多媒介通信系统链路管理的设计和实现解析

1、多媒介通信系统链路管理的设计和实现张晓驹, 张有光 时间:2008 年 09月 02日字 体 : 大 中 小关键词 : 链路 管理层 自动切换客户端 通信设备摘? 要: 军事通信系统和某些民用领域对通信可靠性和抗毁性的需求使得 点到点的 链路倾向于建立在多种通信媒介、多种协议上。介绍了一种借鉴OPC规范，基于COM技术,在多协议、多通信媒介上进行链路管理和调度的解决方案 ，并给出 了具体实现。关键词: 多种通信媒介 多协议? 链路调度? COM在许多应用中 , 如军事通信中的 C4I 系统、政府部门和特殊行业中的某些重 要通信系统 , 对通信网络的可靠性、抗毁性有着非常苛刻的要求 , 既要求在

2、正常 情况下有较高的通信效率 ,又要求在恶劣环境下能保证基本的通信 ,因此仅仅依 赖单一通信媒介难以达到可靠性的要求。在 C4I 系统中, 把现有的和未来的全部 传输媒介资源综合到通信系统中已经成为通信网络追求的目标之一 1 。在民用 领域,例如高速公路联网收费系统中,因为需要一个24X7的可靠通信平台,亦采用了不同类型的通信媒介（如图1）,它通常把专线作为主用线路，把公众电信网 提供的拨号线（普通调制解调器或ISDN）连接作为临时备用线路2。不同通信媒 介的效率和经济性差别很大。对不同类型的通信链路必须进行综合调度，做到自适应不同的网络环境，自动在主用链路和多条备用链路间进行切换。这样才能适

3、 应这些系统对网络生存能力的要求。传统开发过程中,常把最上端的应用程序直接建立在多种 通信设备上,在应用程序中直接对不同类型链路进行管理和调度，这对整个系统的开发、升级、扩展带来了很大的问题。一方面应用软件开发者需要耗费大量精力 在不同的通信设备上，而这些工作在别的同类项目中无法复用；另一方面，当系统 需要升级通信设备，或者扩展新的通信媒介时，几乎相当于重新开发整个系统。 同时,在多个应用程序共享通信设备时容易产生冲突。借鉴超链思想以及微软和 工业控制界共同推出的 OPC（OLE for process control）规范的设计思路，提出了基于COM技术的解决方案。1系统设计1.1设计思想可

4、以把所有媒介所提供的通信资源看作单一的逻辑数据链，即超链,它表示了每一个节点到相邻节点的连接 ,而并不关心具体的通信媒介。OPC规范通过 提供标准接口的方法，使下层设备无需了解上层应用，上层应用亦无需关心下层 设备的细节4。借鉴二者的思想，在应用软件和通信设备间增加了一层类似中间 件的通信平台，使得应用软件和通信设备间的无关性得以实现，并把对通信设备 的访问进行统一管理，解决了并发冲突问题。1.2系统结构根据ISO七层网络体系定义，在传送（Transport）层之上对底层进行封装，是 因为在多媒介情况下，多种协议是分布式网络体系的一个基本要求。一方面 ，一 般情况下,不同的通信媒介所适用的传送

5、层协议是完全不同的；另一方面，系统中 所传输的不同数据类型对通信性能（如一次可传输消息大小、实时性等指标）的 要求差别很大。针对不同数据类型，设计具有不同性能的传送层协议，并实现自 适应调度,是实际应用的需求。只有在传送层之上进行封装才有可能屏蔽不同媒 介所带来的差异。系统整体描述如图 2所示。链路的调度 管理层对不同协议、不同通信媒介以及不同链路进行统一管理 和调度。通信媒介1n表示诸如专线网络、拨号线-MODEM无线调制解调器- 无线电台及与此类似层次、将来扩展的不同通信媒介 , 链路调度管理层对这些通 信媒介进行初始化、激活、配置 , 并获得它们的数据接口和所有应该得到的状 态。协议1n

6、表示诸如基于TCP的协议、基于UDP勺协议、半双工高速短波协 议8 以及将来扩展的各种不同协议 , 它们的管理同样由链路调度管理层进行 ,接 口并不直接暴露给上层 , 而是由管理层封装后向上层提供统一的接口。协议模块 在需要发送数据或者有数据到来时并不直接与各通信媒介模块通信, 而是通过链路管理层访问通信媒介模块所提供的接口。这是因为许多通信模块（ 与物理设备联系紧密 ）并不支持并发访问 , 链路管理层可把对它们的访问串行化。1.3 模块化和可扩展性? 在不同的应用中 , 所用的协议和通信组件不尽相同 ,要求在链路管理层不做 过多的改动 ,既能加入新的协议模块和通信媒介模块。这样就需要设计和实

