LXI儀器零配置發(fā)現(xiàn)機(jī)制的研究

陳 朋 李 智 胡 聰 牛軍浩

(桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣西 桂林 541004)

0 引言

為了解決遠(yuǎn)距離測(cè)試應(yīng)用問(wèn)題，構(gòu)建了一種復(fù)雜的分布式測(cè)試系統(tǒng)。Agilent公司和VXI科技公司等在2004年9月推出了新一代的測(cè)試總線即LXI(LAN extensions for instrumentation)總線。LXI總線是LAN技術(shù)在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展，其通過(guò)將LAN作為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行部署和擴(kuò)展，具備LAN的大吞吐量和組網(wǎng)強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。LXI總線構(gòu)建的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)具有可靠性高、成本低、靈活緊湊、性能優(yōu)異等諸多優(yōu)勢(shì)［1］。

LXI總線的關(guān)鍵技術(shù)主要是網(wǎng)絡(luò)服務(wù)發(fā)現(xiàn)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)接口技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步與觸發(fā)以及IVI-COM驅(qū)動(dòng)程序等技術(shù)。其中，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)發(fā)現(xiàn)技術(shù)用于告知用戶當(dāng)前的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)有哪些可用設(shè)備，并把儀器的描述信息提供給用戶。它包括儀器發(fā)現(xiàn)和儀器識(shí)別。儀器發(fā)現(xiàn)是獲取系統(tǒng)中所有可用設(shè)備的主機(jī)名和IP地址;儀器識(shí)別是指在得到設(shè)備的主機(jī)名或IP地址后，進(jìn)一步獲得設(shè)備的制造商、儀器類型、序列號(hào)等信息的過(guò)程［2－3］。

本文通過(guò)研究零配置網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(zero configuration networking，ZeroConf)儀器網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)機(jī)制實(shí)現(xiàn)的原理和方法，基于mDNS/DNS-SD協(xié)議，在嵌入式系統(tǒng) S3C2440/Linux平臺(tái)上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)建立TCP服務(wù)器，完成解析和響應(yīng)程控儀器標(biāo)準(zhǔn)命令集(standard commands for programmable instruments，SCPI)命令、IP地址自動(dòng)分配、域名分配以及服務(wù)廣播等功能，從而設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了LXI儀器的零配置發(fā)現(xiàn)機(jī)制［4］。

1 基于VXI-11的儀器發(fā)現(xiàn)機(jī)制

1995年，VXI總線聯(lián)盟提出了 VXI-11規(guī)范。VXI-11規(guī)范是一個(gè)在廣域網(wǎng)或者局域網(wǎng)內(nèi)控制器和儀器相互進(jìn)行通信的標(biāo)準(zhǔn)。由于VXIbus協(xié)議集中包括VXI-11協(xié)議，因此基于LAN的測(cè)試設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)儀器都是基于VXI-11協(xié)議。

LXI標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定LXI儀器必須支持基于VXI-11協(xié)議的儀器發(fā)現(xiàn)技術(shù)，以便能夠在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)現(xiàn)該LXI儀器。但VXI-11協(xié)議并不是LXI儀器專有的發(fā)現(xiàn)協(xié)議，協(xié)議中的很多內(nèi)容并不是LXI一致性所必需的，LXI儀器只支持VXI-11協(xié)議的部分功能;且這種基于ONC/RPC協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)機(jī)制是一種被動(dòng)的查詢，使用VXI-11協(xié)議實(shí)現(xiàn)LXI儀器的發(fā)現(xiàn)機(jī)制存在如發(fā)現(xiàn)速度慢、設(shè)備數(shù)量受限、發(fā)現(xiàn)范圍窄等問(wèn)題［5］。

由上文分析可知，基于ONC/RPC協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)機(jī)制存在諸多問(wèn)題。對(duì)此，LXI規(guī)范引入基于mDNS/DNS-SD協(xié)議的新設(shè)備和服務(wù)發(fā)現(xiàn)技術(shù)，即ZeroConf儀器網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)技術(shù)。這種發(fā)現(xiàn)技術(shù)使得設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)配置完成后會(huì)主動(dòng)通告自身的域名、IP地址及其所能提供的服務(wù)信息，這樣系統(tǒng)中的主控器和其他設(shè)備在設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)初始化時(shí)就能獲知它的存在。

