（电路与系统专业论文）远程监测系统的可靠性研究.pdf

摘要 y 8 7 8 5 7 0 摘要 随着计算机技术的飞速发展，数据通信、网络工程和信息管理 等系统性能的巨大改进，出现了将自动化监测技术、计算机技术和 通信技术相结合的局面。监测系统正沿着计算机化、标准化和网络 化三大趋势发展。 远程监测系统已经不是简单的仪器网络，更是控制网络和 i n t e r n e t 网络的结合。远程监测系统结构复杂，对于可靠性的要 求很高。远程监测系统的可靠性不同于一般的计算机网络，由于仪 器网络的加入，对于实时性的要求比一般的计算机网络系统要高。 同时仪器网络本身的延迟增加了系统设计的复杂度。远程监测系统 对系统的稳定性和准确性要求很商如何提高系统可靠r 土是远程监 测系统领域亟待解决的难题。 由于远程监测系统是一个庞大的信息系统，不仅涉及到b s 系 统( 浏览器一服务器系统) 、c s 系统( 客户一服貉器系统) 等网络 技术还涉及到多层应用软件的嵌入和仪器控制，因此，如何保证 各个子系统协调运作以及如何充分利用各个软件平台的功能是提 高系统可靠性的关键因素。线程切换、保迁线程同步、内存垃圾处 理、服务器和客户端通信控制和异常情况处理等都是影响系统可靠 性的技术难点。 本文首先分析了远程监测系统的结构，由此得 h 了监测网络和 一般计算机网络的不同之处。结合软件可靠性概念，提山了远程监 测系统可靠性的基本特征，即可程序控制的设备网络处理机制、用 户软件与操作系统的无缝嵌入以及符合系统要求的实时性指标。 其次阐述了w i n d o w s ，d c o m ，n e t 这些平台在线程调度、线程 同步以及内存管理方面的工作机秕提出了远程监测系统在这些平 台上开发的性能要求。从仪器网络的调度和多线程角度分析了鑫诺 卫星通信系统设计方法，在可靠性优化设计中，从满足远程监测系 统可靠性的三个基本特征出发，进行了数据通信可靠性、实时性和 稳定性的优化设计，并据此提出了远程监测系统可靠性设计原则。 摘要 本论文结合远程监测系统的网络和硬件特点，从多线程和内存 管理两个方面对鑫诺卫星地球站的远程监测系统的可靠性问题进 行了研究，并针对实际应用提出了较为合理的解决方法。 1 本论文分析了相关测试仪器的延迟特点，总结了系统对仪 器的访问方式，构建了适当的仪器控制系统结构。 2 在多线程设计中，针对多用户的复杂软件系统，服务器采 用软件锁方法，解决了对共享资源的访问冲突问题。 3 客户端采用n e t 的自动垃圾回收机制回收内存，如果使用 不当，将会引起系统不稳定和系统运行速度下降。本文从内存使用 和线程调度的角度分析了引起这种错误的原因，并提出了正确使用 垃圾回收器的方法解决了频繁使用垃圾回收器而引起的系统不稳 定问题。 4 针对w i n d o w s 平台和实际应用中出现的问题，本文提出了远 程监测系统可靠性设计的基本原则。 j 根据本文提出的可靠性设计原则对鑫诺卫星监测系统进行 了可靠性优化设计。设计结果在满足系统运行速度要求的前提下， 保证了通信数据完整与准确，进而增强了系统的稳定性和可靠性。 目前，本系统已经在鑫诺卫星通信公司正式投入使用，运行稳定， 顺利完成了鑫诺卫星通信公司提出的各项任务。 关键词：远程监测，可靠| 生，多线程，内存管理 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t l lt h e d e v e l o p m e n t o f c o m p u t e rt e c h n o l o g y a n dt h e i m p r o v e m e n to f d a t ac o m m u n i c a t i o n ，n e t w o r ke n g i n e e r i n ga n d i n f o 咖a t i o nm a n a g e m e n t sp e r f o n n a n ce ，t h ec o m b i n a t i o no fa u t o m a t i c s u p e n r i s e ，c o m p u t e rt e c l l l l 0 1 0 9 ya n dc o m m u n i c a t i o nh a sa p p e a r e d b a s e do nt h ec o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dn e t w o r k ，m o n i t o r i n gs y s t e mi s d e v e i o p i n gq u i c k l y r e m o t em o n i t o r i n gs y s f e mi st h ec o m b i n a c i o no fc o n t m ln e t w o r k a n dl n i e m e tn e t w o r ki n s c e a do ft h es i m p l ei n s t n l m e n tn e t w o r k i lh a s c o m p l e xs t r u c f u r ea n dh i