7、现做 到模块化 , 且各模块和链路调度模块之间必须隔离开。链路调度模块通过尽量统 一的接口对各模块进行调度和管理。微软的组件对象模型技术（CO M就提供了这种特性。OPC规范应用COM/OL技术实现了模块化和可扩展性，但OPC规范主 要针对工业控制领域，在本设计中无法完全实现,故直接采用COM技术,借鉴 OPC的设计思想构建本设计。每个协议模块和通信媒介模块均是一个单独COM组件,通过接口和回调接口与链路调度模块进行通信 ,链路管理模块以总线方式 实现对协议模块和媒介模块的管理。而协议组件和通信媒介组件之间的通信则 由链路调度模块转发。所面临的难点之一在于协议组件和通信媒介组件可以有相同的数据

8、接口 , 但 是这些组件的特性千差万别 , 在设置参数和获得当前状态方面无法做到大致统一 的接口 , 可以通过组件自解析的方式解决。链路管理模块和这些组件之间的参数 用字符串或数组的方式传递 , 各组件在得到这些字符串后根据本身的情况进行解 析, 得到特定的参数。难点之二,如前文所述,通信媒介组件与物理层密切相关 ,很难做到支持并行 化的输入。在多条独立链路不同的线程中同时使用同一通信媒介时 , 各链路对物 理层的操作将产生冲突 , 必须对通信媒介组件的数据输入进行串行化处理（排队）,使同一时刻,只处理一个输入。在COMA件的多线程模型中,单线程套间（STA）模 型有如下特点：如果某COMA件

9、的对象生存在单线程套间中，则只有与它同在一 个套间特定线程可以访问该对象。不在同一套间的其他线程必须通过列集 （marshal）技术才能访问该对象。这种技术基于COM ORPC议和消息队列机 制,自动把对该对象的访问串行化了。所以如果每个通信媒介组件都只有一个对 象且生存在STA中，则通过列集技术对它的访问自动被串行化。1.4 媒介模块和协议模块的设计媒介组件封装了与网络平台有关的操作，向上提供了建链、断链、发送数 据、接收数据（回调）、参数设置、状态改变报告（回调）、参数查询、状态查询 等接口。例如在高速公路网络中，专线网络和拨号线后备链路都基于IP网 络,Windows套接字接口（Wins

10、ock）提供了一个基本与协议无关的传送接口从而 封装了基本操作。但是对于不同协议，具体操作仍稍有不同，如面向连接的TCP 和面向无连接的UDP向上层暴露的SOCKE连接过程就很不相同，同时对不同协 议参数信息的查询和设置接口差别也很大 ;而拨号线后备链路在SOCKE连接 之外还有拨号、挂断等操作。媒介组件在Win sock基础上又给出了一层封装，把建立链路、撤销链路、等差别较大的操作在此层完成，向上层暴露统一的建链方法。对于参数的设置和信息查询，媒介组件同外界通过不定长度的数组或字符串 交换,这样在形式上掩盖了差异，保持了接口的统一性。对于特殊的后备媒介,如无线MODE无线电台方式,媒介组件必

11、须提供与IP 网络相一致的接口，而对设备的操作（串口、MODEM电台）进行封装。节点ID系 统（与IP系统类似）也在此组件中进行管理。在媒介模块之上完成的协议控制以独立的 COMfi件方式存在。这是考虑到 媒介类型与协议并非一一对应，一种协议可能适用于多种媒介，一种媒介亦可能 使用多种协议。2链路的管理、维护和调度链路的管理、维护和调度是本设计的重点内容之一，可从运行角度和维护测 试角度分别考虑。在运行中，系统的每个节点都可能通过多条链路与多个节点通 信,每条链路所使用的通信媒介和协议又不尽相同。与同一节点通信的过程中，有可能在不同的通信媒介和协议间切换。同时，链路管理层必须实时地获得各条 链

12、路的运行状态和当前参数，如通断情况、吞吐量等，以作出正确的调度决策。 从维护测试角度，需要设置各条链路所涉及的协议参数和涉及通信媒介的参数；新节点必须能够自动加入,成为任一节点的 客户端。2.1多链路管理链路管理层必须维护一张链路表，以记录各条链路的情况（如表1）。目的ID是节点的全网唯一标识，通信媒介用字符标识，链路标识是链路的唯 一标识。对应目的地址为下一层（特定通信媒介）的地址:若基于UDP/IP或TCP/IP,则为IP地址；若基于短波或者别的通信媒介,则为在下一层约定的地 址。优先级表示与同一目的 ID 通信时优先采用哪条链路。与同一节点间的链路 可能有数条 , 它们互相独立且对等 ,

