称远动系统，简单地说，就是对监控对象进行监视和控制， 它把调度控制中心和发电厂、变电所联系了起来。从监控的角度来看，一侧是 监控端。另一侧是被监控端监控系统是由控制站、被控站及信道等组成，习 惯上把被控站发往控制站的信息，如遥涌信息、遥信信息等，称为上行信息， 所用通道称为上行通道。把控制站发往被控站的信息，如遥控信息、遥调信息 等，称为下行信息，所用通道称为下行通道。数字式监控系统的基本结构如图 2 2 所示： 调度端厂站端 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 干扰 调度端厂站端 圈2 - 2 数字式远动系统基本结构 ( a ) 遥测。遥信( b ) 遥控，遥调 数字式远动系统中，遥测量和遥信量都是以数字方式表示，各种遥测量、 遥信量通常先由电量变送器变换为与之成正比的直流模拟电量然后进入远动 装置编码器将模拟量转换成数字量，编成一定格式的代码。信道编码器为数 据添加监督码元，进行抗干扰编码。数字信号在信道上以申行方式传送，故需 要经过并串变换，为了使数字信号适合于在信道上传送，调制器把要传送的数 字序列调制成交流电的频率或相位等，调制后的信号就沿着信道传送到对方。 在接收端，解调器把收到的数据解调，变换回数字序列。再经串并变换成为并 行数据。信道译码嚣按约定豹抗干扰规则检验，如没有发现差错，就将遥测、 遥信数据分别输出给计算机。 遥调和遥控的传输过程与上类似，发出命令的一方指定被控对象及操作的 性质，然后经编码后的命令经信道编码器、并串变换、和调锖l 后再送往信道， 被控站将收到的信号解调，经串并变换后由信道译码器检验。为了保证遥控命 令的可靠性，般采用先选择、后执行的方式，即先选择成功，在经过控制站 的确认之后，才执行命令。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 2 2 监控系统网络配置的基本类型 远动系统中主站和子站之间通过信道传输远动信息。若干远动站和连结各 远动站的链路的组合称为远动配置，远动配置有以下几种方式： ( 1 ) 点对点配置。站与另一站通过专用的传输链路相连，这是一种最简 单的方式。 ( 2 ) 多路点对点配置。主站与若干子站通过各自的链路相连，在这种配置 中，主站能同时与各个子站交换数据。 ( 3 ) 多点曩形配置。主站与若干予站相连，在这种配置中，任何时刻只允 许一个子站向主站传送数据。主站可选择个或若干个子站传送信 息，也可向所有子站同时传送全局性的数据。 ( 4 ) 多点共线配置主站通过公用线路与若干子站相连，在这种配置中， 同一时刻只允许一个子站向主站发送数据，主站可向一个或若干个子 站传送信息，也可向所有予站同时传送全局性的数据。 ( 5 ) 多点环形配置。所有站之间的通信链路形成一个环形，在这种配置中， 主站可用两个不同的路由与各个子站通信，因此当信道在某处发生故 障时，主站与子站之间的通信仍可正常进行，通信的可靠性得到了提 高。 ( c ) 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 ( d )( e ) 图2 - 3 远动系统的配置 ( a ) 点对点( ”多路点对点( c ) 多点星形( d ) 多点共线( e ) 多点环形 远动系统中信息传送的基本工作方式有循环传送模式，自发( 事件驱动) 传送模式。按请求( 问答或轮询) 传送模式三种。循环传送模式是指发送站按 规定的顺序，周期性地将数据送给主站，不需要主站的干预；自发( 事件驱动) 传送模式只有在发送端发生事件时，才向主站传送数据；请求( 问答或轮询) 传送模式是指主站向被控站发出请求传送的命令，被控站按照主站的要求来组 织、发送有关信息瑚。 2 3 监控系统发展趋势及面临的问题 2 3 1 监控系统的发晨趋势 我国电力系统远程监控系统的发展是从5 0 年代开始。早期的遥测为模拟式， 遥测装置与遥信、遥控装置分开。远动装置使用的元器件主要是电子管、电磁 继电器等，工作速度低、容量小、维护工作量大、可靠性也差。随着半导体技 术的发展，我国于6 0 年代研制了以半导体元器件构成的无触点式远动装置，采 用数字式将遥测、遥信、遥控、遥调综合于一体，称为数字式综合远动装置， 其工作性能有了明显的提高。由于这类装置是按布线逻辑方式构成的，一经确 定就难以修改，在功能和容量的扩展方面受到限制。