g l lr e i i a b i l j l yr e q u i r e m e n t i nr e l i a b i l i t y r e q u i r e m e n tr e m o t em o n i i o r i n gs y s t e m j sd i f r e r e n tf r o mc o m p u t e r n e f w o r k w i i ht h ei n s l r u m e n t s ，i tn e e d sh i g h e rr e l i a b i l i t yt h a nt h e g e n e r a lc o m p u t e rn e t w o r ks y s t e m b e c a u s e0 f t h ed e l a yo fj n s i r u m e n t n e t w o r k ，t h es y s t e md e s i g ni sv e r yc o m p l e x h o wt oi m p r o v et h e r e l i a b i i i t yi sad i m c u i tp r o b l e mf o rr e m o t em o n ic o r i n gs y s t e m a sr c m o t em o n i t o r i n gs y s t e mi sal a 唱ei n f o r m a t i o ns y s t e m ，“ r e f e r st on o to n l yb s ( b r o w s e r s e r v e r ) s y s t e ma n dc s ( c l i e n t s e r v e r ) s y s t e mb u tm u l l i l a y e rs o n w a r ca n dl h ei n s t n l m e n tc o n t r 0 1 t h e r e f o r e ， h o wt oe n s u r et h ec o o r d i n a t ew o r k i n go ft h es u b s y s t e m s8 n dh o wt o m a k eu s eo ft h es o f t w a r ep l a t f o n ni st h ek e yp o i n to fh i 曲r e l i a b i l ic y t h r e a d s w i t c h i n & t h r e a d s y n c h r o n i z a t i o n ，m e m o r ym a n a g e m e n i ， c o m m u n i c a i i o nb e t w e e ns e r v e ra n dc l i e n ta n dt h ee x c e p t i o nh a n d l i n g a r ei m p o r t a n ff o rt h es y s t e mr e l i a b i l i 吼 t h es t r u c t u r eo fr e m o t en l o n i t o r i n gs y s t e mw a sd i s c u s s e di nd e t a i l 6 r s t t h e nt h ed 硐 e r e n c eb e t w e e nm o n i t o r i n gn e t w o r ka n dg e n e r a l c o m p u t e rn e t w o r kw a ss t u d i e d w i t ht h ec o n c e p to fs o f w a r er e l i a b i l i q t h i sp a p e rp m p o s e dt h eb a s i cc h a r a c t e ro fr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m s r e l i a b i l i t yw h i c hw a sp r o 酽a mc o n t r o li n s t r u m e n tn e t w o r km a n a g e m e n t ， s e a m l e s se m b e d d e di no p e r a t i n gs y s t e mf o ru s e rs o f w a r ea n dr e a lt i m e a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h es y s t e mr e q u i r e m e n t t h ew o r k i n gm e c h a n i s mo fw i n d o w s ，d c o m ，n e ti nt h ea s p e c t o ft 1 1 r e a ds c h e d u l i n g ，t h r e a