13、 只是优先级不相同。链路状态包括中止和激 活两种。中止状态指链路保持在侦听态 , 能接收数据帧并上报链路管理组件 , 而 发送线程中止运行 ； 激活状态指两节点在此链路上进行通信。链路由中止状态到 激活状态转换的过程称为激活 , 包括启动发送线程 , 通过发送握手帧和接收握手 成功帧与目的 ID 进行握手等过程。链路表包括了所有可能使用的链路 ,在本节点启动时 , 只激活优先级最高的 链路。若优先级最高链路无法激活 , 则激活次高的链路 , 以此类推, 直到连接上。 若激活了非最高优先级链路 , 则保持高优先级链路的“试图连接状态”。若均无 法激活, 则停止主动激活 , 等待被动激活。在所有激

14、活的链路上 ,服务器主动发出 “心跳信号” , 侦测链路状态 , 包括链路是否中断、心跳信号回应时间等 , 并实时 反映到链路表上。本节点与主服务器 （即主父节点 ）和备份服务器 （如有）之间的链路必须在本 节点运行之前配置 ,与各客户端 （子节点）之间的链路可在运行中动态配置 ,由客 户端主动发起 , 申请加入。2.2 链路间切换在与一个节点通信的过程中 ,当主用链路 （优先级高）断链或拥塞时 , 必须 自动切换到备用链路上进行数据通信 , 称为自适应切换 ； 亦可禁止自适应切换 而由上层控制 , 称为非自动切换。在许多网络中 , 父节点备用链路通常是公用的 , 无法由某两个节点永久占用 ,

15、 只能在需要时申请激活。在自动切换模式下 , 切换原则是 : 尽量使用高优先级链路进行通信。分五种 情况讨论 :（1） 网络层交给链路层一系列待发送消息 , 此消息结构中包含了目的 ID。链路层通过链路列表找到此目的ID对应的已经激活的链路中优先级最高者 进行通信。 （2） 当正在通信的链路中断时 , 保持该链路的试图连接状态。激活优 先级次之的链路 ,若无,则再次之（此链路应在切换链路集内 ）。如果没有链路可 以被激活,则认为通信中断；若激活低优先级链路,则从未被ACK勺消息开始发 送。 （3） 在通信中 , 高优先级的链路被激活时 , 中断正在使用的链路 ,转移到高优 先级的链路上,从未被

16、ACK的消息开始发送。（4）未在通信中的链路中断时（由心 跳信号侦测得知 ）, 保持该链路试图连接状态 , 激活优先级次之的链路 , 若无, 则再 次之（在切换链路集内 ）。如果没有链路可以被激活 , 则认为通信中断。 （5） 未在 通信中 , 高优先级的链路被激活时 , 中断低优先级链路。非自动切换模式下的要点是保证在切换过程中数据的安全性 , 不丢失也不重 复。向上层提供的非自动切换接口提供三个功能：a、激活某条链路;b、将当前 通信切换至某条链路;c、中止（disable）某条链路。在产生通信动作前，上层可 以指定目前激活的链路 （同时中止其它链路 ,使激活链路数保持在 1）； 如果不能

17、 激活指定链路 , 则报告到上层 ,由上层继续进行调度。激活链路只有一条 , 有通信 动作产生时，链路层自然采用这条链路进行通信。如果需要从链路A切换到链路B,上层必须先激活链路B,此时有A/B两条链路激活。但是通信仍在链路A进行;然后上层将当前通信切换至链路B；链路管理层待上条消息发送成功或失败后，再切换至链路B;最后上层disable链路A,使激活链路仍然只保持一条。在这种 模式下,尽管是非自动切换，但是链路管理层仍然对其过程进行干预，保证了数据 的安全性。链路切换流程如图3。2.3节点动态加入新的节点希望成为某节点的子节点时，配置与该节点(服务器)之间的链路, 并向该节点发出加入申请帧，

18、等待对方回传，从回传信息中判断对方是否允许本 节点加入。与服务器之间有可能是多链路，申请帧中必须包含所有这些链路的信 息。本节点收到新的客户端加入本网络的申请帧时，由服务器操作员审核是否允 许该客户端加入。若允许，从申请帧中获得与该节点间所有链路的信息写入链路 表,并把对方发送申请帧所使用的链路设为激活状态，然后发送“成功”应答帧 至该节点，至此，即加入了一个新的子节点。若未通过审核，则发送“失败”应答 帧至该节点。本系统的优点在于：(1)基于超链思想，对点到点的多种类型链路、多条链路 进行统一管理，使具体通信事务不必关心链路的调度；对外接口简单，易于二次开 发;(2)基于COM技术和OPC规

19、范设计思路,把协议、媒介驱动、链路管理作为独 立的组件，使系统的可扩展性大大增强，可以在基本不改变其他要素的情况下，独 立地升级或增加协议或媒介驱动协议，系统的灵活性和适用范围大大增加。参考文献1 Young， P, Mould in ， R. Multiply conn ected survivable n etwork architectures for dynamic，on the move，taticalenvironments.?Military Communications Conference， 1993. MILCOM / 93.? Conference record. Com mun icatio ns on the Move. , IEEE 2张有光，赵振生，吴铭.智能交通系统中数据通信协