IP多播技術在雷達信息交互中的應用

黃 坤，郭書明

（中國衛(wèi)星海上測控部 江蘇 江陰 214431）

雷達數(shù)據(jù)處理終端是建立在獲取以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的基礎上的。終端各節(jié)點計算機通過以太網(wǎng)獲取實時數(shù)據(jù)，并對實時數(shù)據(jù)進行處理檢驗，并最終將雷達狀態(tài)信息和目標信息顯示出來，從而完成對雷達和目標狀態(tài)實時監(jiān)控。因此數(shù)據(jù)處理終端必須具有良好實時性、可靠性。TCP協(xié)議在傳輸層是提供可靠連接的服務，其每次通信都是建立連接-傳輸數(shù)據(jù)-撤銷連接的過程，每次數(shù)據(jù)通信都要通過大量的校驗，占用大量的系統(tǒng)資源，容易造成網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)阻塞，不利于實時數(shù)據(jù)的傳輸。而基于UDP協(xié)議的IP多播（Multicast）技術能很好地解決該問題[1-3]。

1 IP多播技術

1.1 IP多播簡介

網(wǎng)絡點對多點通信可采用多個基于TCP協(xié)議的單播以及基于 UDP 協(xié)議的 IP 廣播（Broadcast）和 IP 多播（Multicast）[4]。采用多個基于TCP協(xié)議的單播方式構建網(wǎng)絡，需在每個節(jié)點計算機上建立不同的進程處理與其他節(jié)點計算機的數(shù)據(jù)連接，可以確保實時數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡中的可靠傳輸，但是大量進程將給系統(tǒng)造成沉重的負擔，不利于大量數(shù)據(jù)的實時傳播。IP廣播技術的缺點是網(wǎng)內(nèi)所有主機無論是否需要都要接收廣播數(shù)據(jù)報，給網(wǎng)絡通信和主機帶來額外的負擔[5]。IP多播可以有多點對多點或是點對多點兩種通信模式，其優(yōu)點是能保證每條通信鏈路都是相互獨立，網(wǎng)內(nèi)的主機可以自由選擇加入某個多播組接收該組的多播數(shù)據(jù)。IP多播可以大幅度減少網(wǎng)絡流量，能更加有效的利用網(wǎng)絡帶寬，減少網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信阻塞的情況。

IP多播通信由多個通信節(jié)點組成，每個通信節(jié)點包含有控制層面和數(shù)據(jù)層面的特征。控制層面定義了通信節(jié)點的組成方式，而數(shù)據(jù)層面定義了數(shù)據(jù)在節(jié)點間是如何傳輸?shù)?。筆者介紹的IP多播采用的是無根層面的IP多播技術，即IP多播的控制層面和數(shù)據(jù)層面均是無根的[6]，網(wǎng)內(nèi)的每臺計算機可以選擇性的加入不同的多播組，多播組內(nèi)每臺主機均可接收組內(nèi)其他節(jié)點主機的數(shù)據(jù)。IP多播的控制層面如圖1所示。

圖1 IP多播的無根控制層面Fig.1 Rootless control of IP multicast

IP多播應用可以分為：點對多點通信、多點對點通信及多點對多點通信。點對多點通信是指在一個多播組中僅存在一個多播源對組內(nèi)多個接收端發(fā)送信息，是一種比較常見的組播應用形式；多點對點通信是指多播組內(nèi)存在多個多播源僅對應一個接收端的通信應用模式，通常是雙向請求響應應用；多點對多點通信是指多播組內(nèi)存在多個多播源及多個接收端的通信應用模式，每個接收端可以任意選擇多播源，網(wǎng)絡拓撲結構靈活，可擴展性強，本文中介紹的雷達終端實時數(shù)據(jù)處理采用的是多點對多點的IP多播技術。

1.2 VC++中的實現(xiàn)

在VC++6.0的中IP多播是通過SOCKET（套接字）實現(xiàn)的，它是一種進程的通訊機制。SOCKET向應用程序提供了統(tǒng)一的網(wǎng)絡通信編程借口，屏蔽了下層通信協(xié)議和物理介質的細節(jié)，降低了開發(fā)難度。VC++6.0中SOCKET函數(shù)聲明為SOCKET socket （ int af，int type，int protocol），af為協(xié)議通信域，type為套接字的類型，protocol為具體的協(xié)議。IP多播SOCKET的實現(xiàn)與初始化程序流程為：

1）創(chuàng)建SOCKET，其中af設為 AF_INET地址家族，IP多播只支持數(shù)據(jù)報類型和UDP協(xié)議，即type=SOCK_DGRAM，protocol=IPPROTO_UDP。

2）將SOCKET綁定在本地的一個SOCKADDR_IN格式的IP地址上，SOCKADDR_IN格式的結構為：

3）使用 bind（）函數(shù)進行綁定，其 int bind（SOCKET s，const struct sockaddr FAR*name，int namelen），可以通過設置sockaddr_in結構地址來設置套接字需要使用的IP地址和端口號，一般來說，5000以上的端口號不為系統(tǒng)所使用，可以使用。