ds y n c h r o n i s ma n dm e m o r ym a n a g e m e n t w a sl i s t e d t h ep e r 王b m a n c er e q u i r e m e n to fr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m d e s i g n e du p o nt h e s ep l a t f o n n sw a sp r o p o s e d t h ep a p e rs t u d i e dt h e d e s i g nm e t h o do f m o n i t o r i n gs a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o no p e r a t i o ns y s t e m a c c o r d i n gt o t h r e eb a s i cc h a r a c t e ro fr c m o t em o n i t o r i n gs y s t e m ， o p t i m i z ed e s i g ni n d a t ac o m m u n i c a t i o nr e l i a b i l i t y ，r e a it i m ea n d s t a b i i i t yw a sf i n i s h e d a tl a s t ，as e to fp f i n c i p l e sw a ss u m m a r i z e di n r e l i a b i l i t yd e s i g no f r e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m a c c o r d i n gt om en e f w o r ka n dt h eh a r d w a r ec h a r a c t e ro ft h e s y s t e m ，t h i ss y s t e m sr e l i a b i i i t yw a ss t u d i e db a s e do nm u l t i t h r e a da n d m e m o r ym a n a g e m e n t ar e a s o n a b l es o l u t i o nf o ri h ea p p l i c a t i o nw a s p r o p o s e d 1 t h ed e l a yc h a r a c t e ro ft c s ii n s i r u m e n tw a sa n a l y z e da n da c c e s s m e t h o dw a ss u m m a r i z e ds o a st ob u l dr e i e v a n ti n s t r u r m n tc o 呲r o l s y s t e ms t r u c t u r e 2 t bd c s i g nm u l t i - t h r c a df o rt h em u l f i u s e rs y s t e m ，t h es o n w a r e c i o c kt h a ts o l v e dt h em e m o r ya c c e s sv i o l a t i o nw a su s e di nt h es e r v e l 3 t h ea u t o m 砒i cg a r b a g ec o l i e c t i o ni su s e dt oc o l l e c tt h em e m o r y g a r b a g ei nt h ec l i e n ts y s t e m i tc a nb “n ga b o u tt h ei n s t a b i l i t ya n di o w w o r k i n gs p e e d b a s e do nd i s c u s s i o no ft h er e a s o n ，m e m o r yu s a g ea n d t h r e a ds c h e d u l i n g ，ar e l e v a n tm e t h o df o ru s i n gt h ef u n c t i o no fg a r b a g e c o l l e c t i o nw a sa d 出e s s e d t h ei n s t a b i l i t yp r o b l e mw a ss o l v e dw i t ht h i s m e t h o d 4 t h eb a s i cp r i n c i p l eo fr e l i a b i l i t yd e s i g ni nr e m o t em o n i t or i n g s y s t e mw a sp r o p o s e da c c o r d i