（计算机系统结构专业论文）嵌入式通信中间件的研究与实现.pdf

山东大学硕士学位论文 皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼毫曼曼皇寰i 皇皇曼皇皇曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼皇曼鼍量曼皇曼鼍曼曼皇皇曼曼 摘要 嵌入式系统地广泛应用使得嵌入式系统互连网络成为一种必然。 但是由于嵌入式网络的异构性、异质性和对等性等特点，嵌入式的互 连不能直接使用传统的网络协议。因此构建一种能够屏蔽嵌入式系统 的异构和异质性，平等均衡合理地利用嵌入式资源的互连平台就有了 迫在眉睫的需求。 本文首先分析了嵌入式系统的两个应用环境：数字家庭网络和工 业控制网络中现有互连平台的标准和技术，针对这些技术的标准不统 一、兼容性不好、无法无缝连接和知识产权保护等问题和不足，解析 了嵌入式通信中间件的概念和架构，用以解决嵌入式系统互连的通信 问题。该中间件系统通过与硬件无关的驱动层和0 s 接口层来屏蔽底层 不同的硬件和操作系统；通过向上的内部回调函数来为上层提供应用 接口，从而具有跨平台和支持多种通信方式和应用的优点。 在嵌入式通信中间件的基本架构基础上，本文主要研究了其路由 层的算法和协议。针对嵌入式资源有限和对等网络的特点，结合马尔 可夫决策过程，采取分布式和本地决策的路由算法，分别构建了基于 马尔可夫有限阶段决策模型的解决嵌入式系统互连的单播、动态单播、 组播和q o s 路由问题的改进模型，并提出了相应的算法m f h d r 、 d m f h d r 、m m f h d r 和m q o s r ，从而解决了嵌入式网络对简单的命 令传递、组播和q o s 媒体流等信息传输的问题。通过复杂度分析和仿 真实验证明：上述算法都具有分布并行计算的特点，能够将路由工作 和存储需求分布到各个设备之上，从而平衡各个设备的工作负载，不 增加单个系统的工作量；同时算法都考虑了嵌入式多种动态因素，计 算得到更加可靠有效的路由，降低了丢包率和链路忙时。 本文还对嵌入式通信中间件的另一个关键问题：数据包的排队与 调度问题进行了研究。提出了一种划分数据包优先级的方法和基于此 优先级的m g 1 排队算法，分析了模型的理论性能指标，给出了排队 调度的系统流程和策略。实验结果表明：这种基于多优先级的非抢占 山东大学硕士学位论文 排队调度算法能够有效地保证高优先级数据的实时性和低优先级数据 的公平性，减少队列长度，且该算法控制逻辑简单，占用内存和缓冲 区小。 最后，本文在实现层次对嵌入式通信中间件进行了一定探讨和实 践。设计并编写了部分层次代码和关键函数，提出了一种精简的多线 程模型，并对应用中需要注意的问题进行了探讨。 关键字：嵌入式通信中间件；马尔可夫决策过程；路由算法；排队与 调度 i i 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ew o r l d - w i d eu s eo fe m b e d d e ds y s t e m sm a k e se m b e d d e ds y s t e m i n t e r c o n n e c t i o nn e t w o r kb e c o m ea ni n e v i t a b l en e c e s s i t y h o w e v e r ，d u et o t h eh e t e r o g e n e i t ya n dp e e r - t o p e e rc h a r a c t e r i s t i c so fe m b e d d e dn e t w o r k s ， t h et r a d i t i o n a ln e t w o r kp r o t o c o l sc a nn o tb eu t i l i z e dd i r e c t l yb yt h e e m b e d d e ds y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n s oi tb e c o m e sap r e s s i n gd e m a n dt o b u i l da ne m b e d d e ds y s t e mi n t e r c o n n e c t i o np l a t f o r mw h i c hc a ns h i e l dt h e h e t e r o g e n e i t yo fe m b e d d e ds y s t e m sa n dm a k eu s eo ft h er e s o u r c e si n e m b e d d e ds y s t e m se q u a l l y ，e v e n l ya n dr e a s o n a b l y i nt h i st h e s i s ，f i r s t l yt h ee x i s t i n gs t a n d a r d sa n dt e c h n o l o g i e so ft h e i n t e r c o n n e c t i o n