（计算机应用技术专业论文）基于internet的分布式远程监控系统的实现研究.pdf

华北电 力大学硕士学位论文摘要 摘要 随着公共信息网络 inte 扭 et迅速发展，为工业控制领域中远程监控提供了新的 实现途径，在工业控制领域中， 采用 1 ” t e r n . 实现远程监控有着重大的现实意义， 它能克服传统远程监控的局限性，成为了当前工业控制领域的研究热点。 论文研究了 基于 】 。 抚 m 以的远程监控涉及的实时性、可靠性、安全性和通信协 议 等 关 键问 题 ， 提出 了 相 应 的 措 施 和 方 法 ，在 深 入 研 究tcp 协 议 和 分 析 配电 网 通 信 特点的基础上，设计了一种远程监控通信协议。应用此协议，以配电网为背景，设 计实现了基于 i nt e 献t 的分布式远程监控系统，该系统在试运行中，取得了良 好的 效果。 关 键 词: i n 七 er n et ， 分 布式， 远 程监 控， 通 信协 议 abs tract witht b e 山velo p 毗ntof出 e p u b l 记五 n fo rmatio n。 吧 卜比 。 i n t e rd e t ， itp r o vi des 阮 砂 w a y t 。 托 al iz e th o r e o 1 嘛 m 耐t o r i n g幼dco川 r o l sys 记 垃in山 。 垃 d u s t ry。川 r o l 代 al m 取b e ars i m p 0 r 协 。 ts i g n i fi 咖 。 .允 r比 。1 o d u s 卿 爬 al m to re 目 1 那 t h erc ln ote m o n it o ri n g 胡d c ontrol b as 记。 n 玩 加 m 以w 址 l e 咖 q u e r s 触 sh o rt a g e of伍 e 仃 a d i 柱 。 喇 re m o tem o n itori n ga nd c o n tr o l . i t h as b e com ear e 邵 盯 比 h otspo t o f the i n d u s t ry m o n i to ri n g 幼d con 妞 0 1 全 e a l m. t h ep ape rs t udi ed t b ek e yp o i nt sth at知 v o l v e d过t b el o t e r n e t b a s e dre mote m o ni l o r i n gandc o 。 玄 耐， 邪比 as r 母 a l *tim . ， 跨 u abil 嘛 “u 石 妙 幼d。 。 功 m u o i cati o 。 pr ot ocol . t he m e t h o dsand m e as ur eswereco血 up w i t hin奴 p ap优 枯ththe d ee p 此 劝 a r c hof巍 et c pp r o 璧 。 。 价a n dth 必 】 班 r a 抚 6 浦“。 f t h e由 5 红 i b 川 e dp o w . r 皿 e 丸扭 r e m o t e m o n i t o r i 吧幼d o o ll t r o l 声 o to o o l w as山 s i g n e d . w i t h th o pr o to c ol叭d t a k l n g 俪 d l s l r 汤 u 比 d p o w e r 讹t 韶th e b a c k g r o ” n d ， 毗夏 川 e 切 e 卜 b 韶 e d di s 城b u t 吧 d r . 田 。 切功 闻玉 加 石 略 and c o ntro l s y s t e mw a s r e a l i z e d w h i c h p e rfor m e d w e l l intho t e sto f th e s y s t o m . l u h a i tao ( c o m p ut o r app l i e d 介c hno l o g y ) d i r e c 比 d 妙p r o f h u a n 吕 z h i 币 ang k e ywo r i ) 5 :如忱 翔畴 d i s 记b u 世 e d ， 外业 吧 m ， r e . 。 扼. o n i 拓ri n g 二d c 。 。 