随着计算机技术的发展， 我国在7 0 年代研制成了可编程序式远动装置，它具有适应性强，扩展方便等优 点。微型计算机的发展为远动系统提供了强有力的技术支持，采用了微型i 十算 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 机使远动技术进入了一个崭新的时期，其主要优点是适应性强，功能和容量的 扩展以及和其它计算机系统的通信都比较方便，可靠性高，维护也比较方便。 随着计算机技术和通信技术的发展，远动装置的结构也在不断完善，由单机系 统发展为多机分布式开放系统，采用网络通信，以便更好地适应各方面对提高 性能价格比的要求。电力系统远程监控技术的发展有如下特点； ( 1 )硬件、软件采用模块化、分布式结构，适应性强，可靠性高。性能 良好的操作系统、数据库管理系统以及成套的软件包为用户的开发 和使用提供了极大的方便，并逐步走向开放式、标准化，统一通信 规约，以适应不同型号装置之间的信息交换。 ( 2 )通信网络化。作为多机系统的调度端内部以及整个远程监控系统， 采用计算机网络通信。也便于和其它计算机系统交换信息。 ( 3 )远程监控系统的通道对通信质量有重大影响。目前国内电力系统中 的一些主干通信线路已建成微波通道，光纤通道，逐步形成专用通 信网络，通信质量大大提高嘲。 2 3 2 存在的问题 在当今的监控系统中，随着硬件技术水平日新月异的发展，硬件的价格逐 步下降。在整个系统中的比重较以前有所下降，相对的。软件的比重和地位就 凸现出来了。在监控系统软件中，逶讯都分是基础，所有的监控功能都是建立 在可靠通讯的基础上的现有的监控系统存在的主要问题有。 传统监控系统的遥讯多采用c l i e n t s e r v e r 结构设计，这种集中式模式 由一个中心服务器处理所有数据，所有的通讯都必须通过中心服务器。 它是一种典型的多对一的通讯模式当服务器具备所有需要的信息的时 候。这种模式可以正常工作。当数据来源于多个节点同时又被多个节点 使用的时候c l i e n t s e r v e r 结构就显得力不从心了。因为这种结构要 求所有的数据都必须通过服务器的中转，而不是直接的点对点的方式， 这样一来，对整个系统的通讯就增加了不必要的延时，而且，服务器还 成为整个系统的性能瓶颈，当服务器由于某种原因出现故障的时候，整 个系统的通讯便陷入瘫痪。 实际的监控系统都是由试验线路一步一步扩展到整个系统的，在这个过 程中，系统要保证可靠运行。由于系统是在不断地扩展变化的，无法得 到整个系统的所有信息，这就使得在进行设计时，要采用自底向上的设 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1o 页 计方法而不是传统的自上向底的方法。 实际的监控系统对国计民生意义重大，不能因为系统故障和维护而停止 其运行。即使系统的一部分陷入瘫痪或正在维修，其它部分也应该能够 保持正常工作。这些要求在传统的集中式控制方式下是无法保证的。 监控系统是一种实时性要求很高的应用系统，大量的实时信息要求在很 短的、规定的时间内到达接收方，超时到达的数据对系统来说是没有意 义，甚至是有害的。传统的监控系统采用基于t c p i p 协议的网络编程 无法保证数据的定时传输。 监控系统一般拥有多种数据流格式，不同的数据流格式有不同的实时性 可靠性要求，应该根据不同的数据类型来灵活地在定时传输和可靠性之 间做出折衷选择。传统的处理方法采用单一的收发处理机制，将系统复 杂的性能要求人为地简单化是机械的、不合适的。 因此，迫切需要一种通讯模式在保证系统实时性和可靠性的前提下，提高 动态配置特性和系统的容错性，在众多的解决方案里面，r t p s 是一个理想的选 择。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 第3 章r t p s 的结构原理及以太网的实时性 要了解r t p s 的结构原理，必须从它的应用环境一分布实时应用谈起，分 布实对应用拥有自己独特的通讯要求。实时应用程序必须处理不同的数据流， 诸如：重复更新数据流，事务处理数据流，可靠传输数据流。多节点的内部通 讯使得数据流变得极为复杂，当节点离开或加入系统时系统的动态配置状态也 会发生变化。对传输过程的严格的时间要求更增加了这种复杂度。