p l a t f o r m i n t w oe m b e d d e ds y s t e m s a p p l i c a t i o n e n v i r o n m e n t s ：d i g i t a lh o m en e t w o r ka n di n d u s t r i a lc o n t r o ln e t w o r ka r e a n a l y z e d i nv i e wo ft h ep r o b l e m sa n dd e f i c i e n c i e so ft h e s et e c h n o l o g i e s a n ds t a n d a r d s ，s u c ha sd i s u n i t y ，p o o rc o m p a t i b i l i t y ，b e i n gu n a b l et o s e a m l e s sc o n n e c ta n dp r o t e c t i o no fi n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t s ，t h e c o n c e p ta n df r a m e w o r ko fe m b e d d e dc o m m u n i c a t i o nm i d d l e w a r ea r e p r o p o s e dt or e s o l v et h ec o m m u n i c a t i o np r o b l e m si ne m b e d d e ds y s t e m i n t e r c o n n e c t i o n t h eh a r d w a r e - i n d e p e n d e n td r i v e rl a y e ra n do si n t e r f a c e l a y e ra r eu t i l i z e di nt h i se m b e d d e dc o m m u n i c a t i o nm i d d l e w a r et os h i e l d d i f f e r e n th a r d w a r e a n do p e r a t i n gs y s t e m sa tt h eb o t t o m w h i l et h e i n t e r n a lc a l l b a c kf u n c t i o n sa r ep r o v i d e dt og i v ea p p l i c a t i o ni n t e r f a c e sf o r t h eu p p e rs o f t w a r e t h e r e b y ，t h em i d d l e w a r ei sc r o s s - p l a t f o r ma n dc a n s u p p o r taw i d er a n g eo fc o m m u n i c a t i o nm o d e sa n da p p l i c a t i o n s b a s e do nt h eb a s i cf r a m e w o r ko fe m b e d d e dc o m m u n i c a t i o n m i d d l e w a r e ，t h er o u t i n ga l g o r i t h m sa n dp r o t o c o l si ni t sr o u t i n gl a y e ra r e d e e p l ys t u d i e di n t h i st h e s i s i nv i e wo fl i m i t e dr e s o u r c e so fe m b e d d e d s y s t e ma n dp e e r t o - p e e rc h a r a c t e r i s t i c so fe m b e d d e dn e t w o r k s ，c o m b i n e d w i t hm a r k o vd e c i s i o np r o c e s s ，r o u t i n ga l g o r i t h m sw h i c ha r ed i s t r i b u t e d a n d u s i n g l o c a ld e c i s i o na r ea d o p t e d i m p r o v e dm o d e la n dt h e i i i 山东大学硕士学位论文 c o r r e s p o n d i n ga l g o r i t h m so fu n i c a s t ，d y n a m i cu n i c a s t ，m u l t i c a s t ，a n dq o s r o u t i n g - - m f h d r ，d m f h d r ，m m f h d ra n dm q o s r - - b a s e do nm