（电力系统及其自动化专业论文）基于嵌入式系统的车载监控系统网络技术研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t v e h i c l ed i a g n o s i sa n dc o n t r o ls y s t e mi sa ni m p o r t a n tp a r to nt h em a g l e vt r a i n 。i t c a nr e a l i z et h ef u n c t i o n ss u c ha se q u i p m e n t so n l i n es u p e r v i s i o n ，f a u l td i a g n o s i s ， c e n t r a lc o n t r o la n dr e g u l a t i n go nt h em a g i e vt r a i n v e h i c l ed i a g n o s i sa n dc o n t r o l s y s t e mw i l lb eo fs i g n i f i c a n c ed u r i n gt h er u n n i n ga n dm a i n t e n a n c eo ft h em a g i e v t r a i n o nt h eb a s i so ft h eg e r m a nh i g h - s p e e dm a g l e vt r a i no ns h a n g h a id e m o n s t r a t i o n l i n e , w i t ht h ei n t e n to ft h el o c a l i z a t i o no fm a g i e vt r a i n ，t h i st h e s i sd e e p l ya n a l y z e da n d d i s c u s s e dt h es t r u c t u r eo fv e h i c l ed i a g n o s i sa n dc o n t r o ls y s t e mo nt h em a g i e vt r a i n ， a n ds t u d i e dt h en e t w o r kt e c h n i q u eo ft h es y s t e m w i t hf u l l yr e f e r e n c e st ot h et e c h n i q u ei n f o r m a t i o np r o v i d e db yt h eg e r m a n v e h i c l ed i a g n o s i sa n dc o n t r o ln e t w o r ko nt h es h a n g h a im a g l e vd e m o n s t r a t i o nl i n e ， a n dc o n s i d e r i n gt h ee x p a n s i b i l i t ya n dc o m p a t i b i l i t yo ft h es y s t e mf o rt h ef u t u r e ， p r i m a r yt e c h n i q u es c h e m et or e s e a r c ha n dp r o d u c et h el o c a lv e h i c l ed i a g n o s i sa n d c o n t r o ls y s t e mw a sp r o j e c t e d ，w h i c hw a sb a s e do nt h ee m b e d d e do p e r a t i o np l a t f o r m m i c r o s o f tw i n d o w sc e t h ed e s i g nf u n d a m e n t a lo ft h ep r o j e c tw a st os a t i s f yt h e r e q u i r e m e n to fi n d e p e n d e n t l yd e v e l o p i n gv e h i c l ed i a g n o s i sa n dc o n t r o ls y s t e m ，w h i c h w a sa d v a n c e di nt h en a t i o n a l8 6 3p r o j e c t “h i g h s p e e dm a g i e vt r a f f i c ”i ta l s or e q u i r e d v e h i c l ed i a g n o s i sa n dc o n t r o ln e t w o r kc o u l dw o r ks a f e l y , r e l i a b l ya n de f f i c i e n