理 r o 】 盯 ， 加 . ， r e a l ti m e ， c o m m u u i c a t i o np r o t o c o l 声明 本 人 郑 重声明 : 此处 所提 交的 硕士 学 位论 文 基于 i n te rn et的分布式远程 监控系统的实现研究 ， 是 本 人 在华北电 力 大 学 攻 读硕 士学 位 期间 ， 在导 师 指 导 下进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢 之处外，论文中不包含其他人己 经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得华北 电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名: 严虹日 期 ， 函 曲 卫月 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即:学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件;学校可以采用影印、 缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文;学校可允许学位论文被查阅或借阅: 学校 可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文: 同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 潜密的 学位论文在解密后遵守此规定) 作 者 豁 率速 期 公 吐叫 导 师 签 名 : 亥 娜 玄 ” 一血 华 刁 华北电力大学硕士学位论文 第一章 引言 1 。 1课题的选题背景及意义 网络技术的发展，引发了工业控制领域深刻的变革。控制系统结构向着网络化 和开放性方向发展。在工业控制领域，监控系统技术经历了集中式监控、离散式和 分布式监控三个过程，它们的兴起改变了 监控系统的结构，使其向着网络化的方向 发 展“ 。 随着社 会经济的 发展， 现代化工厂的生 产在地域上 越来越分散， 要实 现对 分散在各地工厂的生产进行实时监控、管理、 远程数据下载及设备的诊断维护，只 有通过远程通信网络才能实现习 。 通常生产企业要实现远程监控，需要建设专用的 远程通信网络。而专用线路的建设和运行维护需要高昂的费用，这无疑增加了企业 的生产成本;同时因为专用线路只为单独的企业服务，造成了资源浪费。选择专线 进行远程监控适于在保密性、安全性和实时性要求苛刻的特殊情况下应用。 传统远 程监控因为在地理上的限制、有限的带宽和相对较低传输速率，阻碍了 远程监控的 许多功能的实现，因此未得到广泛的应用。 int e r n e t 是公共信息网络， 是全球计算机系统的集合， 这些计算机系统通过主 千系统互连在一起。 i nto r net 经过20多年的发展，已经成为世界上覆盖范围最广、 规 模最大、 信息资 源最丰富的 全球计算机信息网 络切 ， 它的 建设和维护有专业的 运 营商负责。随着 i nternet的普及，它已 经渗透到人们日 常生活和工作中，即使在 偏远的山区人们也能方便的登录 1 吐盯net 。1 爪ern et 给人们的生活和生产带来了 深远的影响。 i nternet 应用到工业控制领域中， 把监控和i n t e r n e t 结合起来， 就形成了基于 int ern e t 的远程监控。采用 i nternet 作为通信网络，以现有的监控技术，充分利 用 i n 切r n 仑 t的优势，将无疑会给工业远程监控带来新的生机，打开新的局面。同 时在工业生产中采用基于 工 nternet 的远程监控系统，就省去了建设和维护专线的 费用，有利于提高企业的竞争力。i nt盯n 吐 遍及世界每个角落的援盖范围，采用 i nte r net 作为 远程通信网络能突破传统远程监控中地理上的限制， 把监控的范围也 延伸到世界的每一个角落，实现真正意义上的远程监控。 12课题在国内外的研究动态 鉴于荃于 工 nternet的远程监控相对于传统远程监控的巨大优势，在国内外， 都广泛的展开了对它的研究。当前对基于 i n t e 翔e t远程监控的研究已经成为工业 控制领域一个新的热点. 华北电力大学硕士学位论文 当 前 工 n t e rne t主要还是应用在办公自 动化、商务和日 常生活等方面中， 在工 业中的应用还处于起步阶段，1 9 盯 年1 月，首届基于 工 nte rn吐 的远程监控诊断工 作会议由斯坦福大学和麻省理工学院联合主办，有来自30个公司和研究机构的50 多位代表到会。会议主要讨论了 有关远程诊断系统开放式体系、诊断信息规程、传 输协议，以及对用户的合法限制等，并对未来技术发展作了展望。由斯坦福大学和 麻省理工学院合作开发基于 i n t e 即e t的下一代远程诊断示范系统。 这项工作同时 也 得 到t 制造 业、 计 算机和仪 器 仪 表 业的s u n 、 h p 、 b o e i n g 、 i n t e l 、 f o r d 等1 2 家 大公司的 热情支持 和能 力配合川 。 之后，由 这些公司 共同 推出了 一 个实 验性的 系统 t e s t b e d 。 t e s t b e d用嵌入式 百 e b组网、用实时 j a v a和 b a y e s i a n n e t初步形成在 玩t 盯n et 范围内的信息监控和诊断推理。 国外已经开发出基于工 nternet 的分布式远程监控系统，美国o p t o 2 2 研制开发 了“ 以太网1/0 系统” 一s n a p 工 /0 系统， 通过i nte rne t 对分布在远程现场的工 阳 进行访问， 从而实现对远程设备的监视和监控。 该系统已成功应用于工业过程监控、 路桥收费监控系统、输油管线的监控及楼宇的智能化监控等多项工程中。