a r k o v f i n i t eh o r i z o nd e c i s i o nm o d e l ，a r ec o n s t r u c t e df o re m b e d d e ds y s t e m i n t e r c o n n e c t i o nt or e s p e c t i v e l ys o l v et h es i m p l ec o m m a n dt r a n s m i s s i o n ， m u l t i c a s tt r a n s m i s s i o n ，a n dq o ss t r e a m i n gm u l t i m e d i at r a n s m i s s i o ni n e m b e d d e dn e t w o r k i ti sp r o v e db yt h ec o m p l e x i t ya n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n r e s u l t st h a t ：t h ea l g o r i t h m sa b o v eh a v et h ef e a t u r eo fd i s t r i b u t e dp a r a l l e l c o m p u t i n gw h i c hc a nd i s t r i b u t et h ec o m p u t a t i o na n ds t o r a g er e q u i r e m e n t o fr o u t i n gt oe a c hd e v i c e ，s ot h a ti tc a nb a l a n c et h ew o r k l o a db e t w e e na l l t h ed e v i c e sw i t h o u ti n c r e a s i n gt h ew o r k l o a do fas i n g l eo n e a n da l s o b e c a u s et h e a l g o r i t h m s a l lc o n s i d e rt h em u l t i p l e d y n a m i cf a c t o r so f e m b e d d e ds y s t e m s ，t h e yc a nc o m p u t em o r er e l i a b l ea n de f f i c i e n tr o u t i n g p a t h s ，w h i c hd e c r e a s et h ed r o pp a c k e tr a t i oa n db u s yt i m eo fl i n k s a n o t h e rk e yi s s u eo fe m b e d d e dc o m m u n i c a t i o nm i d d l e w a r e - - t h e q u e u i n ga n ds c h e d u l i n go fi t sd a t ap a c k e t s m h a v ea l s ob e e nr e s e a r c h e di n t h i s p a p e r an e wm e t h o dt og i v ep a c k e t sd i f f e r e n tp r i o r i t i e sa n da n m g 1q u e u ea l g o r i t h mb a s e do nt h e s ep r i o r i t ie sa r ep u tf o r w a r d t h e t h e o r yp e r f o r m a n c ei n d e x e sa r ea n a l y z e d ，a n dt h eq u e u i n gs y s t e m p r o c e d u r ea n ds t r a t e g ya r ep r o v i d e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ts h o w st h a t t h i s q u e u i n g s c h e d u l e a l g o r i t h m w i t h o u t p r e e m p t i o n b a s e do n m u l t i - p r i o r i t i e s c a n e f f e c t i v e l yg u a r a n t e et h e r e a l - t i m ec h a r a c t e ro f p a c k e t sw i t hh i g hp r i o r i t ya n dt h ef a i r n e s so fp a c k e t sw i t hl o wp r i o r i t y a n dr e d u c et h eq u e u el e n g