2 ZeroConf儀器網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)技術(shù)

2005年12月，IETF零配置網(wǎng)絡(luò)工作組發(fā)布了零配置網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(ZeroConf)，目標(biāo)是為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在小型網(wǎng)絡(luò)下建立便捷的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，即不需任何手工以及其他服務(wù)，如動(dòng)態(tài)主機(jī)設(shè)置協(xié)議(dynamic host configuration protocol，DHCP)等的支持，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能自動(dòng)配置、組網(wǎng)并正常工作。零配置網(wǎng)絡(luò)協(xié)議主要包括自動(dòng)獲取 IP地址、IP地址到域名的自動(dòng)轉(zhuǎn)換、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能發(fā)現(xiàn)這三個(gè)功能。其中，本文通過(guò)mDNS(multicast DNS，mDNS)來(lái)完成IP地址到域名的自動(dòng)轉(zhuǎn)換以及服務(wù)的廣播，通過(guò) DNS-SD 實(shí)現(xiàn)服務(wù)的發(fā)現(xiàn)［3，6］。

按照LXI 1.3標(biāo)準(zhǔn)，LXI設(shè)備應(yīng)該通過(guò)支持組播mDNS協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)儀器發(fā)現(xiàn)機(jī)制。mDNS使用5353端口，在內(nèi)網(wǎng)沒有DNS服務(wù)器時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)組播信息。在一個(gè)沒有常規(guī)DNS服務(wù)器的局域網(wǎng)內(nèi)，可以使用mDNS來(lái)實(shí)現(xiàn)類似DNS的編程接口、操作語(yǔ)義和包格式。mDNS主要實(shí)現(xiàn)在無(wú)傳統(tǒng)DNS服務(wù)器的情況下局域網(wǎng)內(nèi)設(shè)備相互發(fā)現(xiàn)和通信的功能［3］。

3 LXI的ZeroConf發(fā)現(xiàn)機(jī)制的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)LXI規(guī)范設(shè)計(jì)通信結(jié)構(gòu)，選用客戶端/服務(wù)器模型。服務(wù)器端是在ARM平臺(tái)下建立的嵌入式Linux平臺(tái)，客戶端PC選用Microsoft Windows XP操作系統(tǒng)。該操作系統(tǒng)安裝了用于發(fā)現(xiàn)LXI儀器的工具Agilent IO Libraries Suite 16.1.14931.0 版本，安捷倫發(fā)現(xiàn)工具作為客戶端的應(yīng)用程序。

實(shí)現(xiàn)LXI儀器ZeroConf發(fā)現(xiàn)機(jī)制的主要工作包括TCP服務(wù)器的建立、儀器IP地址的自動(dòng)分配、域名的分配和服務(wù)的廣播。

3.1 TCP服務(wù)器的建立

按照標(biāo)準(zhǔn)要求，LXI設(shè)備最少應(yīng)該能夠響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 488.2的“*IDN?”命令。為了能對(duì)客戶端的程控儀器標(biāo)準(zhǔn)命令集(SCPI)命令進(jìn)行解析和響應(yīng)，需要建立TCP服務(wù)器。在嵌入式系統(tǒng)S3C2440/Linux中，項(xiàng)目利用Socket編程建立了TCP服務(wù)器。該服務(wù)器是多線程服務(wù)器，能夠同時(shí)對(duì)多個(gè)SCPI命令進(jìn)行解析響應(yīng)。LXI儀器服務(wù)器端的流程圖如圖1所示。

服務(wù)器端的程序設(shè)計(jì)如下。

①用函數(shù)socket()創(chuàng)建一個(gè)套接字，獲取本機(jī)主機(jī)名，并將域名解析為IP地址，實(shí)例化服務(wù)器的IP和端口。