t l y t h i s t h e s i sd e m o n s t r a t e dt h ea p p l i c a b i l i t yo fw i n d o w sc ef o rv e h i c l ed i a g n o s i sa n d c o n t r o ls y s t e m ，b ys t u d y i n gi t ss y s t e ms t r u c t u r e ，k e r n e lt e c h n i q u ea n di n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n t h e c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，m e s s a g e s e c u r i t ym a n a g i n g a n d c o m m u n i c a t i o nf l o ww e r ed e s i g n e d ，b ya n a l y z i n gt h ef r a m e w o r k ，f u n c t i o nr e q u i r e d a n dd a t as t r e a mo fv e h i c l ed i a g n o s i sa n dc o n t r o ls y s t e m a tl a s t ，t h es o f t w a r eo ft h ev e h i c l ed i a g n o s i sa n dc o n t r o ls y s t e mw a sr e a l i z e db y v i s u a lb a s e n e tl a n g u a g e ，u n d e rm i c r o s o f t n e tc o m p a c tf r a m e w o r k k e yw o r d ：h i g h s p e e dm a g i e vt r a i n ，v e h i c l ed i a g n o s i sa n dc o n t r o ls y s t e m ， n a b s t r l c t w i n d o w sc e , n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n 1 1 1 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的e r ij $ 1 1 本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：怿芝 洲芦多角f 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 勺1 够 7 年钞日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 磁悬浮列车简介、技术特点与其发展概况 1 1 1 磁悬浮列车的简介 磁悬浮列车从机理上可以分为电磁悬浮( e m s ：e l e c t r o m a g n e t i cs u s p e n s i o n ) 和电动悬浮( e d s ：e l e , c t r o d y n a m i cs u s p e n s i o n ) 两大类1 1 】1 3 j 。所谓电磁悬浮就是 对车载的、鼍于导轨下方的悬浮电磁铁通电励磁而产生电磁场，电磁铁与轨道 上的铁磁性构件( 钢质导轨或长定子直线电机定子铁芯) 相互吸引，将列车向 上吸起悬浮于轨道上，电磁铁与铁磁轨道之间的悬浮间隙( 称为气隙) ，一般约 为8 1 0 m m 。列车通过直线电机来牵引行走，通过控制悬浮电磁铁的励磁电流 来保证稳定的悬浮气隙。电动悬浮就是当列车运动时，车载磁体( 一般为低温 超导线圈) 运动磁场在安装于线路上的悬浮线圈中产生感应电流，两者十日互作 用，产生一个向上的磁力将列车悬浮于路面上的一定高度( 一般为1 0 0 1 5 0 r a m ) 。列车运行靠直线电机来牵引。与电磁悬浮式相比，电动悬浮式系统在 静止时不能悬浮，必须达到一定速度( 约为1 5 0 k m h ) 后才能起浮。电动悬浮 式系统在应用速度下，悬浮气隙较大，不需要对气隙进行主动控制【”】。 磁悬浮列车的牵引电机都是直线电机，总的可分为两种形式，即长定子直 线同步电机和短定子直线感应电机。当采用长定子直线同步电机时，电机的定 子( 又称为电机初级) 沿整个线路铺设，电机的转子( 又称为电机次级) 安装 在列车上；当采用短定子直线感应电机时，电机的定子安装在列车上而转子安 装在轨道上。采用长定子直线同步电机时，直接在线路上实现牵引能量的转换， 在高速运行时车与路轨之间完全无接触，因此适合于高速的磁悬浮列车。德国 的t r a n s r a p i d 常导磁悬浮列车和r 本的m l x 超导磁悬浮列车就是采用长定子直 线同步电机来牵引。