传统的 c ! i e n t s e r v e r 结构中所有通讯都必须经过中心服务器，这就使得该结构不适于 实时应用系统。而p u b i i s h s u b s c r i b e 结构则不同，它是为这种多节点复杂通 讯而设计的，因而具有明显的性能优势，例如；更加高效，能够适应复杂通讯 数据流模式，对各种无连接的通讯协议( 多播等) 支持良好。但是 p u b l i s h s u b s c r i b e 结构需要做出一些扩展才能适应分布实时应用的要求。另 外，以太网作为多数实时应用系统的实现基础，它的实时性也是我们在实现网 络实时通讯中间件的过程中要面临的一个闯题。 3 1 实时数据流 分布实时应用在它的不同部分有不同的数据流类型，数据流类型可以简单 到传感器送来的温度值，也可以复杂到几百个传感器和控制器通过网络进行数 据交换以保证控制过程正常运行。在分析这些不同的、复杂的数据时，我们必 须理解这些不周数据的类型、属性和模式。 3 1 1 数据流类型 要设计一种适用于实时系统的有效的通讯结构，就必须从对其数据类型了 解入手。实时系统一般有以下5 种数据流类型。 1 信号量；大多数实时系统要求对实际的物理量进行测量，如温度、电压、 电流等。信号量总是在持续不断地发生变化。对信号量的处理一般有以 下特点： 时要性；时间对信号量来说十分重要，过期的数据是无意义的。 幂等性；快速重复更新对信号量数据来说是允许的。 新鲜度；新鲜的数据相对于丢失的数据对信号量来说更为重要。 2 命令：实时系统必须要处理序列化的命令，系统本身既不能错过一条 命令，也不能将任意一条命令执行两次。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第12 页 3 状态量：状态量用来表示当前对象的状态或目标状态。 4 事件量：事件量是用异步操作来串行化任务执行的物理量。例如：只有 当容器内的液面值低于某一个设定值时，泵操作才启动注入操作。 5 查询量：实时系统经常需要发布一些对所需要数据的查询。查询表示两 方面的意思，客户端向服务器发送请求，服务器执行一些操作并返回执 行结果。 实时系统必须处理以上的各种数据类型。 3 1 2 数据属性 正确理解节点问的数据流的属性是很关键的。这些属性包括：数据多快能 够到达，数据能否到达既数据的可靠性，需要多大的带宽。对于大多数实时系 统来说，数据在确定的时间内到达比数据的可靠性本身更重要。偶尔的数据丢 失是可以接受的，因为后续数据会很快到来。每一种数据流都有自己不同的属 性，这些属性会因应用范围的不同而有所差异。如信号量数据一般比较多，因 此需要较大的通讯带宽；命令量的时要性并不突出，对它来说，数据的可靠性 更为重要；状态量一般都会在传递一次后保持一段时间；事件量的要求可能因 人而异，因事丽异；对某些系统来说，数据的可靠性比较重要，而对于其他一 些系统可能时要性更为突出：查询量一般要等到以前的查询完成再发送新的查 询数据。 3 1 3 数据攘式 信息的一性一旦确定注意力就应放在信息的发送模式上，在这里要回答3 个问题：信息是从哪里产生的；它要传送到哪里l 它应该何时到达。对这些问 题的回答传统的c l i e n t s e r v e r 结构和现在的p u b l i s h s u b s c r i b e 结构都有所 不同。对数据流的语义的理解对于决定系统的通讯结构十分重要。t c p i p 协议 能够保证数据的可靠性，但它却很难保证数据的定时传输，另外在t c p i p 中 重发次数等参数是由操作系统决定的，不能轻易地被应用程序本身修改，因此， 应用t c p i p 的系统能得到可靠的数据，但却无法有效控制数据流。 3 2 以太网的实时性 以太网作为作为监控系统最方便，最廉价的一种实现方式长期以来被认为 是不适于各种实时应用的，这种担忧来源于以太网的技术基础：各种访问算法， c s m a c d ，t c p i p 都不支持定时传输，但在现有的以太网硬件环境下，完全可以 西南交通大学硕士研究生学位论文 第13 页 通过软件的手段对以太网的这些缺陷加以弥补，使之适用于实时应用。 3 2 1 介绍 网际协议i pp r o t o c o l 在现代监控系统和信息系统中应用很广，人们通过 它可以实现远程监视和管理，以及故障状态下的远程维护。