t h m e a n w h i l e ，i ti ss i m p l et oc o n t r o la n dt a k e s u ps m a l lm e m o r ya n db u f f e rs p a c e f i n a l l y ，s o m er e s e a r c h e sa n dp r a c t i c ea r ed o n ei ni m p l e m e n tl e v e lo f e m b e d d e dc o m m u n i c a t i o nm i d d l e w a r ei n t h i st h e s i s p a r t so fc o d e sa n d k e yf u n c t i o n sa r ed e s i g n e da n dc o m p i l e d ；ar e d u c e dm u l t i t h r e a d sm o d e l i sp r o p o s e da n ds o m ep r o b l e m sd u r i n gt h ea p p l i c a t i o na r ed i s c u s s e d k e y w o r d s ：e m b e d d e dc o m m u n i c a t i o nm i d d l e w a r e ；m a r k o vd e c i s i o n p r o c e s s ；r o u t i n ga l g o r i t h m s ；q u e u i n ga n ds c h e d u l i n g 原创性声明和关于论文使用授权的说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：帜 日 驰j 7 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：量3 盐钮导师签名： 论文作者签名：叁1 盐纽导师签名： 埤日期：叫 山东大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 论文的选题背景和研究意义 本课题为山东省重大科技攻关项目“具有自主知识产权的嵌入式 系统研究及开发( 2 0 0 5 g g l l0 10 0 1 ) 所资助。 1 1 1 研究背景 嵌入式系统广泛地应用于生产和生活的各个角落中，如今已成为 i t 界的一个热门领域：信息家电、手持电脑、p d a 、工业控制、各种 信号处理d s p 等等。尼葛洛庞帝访华时曾预言：4 、5 年后，嵌入式智 能电脑将是p c 和因特网之后最伟大的发明。正如其所预言，后p c 时 代真的到来了。而如今嵌入式系统的应用也越来越趋近于网络化：将 信息家电连网以便远程控制，将嵌入式设备做成“瘦服务器”，嵌入式 工业远程控制网络等都有了巨大的应用需求。 嵌入式计算机系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬 件可剪裁，符合应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗的严格 要求的专用计算机系统。其开发的特点，也即约束问题是：它对功耗、 性能、吞吐量、代码量、存储、实时性、设备体积等各方面的要求都 比较高。这种专用的开发较之通用的已成熟发展的p c 机上的开发而 言，更为复杂和困难。典型的嵌入式应用及其发展趋势如下： ( 1 ) 智能家居。家用电器向数字化、信息化和网络化发展。电视机、 电冰箱、空调、电话等都将嵌入计算机系统，从而成为智能化的家居 终端。而数字家庭网络坝0 通过家庭网关将公共网络功能和应用延伸到 家庭，并以有线网络或无线网络连接各种信息终端( 智能家电、p c 等) ， 提供集成的话音、数据、多媒体、控制和管理等功能，使得信息在家 庭内部终端之间及其与外部公网之间能充分流通和共享。比如现在火 热的机顶盒，它不仅使模拟电视接收数字信号，而且还可以用于上网。 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) 移动计算设备。包括手机、p d a 、掌上电脑等各种移动设备。 与以往的移动性相比，这些设备更进一步地强调了其智能性和网络性。 目前手机的功能越来越复杂，使用无线网络随时随地上网获取信息也 不是新鲜事。但是更进一步，新的发展趋势是将这些移动设备与智能 家庭网络相结合，一方面可以无缝地连入该网络并进行通信：另一方 面可以通过无线网络来进行智能家电的控制。比如海尔推出的短信宝 监控终端就是使用手机对信息家电进行控制的例子。 ( 3 ) 工控与仿真领域。在这个领域，嵌入式早已得到广泛应用，产 生了以微处理器为核心，使用集成电路代替常规电子线路，实施信息 采集、显示、处理、传输以及优化控制等功能的智能设备。工业控制 也由本地化变得远程化和灵活化，一方面本地化的互相传输和控制仍 需要本地网络的支持，另一方面通过通用远程网络和移动设备等进行 控制也有很大的市场。比如本文作者所在的实验室就开发了“基于 x s e a l e 架构的数字媒体嵌入式w e b 服务器平台 ，认证用户可通过手机 获得现场的视频图像并控制摄像头的方向。 ( 4 ) 网络设备。包括路由器、交换机、w e bs e r v e r 、网络接入盒 等各种网络设备。他们的网络化不是本文所要论述的范畴。 更多应用参见图1 1 ： 信息家电 相机摄像机 移动电吵嘤岁儡 ( 智能璎人楼 m 络1 人上智能i 厂玎户_ 界= 感测器l 多圳能处理 视听设备卜卜一l 嵌入式系统 钾能机器人 声音辨识系统 其他、0 y ( ，机车 丁q k 啦产线 智能 l l ! 住皂 门卫系统 叫医疗设备 r ， 、 监控蹬鍪) 图1 1 嵌入式系统的应用领域 从上面的分析和图1 1 中我们可以看到，嵌入式目前应用最广的 2 山东大学硕士学位论文 两个领域还是信息家电和工控领域。在这两个领域中，嵌入式的网络 化也成为发展趋势。在智能家居领域，将各种信息家电互连成网络， 从而互相控制和传递信息：同样，在工业控制领域，将工控网内外都 进行互连从而达到各个级别的控制。本文就是对这两个领域中的嵌入 式系统网络化环境下产生的通信方面的新问题进行研究。 1 1 2 问题的提出 ( 1 ) 数字家庭网络 信息通信技术( i c t ) 在经过了电话、互联网技术两次浪潮之后迎来 了第三次浪潮【l 】：以家庭数字化为主要内容的数字生活方式。3 c 融合 在电脑( c o m p u t e r ) 、通讯( c o m m u n i c a t i o n ) 和消费电子产品 ( c o n s u m e r e l e c t r o n i c ) - - 者之间打造数字家庭网络平台，实现资源的共 享和互连互通，使得人们在任何时间、任何地点实现信息融合应用， 方便各自的工作和生活。数字家庭网络的组成包括：家庭网关、各种 信息终端设备和智能家电设备、家庭智能连网环境的构筑即通过家庭 内部有线或无线方式的互连技术。而这些未来的家居梦想所依赖的最 关键的就是家庭内部设备有线或无线方式的互连技术，也就是业界所 说的智能家电的网络信息融合平台。一套实时有效的通信互连平台可 以使各种不同的智能家电之间方便地进行通信，从而达到控制和交互 的作用。比如，人们可以通过手机、p d a 控制家中的各种智能设备或 者通过各种智能设备登陆网络，比如坐车回家的途中就可以控制微波 炉开始热饭或空调开始制冷，看着电视购物就可以同步进行网络订购。 ( 2 ) 工业控制网络 嵌入式系统在工业控制领域也得到了普遍的应用，将这些嵌入式 系统连成网络以达到互相通信和交互的目的，也有了巨大的应用需求。 现代工业测控系统一般采用三层的分布式闭环控制结构：工业现场的 各种数据采集设备和指令执行设备分散在各处，形成一个现场结构， 数据从现场传输到控制网的上位机，并在那里进行初步的数据整合、 处理和控制等工作，然后再传输到更上一层的高级信息计算机进行对 数据的信息挖掘和发布等。传统的工业现场采用一种工业监控网组网， 3 山东大学硕士学位论文 而上位机和上层的信息计算机采用网络连接，并引进网关的概念在现 场和上位机之间进行转发、转换。目前，工业监控网标准有很多，如 c a n 、p r o f i b u s 、l o n w o r k s 等。但是随着嵌入式设备的日益普遍，各 种嵌入式智能仪表、监控和收集设备等变得越来越复杂和异构，连接 入工业控制现场的设备越来越多，其连接方式也不再只是固定好了的 某种工业网标准，这时候的现场交互就成为了问题。针对这种异构的 工控现场网络，一个与通信硬件无关的互连系统就有了应用需求。 针对这些需要并结合课题“具有自主知识产权的嵌入式系统研究 及开发，本文作为该课题的子课题，重点探讨了嵌入式系统互连网络 中的无缝连接和实时通信问题，分析了现有技术和标准的局限性和不 足，结合嵌入式通信中间件的概念，对影响传输速度和网络利用率的 路由问题做了深入的研究，使得这种解决方案可以成为嵌入式系统在 信息家电网络化和工业控制领域的一种新型交互平台。 1 2 国内外研究与发展概况 1 2 1 数字家庭网络互连平台的标准 数字家庭的理念从不陌生，其最关键的家庭内部有线或无线方式 的互连技术，也就是业界所说的智能家电的网络信息融合平台也成为 了国内外的各大信息家电厂商瞄准了的市场。它们纷纷制订和推出自 己的标准和产品，争夺成为最终唯一标准的巨大市场利益。 19 9 7 年：d v b m h p ( m u l t i m e d i ah o m ep l a t f o r m ) 拉j ，最早是9 3 年 由欧洲组织u n i t e l 提出，9 7 年被列入d v b 计划中，2 0 0 0 年推出了 m h p1 0 ，已经于当年被欧洲电信标准协会正式采纳，目前已经推出 m h p1 1 。其目的是标准化家庭平台，推动电视业务从模拟电视到数字 化电视的过渡。它是一个开放的统一的中间件，定义了数字机项盒中 间件的整体结构、传送格式、j a v a 虚拟机、安全性、应用状态和应用 信令等，提供了给应用程序的a p i ，使得m h p 具有最大的跨平台能力。 19 9 9 年1 月：j i n i t 3 】是s u n 公司发布的一种基于j a v a 的用于构建 4 山东大学硕士学位论文 分布式系统的技术。利用j i n i 可以使软件和硬件自发地结合起来，形 成一个j i n i 服务联盟。