当采用短定子直线感应电机时，运行中需要地面供电装置 对磁悬浮列车接触供电，不能实现车与路轨间的完全无接触运行，所以适合低 速磁悬浮列车，一般用于城市内或与市郊的交通。短定子直线感应电机的优点 是结构比较简单，制造成本较低，缺点是效率相对较低。日本的h s s t 常导低速 磁悬浮列车就是采用短定子直线感应电机来牵引的。 第1 章绪论 从导体上来说，德国的t r a n s r a p i d 磁悬浮列车和r 本的h s s t 磁悬浮列车采 用普通导体通电励磁，产生电磁悬浮力和导向力，因而被称为常导磁悬浮列车。 日本的m l x 磁悬浮列车利用低温( 摄氏零下2 6 9 1 ) 超导线圈励磁，在车辆 上形成强磁体，因而被称为超导磁悬浮列车。 按运行速度来分，德国的t r a n s r a p i d 磁悬浮列车最大运行速度约为4 0 0 5 0 0 k m h ，日本的m l x 磁悬浮列车最大运行速度约为5 0 0 5 5 0 k m h ，所以又 被称为高速磁悬浮列车，主要用于大城市之间的干线交通1 2 1 。日本的h s s t 磁悬 浮列车则主要用于城市内或与市郊的交通，被称为低速磁悬浮列车。 为了对磁悬浮交通系统有一个大致的了解，下面简单扼要地介绍常导高速 磁悬浮列车和超导高速磁悬浮列车的一些主要技术特点。这两种技术分别以德 国和日本为代表。 1 1 1 1 德国模式 德国的高速磁悬浮列车采用的是常导吸引式( 图1 1 ) 。 支承滑橇 车 辆 滑行支承轨 导向和制动轨 导向和制动m l _ 一j - ， z 、 庀一 l 长定子铁芯和线罔 悬浮和牵引电磁铁_ 轨道梁 酗1 1 德国t r 高速磁悬浮列车 悬浮是利用安装在车体底部的可控悬浮电磁铁和安装在路轨底面的铁磁反 应轨( 定子绕组) 之间的吸引力来实现的，导向磁铁从侧面使车辆保持运行轨 迹i 矧。悬浮磁铁和导向磁铁安装在列车两侧，沿全长分布，驱动和制动则利用 长定子直线同步电机来实现。其原理类似于普通的旋转电机，只是将其定子“切 开”展直，沿着路轨铺设i “。这样产生的就不是一个转动的行波磁场而是一个移 动的行波磁场，列车的悬浮磁铁相当于电动机的转予( 励磁元件) 。利用路轨绕 2 第1 章绪论 组中电流强度和频率的变化，就可以在静止和运行之间对驱动力进行无级调节。 如果改变行波场的方向，将使电动机变成发电机，使列车无接触制动，制动的 能量可以反馈回电网。 1 1 1 2 日本模式 日本的高速磁悬浮系统是超导相斥式( 图1 2 ) ，采用了先进的低温超导磁 体技术。其主要技术特点是：在磁悬浮列车上采用液态氦冷却的低温超导线圈 励磁，形成超导磁铁体。超导电磁铁线圈用铌钛合金制成，浸在液态氦容器中 保持在摄氏零下2 6 9 c 的低温中，此时电磁铁线圈处于所谓的超导状态，电阻为 零。磁铁的n 极和s 极沿列车的运行方向交膂布置。车辆侧的超导磁铁和线路 侧的“8 ”字形线圈以及无铁芯的长定子直线同步电机线圈共同作用，实现车辆 的驱动、悬浮和导向功能。用于驱动的定予线圈和用于悬浮和导向的8 字形线 圈都设置在u 形线路侧壁上。 一嘲：口i ，一一。j i 口车m ：4 l 锄似 li 图1 2 日本高速磁悬浮列车m l x 当在线路侧的定子线圈的三相绕组中通入三相交流电时，产生沿着线路运 动的磁场，这一移动磁场吸引车上的超导磁铁，同步地向前运动。改变定子线 圈中电流的频率和强度，就可以调节牵引力和车辆运行的速度。当车辆运动时， 由于车上的超导磁铁与线路侧的8 字形线圈之问的相对运动，在8 字形线圈中 感应出电流和磁场，这一感应磁场与车上的超导磁铁的磁场相互作用，产生悬 浮力和导向力。感应磁场的强度与车辆行驶的速度有关，速度越高，8 字形线圈 3 第1 章绪论 中感应的磁场就越强，悬浮力和导向力也越大。当磁悬浮列车静止时，没有悬 浮力和导向力。在低速时，磁悬浮列车依靠橡胶轮支承和导向。当列车加速到 大约1 5 0 k m h 时，列车进入与线路完全无接触的悬浮状态。这种方式悬浮力大， 车辆与轨面之间的间隙可达1 0 0 m m 以上【1 3 】。 1 1 2 磁悬浮列车的经济与技术特点 与传统轮轨高速列车相比较，磁悬浮列车具有以下特点与优势： ( 1 ) 克服了传统轮轨高速列车提高速度的主要障碍，具有广阔的发展前 景。 高速轮轨列车的最高速度是法国的t ( 所创下的5 1 7 k m h ，但这只是试验 速度，且是在一段下坡路段采用双机车所作的短时间冲刺，不是芷常的运行速 度。高速轮轨列车目前的最高运营速度为3 5 0 k m h ，经济运营速度为3 0 0 k m h ， 虽然技术还在不断完善、发展，但继续提高速度的余地己不大。这是因为轮轨 系统的机车是全粘着型的，借助于车轮和钢轨间的粘着力使列车前进。轮轨的 摩阻系数随速度的增大而减小，行驶时的空气阻力却随速度的增大而加大。低 速时粘着驱动力远大于空气阻力，随着行驶速度的增大，空气阻力急剧增大， 最终这两个力就大小相等，达到平衡，这时的速度就是极限速度。当达到这种 平衡时，即使再增加机车的功率，也无法再提高车速。而且轮轨铁路提速到一 定程度所花的代价是很高的：有关资料表明，时速3 0 0 公罩的高速铁路的造价 是时速2 0 0 公早的准高速铁路的两倍，是时速1 2 0 公里的普通铁路的3 8 倍。 