但是，现有的大多 数应用都是建立在以太网的基础上的，而以太网本身并不是一种有效的定时传 输方式。同时，被大多数以太网所使用的t c p 协议使用了可靠的重发机制因而 也不适用于实时应用。尽管有着以上种种不利因素，在实际的工程应用中我们 依然发现以太网可以满足一般的实时需要，这是何原因昵? 下艋就以太网不适 用于实时应用的几个主要的技术障碍加以分析： 以太访嗣算法大部分i p 局域网都使用8 0 2 3 以太网标准，廉价的以l o b a s e t 为代表的硬件，1 0 或1 0 0m b i t s s e c o n d 的高速度使以太网的应用非常广泛。但 在实时系统中以太网的应用就受到了挑战，因为在繁忙的网络链路上不能保证 节点间定时传输。 馏酗以太网使用具有冲突检测的载波监听多点接入( c a r r i e rs e n s e m u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o nd e t e c t ) 作为仲裁算法。每一个节点在发送 数据之前首先监听网络，若是网络空闲，则发送数据，否则，它要等到网络空 闲再发送。当两个节点同时检测到网络空闲，并同时开始发送，当这两个电信 号交会时。它们混杂在一起，每一个信号都失去了意义，这种事件叫做冲突 ( c o l l i s i o n ) 当检测到冲突时，主机接口放弃本次发送，等待活动停止，再 次试发。为避免每次发送都导致冲突，以太网采用一种二进制指数退避策略 ( b i n a r ye x p o n e n t i a lb a c k o f fp o l i c y ) ：发送者在第一次冲突后延迟一个随 机时间。如果第二次也发生冲突的话，则延迟第一次时延的两倍，以此类推。 图3 一i 冲突的产生 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 3 2 2 实时性分析 为了进行定性的分析，我们作如下假设 试验环境为一个孤立的以太网系统：这并不是说该系统不能与外部相 连。只是说它应是一个由网关或网桥隔离出来的、相对独立的系统 网络数据包的尺寸较小且各数据包大小相同 相对较轻的网络负荷。 以上这些都是实时系统的典型情况。另外， 设 s p = 数据包长度( b y t e s ) 五= 数据包接收率( p k t s s e c ) 砌= 网络带宽( b i t s s e c ) t p = 数据包在网络上的时间( s e a ) 砌工= 最大可按收延时( s e c ) n = 在最大可接收延时内的冲突次数 愚”= 发生错误的可能性以殳生n 次冲突) 厶= 延时没有超过最大可接收延时的可能性 = 发生错误前发送的数据报的数目 t e r r = 错误发生前的时闯 在一个有很多节点的网络上数据包到达的可能性服从泊松分布，即 略( x ) = e - f 鲁“( 七- x ) 式( 3 一1 ) i - o 其中f = 警网络带宽比例因子。 对试验网络而言。节点数目越少，则发生冲突的可能性越小，在一个有3 个 节点的网络里3 个节点同时开始传输的可能性为i m 去没有节点数据到达、有1 个节点数据到达、有2 个节点数据到达的可能性 只。= 1 一p 一7 【l + ，+ 譬】 我们保守地认为2 个节点发生冲突的可能性为l ，这样来，相互竞争的数 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 据包就开始t c s m a c d 的游戏：开始它们从序列 0 ，1 ，2 中选择，如果选择相 同，则从序列 0 ，1 ，2 ，3 ，4 ) 中选择，以此类推，直到退避时间超过y m a x 。第 一次从3 个数字中选择相同的数字的可能性为1 3 ，第二次从5 个数字中选择相同 的数字的可能性为1 5 ，重复n 次的可能性为 = 兀击 l 常用的配置如表3 一l 表3 - 1 常用配置数据 n 延时( m s ) 1 0 m b延时( m s ) 1 0 0 m b 兀由 110 10 3 3 3 3 220 20 0 6 6 6 6 6 340 40 0 0 7 4 0 7 480 80 0 0 0 4 51 60 1 61 3 1 0 5 63 2o 3 2 2 0 1 0 7 76 40 6 _ 4 1 5 1 0 。