它由一系列j a v a 代码组成，把网络上的各种设 备和各种软件组合成一个动态单一的分布式系统，使网络更易于操纵 和管理，具有更高的可配置性。这样看来，j i n i 是位于j a v a 之上的完 成即插即用的中间件。 1 9 9 9 年6 月：u p n p ( u n i v e r s a lp l u ga n dp l a y ) 4 1 通用即插即用，由 u p n p 论坛开发，是一个开放式业界协会，旨在帮助定义u p n p 标准以 简化家庭智能设备的连网。u p n p 完成家庭网络较底层的功能，是实现 计算设备间的相互发现和控制的规范。其显著特色是即插即用，即一 个u p n p 设备能够自动跟网络连接上并获得i p 地址、传送自己的权 能并获悉其他已连接设备的权能，能自动切断网络连接；其另一优点 是通用性，架构中使用通用设备协议，适用于多种有线和无线网。 2 0 0 0 年7 月2 6 日：e c h o n e t ( e n e r g yc o n s e r v a t i o na n dh o m e c a r e n e t w o r k ) t5 1 ，由日本的e c h o n e tc o n s o r t i u m 制订并推出的家庭内部网 络规格。他们认为家庭网络无法广泛推广的一个原因是在家庭中重布 线的高成本，因此它采用无线方式或已有的照明线路连结空调、冰箱 等家电以及照明器具、保安传感器、家庭内医疗设备的网络，并支持 即插即用。目前e c h o n e t 发布的规范包括通信设备规范、传输媒质 和低层通信软件规范、服务中间件规范、基本a p i 规范和网关规范等。 2 0 0 3 年6 月2 4 日：d h w g ( d i g i t a lh o m ew o r k i n gg r o u p l 【6 】数字家 庭工作组，由包括i n t e l 、微软在内的17 家业界领先公司发起。0 4 年6 月更名为d l n a ( d i g i t a ll i v i n gn e t w o r ka l l i a n c e ，d l n a ) ，并公布了一 整套家庭网络设备的准则。开放和互操作是d l n a 的核心工作原则， 基本部分是在具有保存和发送数字内容等功能的“d i g i t a lm e d i a s e r v e r ( d m s ) 与负责数字内容播放的“d i g i t a lm e d i ap l a y e r ”( d m p ) 之间通过成熟的有线l a n 、无线l a n 、i p v 4 及u p n p 等进行连接。 2 0 0 3 年7 月17 日：i g r s ( i n t e l l i g e n tg r o u p i n ga n dr e s o u r c es h a r i n g ) 1 7 1 ，又称闪联标准工作组，以联想等五家企业发起、7 家单位共同参与 成立，现已有成员30 多名。其目标是在有限范围网络域内支持多种信 息设备、家用电器、通讯设备之间的设备自动发现、动态组网、资源 共享和协同服务，从而提高设备间的互操作性和易用性，充分发挥不 山东大学硕士学位论文 同设备的功能特点。该标准是建立在t c p i p 协议之上的应用层协议。 0 5 年6 月i g p s l 0 版被中国信息产业部公布为国家推荐性行业标准。 2 0 0 4 年2 月1 1 日：u o p f ( u b i q u i t o u so p e np l a t f o r mf o r u m ) 吲泛 在开放平台论坛，由松下、索尼等1 4 家日本企业组成，该团体的目的 也是实现数字家电互连的统一技术标准与指南。u o p f 正在加紧制定用 来实现不同厂商的设备之间的互连、通信对象的检索、电子商务领域 采用的资费与结算以及用户认证等功能的标准。已经完成了“用于可 视通信的政策控制标准等8 个标准，目前正在制定“面向家电远程 控制的框架标准 等4 个标准。 2 0 0 4 年7 月2 6 日：e 家佳( i t o p h o m e ) t9 1 ，由海尔集团、清华同方、 中国网通等七家公司发起组建成立。该联盟以家庭网络系统为中心， 推广家庭网络系统标准和平台的产业化。其标准主要包括数字家庭网 络中信息家电的控制和互相访问方法。0 5 年6 月e 家佳标准与i g p s l 0 版同时被信产部公布为国家推荐性行业标准，虽然两大联盟侧重领域 不同：e 家佳侧重于家庭网络平台，闪联侧重于办公，但两者的业务交 叉和竞争仍然存在。 通过上述介绍可以看到整个平台框架大致可以分为设备层、中间 件层和应用层，上面的标准大多各自偏重一个侧面，如图1 2 所示。 应用层 瞻咿、l g p s e c h o n e t d h 、g 中间件层 j i n i u o p f 设备层u p n p e 家传 图1 - 2 嵌入式系统互连平台标准体系及分类 1 2 2 工业控制网络互连平台的标准 现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多 站的通信系统，主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行 机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统 之间的信息传递问题。