就技术潜力而言，轮轨列车要在5 0 0 i ( f n l l 的超高速下安全载客运营是很困难的。 此外，轮轨列车由于驱动是依靠轮轨间的粘着力进行的，随着速度的增加，轮 和轨的磨损都很大，所以不仅需要采用新材料，还需要经常打磨维修轨道，如 只本新干线的高速轮轨系统每同后半夜要花费大量劳动力打磨维修轨道。 常导磁悬浮列车的最高速度是德国t r 0 8 列车在1 9 9 6 年的载人试验运行中 所创下的4 5 0 k m h ，由于线路长度的限制，不允许再向上加速。超导磁悬浮列 车的最高速度是同本m l x 列车在1 9 9 9 年的载人试验运行中所创下的5 5 2 k m h ， 目前德国和同本的高速磁悬浮列车在乖常的载客运行中经常达到4 0 0 5 0 0 k m h 的速度。由于磁悬浮列车的牵引力与粘着力无关，因此并不因为高速而减少牵 引力，它的速度为直线电机的行波磁场速度。 4 第1 章绪论 如果选择适当的参数，磁悬浮列车就可以达到5 0 0 k m h 甚至更高的速度。 而影响磁悬浮列车速度的主要因素是空气的阻力，这种阻力与运行速度的平方 成j 下比。因此，要达到更高的速度，国外有人提出了在地下真空隧道中运行的 设想。如美国兰德公司设想的横贯美国东西，由纽约到洛杉矾的一条长3 9 5 0 公 里的地下真空隧道，在其中运行第三代高速列车，即地下真空磁悬浮超音速列 车。 ( 2 ) 能量消耗低。 在高速轮轨列车和高速磁悬浮列车的能耗中，由于空气阻力产生的能耗在 本质上两者是相同的，仅与列车的形状等有关，但磁悬浮列车没有受电弓的风 阻损耗和转向架的风阻损耗。此外，两者不同的是轮轨列车还有各种摩擦力引 起的能耗，例如：电机传动齿轮、车轮与轨道以及其它各相对运动部件之间的 摩擦损耗，还有冲击、振动等引起的能耗。磁悬浮列车虽然没有这些方面的能 耗，但直线电机为建立行波磁场要消耗比旋转电机更多的电能，磁场在导体材 料移动引起涡流阻力增加能耗等。表1 1 是德国i c e 高速轮轨列车与t r 磁悬浮 列车在不同速度下的能耗比较。 表1 1 能耗比较( 千瓦库伉公里) 速度( k m h 1 i c e 高速轮轨列乍 t r 磁悬浮列乍 2 0 03 23 2 2 5 04 43 7 3 0 0 7 14 7 4 0 07 1 由上表可看出，在较低速度( 2 0 0 k m h ) 时，两者的能耗是相同的；而高速 ( 3 0 0 k n v h ) 时，磁悬浮列车的座公里耗电量是高速轮轨列车的6 6 ，节能是随着 速度升高而增加的。 此外在5 0 0 公里d , 时速度情况下，磁悬浮列车每座位公里的能耗仅为飞机 的l 3 1 2 ，比汽车小3 0 。 ( 3 ) 噪音小。 高速轮轨列车的噪声主要是由两部分组成的，一是机械传动装置间的磨擦、 轮轨问的磨擦、受电弓的机械磨擦等产生的噪声；一是列车与空气磨擦产生的 噪声。磁悬浮列车由于不存在机械接触和磨擦，其运行时产生的噪声主要就是 5 第1 章绪论 列车与空气磨擦产生的噪声。此外，由于磁悬浮列车有较好的气动外形，因而 在相同运行速度时磁悬浮列车的噪音比轮轨高速列车的噪音小。 轮轨铁路噪声声级的变化幅度还决定于轮轨的磨损程度。按照德国联邦铁 路的规定，在居住区建筑附近的线路上，要通过定期打磨轨道，以保证噪声的 增加量与新建成线路时相比，最多不超过6 d b ( a ) 。由于磁悬浮列车无接触的特 点，没有轮轨磨损，因此，噪声不会因线路磨损而升高。 ( 4 ) 加速快，爬坡能力强，转弯半径小。 德国t 磁悬浮列车的牵引功率比轮轨高速列车i c e 要大得多，每节磁悬浮 列车最大功率约为5 兆瓦，相当于一台轮轨铁路电力机车的功率，五辆编组的 t r 磁悬浮列车的总牵引功率约为2 5 兆瓦，这使得磁悬浮列车有着较大的加速 能力。从o 加速到3 0 0 k m h 时，加速距离为5 公里，加速时间为1 9 分钟，加速 到4 3 0 k m h 时，加速距离为1 2 2 公里，加速时间为3 1 分钟。而轮轨列车，从o 加速到3 0 0 k m h 时，加速距离为1 8 公里，加速时白j 为5 4 分钟。由于粘着系数 的制约，轮轨系统列车的爬坡能力远小于磁悬浮列车，常速下其爬坡能力一般 为3 5 ，在高速情况下约为1 5 ；而磁悬浮列车可达6 1 0 ，即达到高速 轮轨列车的5 倍6 倍。磁悬浮列车最大横坡角度为1 2 。，而轮轨列车最大横 坡角度为6 5 。；在3 0 0 k m h 速度时，轮轨列车最小弯道半径为3 3 5 0 m ，磁悬浮 列车为2 3 0 0 m 。以上优势使得磁悬浮列车在山区可明显缩短线路长度，灵活地 选择走向，从而减少线路投资。 ( 5 ) 安全、舒适。 德国的磁悬浮列车从结构上抱住路轨，列车不会脱轨。每节列车下有3 0 个 悬浮控制点，每个悬浮点的控制都是独立的，系统冗余度很高，原则上有2 0 悬浮点控制系统发生故障，是不会影响列车安全与运行的。而高速轮轨列车有 一个车轮损坏，就会造成列车脱轨翻车。磁悬浮列车出地面变电站供电控制， 轨道上分段供电，列车通过某一供电段时，接通这一段供电，其他段与电源断 开，每一供电段内只能有一列车通过，因而不会发生追尾相撞事故。