在家庭自 动化领域，s e n a 公司开发了一个小型的实验室系统，让全球的工 nte rnet用户在网 上访问并监控实验室的智能设备。这些设备包括 0 1 00% 速度的电风扇以及开关式 的壁灯。 在国内， 1 吐叮能t 应用于工业监控的研究刚刚起步。 但己经有不少公司在这方 面做了研究， 在实际应用方面，东大阿尔派公司为自己的 ct 门口开发了远程和维 修诊断系统， 借助 1 滋打net ， 实现 对分布在各地的ct 机的 远程诊断和维修内 ; 在 国家科委8 63计划中，设立了机器人网络通信与远程诊断、维修技术专题:业已建 成的上海科技网则把基于工 nt盯n et 的远程诊断等纳入自己未来的发展目 标。 int e r net应用于工业控制还面临着许多的问 题，工 nternet是作为信息网络出 现的，在实时性，可靠性和安全性方面不能更好的达到工业监控的要求。为了能使 工 n t e r n e t 更广泛的应用于工业远程监控中，人们正在对这 工 nternet 实时性、可靠 性和安全性等关键问题进行广泛和深入的研究，并取得了不少的成果。 通过上面的分析可知，基于 i nte rnet 的远程监控正成为当前工业控制领域的 研究热点， 代表了 今后工业远程监控的发展方向。 1 二 3本文的主要工作 本文研究基于 工 ntern et 的分布式远程监控中涉及的相关技术和关键性问题， 结合配电网的应用背景，设计实现了一个的基于 工 n t 盯n et 分布式远程监控系统。 论文主要工作内容如下: 华北电 力大学硕士学位论文 (1 )介绍了课题的研究背景和意义，分析了 i nternet应用于工业监控在国内 外的研究动态。 ( 2) 分析了基于i nterne七 分布式远程监控中涉及的相关技术. (3 )对基于 1 就e r net分布式远程监控中涉及的实时性、可靠性、安全性和传 输控制协议t c p 进行深入的研究。 ( 4) 在相关研究的基础上设计实现基于 i nternet的 分布式远程监控系统， 它 以 配电网为背景，监控中心通过 工 n t e rnet 与远程终端进行通信，实现远程监控和 信息管理。 伍 )对论文进行总结，指出进一步要做的工作。 华北电力大学硕士学位论文 第二章 基于 i n t ern et远程监控相关技术 21远程监控和地理信息系统 21 . 1远程监控系统结构 远程监控系统从结构上可以大致分为三部分:远程终端、数据通信网络和监控 中心阁 。 远程终端:它是直接对现场设备进行监测和控制的系统，它的任务就是监测设 备的运行状态，并作必要的分析和诊断，发布和执行监控命令对设备进行直接的控 制。远程终端一般包括现场信号采集和处理单元、设备直接监控单元、信号的传输 线路， 信号的接收、 转换设备以及监控计算机等， 实际上可以 看作以计算机为中心， 集现场监控、管理、数据采集为一体的监控系统。它通过远程数据通信网络，与监 控中心建立连接，向监控中心反馈现场设备运行状态，接收或执行监控中心发送的 监控命令。 数据通信网络:数据通信网络是整个远程监控系统的基础，它为监控中心与远 程终端提供数据传输服务。 在监控中心和远程终端之间存在大量的数据通信，虽然 在编程语言的实现上各有差异，但在基本结构上却有很多相似点，通信模式基本为 c / 5 模式、b /s模式等。通信网络基本采用有线和无线网络通信技术，如无线接入， p s tn( 公共电话网) 和 i n t e r n e t 等. 监控中心:监控中心是远程监控和诊断中心，其实现的功能主要有远程设备状 态的终端显示，监控命令及参数的远端发布，状态数据的适当分析、处理，以及专 业性信息对现场的反馈等多种监控、协作或服务功能了 ， 。 2 . 1 . 2远程监控分类 远程监控主要有以下的几种类型: 1 局域网监控系统 局域网监控系统是由一个监控服务器程序和多个工作站程序组成。由客户机端 实现对工作站进行监控，对服务器进行命令请求与命令执行。由服务器端实现对工 作站的协调与指挥。系统中， 在工作站上永久驻留一个客户机程序，由此程序来负 责监控工作站的运行及与服务器间的数据交流并执行服务器程序的命令。 在一个 局域网内，由 监控系统实现对工作站的实时监控，监控文件的传输，不但可以提高 局域网的管理与监控能力，而且可以传送数据文件，提高网络数据传送的安全性， 华北电力大学硕士学位论文 大大减轻局域网管理中的工作强度。 2基于枷b 的远程监控 基于w eb的远程监控系统是以w e b 作为通信平台的监控系统。w 比技术以h t tp 技术为基础，具有简单、高效、 跨平台等优点，已经成为信息网络中普遍应用的一 种信息交互平台。基于w eb的远程监控系统，一般可分为3 个子系统:即现场监测 与监控系统( 简称现场层子系统) ;数据存储与转发子系统( 简称中间层子系统) ;客 户端数据接收与命令发送子系统( 以下简称客户子系统) 。现场子系统负责采集各个 现场监控节点的运行状况数据， 经过汇总、预处理后传递给中间层子系统，它也接 收中间层子系统转发来的监控命令， 对命令进行解析、 验证， 然后采取相应的动作: 中 间 层子系 统是一个中 介系统， 一 般主要由贬b 服务 器和实时数据 库服务器组成阁 。 