4）調(diào)用setsockopt（）函數(shù)設置選擇要加入的多播組地址，其函數(shù)原型為 int setsockopt（SOCKET s，int level，int optname， const char FAR*optval， int optlen），level需設置為IPPROTO_IP，optname 設 置 為 IP_ADD_MEMBERSHIP，optval為多播組地址結構，該地址結構為：

multiaddr為需要加入組播地址，ip_interface可以設置為本機的IP地址以便于接收端分辨組播源地址，若無此需要可以設置為INADDR_ANY。

網(wǎng)絡組播SOCKET創(chuàng)建及初始化完畢后，若是接收端使用的SOCKET，還需創(chuàng)建網(wǎng)絡接收通信事件，以便在接收端口上有數(shù)據(jù)包出現(xiàn)時驅動主程序啟動相關的線程進行相應的數(shù)據(jù)處理。網(wǎng)絡事件的創(chuàng)建可以采用WSACreateEvent（）函數(shù)實現(xiàn)，并通過 WSAEventSelect（）函數(shù)與套接字綁定，使用recvfrom（）函數(shù)接收網(wǎng)絡數(shù)據(jù)。

發(fā)送端的SOCKET程序流程類似，只是將SOCKET綁定在本地IP地址上，發(fā)送時調(diào)用sendto（）函數(shù)設定接收節(jié)點的多播組地址和端口號。

2 網(wǎng)絡通信構架

2.1 網(wǎng)絡構成

雷達內(nèi)部各節(jié)點計算機通過IP多播在內(nèi)部網(wǎng)絡中進行數(shù)據(jù)交換，同時各節(jié)點計算機構成的雷達多播組也通過IP多播與其他多播組進行數(shù)據(jù)交換，采用無源的組播分配方式，可以根據(jù)需要自行設置多播組的個數(shù)，各節(jié)點計算機可以自由加入多個多播組，其網(wǎng)絡結構如圖2所示。

圖2 IP多播網(wǎng)絡結構圖Fig.2 Framework of IP multicast

2.2 網(wǎng)絡通信流程

由于IP多播是基于UDP協(xié)議，在設計上需要考慮倒數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜哂嗔吭O計。在雷達內(nèi)網(wǎng)的數(shù)據(jù)交換中，雷達各節(jié)點計算機響應不同時序的中斷定時信號上網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)包，其流程如下：

1）將中斷信號與事件（Event）綁定 中斷信號采用硬件驅動，通過DeviceIoControl（）函數(shù)將硬件中斷與程序自定義事件綁定。

2）分支線程（Thread）的創(chuàng)建 雷達終端的各節(jié)點計算機主程序中需包含多個不同的分支線程來完成網(wǎng)絡數(shù)據(jù)接收、發(fā)送等功能。線程的由CreateThread（）函數(shù)創(chuàng)建，創(chuàng)建相應的分支線程后，可以設置相應線程的狀態(tài)，可以設置為掛起或是啟動狀態(tài)，通過SetThreadPriority（）函數(shù)可以設置線程的優(yōu)先級。

當中斷來臨時，與之相應的事件將被至于有信號狀態(tài)，隨之觸發(fā)程序中相應的線程完成相關數(shù)據(jù)處理顯示工作，如網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的收發(fā)、雷達數(shù)據(jù)的實時顯示都是通過中斷-事件-線程的流程進行，中斷時序如圖3所示。

各節(jié)點計算機數(shù)據(jù)包大小可以根據(jù)需要統(tǒng)一設定，在確保系統(tǒng)冗余情況下又不影響網(wǎng)絡資源占用。各節(jié)點計算機使用不同的端口號，并將各自的端口號映射到多播組上，各節(jié)點計算機向自屬的端口發(fā)送數(shù)據(jù)的同時在多播組上接收其他端口上的數(shù)據(jù)。各分機之間的收發(fā)數(shù)據(jù)是相互獨立，即使是某些節(jié)點計算機出現(xiàn)故障的情況下，并不會影響其他節(jié)點計算機之間數(shù)據(jù)交換。若采用基于TCP的單播技術，某一次數(shù)據(jù)交換出現(xiàn)異常時，數(shù)據(jù)接收端或發(fā)送端線程很容易出現(xiàn)死鎖造成網(wǎng)絡的癱瘓。雷達網(wǎng)絡通信結構圖如圖4所示。

圖3 定時信號時序關系圖Fig.3 Time sequence of interrupting signals

圖4 雷達終端內(nèi)網(wǎng)結構圖Fig.4 Framework of radar terminal network

各節(jié)點計算機在創(chuàng)建一個SOCKET用于發(fā)送數(shù)據(jù)，同時針對每個端口都創(chuàng)建一個SOCKET用于接收數(shù)據(jù)。在初始化SOCKET完成之后，創(chuàng)建接收網(wǎng)絡數(shù)據(jù)線程，調(diào)用WSAEventSelect（）函數(shù)創(chuàng)建網(wǎng)絡事件并將其與硬件中斷綁定，在接收網(wǎng)絡數(shù)據(jù)線程中調(diào)用WSAWaitForMultipleEvents（）函數(shù)判斷網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的源節(jié)點計算機，將不同節(jié)點計算機數(shù)據(jù)送至不同的緩沖區(qū)進行數(shù)據(jù)實時處理，確保數(shù)據(jù)正確率。

3 結束語

IP多播在實時網(wǎng)絡通信具有以下優(yōu)點：

1）編程簡單，搭建網(wǎng)絡靈活，在節(jié)點極端機中添加多播組，或在多播組中加入節(jié)點計算機都很方便，系統(tǒng)拓展升級潛力大；

2）網(wǎng)絡中的通信進程相互獨立，容錯性強，個別節(jié)點計算機故障不會影響整個網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)交互；

3）有效利用帶寬，較好的避免網(wǎng)絡阻塞，數(shù)據(jù)正確率高。

綜上所述，IP多播技術憑借其良好的實時性、容錯性和可擴展性，完全滿足雷達終端數(shù)據(jù)實時交互的要求。

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