磁悬浮列 车上有备用电源，万一线路发生停电事故，依靠车上的备用电源可使列车悬浮 并惯性滑行加公里，每4 0 公里设有待避线，可停车检修。磁悬浮列车没有车 轮和铁轨的接触以及与受电弓的机械接触，振动小、舒适性好。 ( 6 ) 维护少，费用低。 常导磁悬浮列车的悬浮、驱动、导向系统都没有磨擦，超导磁悬浮列车仅 6 第1 章绪论 有冷却系统中的压缩机有少量磨擦，因此相对于高速轮轨列车其维修量明显减 少。由于磁悬浮列车与轨道不是直接机械接触，受力是均布在轨道上的，也没 有机械冲击和振动，不像高速轮轨列车钢轨由于受到磨损、冲击和振动，需要 同常大量维修。磁悬浮列车车内也没有机械运动部件，没有机械磨损和机械故 障。磁悬浮列车的维修主要是电气部件，由于电子工业同趋发达，电气部件可 靠性不断增加，故障率大大降低。磁悬浮列车在设计上又有很大的冗余度，并 且是模块式结构，维修方便，发现问题可立即更换。磁悬浮列车的路轨寿命是 8 0 年，列车寿命是3 5 年；而高速轮轨铁路i c e 的线路寿命是6 0 年，车辆寿命 是2 0 2 5 年。 ( 7 ) 磁场与电场。 磁悬浮列车主要依靠电磁力来实现车辆的支承、导向和牵引。因此，人们 就必然会虑及电磁场是否会造成新的“污染”。同时，这也关系到磁悬浮交通的 发展前景。 德国的有关监测资料表明：常导磁悬浮列车的电磁场均很小，对人们的生 活环境不会有影响。磁场：在客车厢内、站台上、列车旁以及直接靠近线路的 地方，恒定磁场为1 3 5 pt ，相比地球磁场为5 0 pt ；低频磁场( 1 1 0 0 h z ) 为1 1 0 pt ：比较家用电器可达1 0 0 0 1 1t ：高频磁场( 1 0 0 h z ) 1i tt 。电场： 在客车厢内、站台上列车旁以及直接靠近线路的地方 如采尉新电路，应注意标准化，采用新技术要充分注意继承性； ( 5 ) 尽量采用数字电路、集成电路，逻辑电路要进行简化设计； ( 6 ) 对性能指标、可靠性指标要综合考虑； ( 7 ) 应不断采用新的可靠性设计技术。 此外，在磁浮列车的丌发过程中，有一条重要的设计原则就是通过冗余设 计保证安全性并提高系统可靠性，因此所有的控制信号由车载运行控制系统1 ( b l f i ) 与车载运行控制系统2 ( b l f 2 ) 的安全计算机以两倍冗余的方式发出， 分别到两个车载控制单元中经过“或”逻辑运算后以两倍冗余的方式传到车辆 的各底层部件。 本文的重点在于嵌入式系统下的车载网络技术研究，而控制系统的关键在 于逻辑电路和控制逻辑，因此本文只从系统的角度作简单的介绍，本文重点在 诊断系统的程序设计。 4 1 第4 章基y - w i n d o w s c e 的网络系统 第4 章基于w i n d o w sc e 的网络程序设计 4 1w i n d o w sc e 的网络技术 4 1 1w i n d o w sc e 的通信支持能力 通信能力是基于w i n d o w sc e 的设备的关键特性。它的范围可以从简单的电 缆串行输入( i ，o ) 到使用传输控制协议( t c m p ) 的无线网络。除了内置的通 信硬件，比如串行电缆或红外收发器外，对p c m c i a 的支持使得广泛的已投入 市场的通信设备能够添加到基本的支持包中1 9 j 。 w i n d o w sc e 支持三种通信方式： ( 1 ) 串行i o 。 ( 2 ) 网络，包括：w i n d o w s s o c k e t s ( w i n s o c k ) 和i n f r a r e ds o c k e t s ( i r s o c k ) ； t c p i p 和i r d a ( i n f r a r e dd a t a a s s o c i a t i o n ，红外数据传输) ；用于局域网的n d l s 4 0 ( n e t w o r kd e v i c e d r i v e ri n t e r f a c es p e c i f i c a t i o n ，网络设备驱动程序接口规范) ； 通过串行线或m o d e m 的点对点协议( p p p ，p o i n t t o p o i n tp r o t o c 0 1 ) 和串行联接 接口协议( s l i p ，s e r i a l l i n k i n t e r f a c e p r o t o c 0 1 ) 的网络：远程文件访问( w n e t a p i ) ； 远程访问客户端( r a s ) ；支持浏览器( w i n l n e t a p i ) 。 ( 3 ) 电话a p i ( t a p i ) 。 以下对在车载监控网络中应用到的串行f o 和网络做迸一步介绍。 串行通信，串行f o 是w i n d o w sc e 通信模型中最基本的特性，在所有的设 备中都应该能够使用【2 2 1 。在硬件上，串行通信通常通过电缆或i r 收发器得以实 现。电缆的联接可以通过标准m i c r o s o f tw i n 3 2a p i 串行和文件系统函数处理。 这些函数用于打丌、关闭和操作c o m ( c o m p o n e n to b j e e tm o d e l ，组件对象模型) 端口，以及从其读出和写入。