n g t ot h ep r o b l e mh a p p e n e di na p p l i c a t i o n w o r “n gu p o nw i n d o w s 5 o nt h ep n n c i p l eo fr e l i a b i l i t yd e s i g n ，t h es y s t e mw a so p t i m i z e d t oi m p m v et h er e l i a b i l i 何d u r i n gt h em n n i n gp e r i o d ，t h es y s t e mh a s g o o dw o r k i n gs p e e d ，p r o v i d e se x a c tc o n l m u n i c a t i o nd a t a8 n di m p r o v e s a b s t r a c t t h es t a b i l i t ya n dr e i i a b i l i t 弘n o 、v ，t h ss y s t e mi su s e di ns i n os a t e l i j t e c o m m u n i c a t i o nc o m p a n ya n di m p l e t n e n t st h et a s k so ft 1 1 ec o m p a n y s u c c e s s 如l l y k e y w o r d s ： r e m o t em o n i t 州n g ，r e l i a b i l i t y ， m u l t j - t h r e a d ，m e m o r y m a n a g e m c 口t 绪论 第1 章绪论 工业生产过程正处于由劳动力密集型、设各密集型、信息密集 型到知识密集型地转变过程。在此过程中，以计算机为基础而构成 地控制、管理、决策系统无疑起到了非常重要地作用。随着电子技 术和计算机技术的不断发展工业生产过程的控制系统正在向着智 能化、数字化和网络化的方向发展。使用特定的协议，操作者可以 在远端通过网络来监控现场的情况、接受测量数据和进行实时控 制。监测系统需要高可靠性，而监测系统的网络化，增加了系统的 复杂度，给系统可靠性又带来了新的挑战。为此，本文提出了基于 远程监测系统的可靠性研究。 1 1 远程监测系统的结构和特点 1 1 1 远程监测系统的基本概念与特点 近几年来，以太网互联网等网络架构已逐渐在自动化产品内被 广泛的采用，取代传统的串口通信而成为自动化系统通信的主流。 在这种趋势下，以t c p i p 和以太网为代表、成熟度较高的丌放式网 络技术，正逐渐被应用于各个自动化系统，连接并控制所有设备。将 i n t e m e t 网络技术引入控制领域，通过连接不同的网络，形成一致的 网络结构可以十分自然地将网络规范应用于控制设备领域，将 i n 矗彻e t 与i n t 珊e t 、i n t e m e t 相连，实现信息的完整共享。这种技 术的应用为i s t ( i n t e m e ts e n s o rt e c h n o l o g y 网络传感技术) 、 h v a c ( 家庭环境自动控制) 、局部环境自动控制、【a ( i n f o 咖a t i o n a p p l i c a t i o n 信息家电) 、智能小区管理等提供了技术基础和实施保 证。 所谓远程监测就是对异地仪器设备、执行机构、控制系统等的 北京交通大学硕士学位论文 相关运行参数实现异地监视、测量，以便从异地了解现场仪器设 备、控制系统的运行情况，是现代测量技术、数据采集技术、计算 机技术、网络通信技术等相结合的系统。 目前远程监测技术都使用实时和在线监测方式。借助于计算 机、网络和通信技术，操作者可以依靠安装在现场的各种测量仪 器，通过i n t e m e t 了解现场情况，对现场进行监视、诊断和控制。 作为现代工业技术的一个重要支撑技术与组成要素，远程监 测技术得到了广泛的应用和发展。如远程网络教学、i n t e m e t 网的 家电接入、远程故障诊断等。基于i n t e m e t 的远程监测广泛应用于 邮电、电力、通讯、金融等系统及设施【l 】 2 】【3 。对于以上系统而 言，由于需要监控的区域广、监控的对象种类多因而需要花费大 罱的人力、物力和财力进行设备的维护。除了上述系统外还存在 某些容易发生突发性事件的领域，如容易发生火灾和洪火的场所， 由于这些事件发生的概率相对较小，且具有随机性和不确定性，全 部采用现场人员值守是不现实的。因此。为提高维护管理自动化水 平，保障设备的安全和正常运转。实时了解设备的运行情况，实现自 动化网络监测是十分重要的。 随着信息化的进一步加剧，远程监测系统已经不是简单的仪器 网络，更是控制网络和i n l e m e t 网络的结合。仪器网络与i n t e m e l 网络相比，主要有以下特点 4 ： 1 由仪器设备组成分布式网络结构。网络主要用于对生产、生 活设备的控制，对生产过程的状态检测、监视与控制，或实现“家 庭自动化”等。i n t e m e t 网络则主要用于通信、办公，提供如文字、 声音和图像等数据信息。 