客户子系统是用户直接与之交互的部分，它接收用户的输入，从中间层子系统获取 监测数据或向其发送监控命令。 3荃于工 n t e r n 就的远程监控 目 前的生产企业一般通过现场监控网络、企业内网( i ntranet)和 i nternet三 网合一把分布于各局部现场，独立完成特定功能的计算机、监控器现场设备等互联 起来，它适应企业生产与经营的功能分布和地域分布的特点，达到资源共享、协同 工作、远程监控、远程管理等为目的的全分布式网络系统，是 工 讯ernet技术、数 据库技术、t c p / ip网络通讯技术等发展的产物91 。它的特点如下: ( 1) 结构网络化:网络监控系统支持如总线型、星型、树型等拓扑结构，与分 层 监 控 系 统 的 递 阶 结 构 相 比 ， 显 得 更 加 扁 平 、 简 洁 。 - ( 2 )节点智能化:带有c p u 的智能化节点之间通过网络实现信息传输和功能协 调，每个节点都是组成网络监控系统的细胞， 各自 具有相对独立的功能，有计算、 分析、处理和通信的能力，能对其管辖范围内发生的事件做出反应，具有局部监控 能力，整个系统各节点之间的协调则通过节点间的通信来完成。 ( 3 )系统开放化和产品集成化:远程监控系统的开发是遵循一定标准进行的， 是一个开放性的系统，只要不同厂商根据统一标准来开发自己的产品， 这些产品之 间便能实现互操作和集成。 综合上述的特点， 工 nte r n 时远程监控系统在资源共享、 远程操作与监控上的优 势是传统监控无法比拟的。此外，物理上的连接简单，便于系统的安装、维护与升 级，以及故障诊断，同时缩减了开支。信号的数字化传输，也使得信号的抗千扰性 能大大增强。 21 . 3远程监控的影响因素 华北电力大学 硕士 学位论文 基于 工 n t e r n e t的远程监控有着广阔的 应用前景， 但是通过对现有国内 外研究 现状的分析，可以发现当前开发的很多系统仅限用于实验，还不能投入真正的实际 应用。 对远程监控系统来说，影响远程监控系统性能的主要因素有:实时性、可靠 性和安全性。 实时性是基于 工 nte r ne七远程监控系统最重要的性能指标。监控系统的实时性 通常采用 “ 响应时间” 来定量描述。响应时间是指某一系统对输入做出响应所需的 时间。 通常以m s ，5 ，耐n ，h 作为计量单位， 响应时间 越短， 就标志着系统的实时 性越好 阁 。具体对基于 工 成郎n e t的远程监控系统来说，响应时间是指监控中 心对 于远程终端发生的事件的反应时间。基于 工 n t e r n e t的远程监控系统首先必须是监 控系统，要求监控中心能及时得到现场信息，并在此基础上返回正确、可靠的监控 命令，系统的反应时间有着严格的时间约束. 可靠性是指监控系统能长时间可靠、稳定的运行。如果由于各种原因，使得监 控中心发送的监控命令不能立即使远程终端设备产生作用，造成了设备动作的不连 续，影响监控系统的正常工作。同时，远程终端设备的一些状态信息不能及时反馈 给用户，必然导致监控中心在判断远程终端的现场设备运行时出现偏差。这些都可 以导致远程监控系统的性能不可靠、不稳定。 安全性也是基于 i nte r n e t 远程监控系统考虑问题，i n 七 e r net 作为一个开放的 交流网络， 这种透明度允许人们轻易获取其它人的信息，特别是当有第三方恶意攻 击的时候，网络安全技术显得尤为重要。网络通信的数据安全主要包括:数据传输 的安全性，即保证在 i n t e r 能t上传输的数据不被第三方窃取:数据的完整性，即 数据传输过程中不被篡改; 身份验证， 保证交换数据时确认对方的真实身份。目 前， 网络安全己成为数据通信领域的一个重要研究方向，人们研究开发了各种各样的网 络安全技术来保证网络通信的安全，采取的安全措施主要有防火墙技术、数据加密 技术和身份确认技术等。 2 . 1 . 4地理信息系统 远程监控中监控终端往往在地理是分散的， 范围 大到一个国家小到一个城市。 根据监控终端分散的特点，在远程监控系统中引入地理信息系统，就可以在电子地 图上直观的完成对分散的监控终端的管理操作。 1地理信息系统的定义 地理信息系统( g is) 是以采集、存储、管理、描述和分析与地球表面及空间地 理分布有关的数据的 信息系统。它是以 地理空间数据库为基础， 在计算机硬件、软 件环境支持下，对空间相关数据进行采集、管理、操作、分析、模拟和显示，并采 华北电力大学硕士 学位论文 用地理模型分析方法，适时提供多种空间和动态的地理信息，为地理研究、综合评 价、管理、定量分析和决策服务而建立的一类计算机应用系统。g 玲 软件是功能强 大的应用简历、编辑图形和地理数据可并对其进行空间分析的工具稽核，是十分熏 要 而又 特殊的信息系统洲。 9 0 年代以 来， 国 际 上的广泛应用g ls及其社 会经 济效益 足以证明，g ls 同电力、通信系统一样是现代社会必不可少的基础设施，它既服务 于社会经济建设，又服务于人民生活， 是社会赖以运转和发展的条件和保障。 2地理信息系统操作 地理信息系统中的数据包括两大类型:空间数据和属性数据。空间数据 (s pat 运i d ata)是指用来表示空间实体的 位置、 形状、大小 及其分 布特征 诸多 方面 信息的数据。