同数字家庭网络的标准一样，该领域也存在多 6 山东大学硕士学位论文 皇曼曼曼曼皇皇曼皇曼曼皇曼舅。 _i l l i i 鼍曼皇曼曼量皇量 种标准，各种总线都有其应用的领域和国际组织的支持背景。 f o u n d a t i o n f i e l d b u s ( f f ) 1 0 】；它是以美国f i s h e r r o u s e m o u n t 公司 为首的8 0 家公司制定的i s p 协议和以h o n e y w e l l 公司为首的联合欧洲 等地15 0 余家公司制定的w o r l d f i p 协议于l9 9 4 年9 月的合并。它采 用o s l 的简化模型( 物理层、数据链路层、应用层) ，另外增加了用户 层。f f 分低速h i 和高速h 2 两种通信速率，前者传输速率为31 2 5 k b p s ， 通信距离可达19 0 0 m 。后者传输速率为l m b p s 和2 5 m b p s ，通信距离 为7 5 0 m 和5 0 0 m ，支持双绞线、光缆和无线发射。 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) ( 1 1 1 ：控制器局域网。最早由德国 b o s c h 公司推出，已被i s o 国际标准组织制定为国际标准。c a n 协 议分为物理层和数据链路层；信号传输采用短帧结构，传输时间短， 具有自动关闭功能和较强抗干扰能力；支持多主工作方式，采用了非 破坏性总线仲裁技术，通过设置优先级来避免冲突：通讯距离远达 10 k m ( s k b p s 速率下) 至4 0 m ( 1 m b p s 速率下) ，网络节点数实际可达1 10 个。c a n 总线广泛的用于离散控制领域，尤其在汽车领域。 l o n w o r k s 1 2 】：由美国e c h e l o n 公司推出，并由m o t o r o l a 等公司共 同倡导。它采用i s o o s i 模型的全部7 层，采用面向对象的设计方法， 通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置。支持双绞线、同轴电 缆、光缆和红外线等多种通信介质，通讯速率从3 0 0 b p s 至1 5 m b p s 不 等，直接通信距离可达2 7 0 0 m ( 7 8 k b p s 速率下) 。采用l o n w o r k s 技术和 神经元芯片的产品，被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系 统、办公设备、交通运输、工业过程控制等行业。 p r o f i b u s ”】：是德国标准( d i n l9 2 4 5 ) 和欧洲标准( e n 5 01 7 0 ) 的现 场总线标准，由d p 、f m s 、p a 组成。d p 用于分散外设间高速数据传 输；f m s 适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器等；p a 用于过程自 动化的总线类型，服从i e c l 15 8 2 标准。支持主从系统、纯主站系统、 多主多从混合系统等传输方式。传输速率为9 6 k 1 2 m b p s ，最大传输 距离为1 2 0 0 m ( 9 6 k b p s 速率下) 和2 0 0 m ( 1 2 m b p s 速率下) ，采用中继器 可延长至10 k m ，传输介质为双绞线或者光缆，最多可挂接1 2 7 个站点。 c c l i n k ( c o n t r o i & c o m m u n i c a t i o nl i n k ) t 1 4 】：控制与通信链路系统。 由三菱电机等多家公司推出，在亚洲占有较大份额。可以将控制和信 7 山东大学硕士学位论文 息数据同时以1o m b p s 高速传送至现场网络，性能卓越、使用简单、应 用广泛、节省成本。其不仅解决了工业现场配线复杂的问题，同时具 有优异的抗噪性能和兼容性。c c l i n k 是一个以设备层为主的网络， 同时也可覆盖较高层次的控制层和较低层次的传感层。0 5 年7 月 c c l i n k 被中国国家标准委员会批准为中国国家标准指导性技术文件。 e t h e r n e t i p 工业以太网：过去一直认为e t h e r n e t 是为i t 领域应用 而开发的，它与工业网络在实时性、环境适应性、总线馈电等许多方 面的要求存在差距，在工业领域只能得到有限应用。但事实上，这些 问题正在迅速得到解决：在工厂管理级、车间监控级信息集成领域中 工业以太网已有不少成功的案例，在设备层对实时性没有严格要求的 场合也有许多应用。因此很多人都希望以太网技术能介入设备低层， 广泛取代现有现场总线技术，从而解决现场总线种类繁多，标准不一 的问题。但是目前以太网不能够真正解决实时性和确定性问题。但统 一的思想为本文所借鉴，用以达到屏蔽下层现场总线的目的。 1 2 3 现行标准存在的问题 在近十年间，数字家庭和工业控制的信息平台已得到了广泛的发 展，但是其技术上并不成熟和统一，还存在一些亟待解决的问题。 ( 1 ) 标准混杂。