②用函數(shù)bind()綁定IP地址、端口等信息到套接字上。

③設(shè)置允許的最大連接數(shù)，用函數(shù)listen()創(chuàng)建Listen對(duì)象監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求。

④等待來(lái)自客戶端的連接請(qǐng)求，利用函數(shù)accept()，通過(guò)調(diào)用Listen對(duì)象的accept方法處理接入連接請(qǐng)求的Socket實(shí)例。

⑤ 用函數(shù) send()和 recv()，或者 read()和write()收發(fā)數(shù)據(jù)，即接收客戶端的查詢，回復(fù)查詢的應(yīng)答信息。

⑥關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)連接，停止偵聽網(wǎng)絡(luò)。

在服務(wù)器程序中，服務(wù)器端創(chuàng)建Socket對(duì)象后綁定5025端口到該套接字上，以供客戶端連接實(shí)現(xiàn)通信。客戶端在與服務(wù)器端連接成功后，發(fā)送“*IDN?”命令查詢LXI儀器信息，服務(wù)器接收到命令后發(fā)送一個(gè)包含IDN String信息字符串的應(yīng)答數(shù)據(jù)包給客戶端，客戶端正確顯示LXI儀器屬性信息，則查詢結(jié)束。

本系統(tǒng)基于S3C2440/Linux平臺(tái)，在程序設(shè)計(jì)和移植的過(guò)程中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

①使用相應(yīng)嵌入式ARM平臺(tái)的交叉編譯工具。

②服務(wù)器端程序設(shè)計(jì)為多線程服務(wù)器，能夠同時(shí)對(duì)多個(gè)SCPI命令進(jìn)行解析響應(yīng)，防止服務(wù)器端發(fā)生阻塞。另外，程序除了要包含頭文件pthread.h外，編譯時(shí)還必須要指定線程的庫(kù)。

③根據(jù)LXI標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，服務(wù)器發(fā)送返回識(shí)別信息時(shí)，應(yīng)符合LXI標(biāo)準(zhǔn)要求，否則LXI儀器的發(fā)現(xiàn)工具無(wú)法正常識(shí)別。

3.2 儀器IP地址的自動(dòng)分配

IP地址的自動(dòng)配置可以通過(guò)DHCP獲得，但是該方法需要建立DHCP服務(wù)器。在沒有DHCP服務(wù)器的情況下，常用Auto-IP技術(shù)對(duì)小型局域網(wǎng)機(jī)型IP進(jìn)行自動(dòng)配置。Auto-IP即 Dynamic Configuration of IPv4 Link-Local Addresses，是一種常用于小型局域網(wǎng)的、無(wú)需用戶進(jìn)行干預(yù)的自動(dòng)IP配置技術(shù)，非常適用于小型的、沒有架設(shè)DHCP服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)中。LXI儀器組成的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)正是這種網(wǎng)絡(luò)［7－8］。

根據(jù)零配置網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的規(guī)定，首先在169.254/16(255.255.0.0)網(wǎng)段內(nèi)隨機(jī)生成一個(gè) IP 地址，然后對(duì)該IP地址發(fā)送地址解析協(xié)議(address resolution protocol，ARP)數(shù)據(jù)包。如果網(wǎng)絡(luò)中有占用該IP地址的設(shè)備，則對(duì)該ARP數(shù)據(jù)包作出響應(yīng)，且儀器隨機(jī)生成另外一個(gè)IP地址。重復(fù)之前的步驟，直到網(wǎng)絡(luò)中沒有設(shè)備對(duì)指定IP地址的ARP數(shù)據(jù)包作出響應(yīng)，則該IP地址可用。

采用Auto-IP技術(shù)的軟件具體實(shí)現(xiàn)流程如下［2］。

① 在169.254/16(255.255.0.0)網(wǎng)段內(nèi)隨機(jī)選擇一個(gè)IP地址作為檢測(cè)對(duì)象。

②在本地網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送已選定IP地址的ARP查詢數(shù)據(jù)包。