它可以用来描述来自 现实世界的目 标，它具有定位、定性、时间和空 间 关系等特性回. 属性数据描述空间 要素的 特征。 要素类型 及 应用不同 ， 空间 要素 的属性数据的数量也会显著的不同。 虽然g is的操作并非按一套次序，但为了便于解释g 工 5 用户所做的操作，我们 将g i s 操作分成空间数据输入、属性数据管理、数据显示、数据探查、数据分析和 g i s 建模。 ( 1) 空间数据输入: 可以由卫星影像、 舒5 数据或纸质地图创建新的g i s 数据。 多种地图如土地利用图、土地覆被图和水文图可以通过卫星影像提取而得到。 用太 空中的卫星作为参照点， g ps 接收器能确定它在地球表面的精确位置，这样可以确 定空间要素的位置和形状。 ( 2 )属性数据管理:为了完成一个g is项目的数据库建设，必须输入、核实和 管理属性数据，与空间数据相似，属性数据的输入和核实也包括数字化和编辑。不 管属性数据是否与空间数据分离，g is 中的属性数据通常用关系数据库管理。因为 关系数据库由相互独立的表组成，其中一些表甚至可以是存放于异地，所以表的设 计应能方便数据输入、查询、检索、操作和输出. (3 )数据显示: 通过地图、 表格和统计图来显示数据是一个吞 15项月 普通功能。 、 作为可视化工具，不论是强调空间数据的位置还是分布模式，地图在传递空间数据 方面是最有效的。不管是单幅还是多幅，地图用于可视化和查询都是重要的。地图 绘制也用于展示g is分析的结果。 ( 4) 数据探查:数据探查是以数据为中心的查询和分析。数据探查可以是一个 g is 操作或是一个执行数据分析的指令。数据查询可帮助用户弄清楚数据中的大概 趋 势 ， 更 好 理 解 数 据 集 ， 关 注 数 据 集 之 间 可 能 的 关 系 数 据 探 查 的 目 的 是 更 好 理 解 数据并帮助阐明研究的问题和设想。 华北电力大学硕士学位论文 ( 5) 数据分析: g ls 中数据分析与数据模型密切相关。矢量和栅格是两种基本 的数据模型，每种都有它自己的一系列分析功能。常见的矢量分析功能包括缓冲区 分析、地图叠加、距离量算和地图操作。栅格数据分析可在单个单元格、单元格集 合或整个格网中的单元格等不同水平上进行。根据计算水平的不同，栅格数据操作 通常分为局域、邻域、分区和全局操作。虽然一些g ls概念如地图叠加和缓冲区分 析，对于矢量和栅格数据都是一样的，但操作步骤却不相同。 ( 6) 地理信息系统建模: 模型是现象或系统的简化表示。 g is建模指的是用g ls 和空间数据建立分析模型。用于建模的一种很有用的g ls操作是地图叠加，它将不 同变量的空间数据和属性数据组合成一幅综合地图。由于综合地图中每个地图要素 代表了由位置选择的一系列数据特征，为了建模需要，综合地图可作进一步处理以 提取新的信息。 2 2! n t e r n e t 通信协议 2 . 2 . 10 51体系结构模型 开放系统互连0 5 1( o p e n s y s t e ml n t e r c o n n e c t i o n ) 模型是由国际标准化组织 ( 1 50) 于 1 983 年开发的网络参考模型， 称为“ 开放系统互连参考模型” ( 伽ens yst e m i n t e r c o n n e c t i o n / r e f e r e n c e m o d e l ， 0 5 1 / 朋) ， 。 它为计算机网 络通信制定了 一个 7 层框架，其体系结构如表2 一 1 所示: 表2 一 1 0 51 模型的七层体系结构 层的名称功能应用协议 应用层提供网络与应用进程接口 t e l n e t 、叮p 、目 了 r p 表示层数据的表示， 完成数据的转换、 压缩和加密， 实现数据安 全等功能 工作站服务，网络转 向器 会话层会话的连接、管理及数据传输的同步等 肠 t b i os 运输层建立、 维护和拆除传送连接， 提供端到端的错误恢复和流 控制 t c p ， u d p ， s p x 网络层解决路由选择、拥塞控制、网络互连等问题i p ， s p x 数据链路 层 实现无差错传送、 提供信息流调节机制e t h e r n e t j翎， t o k e n r i n gp d d i 物理层确保位流的传输， 提供链路所需的机械、 电气功能和规程 特性等。 第5 类双绞线，光纤， 集线器等 华 北 电 力 大 学 硕 士 学 位 竺 文 但是，0 51 模型只是一个框架，或者说只是一个理论模型。在现实网络中，大 多数协议并不是严格遵守05工 规范。 但只有整体理解05工 的7 层参考模型，才能更 好的理解网络协议、网络通信及其他的网络体系结构。 2 . 22t c p / 1 户 协议参考模型 与0 51参考模型不同， t c p 八 p 模型更侧重于互连设备间的数据传送， 而不是严 格的功能层次划分。 t c 即p 是一个四层的协议， 它的结构如表2 一 2 所示。每一层负 责的功能如下:飞 网络接口 层:通常包括操作系统中的设备驱动程序和计算机中对应的网络接口 卡， 它 们一起处理与电缆 ( 或其他任何 传输媒介 ) 的 物理 接口 细节lj 。