i r 收发器被分配到一个c o m 端口，这样可以直 接使用常用串行通信函数的串行i o 。i ，o 通信是一种“原始的”方式，这意味 着，比如它不具有冲突检测。通过l r s o c k ( 一种w i n s o c k 的扩展) 可得到利用 i r d a 协议的更为强效的串行取通信。在车载监控网络中，键盘和安全计算机 就是通过串行怕与诊断计算机和操作计算机进行通信。 第4 章基丁w i n d o w s c e 的网络系统 网络通信，w i n d o w sc e 具有一个带有多种不同选项的网络栈。它能够使用 各种硬件方式，包括红外、串行、以太网和无线联接。在网络栈的顶层，w i n d o w s c e 支持w i n l n e t 和w n e t a p i s 的子集，以及一个s m b ( s e r v e rm e s s a g eb l o c k ， 服务器消息块) 重定向程序( r e d i r e c t o r ) 。w i n l n e ta p i 提供了对i n t e m e t 浏览 协议的支持。这些协议包括文件传输协议( f t p ，f i l e t r a n s f e r p r o t o c 0 1 ) 和超文 本传输协议( m 1 甲，h y p e r t e x tt r a n s f e rp r o t o c 0 1 ) 1 0 ，但不包括g o p h e r 。w i n i n e t a p l 只支持一个代理( p r o x y ) ，并不具有缓冲。它还提供了对两种i n t e m e t 安全 协议的访问支持，这两种协议是s s l ( s e c u r es o c k e t sl a y e r ，安全套接层) 2 0 和 3 o 以及p c t ( p r i v a t ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，私人通信技术) 1 0 。w n e ta p i 提供了对s m b 重定向程序的处理以进行远程文件访问。重定向程序支持u n c ( u n i v e r s a l n a m i n g c o n v e n t i o n ，通用命名约定) 名，但不支持驱动器符。 w i n d o w sc e 通信模型设计用于能够在多种不同类型的服务上良好地工作。 它提供了一种具有不同选项集合的o e m ( o r i g i n a le q u i p m e n tm a n u f a c t u r e r ，原始 设备制造商) 方式以供从中选择。其模块化的设计使得耗用被降低到最小，因 为模型中只有一个特定设备所必需的部分刁会被包含于其中。对于应用程序丌= 发人员而亩，w i n d o w sc e 支持绝大多数通信类型。这些通信方式可通过类似的 基于w i n 3 2 的a p i s 进行处理，这使得开发人员易于在他们的程序中实现有关的 通信能力。 4 1 2w i n d o w sc e 的通信机制 t c p i p 协议( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l ，i n t e r n e tp r o t o c o l ，传输控制协 议网际协议) 是至今最成功的通信协议之一。它允许分布在各地的装着完全不 同的操作系统的计算机互相通信。t c p i p 协议以其开放性的特点，成为i n t e r n e t 的基础。 网际协议i p 是t c p i p 的心脏，也是网络层中最重要的协议。i p 层接收由 更低层( 网络接口层，例如以太网驱动程序) 发来的数据包，并把该数据包发 送到更高层1 1 c p 层或u d p 层；相反，i p 层也把从t c p 或u d p 层接收来的 数据包传送到更低层。i p 数据包是不可靠的，因为i p 并没有任何措施来确定数 据包是按顺序发送的或者没有被破坏。l p 数据包中包含有发送它的主机的地址 ( 源地址) 和接收它的主机的地址( 目的地址) 。t c p 协议主要在网络不可靠的 第4 章基丁i w i n d o w s c e 的网络系统 时候完成通信，这很适用于磁悬浮列车的工业环境。t c p 是面向连接的端到端 的可靠协议，它支持多种网络应用程序。t c p 对下层服务没有多少要求，它假 定下层只能提供不可靠的数据报服务，它可以在多种硬件构成的网络上运行。 车载监控系统中主要应用了t c p i p 协议。由于t c p i p 是一种典型的端到 端系统，发送方和接收方的对等实体直接通信，彼此间就像有一条直线通路， 不必考虑中间环节，有利于提高效率，减少传输延迟。t c p i p 传输数据相当可 靠，因为t c p 利用重发技术和拥塞控制机制，向应用程序提供可靠的通信连接， 并能够自动适应网络的各种变化，即使在i n t e r a c t 暂时出现拥塞的情况下，t c p 也能够保证通信的可靠性。 