2 仪器网络和i n t e m e t 网络各自分工明确。仪器网络用来控制 网络信息和底层仪器，要求具备相应的实时性、安全性和可靠性。 同时，要求网络接口尽可能简单，成本尽量降低，数据传输量般 较小。i n t e n l e t 网络则用于降低网络成本，实现远程数据传输。 如今这两种网络已经具有越来越紧密的联系。两者的不同特点 决定了它们的需求互补以及它们之间需要信息交拶控制网络信息 与i n t e m e t 网络信息的结合，沟通了生产过程现场控制设备之间及 绪论 其与更高控制管理层网络之间的联系可以更好的调度和优化生产 过程，提高产品的产量和质量，为实现控制、管理、经营一体化刨 造了条件。 控制网络的i n t e m e t 化是监测技术的一个发展趋势，随着 i n t e m e t 和工业控制网络技术的发展，这两个网络必将能够更好的 结合基于i n t e m e t 网络的远程监测系统也必将会得到迅速的发展 1 1 2 远程监测系统的结构 远程监测系统是由以计算机为核心的现场测试数据采集系 统、本地监测系统、远程监测网络、通讯网络等组成。图1 1 是一 个典型远程监测系统结构示意图。一个完整的远程监测系统应该具 有以下基本功能： 1 数据采集处理功能。这主要是将现场运行参数通过检测仪器 采集、数字化后并进行相关的处理，然后以一定的形式进行输出， 如保存到数据库，打印报袭等。 2 数据处理与状态监督功能。系统应当能够对采集的数据进行 分析、归纳、整理、计算等二次加工，并绘制相关曲线。存储历史 数据，并能对监测系统本身其进行管理操作的功能。 3 用户登陆管理、身份验证功能。对于监测网络来说由于具 有远端设备的控制功能，因此，必须具有操作许可，以保证系统的 安全。用户通过提供正确的身份认证后，才能加入到监测系统中 来，而对系统的运行不会产生任何不安全的影响。 木地 图1 1 远程监测系统结构 北京交通大学硕士学位论文 从网络结构上看，远程监测系统可以分为广域网和局域网两部 分。广域网的目的是提供远程信息传输和网络连接 5 】，局域网提 供底层仪器设备的连接。 由于在远程监测系统中，实时数据是实现可靠控制和保证监测 质量的基础，所以要求数据采集和传输必须满足实时性设计要求。 这与一般计算机网络的要求不同，一般计算机网络对数据传输的时 间没有苛刻要求。由于采用数据传输工作方式，监测系统存在着相 应的时间延迟即信号从产生至传输到系统的数据部件之间存在时 间差。监测系统的时间延迟由两部分组成，一部分是网络传输延 迟，另一部分是仪器控制系统延迟。网络延迟是指数据经由网络传 输所产生的时间差，通过网络形成闭合回路的监测系统中，网络延 迟主要是指在闭合环路中所存在数据传输时汛控制系统延迟包括 控制对象本身的时延特性。 从以上的分析可以看出，远程监测系统和一般的计算机网络系 统不同之处在于系统本身存在延迟，不能忽略这种延迟，远程j | c 测 系统的系统设计要以仪器延迟为基础设计通信模型。同时远程监测 系统对于实时性的要求比一般的计算机网络系统要商仪器网络的 加入使得远程监测系统没计变得更加复杂。 1 2 软件可靠性设计概念 软件可靠性是在规定环境下，在规定时间内，软件不引起系统 失效的概率。该概率是系统输入和系统使用的函数，也是软件中存 在的错误的函数：系统输入将确定是否会遇到已存在的错误( 如果 错误存在的话) 。软件可靠性也指规定的时间周期内在所述条件下 程序执行所要求的功能的能力包含了正确性和健壮性两部分 6 】。 在软件测试和运行中有三种时间度量。第一种是日历时间，日 历时间是指日、周、月、年等计时单元：第二种是时钟时间，时钟 时间是指从程序运行开始，到运行结束所用的时、分、秒，其中包 括等待时间和其他辅助时间，但是不包括计算机停机占用的时间： 绪论 第三种是执行时间，执行时间是指计算机在执行程序时，实际占用 的中心处理器( c p u ) 的时间，所以称为c p u 时间。一般来说， 以c p u 的时间作为可靠性度量效果较好。 可靠性定义中的环境条件包括了与程序存储、运行有关的计算 机及其操作系统 2 。例如计算机的型号、字长、内存容量、外存 介质的数量及容量、输入和输出设备的数量、通信网络、操作系统 和数据管理系统、编译程序及其他支持软件。这些因素显然对程序 的运行有重要的影响，但是这些因素在使f j 中一般没有变化。定义 中的环境条件还包括软件的输入分布。程序在启动运行时，需要给 变量赋值，即给程序提供输入数据。输入数据可能是由外部设备输 入，也可能早已存储于计算机内等待存取。 软件可靠性设计涉及四个方面的技术，其中包括： 1 避错。旨在通过构造防止错误发生。需求规格说明工程化， 采用良好的发计方法强调结构化程序设计原则以及书写规范化的 代码是在软件设计中避免错误的通用方法。此外，还有三种广泛采 用的避错技术：一是形式化方法。在形式化方法中，使用数学语言 和工具k a i f a 并维护需求规格说明二 5 。二是软件复用技术。直接引 入经过可靠性认证的软件模块可以大大降低出锚的可能性三是控 制软件复杂度。研究表明，软件可靠性与软件复杂度密切相关，当 软件复杂性超过一定界限时，软件缺陷数星便急剧上升。 2 排错。旨在通过确认和证实。瓶测错误的存在并消除错误。 