9 81 2 81 2 b6 0 l o 一2 92 5 62 5 61 1 1 0 一 1 05 1 25 1 21 2 1 0 一” 由上述推导可知发生错误的可能性为。 砌r ：h 击 l 相应的，正确传输的可能性为； 只t 。( 1 p e 盯，m 故 毓= l n ( p 、l n ( 1 一p e r 自 式( 3 - 6 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文 第16 页 殆”= 等 式( 3 - 7 ) 由以上公式，我们可以轻易地推算出在1 0 0m b i t 以太网上，每秒钟发送1 0 0 0 个1 2 8 一b y t e 的数据包，在1 1 4 0 年中冲突导致的延时不超过l 毫秒的可能性为 9 9 ，或者说在同样的情况下，延时不超过0 5 毫秒，可靠性为9 9 的时间为9 年。 表3 2 是一些计算数据： 表3 2 计算数据 带宽数据包长度数据包个数 t m a x ( m s ) 时间 ( m b i t s s e o( b y t e s ) 1 0 01 2 81 0 0 022 9 3 0 0 0 年 1 0 01 2 81 0 0 0l1 1 4 0 证 1 0 01 2 81 0 0 00 59 年 1 0 01 0 2 4 1 0 0 026 0 4 焦 l o o1 0 2 4l o l2 年 1 0 01 2 8 5 0 0 01 54 8 3 在 l o6 4 1 0 0 079 年 1 0 6 4l o 21 0 、时 1 01 2 8 2 5 042 年 1 0 1 2 81 0 71 年 1 01 2 8 l o2i 小时 1 01 2 85 3 55 3 天 1 01 0 2 4l 82 3 年 由以上推导，我们可以得出结论，以太网在实时应用中完全可以满足要求， 以太网在实时应用中的潜力是无穷的1 6 1 。以太网作为实时应用的可靠性得到验证 之后，下面面临的就是通讯模式的选择的问题了。 对于分布式应用系统的开发者来说，有以下几种通讯模式以供选择 c i i e n t s e r v e r 结构：包括传统的中央服务器节点为中心的方式和它的 升级模式分布对象和对象代理。 p u b l i s h s u b s c r i b e 结构：以中间件的方式分发数据，p u b l i s h 在各节点 西南交通大学硕士研究生学位论文 第17 页 问匿名发布数据，允许一对多方式。 3 3c i e n t s e r v e r 结构 3 3 1c | e n t s e r v e r 结构的主要特点 在传统的c 1 l e n t s e r v e r 结构中，软件分为客户和服务器两部分，分别运 行于不同的机器或进程中，二者协同工作。8 0 年代以来，一些主要的计算机技 术( 网络、廉价p c 、图形化用户界面和关系数据库) 推动了这种模式的发展。 c 1i e n t s e r v e r 结构的主要特点是 请求应答( c a l l - r e t u r n ) 工作方式； 以消息交换作为工作方式； 基于过程的访问服务； 服务集中于特定服务器。 3 3 2c li e n t s e r v e r 结构的优点 c l i e n t s e r v e r 结构的出现简化了复杂应用程序的开发和维护。s e r v e r 为 c l i e n t 提供系统定义的各种服务，如各种基于文件的服务、数据库服务、名字 目录服务、事务处理等。为用户提供了一种有效的资源共享手段。与传统的分 时共事模式和资源共享模式相比。c l i e n t s e r v e r 系统具有如下优点： ( 1 ) 优化网络利用率，减少了网络流量。客户机只把请求的内容传给服务器， 服务器也只是返回最终结果，系统中不必传输整个数据文件的内容。特 剐是数据库操作时。由于处理数据的主要过程和数据是放在一起的，库 的内容可以不必传来传去。而在资源共享模式中，由于整个文件要在本 地处理，信息通常都要下载到工作站上，其间要传输大量的数据。 ( 2 ) 响应时间较短改进的原因之一是网络的流量减少了，特别是如果当 c l i e n t s e r v e r 模式中允许在本地留下远端数据库的副本时。数据查询的 性能会得到很大的提高。 ( 3 )通过把应用程序同它们处理的数据隔离，可以使数据具有独立性。这样， 服务器就能对数据的存取进行充分而且有效的控制，未通过鉴别和授权 的用户将无法对数据进行访问，系统数据的完整性可以得到充分的保证。 此外，数据的封装性使得改变对数据本身的操作较为容易，通过少量的 改动就可把新的数据集成到已有应用中去，可以更快地开发出新的应用。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第18 页 3 3 3ci ie n t s e r v e r 结构的不足 传统的客户服务器应用软件模式大都是基于“肥客户机”结构下的两层结 构应用软件。它面临的一个主要问题是系统的可伸缩性和安装维护困难。开发 人员写出的程序在客户端运行，占用了大量的系统资源和网络资源。在监控系 统这样的实时应用中，c l i e n t s e r v e r 模式的不足之处包括： ( 1 ) c 1 l e n t 与s e r v e r 直接连接，没有中间结构来处理请求，s e r v e r 定位通 常需要网络细节，s e r v e r 必须是活动的。客户端的应用程序严格依赖于 服务器螭数据存储和组织方式： ( 2 ) 应用接口的异构性严重影响系统间互操作，许多相同的功能模块被多次 重复开发，代码的重用很困难。最常见的复用方式是拷贝代码块并对其 进行修改。 ( 3 ) 无法保证数据的实时性，系统扩展困难，容错性差，无法实现在线维护、 在线扩展。对多数据类型的应用支持较差。 ( 4 ) 由一个中心服务器处理所有数据，所有的通讯都必须通过中心服务器， 当服务器具备所有需要的信息的时候，这种模式可以正常工作。当数据 来源于多个节点同时又被多个节点使用的时候，c l i e n t s e r v e r 结构就显 得力不从心了。因为这种结构要求所有的数据都必须通过服务器的中转， 而不是直接的点对点的方式，这样一来，对整个系统的通讯就增加了不 必要的延时。而且，服务器还悬整个系统的性能瓶颈，当服务器由于某 种原因出现放肆的时候，整个系统的通讯便陷入纛痪。 以上这些c l i e n t $ e r v e r 结构豹缺点限制了它在实时系统中的应用，针对 这些缺点c l i e n t s e r v e r 结构也提出了褶应的改进方法。多服务器网络是一种 可能的替代解决方案，但这种系统相对而畜非常复杂，对它的建立、管理都比 较困难存在的闯题较多。这种方案在解决了性能瓶颈和单点故障对系统的重 大影响的同时又带来了新的效率低下，带宽消耗过多的问题。由此可见。 c 1 l e n t s e r v e r 结构无法满足实时应用系统对通讯的要求【i 1 。 3 4 分布式对象技术 3 4 1 分布式对象技术简介 分布式对象技术是随着网络和面向对象技术的发展而不断地完善起来的。 9 0 年代初c o r b a1 0 标准的颁布，揭开了分布式对象计算的序幕。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第19 页 分布式对象技术研究分布于网络不同节点上的对象如何进行协作，共同完 成特定的任务，其核心内容在于对象之间的互操作，尤其是异构环境中的互操 作问题。分布式对象技术采用面向对象的多层客户i l l 务器计算模型，该模型将 分布在网络上的全部资源( 无论是系统层还是应用层) 都按照对象的概念来组 织，每个对象都有定义明晰的访问接口。创建和维护分布对象实体的应用称为 服务器，按照接口访问该对象的应用称为客户。服务器中的分布对象不仅能够 被访问，而且自身也可能作为其他对象的客户。因此在分布对象技术中，客户 与服务器的角色划分是相对的和多层次的。 分布式对象技术建立在组件( c o m p o n e n t ) 的概念之上。分布对象计算中，参 与计算的计算体( 分布对象) 被称为组件。组件是一些独立的代码的封装体， 在分布计算的环境下可以是一个简单的对象。但大多数情况下是一组相关的对 象复合体，提供一定的服务。 目前分布式对象技术有三种主流技术c o b r a 、d c 删和e j b 。c o r b a 技术 是最早出现的。1 9 9 1 年o m g 颁布了c o b r a1 0 标准；d c o m 是微软提出并控制的 分布式组件对象技术从最初的c o m 发展成现在的i