该 层包括的协 议 有: a r p ( 地址转换协议) 和r a rp( 反向 地址转换 协议 ) 等。 表2 一 2冗p/i p 参考模型体系结构 应用层t e l n e t ， 曰p ， s m t p 等 传输层tcp ， u d p 网络层i p ， 1 以p 等 网络接口层以太网、令牌环网、 a tm等 网络层:也称 i nternet层，负责分组在网络中的活动，解决路由 等问题。 包 括i p(网际协议) 、i c 扒 p( i n t e r n e t 监控报文协议) 以及i g h p(i n t e r n e t 组管理 协议) 。 运输层:该层主要为两台主机上的应用程序提供端到端的数据通信，它分为两 个不同的协议，t c p(传输控制协议) 和u d p ( 用户数据报协议) 。t c p 提供可靠的数据 传输， 保证源端数据无差错顺序传送到目的端: 、山p是一个不加差错控制、 一 无连接 的协议。 应用层:提供计算机间的高层网络通信，该层的协议主要有文件传送协议 ( ftp)，远程登录协议( t e lnet) ，超文本传输协议( h t t p)等。 与0 5 1 参考模型相比， t c p / ip参考模型更强调功能分布而不是严格的功能层次 划分，因此具有更大的灵活性。 2 。 2 . 3t c p / ip协议组件 虽然一般标识为 “ t c p 八p 议。包括:工 p ( 网际层协议) ， ”，但实质上在 tcp / ip 协议组件有好几个不同的协 t c p( 可靠的主机到主机层协议) ， u d p ( 尽力转发的主 机到主机层协议) ， 工 c mp( 在ip网络内为监控、 侧试、 管理功能而设计的多层协议) 。 9 华北电 力大学硕士学位论文 下面分别介绍这几个协议。 ii p协议 ip是网际层协议，表2 一 3 显示了ip数据报格式: 表 2 一 31p数据报格式 可填充区 4 位 报头 长度 l b y 妞 服务 类型 z b 少 报文 总长 度 z b 少 唯一 报文 标志 3 恤 分段 标志 l b 办 e 分段 偏移 量 l b 尹 e 生存 周期 l b 他 协议 标志 目的 地址 版本号 工 p 协议的主要功能如下: 寻址和路由:工 p 最明显的一个功能是能使报文送到特定目的地。 连接源和目的 地网络中的路由器和交换机使用目的ip地址确定经过网络的最优路径。 分段和重组:有时应用数据的一段不能完全包括在一个 ip 报文中，它们必须 分 段 成 两 个 或 更 多 的 掖 文 . 当 分 段 发 生 时 ， ip必 须 能 重 组 报 文 ( 不 管 有 多 少 个 报 文 要到达其目的地) 。重要的一点是源和目的主机必须理解，遵守完全相同的分段数 据过程。否则，重组为了报文转发而分成多个段的过程将是不可能的。数据恢复到 源机器上的相同格式时， 传输数据就被成功重组了， ip头中的分段标志标识分段的 数据片。 损坏报文补偿: ip的最后一个主要功能是检侧和补偿在传输过程中遭到破坏或 丢失的报文。有许多方式可以让一个报文被破坏:无线电频率干扰(r f l)和电磁千 扰(e m l)等。有许多原因可造成报文丢失:网络拥塞会导致报文 t t l超时，检测到 报文ttl 超时的路由 器会简单地把报文丢弃115 。 另一种情况是， 报文遭到既1 或r f 工 干扰，可能使信息变得没有意义.在这种情况下，报文也将被丢弃。当报文不能转 发或不可用时，路由器必须通知源机。ip头中包含源机器的 ip地址使通知源机器 成为可能。虽然 ip 不包括重传机制，但通知源主机可能会导致重传，因此通知源 主机起着重要作用。 zt c p 协议 t c p 是传输层协议，它数据报格式如表2 一 4 所示: _ _ 华 北 电 力 大 学 鲤 全 学 些 鱼 文 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 表2- 4 t c p 数据报格式 数据区 填充区 可选项 紧急指针 校验 窗口 标志 保留 和 大小 头部长度 应答号 序列 目的 源端 号 瑞口 序列号字段是指该报头字段， 在发送方字节流中的位置，用以处理由于动态路 由 造成的数据乱序到达。应答号中包含了接收方希望接收的下一个报文序列号。标 志字段中有六个标志:紧急标志、有意义的应答标志、推、重置连接标志、同步序 列号标志、完成发送数据标志等。窗口 字段是是指接收缓冲区的大小。紧急指针字 段是用来处理带外数据的。填充区字段用来加入额外的零来保证t cp 是 32 位的整 数倍。数据区是用户发送的数据。 其数据报头格式最少占有20字节。 tcp属于 “ 面向连接，可靠传送”类型，在进行通信以前，需要在两个系统之 间建立逻辑连接，在每个数据传输过程中需要进行应答以保证数据包的完整。 t c p 的 这种传输特性使得网 络开 销较大， 但是数据传输的 可靠性可以 保证。 tcf提供了 一个完全可靠的、面向连接的、全双工的流传输服务。 提供可靠性的一般方法是采用带重发的肯定确认(p a r)机制，接收方在收到数 据报后给源主机发回确认信息( a c k)，发送方对送出的每一个数据报均存有一份记 录，在发送下一个数据报时，等待确 认同时启动计时器，若超时而无a ck返回，则 重发同一数据报。