主要有形式化证明和形式化监测两种手豇形式化证明是采用形式 化方法完成对程序正确性的证明。形式化监测是一个严格查错、改 错和证明正确性的过程。 3 溶错。旨在通过冗余在错误已经发生或正在发生时给出与 规定相符的服务。容错指在系统运行时允许发生故障，但可以采用 某种专门的技术以完全或部分消除故障的影响，使系统继续正确运 行于可接收的状态 7 】。容错是计算机系统所具有的生存特性，它 能使软件系统发生故障时仍然具备向用户提供服务的能力。 实现容错的技术手段主要包括冗余和降级使用两种。冗余又分 硬件冗余、软件冗余和消息冗余三类，所谓冗余是指当系统在无故 北京交通大学硕士学位论文 障的情况下取消这些冗余措施不会影响正常运行。降级使用则是指 维护系统运行状态，但系统能力降级。在单版本软件系统中，容错 技术主要包括监控技术( 例如软件在线自检) 、操作元技术、决策 确认技术和意外处理技术等。为了提高软件系统的故障恢复能力， 可以通过在软件系统中引入多版本软件以提供对软件设计错误极 强的容错能力。主要方法有恢复块技术、n 版程序设计技术和n 自检程序设计技术等。 4 错误失效预报。通过监测和计算，预计错误存在的可能 性以及失效发生的情形与结另毛通常在软件系统内部都要设立状态 “指示灯”，或者通过错误日志等来提供预警功能。 1 3 远程监测系统可靠性的基本特征 远程监测系统的可靠性指标主要包括系统必须具备数据的实 时性，准确性以及系统的稳定性，只有具备了这些指标，才能够保 证系统的正确高效运作。 一、影响远程监测系统可靠性的因素 远程监测系统的可靠性是指网络正常工作的能力。由于是监 测系统，因此，对不同的监测对象有不同的监测要求。这就使得远 程监测系统可靠性的影响因素增加。设计时必须提出相应的要求。 远程监测网络的功能，是通过网络对某个系统的状态进行监 测。这种监测是通过现场数据的获得、传输和处理来实现的。因此 数据采集、传输和处理的任何一个设备发生故障，都会影响远程监 测系统的功能。由此可知，影响远程监测网络可靠性的因素包括现 场设备故障、网络特征限制以及数据处理系统故障【7 。 对于远程监测系统来说，如果不能在给定的时间内接收到数 据，则远程监测系统的监测功能将不存在。因此除了设备故障和网 络故障的因素外，远程监测系统的可靠性还必须考虑时间因素。即 如果系统延迟过长，不能满足数据观测时间的要求。则也认为系统 工作不可靠。 绪论 二、远程监测网络中的实时性概念 远程监测系统是一个实时性要求很强的系统。实时性是指系统 在规定时间内完成规定任务的能九是保证系统可靠性的一个重要 因素。一个实时监测系统工作正确性不仅依赖于它的计算、推理的 逻辑正确性，而且还依赖于得出结论的时间。影响实时性的因素很 多，它主要取决于软件系统对程序的调度方法。即采用各种算法和 策略，始终保证系统行为的可预测性( p r e d i c t a b n i t y ) 。可预测性是 指在系统运行的任何时刻，在任何情况下，实时系统的资源调度策 略都能为争夺资源( 包括c p u 、内存、网络带宽等) 的多个实时 任务合理地分配资源，使每个实时任务的实时性要求得到满足。对 一给定的作业集调度是指如何分配相应的处理资源以保证作业的 时限要玳采用合适的资源调度策略比提高处理器的速度能更有效 地保障系统实时性【8 】。 对于远程监测系统，实时性可分为硬实时和软实时。硬实时系 统要求动作的发生与结束之间必须满足给定的时问限制要惑否则 整个系统将失去作用。软实时系统则可以容忍超山给定的时间限制 要求，只不过超时会使系统功能下降，但如果超时过长也会使系统 失去作用。对于广泛应用于自动监测领域的分布式实时系统，实时 性具有使监测系统能够根据现场信息立即启动或终止活动的含 义，而实时网络和实时操作系统是分布式实时系统组成要素。实时 网络是指网络中各节点问数据传输的时间是确定的( 即可预测和可 计算) 。也就是说，实时网络中的数据传输具有时问限制。如果网 络中数据传输的时间超过了时限，即使接收方收到了数据，系统也 认为此次数据传输失败。 通过将程序分成许多进程、每个进程的行为和时间都可预知的 方法，可以组成一个实时操作系统。这些进程通常生存周期都很 短，当检测到一个外部事件时，管理程序用满足最后期限要求的方 式调度这些进程。实时操作系统和实时网络系统的核心问题，都是 充分利用公共资源以及寻找资源释放策略。对于以网络为基础的监 测网络系统，这个问题也是重点研究的目标，所不同的是，还需要 考虑子系统动态响应优化调度和全网络优化调度协调的问题。 北京交通大学硕士学位论文 对于远程监测系统来说，软件系统应该具有实时调度管理功 能，能根据各任务实时性的要求划分优先级别。如果实时性要求很 高，则应该首选实时操作系统为计算机的操作系统。在应用软件方 面，应该考虑的主要是程序结构、数据处理算法等。 三、系统软件的健壮性 此外，软件系统的健壮性也是影响远程测试系统可靠性的重要 因素之一。软件系统健壮性包括操作系统健壮性和用户软件健壮 性。用户软件系统的健壮性与软件结构设计和算法设计直接相关 9 】。 操作系统健壮性，包括两个方面的问题，一个是操作系统自身 的非健壮性，另一个是操作系统使用引发的非健壮性。操作系统自 身的非健壮性往往显示在系统本身的各种漏洞上这是使用者难以 解决的。