w i n d o w sc e 提供了对t c p i p 的完全支持，提供了用于在应用层和物理硬 件层之间传输数据的a p i 方法1 2 1 j 。图4 1 说明了基于i s o o s i 模型的w i n d o w s c e 通信机制。 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 应崩撑序 数据链路层 w i n l n e t 工 w i n s o c ka p i t c p i p w n e ta p i c i f s 转换器 巾 t a p ii t a p ik 州u n i m o d e ml ip p p s l i p 串行设备驱动li 占怒搿 s i r f i r 连网 ( n d i s 4 0 ) 物理层 i 巾行口il r 端口i网络接口iff i r 硬i j 幽4 1 基于i s o o s 模型的w i n d o w sc e 通信机制， 第4 章基丁w i n d o w s c e 的网络系统 ( 1 ) 物理层 物理层中的硬件将电信号转换为二进制码，然后传送给数据链路层。基于 w i n d o w sc e 的设备可以包括以下硬件：串行口、i p 收发器、无线收发器、网 络接口卡。 ( 2 ) 数据链路层 w i n d o w sc e 的数据链路层支持串行( i ，0 ) 和局域网( l 气n ) 。设备驱动程 序( 又称底层软件) 运行于数据链路层，并负责管理与物理层硬件的通信。例 如，串行驱动程序管理串行口，而基刁二“m i c r o s o f t 网络驱动程序接口规范 ( n d i s ) 的驱动程序管理网络接口连接。w i n d o w sc en d i s 是m i c r o s o f tn d i s4 0 的一 个子集，而n d i s 4 0 用于基于w i n d o w s 的台式机操作系统。w i n d o w sc e 支持 n d i s 以太网( 8 0 2 ，3 ) 小型端口驱动程序，也支持串行红外( s i r ) 和快速红 外( f i r ) i r d a 小型接口驱动程序。运行于数据链路层，或者运行于数据链路层 和网络层之问的还有m i c r o s o f t 电话a p i ( t a p i ) 、u n i m o d e m 、点对点协议( p p p ) 和串行线路i n t e m e t 协议( s u p ) ，它们用于直接串行连接和拨号连接。 ( 3 ) 网络层和传输层 网络层软件负责分片、路由和重组数据。传输层与网络层协作，负责封装 和传输来自会话层的数据。t c p i p 运行于网络层和传输层。t c p i p 是一种工业 标准通信协议，它定义了封装网络上传输的数据的方法。对于红外通信，w i n d o w s c e 利用网络层和传输层的i r d a 协议支持红外数据协议( i r d a ) 标准。 ( 4 ) 会话层，表示层和应用层 会话层，表示层和应用层构成了i s o o s l 模型的高层。w i n d o w s 套接字 ( w i n s o c k ) 运行于会话层与传输接口处，w i n s o c k 是应用程序与传输协议之间 的接口，其作用相当于数据怕的管道。w i n d o w s c e i n t e m e t a p i ( w i n l n e t ) 是 一种用于开发i n t e m e t 客户应用程序的a p i 。w i n i n e t d i l 模块提供了用于开发 i n t e m e t 应用程序的w i n i n e t 函数，例如w e b 浏览器和文件传送协议( f t p ) 程 序。远程访问服务( r a s ) 运行于i s 0 o s i 模型的高层。r a s 是用于从远地访 问网络资源的应用程序。 基于w i n d o w sc e 的应用程序可以利用w i n d o w s 连网函数建立和终止网络 连接，以及获取m i c r o s o f t 网络的当前配罱数据。通过w i n d o w sc e 连网a p i ( w n e t ) 可以访问这些配置数据。w n e t 通过公共i n t e r a c t 文件系统( c i f s ) 转向器与远程主机通信。通过c i f s 转向器( 一个模块) 一台计算机可以访问另 第4 章基丁w i n d o w s c e 的网络系统 一台计算机。 4 2 基于w i n d o w sc e 的套接字( s o c k e t ) 编程 s o c k e t 是对应t c p i p 协议的最典型的应用程序开发接口。它提供了在不同 主机阃进行进程通信的断点。应用进程之间如果要通过网络进行通信，必须在 网络的每一端建立套接字，通过对套接字的“读”、“写”操作实现网络通信。 作为网络应用编程的接口，s o c k e t 隐藏了网络底层复杂的结构和协议，使得编 程人员可以相对简单地对网络编程进行操作。 