名目繁多的数字家庭网络和现场总线标准让人眼花 缭乱，而各种标准的互不兼容也让数字家庭和工控设备处于各自为政 的无序状态，各个标准体系也都存在着一些不完善或缺陷的地方。由 于数字家庭网络和工控现场处在整个网络的最末端、涉及的用户最多、 对易用性互通性的要求最高、市场最大，如果标准不统一不完善，必 然导致整个产业链不敢轻易启动，严重阻碍应用和产业的发展。 ( 2 ) 无缝连接和兼容性没有得到解决。嵌入式千差万别，互连网络 也是如此，各个厂商纷纷推出支持自己产权的产品，使得嵌入式系统 互连网络下多种总线、网络、设备的互连互通问题并没有得到充分解 决。现有技术多依赖于i p 网络技术或软件屏蔽，造成不必要的应用浪 费。 ( 3 ) 当前数字家庭互连标准具有局限性。数字家庭网络的业务定位 山东大学硕士学位论文 曼曼皇曼皇鼍i t i ii ! ,! 舅 有两大方面：信息融合和监视控制。但目前的标准更侧重于家庭影音 娱乐、电信及广播业务等功能，已推出的智能家电产品也仅仅停留在 使电脑能够与电视、音响相连接的阶段上，与设想中的任何时间、任 何地点的信息关联应用和智能家电的控制、互操作、升级和检测维护 还相差甚远。 ( 4 ) 标准知识产权保护问题。这也是本课题“具有自主知识产权的 嵌入式系统研究及开发 的一个关键。各种技术不管领先和好坏与否， 都有产权保护，要使用他们或其中的一些技术都需要向其支付版权费。 正是由于当前的技术和研究工作具有上述问题，本文从嵌入式系统 的特点和嵌入式网络的特点出发，结合并解析了嵌入式通信中间件这 一概念。希望通过构造此中间件，为嵌入式系统提供多种通讯机制， 但同时要屏蔽他们的不同；支持嵌入式设备不同的操作系统平台；制 定工农业控制领域各种信息采集和控制设备、数字家庭框架系统以及 信息家电之间通信和资源交互的开发规范和接口标准；支持通过多种 方式的数据传送，完成各种不同需求的传输任务，实现不同类型的信 息设备的资源整合。 1 3 论文的主要工作 本文共分六章，各章的主要内容如下： 第l 章介绍了选题背景和研究意义，分析了嵌入式通信中间件的 必要性和关键作用、现有技术的研究现状和存在的问题和不足，进而 确定了本文研究的主要工作。 第2 章分析了嵌入式网络的特点和约束，分析了嵌入式通信中间 件的整体架构和设计层次，并介绍了各个层次的功能和研究要点。 第3 章引出了嵌入式通信中间件的路由层次上的研究。介绍了嵌 入式网络环境下链路的多因素和多约束问题和马尔科夫决策过程理 论，在此基础上提出了路由层单播路由的模型和算法，并进行了复杂 度的分析；然后更进一步的研究并提出了具有动态性质的单播路由算 法；对路由协议进行了一定的探讨，并通过复杂度分析和实验验证了 上述两个算法的可用性和高效性。 9 山东大学硕七学位论文 第4 章针对嵌入式网络环境下的组播和服务质量的需求，进一步 探讨了嵌入式通信中间件路由层上的组播路由算法和q o s 路由算法。 分别对这两个算法进行了推导、描述、证明和复杂度分析，并通过实 验和实例比较证明了算法的有效性和适用性。 第5 章引出了嵌入式通信中间件的另一个研究问题：数据包的排 队调度和拥塞控制。首先把在中间件层次之间设置的队列抽象成排队 论的基本模型并进行了分析，在此基础上提出了基于优先级的m g 1 排队调度算法。实验证明该排队算法能够有效地降低数据的等待时间， 保证数据的公平性，降低系统的缓冲队列长度。同时，对传输层的控 制算法进行了一定探讨。 第6 章对嵌入式通信中间件的实现进行了探讨。给出了更为详细 的代码设计层次和关键函数：提出了一种精简的多线程设计模型；然 后结合嵌入式硬件开发平台和软件设计方法进行了应用的探讨。 第7 章对全文进行总结，并对今后的工作提出了展望。 l o 山东大学硕士学位论文 第2 章嵌入式通信中间件的网络特点和系统架构 2 1 嵌入式网络特点和约束 嵌入式系统互连网络是一个具有异构性、对等性和异质性的互连， 同时，嵌入式系统本身又具有资源匮乏和实时性要求高的特点。 ( 1 ) 异构性。嵌入式设备本身千差万别，用于连接嵌入式设备的通 信硬件也有多种，如r s 2 3 2 串口、u s b ，以太网口、无线等，这样的 互连是一个异构的“网络”。这个“网络 并不是通常意义上的使用网 络协议进行通信的网络，而只是多个嵌入式设备的一个互连。在这个 互连的多设备“网络”上，如何屏蔽设备系统和通信协议的异构性， 使之可以以统一的方式进行信息传递，便成为一个亟待解决的问题。 ( 2 ) 对等性。各个设备通过不同的传输硬件互连，如图2 1 所示。 如果“网络是全互连，各设备间可以直接使用两者之间的通信硬件 进行消息传递。但是现实应用中并非全互连的拓扑，因为布线困难， 成本也高。没有直接连接的设备之间要进行消息传递，就要通过其他 设备进行转发。在通用网络中，路由转发是由路由器来完成的，但是 嵌入式网络中没有专门的路由器，因此各个设备既要完成本身的功能， 又要起到路由转发的作用，它们之间是对等的关系。这样构成的“网 络 就是一种对等性质的网络。 图2 1 嵌入式异构对等网络 山东大学硕十学位论文 ( 3 ) 异质性。各设备的功能不同，设备间通信的内容性质不同，那 么就要根据不同性质的通信内容采用不同的处理方式。通信内容按性 质可分为：实时多媒体数据、大批量非实时数据和小量控制信息。实 时多媒体数据主要是针对嵌入式智能家电领