使用引发的非健壮性，实际上仍然是操作系统自身的问 题，但如果能够发现引发非健壮性的原因，则可以通过调l 枇用户程 序对操作系统功能的调用加以避免或者在容易出问题的地方采用 “用户接管”方式，从而消除非健壮性问题的根源。实际上。在远 程监测系统中，由于用户软件比较复杂十分容易引起操作系统 | l 现问题，因此一般应当使用尽可能接近底层的编程方式，或直接越 过操作系统，这样有利于避免操作系统的非健壮性问题。 用户软件的健壮性也包括两个方面的问题，一个是用户程序结 构所引发的用户系统软件非健壮性另一个是用户程序所引发的操 作系统非健壮性。一般情况下，用户程序结构所引起的用户程序非 健壮性可以通过用户程序的优化设计加以避免。而设计操作系统 的非健壮性问题则不易解决。 所谓用户程序引发的操作系同非健壮性问题，是指用户程序调 用操作系统而引起的问题。由于远程监测系统的用户程序比较复 杂涉及操作系统的地方比较多，特别是多线程问题比较突出，这 样会引起系统堆栈的问题。此外，还会涉及到在一个线程中调用多 个操作系统功能的问题这时操作系统操作中的小概率非健壮性问 题的引发机会将大大增加。执行中一般来说，用户引发的操作系统 非健壮性往往不易消除，特别是当软件规模大、结构复杂的时候， 绪论 很难发现问题的原因。有时即使找到了原因也无法消除。所以，这 种情况往往需要选择操作系统，或由用户接管操作系统。 总之，要提高用户软件的健壮性就必须在软件的设计时，充 分估计各种可能出现的异常现象所有的处理程序必须能够从异常 情况中返回到用户子程序。这在以w i n d o w s 操作系统为平台的设 计中十分重要。要对操作系统可能出现的各种异常作出正确的处 理，并不是一件容易的事，因为这将涉及操作系统结构和源代码的 问题。 软件设计必须具有一定的容错性，在系统内某些软硬件出现故 障时系统仍能正常进行，以完成预定地任务。软件中要对文件数据 的存取通过授权方式进行控秕以避免系统因为有意或者无意地遭 到破坏远程监测系统的用户软件的结构和算法设计必须满足三条 原则： 1 任何对底层硬件的调用，必须有时间反馈或程序执行反锁控 制，保证系统正常运行。也就是说，要求软件必须具有闭环性质， 在任何一个任务中，都必须有可靠的反馈机制。 2 任何软件调用和执行，必须采用反馈符合形式，所有的非j e 常退出必须在同一端口，这样就可以有效地防止软件进入病态。 3 系统资源动态分配处理，以保证各线程有足够的系统资源支 持。 此外在远程监测系统程序的编制中，必须遵守软件编制的一 些重要规则，例如单一出口跳转、循环字欧限制等。 四、远程监测系统可靠性的基本特征 通过以上讨论，可以得出远程监测系统所必须具有的可靠性基 本特征如下： 1 可程序控制的设备网络处理机制。该特征提供了软件对设备 网络的有效控礼不会因设备故障而引起用户软件出现非健壮性问 题。 2 用户软件与操作系统的无缝嵌入。这个特征提供了用户软件 健壮性的基本保证，使得系统用户软件既能充分利用操作系统资 源，又能避免交互所引起的非健壮性问题。 北京交通大学硕士学位论文 3 符合系统要求的实时性指标。实时性要求是远程监测系统的 核心指标，同时也是反映远程监测系统健壮性的一个重要特征。没 有实时性，就没有远程监测系统的应用功能。 以上三个基本特征对于一个远程监测系统来说是充分必要条 件，没有这三个特征，就不是一个可用的远程监测系统。另外，在 设计一个具体的远程监测系统时必须根据应用目标的具体设计要 求来确定上述三个特征所涉及的各项技术指标。 1 4 论文研究重点和结构 由上一节分析讨论可知，远程监测任务对系统提出了实时性、 数据准确性和工作稳定性的要求，就是说，远程监测系统必须能够 稳定可靠地工作。实际上，远程检测技术对网络技术及多用户技术 的健壮性提出了挑觇这种挑战是影响远程监测系统可靠性的重要 因素。 由于远程检测系统是一个庞大的信息系统，不仅涉及到b s 系 统( 浏览器服务器系统) 、c s 系统( 客户服务器系统) 等网络技 术，还涉及到多层应用软件的嵌入和仪器的控制，因此，如何保证 各个子系统协调运作以及如何充分利用各个软件平台的功能是提 高系统可靠性的关键因素。 本论文首先从线程、内存管理等角度分析了w i n d o w s ， d c o m ，n e t 这些平台的特点，阐述了远程监测系统在这些平台 上开发的性能要求，然后对鑫诺卫星通信系统技术特征进行了分析 【1 0 。在这些分析的基础之上，针对其中影响可靠性的技术问题， 提出了相应的处理方法。 在提高可靠性设计的处理方法中着重讨论了数据通信可靠性 优化和影响系统工作可靠性的实时性问题。对线程切换、保证线程 同步、内存垃圾处理、服务器和客户端通信控制和异常情况处理等 影响系统可靠性的技术难点进行了较深入的研究。 结合具体应用系统设计，本文重点分析和解决了仪器网络的调 绪论 度问题、线程以及内存整理影响可靠性的问题，其中分析了仪器的 延迟特点，总结了系统对仪器的访问方式，构建了仪器控制系统结 构。在多线程设计中，服务器采用软件锁解决了对共享资源的访问 冲突。客户端采用n e t 的自动垃圾回收机制回收内存，但却引起内 存不稳定和系统运行速度下降论文从内存和线程的角度分析了引 起这种错误的原因，并提出了正确使用垃圾回收器的方法。