为了解决同一帧数据发两次的都收到的情况，必须对ack 编号， 一般的编号方法就是滑动窗口方法。由 于 工 nternet中具有多个网络和路由器，因 此很难预测确认信息何时返回。 t cp采用自 适应重发算法: ( 1) 收集每一个报文段的往返时间，得来均值rtt. ( 2) 将该r t t 的加权平均值存储，利用新的样本逐渐修改其值。 ( 3) 保留一个变化量， 利用该变化量与r tt得线性组合， 计算出新的r t t(公式 2 一 1 ) : r t 了 = “ * old-r 仃+ a 一 a) 冲 n 万 环 j月 几 剐弄 护 尤 百(2 一 1) 式中，a 的变化量任 0 ， 1， a=1 ， 对延迟不敏感，。 川，对延迟敏感;定时器的 时限位t i m e o u t :t i m e o ut=p * rtt ，b 1( p 推荐取2 )。 tcp 保证可靠的另一个途径是3 次握手机制。 3 次握手是指通信双方彼此交换3 次信息。其目 的是在数据包丢失、重复和延迟的情况下，确保通信双方信息交换确 定性的充分必要条件。 . 一. - 进鲤 翌 述 望 醚堂 鱼 丝 3u d p 协议 u d p 协议也是 传输层协议， 其数据 报格式如表2 一 5 所示。 其中， 源端口 号是 源 计 算机上的 连接号;目 的端口 号是目 的 计算机上的 连接号。 数据 报头共占 有8 个字 节。 表2 一 su d p 数据报格式 源端口 号目 的端口号 1报文长度 1 校验和 u 即 被设计成一个有效的和最小的传输协议，这一点可以从它的数据报头格式 看出。 u d p 不提供任何t c p 所提供的可靠传输功能，它采用尽力传送方式，当出现 差错时，数据报将被丢弃并不被重新传输。 4工 c h p 协议 icm p 协议其实是ip协议的附属协议，i p 协议用它来与其他主机或路由 器交换 错误报文和其他的一些网 络情况116)。 在icm p 包中 携带了 监控信息和故障恢复信息， 这些信息可以用于: ( 1) 源抑制:这是一个流监控信息，通过由 接收方向源主机发送来请求源主机 停止发送数据。由接收主机在其缓冲区快满时发送. ( 2 )路径重定向:由网关向请求其提供服务的主机发送，用于通知该主机在网 络中还有其他的距离目 的主机更近的网关。 ( 3) 主机不可到达:在网络状况不佳的网络中传送数据报时，发生故障( 如链 路失效、链路堵塞、主机失效等) 的网关或系统会发出此信息。在ic淤报文中通常 包括失效的原因。 ( 4) 应答请求与回复: 用于p in g 来检测目 标主机是否可以到达。 p in g 指令调 用 工 c m p消息的应答请求功能发送数据报，如果远程主机是可以到达的，则系统会 用应答回复功能来响应。 工 c m p协议的主要职责就是用于路由器或者主机向其他的路由器或者主机发送 出错报文和监控信息，在测试网络延迟规律上起着重要的作用. 华北电力大学硕士学位论文 第三章 基于 ! nte r net 远程监控系统关键问题研究 31系统实时性研究 3 . 1 . 1实时性 实时是指信号的输入、运算和输出都要在一定的时间内 完成，并根据生产过程 工况变化及时进行处理。 而实时系统指在事件或数据产生的同时，能够在规定的时 间内给予响应，以足够快的速度处理，及时地将处理结果送往目的地的一种处理系 统。实时与快速并非是相同的含义，不论网络的传输速度如何，只要在规定的响应 时间内 产生响应动作，则称系统具有实时性171 。 监控系统的实时性有两层含义:一是指远程终端的实时性。通常远程终端中每 一台现场设备要具有一定的实时性。一般来说，每一台现场设备所要承担的任务不 止一项，但每项任务对实时性都有一定要求，且可能会各不相同。每项任务对实时 性的要求将由配置在远程终端中的“ 实时多任务管理程序”来承担;二是指通信网 络的实时性。监控系统具有通信功能的基本单元通过通信网络联系在一起，这些单 元称为 “ 站”，当某个站向 通信网络请求通信时，它对 “ 响应时间”是有要求的， 不同的站对实时性要求可能不同，同一站中的不同通信任务对实时性的要求也可能 不同。 实时性是监控网络不同于普通网络的最大特点，一般在监控网络中信息的响应 时间要求为0 . 01 o 0 . 5 5 ，而普通网络中信息的响应时间为2 o65，即监控网络的 实时性要求比普通l a n 高得多， 有的监控网络对实时性的要求比普通网络高几百倍， 这只 有靠牺牲部分信道利用率 来保证l8。 显然， 若将普通网 络加以 时间约束， 使之 满足监控系统的实时性要求，则它就可以 应用于监控系统，作为监控系统的通信网 络。 基于工 nt e rnet远程 监 控由 于工 n t e rn e t 的 引 入， 使 传统 监 控系统的 检 测、 监控 决策、执行等不同环节都在网上远程运行。检测和执行环节位于远程终端，决策环 节位于监控中心，它们之间通过工 nternet 来进行信息交互。 基于工 n ter n et的远程监控系统的系统框图如图3 一 1 所示: 华北电力大学硕士学 位论文 监控中心i n l 即 址t远程终端 臀 终 . l 前 向 热 诬回 *f. 