論實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)

【摘 要】實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)對(duì)于嵌入式工業(yè)應(yīng)用具有十分重要的意義。本文以通用網(wǎng)絡(luò)為切入點(diǎn)，介紹了基本的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)模型，并且以嵌入式實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)為例，分析了通用網(wǎng)絡(luò)直接變成嵌入式的缺陷。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初步分析研究思路。

【關(guān)鍵詞】實(shí)時(shí)通信 網(wǎng)絡(luò) 分析設(shè)計(jì)

一、網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

一般而言，許多個(gè)節(jié)點(diǎn)互相連接組成計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，單獨(dú)分割看，單個(gè)節(jié)點(diǎn)都是具備通信功能的計(jì)算機(jī)，構(gòu)造方式是按照層次結(jié)構(gòu)組成。屬于不同系統(tǒng)的每個(gè)層級(jí)的實(shí)體之間能夠進(jìn)行相互通信。OSI七層網(wǎng)絡(luò)體系參考模型從下而上為：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會(huì)話層、表示層和應(yīng)用層，該模型是異構(gòu)系統(tǒng)，它提供了標(biāo)準(zhǔn)框架下的互相連接系統(tǒng)的通信基本規(guī)則。該參考模型的抽象結(jié)構(gòu)把不同系統(tǒng)的相同層的應(yīng)用程序稱為同等層實(shí)體，每一層都有專供上層調(diào)用的接口。不同層應(yīng)用程序?qū)嶓w之間的互相通信是完整網(wǎng)絡(luò)通信的基礎(chǔ)。應(yīng)用程序具體包括文件傳輸服務(wù)、電子郵件系統(tǒng)等等。不同系統(tǒng)同層實(shí)體之間的互相通信遵守的協(xié)議規(guī)則有語法（數(shù)據(jù)格式、編碼方式等）、語義（同步信息和差錯(cuò)處理機(jī)制）和時(shí)序（速度匹配和排序）三部分組成。

網(wǎng)絡(luò)的通信傳輸協(xié)議由網(wǎng)絡(luò)底層協(xié)議譬如傳輸介質(zhì)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和介質(zhì)訪問控制方法決定，這些通用協(xié)議都屬于物理層和鏈路層協(xié)議，是支撐網(wǎng)絡(luò)硬件環(huán)境的基礎(chǔ)。

介質(zhì)訪問控制指的是包括工作站、網(wǎng)橋等所有設(shè)備共同享用傳輸介質(zhì)時(shí)對(duì)于傳輸介質(zhì)的使用權(quán)分配操作。何種設(shè)備控制介質(zhì)分為集中式和分布式，集中式方案中由中心站點(diǎn)發(fā)送允許命令來決定設(shè)備是否能夠向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)，分布式方案中所有的工作站聯(lián)合動(dòng)態(tài)發(fā)送數(shù)據(jù)，共同完成介質(zhì)訪問。集中式的優(yōu)點(diǎn)是靈活多變、邏輯簡單、避免復(fù)雜配合，缺點(diǎn)是單點(diǎn)故障較多，中心站點(diǎn)容易成為制約網(wǎng)絡(luò)性能的瓶頸。分布式的優(yōu)缺點(diǎn)正好相反。設(shè)備如何控制介質(zhì)的問題則可以分為循環(huán)式、預(yù)約式和競爭式三種。

二、實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)的研究方向

重點(diǎn)修改網(wǎng)絡(luò)協(xié)議底層的物理層，通過定量的通道占用時(shí)間來達(dá)到通訊的實(shí)時(shí)性要求是很多研究人員的主攻方向。這種方法的特點(diǎn)是改動(dòng)網(wǎng)卡等硬件，在物理從協(xié)議更改之后，其他上層協(xié)議全部改動(dòng)，形成最終的僅支持某一協(xié)議的專用系統(tǒng)。常規(guī)的嵌入式網(wǎng)絡(luò)使用該方法成本過高，開發(fā)時(shí)間長，專用型強(qiáng)而移植性和靈活性差。另外一種行之有效的方案思路是基于IEEE802.3協(xié)議基礎(chǔ)上用令牌控制訪問介質(zhì)，防止報(bào)文之間互相碰撞。由于令牌是虛擬化的，所以硬件上不需要太大的改動(dòng)，令牌的服務(wù)管理需要許多的功能支持和保障帶來的代價(jià)是添加新的協(xié)議軟件和網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營開銷會(huì)大大增加。網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)通信的兩個(gè)重要方面是訪問仲裁和傳輸控制，分別對(duì)應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)控制介質(zhì)的時(shí)間點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)控制介質(zhì)發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間段，這兩方面分別保證了節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)性和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性。目前的實(shí)時(shí)通信協(xié)議大多側(cè)重一個(gè)方面，因此嵌入式實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要另辟蹊徑。