③檢測(cè)是否收到ARP應(yīng)答包，判斷是否發(fā)生IP沖突。

④重復(fù)發(fā)送ARP查詢數(shù)據(jù)包三次。

⑤如果沒有發(fā)生IP沖突，則使用該IP地址;否則重復(fù)以上步驟，直到選定的IP地址在本地網(wǎng)絡(luò)中未被使用為止。

在主機(jī)名為EmbedSky的嵌入式系統(tǒng)中運(yùn)行IP自動(dòng)配置程序，通過(guò)上述步驟隨機(jī)選擇一個(gè)IP地址如169.254.49.209，經(jīng)查詢沒有沖突，則最后設(shè)定 IP 地址為169.254.49.209。從超級(jí)終端截取的LXI儀器運(yùn)行Auto-IP程序的界面如圖2所示，運(yùn)行結(jié)果顯示IP設(shè)定成功。同時(shí)，通過(guò)命令ifconfig查詢到的IP地址也是新的隨機(jī)設(shè)定的IP地址。

圖2 程序運(yùn)行界面載圖Fig.2 Screenshots of program interface

3.3 域名分配和服務(wù)廣播

對(duì)于動(dòng)態(tài)分配IP地址的儀器，客戶端不便于通過(guò)IP地址來(lái)直接訪問(wèn)儀器。因此，需要實(shí)現(xiàn)儀器IP地址與域名的映射，使客戶端輸入域名即能訪問(wèn)儀器。同時(shí)，為了在儀器接入網(wǎng)絡(luò)后主控機(jī)能得到儀器所能提供的服務(wù)，需要將儀器的服務(wù)消息進(jìn)行廣播。

開源的 mDNSd(multicast DNS daemon)是 mDNS協(xié)議實(shí)現(xiàn)的一種版本。它便于嵌入式平臺(tái)移植，具有運(yùn)行空間占用小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)通過(guò)對(duì)mDNSd源代碼的分析與研究，按照LXI標(biāo)準(zhǔn)修改源碼，將 mDNSd 移植到 S3C2440/Linux 平臺(tái)上［9－10］。

移植mDNSd后的儀器是一個(gè)mDNS服務(wù)器。在分配域名之前，mDNS服務(wù)器會(huì)查詢網(wǎng)絡(luò)中是否有占用該域名的儀器。如果有，則在沖突的域名中增加一個(gè)數(shù)字來(lái)避免域名沖突的問(wèn)題;如果沒有，即可分配域名。為了區(qū)別于傳統(tǒng)DNS分配的域名，所分配的域名以.local結(jié)尾，表示其服務(wù)域?yàn)閘ocal。

mDNS 服務(wù)器能廣播 http、lxi、scpi-raw、scpi-telnet服務(wù)，這里用PiZeroconfBrowser工具來(lái)捕獲儀器所提供的lxi服務(wù)。該服務(wù)包含制造商、模型、序列號(hào)、版本等信息，這些信息存儲(chǔ)在編寫的程序的TXT記錄鍵中。

通過(guò)建立客戶端與LXI儀器之間的TCP通信，以及IP自動(dòng)分配、域名自動(dòng)分配、服務(wù)廣播等功能的完成，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了LXI儀器的零配置發(fā)現(xiàn)機(jī)制。將該部分程序設(shè)置成開機(jī)自啟動(dòng)的形式，就可以在打開儀器后，通過(guò)安捷倫發(fā)現(xiàn)工具發(fā)現(xiàn)目標(biāo)儀器，同時(shí)實(shí)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)機(jī)制的各項(xiàng)功能，完成儀器的發(fā)現(xiàn)和識(shí)別。

4 系統(tǒng)功能驗(yàn)證

系統(tǒng)通過(guò)發(fā)現(xiàn)工具Agilent IO Libraries Suite 16.1.14931.0來(lái)發(fā)現(xiàn)和識(shí)別LXI儀器。從安捷倫發(fā)現(xiàn)工具軟件截取的界面如圖3所示。圖3中，安捷倫發(fā)現(xiàn)工具成功地在局域網(wǎng)中發(fā)現(xiàn)了服務(wù)器端的LXI儀器，其域名為“l(fā)xi-LXI.local.”，服務(wù)名為“l(fā)xi”，IP 地址為“169.254.49.177”。