4 2 1w i n d o w ss o c k e t s 的通信规范 w i n d o w ss o c k e t s 规范以u c b e r k e l e y 大学b s du n i x 中流行的s o c k e t 接 口为范例定义了一套m i c r o s o f tw i n d o w s 下地网络编程接口。它不仅包含了人们 所熟悉的b e r k e l e ys o c k e t 风格的库函数：也包含了一组针对w i n d o w s 的扩展库 函数，以使程序员能充分地利用w i n d o w s 消息驱动机制进行编程。 w i n d o w ss o c k e t s 规范本意在于提供给应用程序开发者一套简单的a p i ，并 让各家网络软件供应商共同遵守。此外，在一个特定版本w i n d o w s 的基础上， w i n d o w ss o c k e t s 也定义了一个二进制接口( a b i1 ，以此束保证应用w i n d o w s s o c k e ta p i 的应用程序能够在任何网络软件供应商的符合w i n d o w ss o c k e t s 协 议的实现上工作。因此这份规范定义了应用程序刀= 发者能够使用，并且网络软 件供应商能够实现的一套库函数调用和相关语义。 w i n d o w ss o c k e t s 规范定义并记录了如何使用a p i 与i n t e m e t 协议族( i p s ， 通常我们指的是t c p i p ) 连接，并且所有的w i n d o w ss o c k e t s 实现都支持流套 接字和数据报套接字。 应用程序调用w i n d o w ss o c k e t s 的a p i 实现相互之问的通信，w i n d o w s s o c k e t s 又利用下层的网络通信协议功能和操作系统调用实现实际的通信工作。 通信的基石是套接字，一个套接字是通信的一端，在这一端上可以找到与其对 应的一个名字。一个正在被使用的套接字都有它的类型和与其相关的进程。套 接字存在于通信域中。通信域是为了处理一般的线程通过套接字通信而引进的 一种抽象概念。套接字通常和同一个域中的套接字交换数据( 数据交换也可能 第4 章基tw i n d o w s c e 的网络系统 穿越域的界限，但这时一定要执行某种解释程序) 。w i n d o w ss o c k e t s 规范支持 单一的通信域，即i n t e r a c t 域。各种进程使用这个域，互相之间用i n t e r n e t 协议 族来进彳亍通信( w i n d o w ss o c k e t s1 , 1 以上的版本支持其他的域，例如w i n d o w s s o c k e i s 2 ) 。 套接字可以根据通信性质分类，这种性质对于用户是可见的。应用程序一 般仅在同一类的套接字白j 通信。不过只要底层的通信协议允许，不同类型的套 接字间也照样可以通信。 套接字有三种类型：流式套接字、数据报套接字及原始套接字。流式套接 字( s t r e a ms o c k e t ) ，也称面现连接方式。在这种方式下，通信进程之间要建立 一种虚拟地连接，这种方式对应的是t c p 协议，其传输特点是通信可靠性高， 按发送的顺序接收数据；数据被看作是字节流，无长度限制( 协议对过长的数 据进行处理，对用户而言是透明的) 。数据报套接字( d a t a g r a ms o c k e t ) ，又称无 连接方式。数据报方式提供无连接服务，对应的是u d p 协议，这种方式不提供 数据通信的诈常保证，数据可能丢失、重复或接收顺序混乱，其报文长度是受 限的。原始套接字( r o ws o c k e t ) 允许对低层协议如i p 或1 c m p 直接访问，主 要用于新的网络协议实现的测试等。 基于车载监控网络的工作环境和性能指标的要求，采用基于t c p 协议的流 式套接字。 4 2 2w i n d o w ss o c k e t s 网络编程架构 面向连接服务器处理的请求往往比较复杂，不是一来一去的请求应答所能 解决的，而且往往是并发服务器1 3 5 1 。使用面向连接的套接字编程，可以通过图 4 2 来表示其时序。 套接字工作过程如下：服务器首先启动，通过调用s o c k e t ( ) 建立一个套 接字，然后调用b i n d ( ) 将该套接字和本地网络地址联系在一起，再调用l i s t e n ( ) 使套接字做好侦听的准备，并规定它的请求队列的长度。之后就调用a c c e p t ( ) 来接收连接，客户在建立套接字后就可调用c o n n e c t ( ) 和服务器建立连 接。连接一旦建立，客户机和服务器之阳j 就可以通过调用r e c v ( ) 和s e n d ( ) 来发送和接收数据。最后，待数据传送结束后，双方调用c l o s e s o c k e t ( ) 关闭 套接字。 一 4 7 第4 章基于w i n d o w s c e 的网络系统 4 2 面向连接的套接字时序图 4 2 3w i n d o w ss o c k e t 的模式 4 2 3 。1 基本概念：同步、异步、阻塞和非阻塞 在进行网络编程时，常常见到同步、异步、阻塞和非阻