地 计 算 科 现场设备 终 端 计 算 机 前 向 时 延 本地计算机 才 反 ， 时 延 物出 图3 一 1基于工 nternet 的远程监控系统框图 与传统的监控系统不同，由于前向 通道和反馈通道的存在，监控系统的监控信 息 和反 馈 信息都存在网 络传输延时侧。 前向 通 道的 传输延时导 致监控中 心的 监控命 令不能及时到达远程终端，造成系统的响应滞后:反馈通道的传输延时将导致现场 的状态和报警信息不能及时地送到监控中心，导致现场设备瞬间失控，可能导致重 大事故的发生. 另一方面，由于基于 i nte r n et 远程监控系统中存在的网络传输时延不是固定 不变的，它随着网络负载和传输路径的变化而变化，具有动态随机特性，很难用传 统的数学规律来进行描述。网络传输时延的变化导致监控系统的不稳定，甚至可能 造成重大事故的发生. 3 ， 12系统时延组成 基于 i n t e r n et 的远程监控系统中时延可以分为两类:单程时延和往返时延. 单程传输时延是指:从监控中心开始发送数据到远程终端接收到数据之间的时间。 网络往返时延是指数据包来回一趟所经历的时间。由于数据包传输方向不一样，中 间经过的网络节点也不一样，在这里采用单程时延作为基于 工 ntern et 远程监控系 统的时延。 一般说来，典型的基于 i nternet的远程监控系统的时延包括通讯时延t c 、执 行时延t p 、数据时延ta和扰动时延tvl=01。 设总的时延为t ，则有如公式3 一 1 : 卜tc十 夺十 ta+ tv( 3 一 1 ) ( 1) 通讯时延tc 包括通讯初始化和单个字节在介质中的传输时间。 tc 的传输 时间随着传输距离的增大而增加，并且随着路由的不同而发生变化，从而导致通讯 时延tc 的变化是不可预测的。 ( 2) 执行时延tp包括指令的解释、计算和执行时间。 ( 3) 数据时延ta，它和d s 及v l 有关，它们的关系如公式3 一 2: 介= 刀 / 巧 l 4 ( 3 一 2 ) 华北电力大学硕士学位论文 其中， ds 是发送的数据总量，v ， 是传送速率。公式表明数据总量和网络带宽 是决定数据时延ta 的关键。 减少数据传输量和采用高速网络都能减少数据时延t d 。 ( 4) 扰动时延tv， 主要指网络传输中不可预测的扰动， 动态路由、 信息的丢失 和信息的失序是造成扰动时延的主要因素。 3 . 1 . 3影响实时性的因素和解决方法 一般来说基于i n 七 e r n e t 远程监控系统的实时性主要与以下几个方面有关: ( 1) 系统的硬件性能:包括监控端和被监控端设备的硬件性能，还包括网络的 拓扑结构、通信媒体、网络接口的传送速率等。 通信媒体的传输速率越高、网络接 口的传送速率越快，网络的实时性就越高。 ( 2) 通信协议:包括媒体的访问监控方式、网络通信协议的层次结构、传输的 可 靠性、 有无连接监 控等等川 。 层次结构越简 单， 系统的实时 性就越高。 在这里可 靠性与实时性是相互矛盾的，对于无连接、无应答的通信方式要比有连接、有应答 的通信方式的实时性要高，但可靠性差。其中媒体访问监控方式是监控网络各站点 向( 或从) 媒体发送信息( 或取得信息) 的一种方式，是影响监控系统实时性的各因素 中最为关键的因素。 ( 3) 信息量:是指监控系统在在一定时间内需要传送信息的多少。系统传送信 息量越少，实时性就越高。 通过在前面对系统时延的组成及实时性影响因素的分析可知，提高基于 工 nternet 的远程监控系统实时性的方法主要是从减少通信时延、执行时延、数据时 延和扰动时延这四个方面进行。 通讯时延t c 与数据传输距离和通讯初始化有关，一般来说，监控中心和远程终 端的物理距离是根据远程监控系统的实际需要确定，因此要减少通讯时延最好的方 法是减少通讯初始化时间，这可以通过选择合理的网络协议和在对现有网络协议的 修改上实现。， 执行时延 tp与监控中心和远程终端数据包的处理时间，包括命令解释、计算 和处理，这与计算机的运行速度有关。这可以通过采用性能高的硬件设备，设法减 少处理数据时减少大块数据的移动、提高计算机的运行速率和采用多线程编程技术 来减少执行时延tp。 数据时延t p 与发送数据的总量和网络传输速率有关，因此可以 通过提高数据包 中 有效字节的比率、数据压缩减少要传输的数据总量和采用高速网络来减少数据时 延t p 。 华北电力大学硕士学位论文 扰动时延t v 与动态路由和数据包丢失所带来的重传额外时间有关。动态路由是 由 路由 器的 路由 协议所决定翻 。 通常数据包的丢失始是由 于网络发生拥塞，网 络节 点的缓冲区已满，数据包溢出导致的结果。因此通过采用拥塞监控来防止网络负载 过大而导致大量数据包丢失，从而将重传带来的扰动时延tv监控在一定范围之内。 基于i n 七 e r n e t 的远程监控系统传输的数据量小，因此数据时延t a 较小;现在随 着计算机技术的发展，计算速度越来越快，发送端和接收端在执行命令解释、数据 包处理的时间即执行时延t p 一般来说时间很短; 扰动时延是由于数据包丢失重传带 来的，具有不确定性;一般来说，基于工 nternet 远程监控系统的监控端和现场端之 间需要经过多个网