最后结 合w i n d o w s 平台，提出了远程监测系统可靠性设计原则。通过实际 系统的应用设计和运行证明，根据所提出的可靠性设计原则设计系 统，能提高系统运行速度，保证通信数据完整与准确，进而增强了 系统的稳定性和可靠性。 本文第l 章研究了远程监测系统结构，监测系统可靠性的基本 特征，以及提高可靠性的切入点。 第2 章从w i n d o w s 平台入手，分析了w i n d o w s 的系统机制，多 线程管理以及内存管理模式。并提出了w i n d o w s 平台的系统设计 要求。 第3 章结合远程监测系统的线程模型分析了系统中用到的关键 技术d c o m 和n e t 技术尤其是在内存方面对n e t 的垃圾回收 器工作机理进行了深入分析，并给出了正确使用回收器的方法。 第4 章提出了鑫诺卫星监测系统的总体设计，从可靠性设计的 角度对服务器和客户端的结构进行了各自的阐述和研究。 第5 章结合鑫诺卫星监测系统的结构特点，从数据实时性，准 确性和系统稳定性三个方面阐述了满足监测系统可靠性特祗提高 系统可靠性的方法，并归纳了远程监测系统可靠性设计原则。 北京交通大学硕士学位论文 第2 章w i n d o w s2 0 0 0 技术特征 w i n d o w s2 0 0 0 突破了w i n d o w s 操作系统在应用领域的界 限，将适用于p c 领域应用的w i n d o w s9 x 和适用于企业领域应用 的w i n d o w sn t 合二为一，最终成为一个真正通用的应用平台。 w i n d o w s2 0 0 0 综合了w i n d o w s9 x 和w i n d o w sn t 的优点，充 分考虑了p c 平台和企业级平台的应用实际因此其本身已经超过 了n t 系列的范围是w i n d o w s 家族一个新的更高的起点，是 w i n d o w s 系列产品向统一方向发展的里程碑与以往的产品相比， w i n d o w s2 0 0 0 的设计思想更注重系统整体性能的提高，具体来说 有以下三个方面的主要特点： 1 系统稳定性明显提高。采用w i n d o w sn t 的内核( 内核采用 u n i c o d e 技术) ，是纯3 2 位的操作系统。 2 更友好的用户界面与操作方式系统易用性增强。 3 网络化和全局化特点突 1 5 。 考虑到u n i x 的专业性强，一般用户不习惯使用和操作而 w i n d o w s2 0 0 0 平台性能卓越，木系统采用w i n d o w s2 0 0 0 操作系统 作为平台。 本章深入分析了w i n d o w s2 0 0 0 的体系结构，线程调度机制和 内存分配模式。总结了w i n d o w s 平台提高远程监测系统可靠性的 方法。 2 1w i n d o w s2 0 0 0 的体系结构 w i n d o w s2 0 0 0 是一个面向对象的操作系统，也就是说它是一 个模块化的操作系统，由许多小的，封装的软件部件所构成。这些 部件协同工作，一起执行操作系统的任务。每个部件向操作系统的 其他部分提供一组接口函数以供调用。w i n d o w s2 0 0 0 是设计在复 w i n d o w s2 0 0 0 技术特征 杂指令计算机( c i s c ) 和精简指令计算机( r j s c ) 上运行的操作 系统 1 1 】。 、v i n d o w s2 0 0 0 是个抢占式、可中断的操作系统，它被设计成 同时可在单处理器和对称多处理器平台上运彳j = ，用以保证在一个处 理器上执行的代码不能同时访问、不修改正在访问的数据以及不被 其他处理器修改。w i n d o w s2 0 0 0 支持使用重用i o 请求数据包的 包驱动i o 和异步i 0 ，以保证i ，o 请求的发起方能被连续执行。 w i n d o w s2 0 0 0 采用特权式和非特权式运行，即核心态和用户态。 用户态中的软件在没有特权的状态下进行，对系统资源只拥有 有限的访问权限。例如软件不能直接访问硬件。w i n d o w s2 0 0 0 的 基础应用程序和被保护的子系统运行在用户态下，被保护的子系统 运行在自己的空间内避免互相干涉。 w i n d o w s2 0 0 0 用户层由一组称为子系统的组件构成予系统通 过i o 系统服务将“o 请求传送到相应的核心态驱动程序。予系统 将核心与最终用户隔离开粜用户和应用程序无需知道核心态驱动 程序的细节。用户态可以分成两种子系统类型即环境子系统和完整 子系统。 环境予系统允许在w i n d o w s2 0 0 0 下运行不同操作系统的应用 程序，这些子系统通过提供不同平台的应用程序的a p l ( 应用程序 接口) 来模仿不同的操作系统。环境子系统首先调用应用程序所需 的a p i ，将a p i 调用转换为w i n d o w s2 0 0 0 可以识别的格式，然后 将经过转换的a p i 传送到核心态中运行的执行部件中。 下面的表2 1 描述了w i n d o w s2 0 0 0 环境子系统。 表2 ，1w i n d o w s2 0 0 0 环境予系统结构 环境子系统 功 能 w i n 3 2控制基于w i n 3 2 的应用程序，并提供