圖3 LXI儀器的發(fā)現(xiàn)界面Fig.3 The discovery interface of LXI instrument

對(duì)“*IDN?”命令的解析過(guò)程及結(jié)果如下。從超級(jí)終端截取的LXI儀器服務(wù)器端運(yùn)行狀態(tài)的界面如圖4所示。從圖4可以看出，服務(wù)器端LXI儀器通過(guò)超級(jí)終端顯示服務(wù)器成功接收了客戶端發(fā)送的命令請(qǐng)求，即“*IDN?”。

圖4 服務(wù)器端運(yùn)行狀態(tài)界面Fig.4 Interface of server operation state

Agilent Interactive IO工具作為客戶端成功接收了服務(wù)器端的LXI儀器的應(yīng)答數(shù)據(jù)“LXI，1137AXXXXX，2011，3.1”。這說(shuō)明服務(wù)器端與客戶端成功進(jìn)行了TCP通信，完成了交互的數(shù)據(jù)讀寫操作?？蛻舳孙@示界面如圖5所示。

圖5 客戶端顯示界面Fig.5 Client display interface

5 結(jié)束語(yǔ)

以LXI總線為標(biāo)志的新一代網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控技術(shù)是未來(lái)測(cè)控技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。本文基于ARM平臺(tái)，建立了嵌入式Linux平臺(tái)，并在該平臺(tái)上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了零配置發(fā)現(xiàn)機(jī)制。

零配置機(jī)制符合LXI 1.3標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，支持mDNS協(xié)議進(jìn)行儀器發(fā)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了零配置網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的要求;解決了基于ONC-RPC協(xié)議的VXI-11發(fā)現(xiàn)機(jī)制中發(fā)現(xiàn)速度慢、設(shè)備數(shù)量受限等問(wèn)題;將以往LXI儀器發(fā)現(xiàn)機(jī)制由被動(dòng)變?yōu)橹鲃?dòng)，為組建網(wǎng)絡(luò)化的LXI總線的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)提供了更大的靈活性。

［1］姚瑛.基于ZeroConf的LXI儀器發(fā)現(xiàn)協(xié)議研究與實(shí)現(xiàn)［D］.桂林:桂林電子科技大學(xué)，2010.

［2］李鳴，高娜，江義東.LXI總線標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.電子測(cè)量技術(shù)，2010，33(8):22 －24.

［3］LXI Consortium.LXI Standard v1.3［EB/OL］.［2010 －08 －31］［2012－ 01 － 10］.http://www.lxistandard.org/products/conformant%20LXI%20devices%2010－08 －31pdf.

［4］趙昕，郭恩全，胡華偉，等.一種實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)配置及服務(wù)發(fā)現(xiàn)的零配置協(xié)議［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2008，16(8):1190 －1191.

［5］陳安軍.LXI總線基于VXI-11的自動(dòng)發(fā)現(xiàn)機(jī)制研究［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2009，30(6):514 －515.

［6］張曄，胡春明.一種基于ZeroConf協(xié)議的虛擬機(jī)資源發(fā)現(xiàn)與展示方法［J］.電子學(xué)報(bào)，2008，36(8):1508 －1510.

［7］Wolle J，Wheelwright L.The need for conformance testing［EB/OL］.［2008 －09 －20］［2012 －01 －10］.http://www.evaluation engineering. com/articles/200809/the-need-for-conformance testing.php.

［8］芶新禹，肖明清，王承孝.LXI測(cè)試系統(tǒng)LAN配置關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.彈箭與指導(dǎo)學(xué)報(bào)，2008，28(2):321 －324.

［9］趙濤，于月芬，李建剛.LXI總線網(wǎng)絡(luò)發(fā)行機(jī)制研究［J］.電測(cè)與儀表，2008，45(6):31 －34.

［10］Wilson Y.LXI instrument development platform based on an open embedded operating system［J］.Chinese Journal of Scientific Instrument，2007，28(5):789－791.