三、實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)要點(diǎn)

實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要考慮應(yīng)用背景、預(yù)算成本、管理方案和后期維護(hù)等等多種因素，本文以嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)為例對(duì)于實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的要點(diǎn)做出相關(guān)闡述。

（一）網(wǎng)絡(luò)總體模型結(jié)構(gòu)以及特定

設(shè)計(jì)的原型系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具體化為Liunx下的嵌入式節(jié)點(diǎn)，所有節(jié)點(diǎn)通過以太網(wǎng)互連。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)功能為：服務(wù)器（Server）節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控另外嵌入式節(jié)點(diǎn)狀態(tài)。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍之外布置一個(gè)遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)，該遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)可以是專用節(jié)點(diǎn)，也可以是通用計(jì)算機(jī)，它通過因特網(wǎng)采用Web網(wǎng)頁的形式對(duì)服務(wù)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行訪問，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)于嵌入式網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。該系統(tǒng)需要滿足的條件有適用于嵌入式環(huán)境資源限制條件、底層網(wǎng)絡(luò)采用以太網(wǎng)避免沖突、與因特網(wǎng)互連、兼容TCP/IP協(xié)議、滿足一定的QoS質(zhì)量要求等等。

總體圖形如下：

（二）中間件的功能以及層次結(jié)構(gòu)

中間件的實(shí)時(shí)模型是命令/響應(yīng)的模式，節(jié)點(diǎn)被分成控制器和遠(yuǎn)程終端，每個(gè)子網(wǎng)內(nèi)部只保留一個(gè)控制器?？刂破鞴芾硗ㄐ攀聞?wù)通過調(diào)度表來實(shí)現(xiàn)，遠(yuǎn)程終端僅僅需要響應(yīng)控制器的命令完成訪問操作即可?？刂破魍瓿芍俨煤蛡鬏斂刂频墓δ?，控制器協(xié)同操作可以確定節(jié)點(diǎn)開始發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間點(diǎn)，也能夠保證節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間段。對(duì)于向上層提供服務(wù)則通過通信機(jī)制制定規(guī)范的編程接口來實(shí)現(xiàn)。Linux系統(tǒng)中中間件作為系統(tǒng)服務(wù)項(xiàng)，因此對(duì)于中間件實(shí)行模塊化的封裝便于系統(tǒng)守護(hù)進(jìn)程，獲取所需要的系統(tǒng)資源，與環(huán)境相適應(yīng)。編譯完成的模塊伴隨的系統(tǒng)的啟動(dòng)自動(dòng)加載。統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)內(nèi)核在節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)之后調(diào)用相應(yīng)的RTCC模塊自動(dòng)通信，周期性采集數(shù)據(jù)。不需要參與數(shù)據(jù)交換的節(jié)點(diǎn)由用戶手動(dòng)刪除即可。

（三）RTCC協(xié)議

C-S模式基于命令/響應(yīng)方式，使用與該嵌入式實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)、消息序列定義、差錯(cuò)和流量控制以及面向上層的服務(wù)接口等內(nèi)容統(tǒng)稱為RTCC協(xié)議。該協(xié)議適用的專用網(wǎng)絡(luò)具有如下特點(diǎn)：底層標(biāo)準(zhǔn)是以太網(wǎng)介質(zhì)，競爭機(jī)制是CSMA/CD，兼容TCP/IP協(xié)議，沒有其他網(wǎng)絡(luò)服務(wù)存在于網(wǎng)絡(luò)中。在具有上述特點(diǎn)的專用網(wǎng)絡(luò)中使用RTCC協(xié)議不需要對(duì)于硬件做出過多的修改，而且保持對(duì)于IP協(xié)議的兼容性。

RTCC協(xié)議幀封裝在IP數(shù)據(jù)包之中。每一個(gè)RTCC幀頭長為4字節(jié)，由頭長決定RTCC幀的類型（命令幀、應(yīng)答幀、數(shù)據(jù)幀和廣播幀）。幀后內(nèi)容的定義根據(jù)嵌入式環(huán)境的不同而采取不同的定義。

四、結(jié)語

為了滿足工業(yè)環(huán)境要求，實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)的開發(fā)方向應(yīng)該是保證每個(gè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)性和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性。修改底層協(xié)議或者虛擬令牌環(huán)的方式都難以滿足嵌入式實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的要求。嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要采用特定的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，利用模塊化的中間件，采用特定的RTCC協(xié)議為上層應(yīng)用接口提供服務(wù)。

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