一種以太網(wǎng)數(shù)據(jù)記錄微機(jī)及其應(yīng)用技術(shù)*

楊 咚 鐘 藝 呂衛(wèi)平

(1.海軍駐昆明地區(qū)軍事代表辦事處 昆明 650118)(2.中國船舶重工集團(tuán)公司第705研究所昆明分部 昆明 650118)

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一種以太網(wǎng)數(shù)據(jù)記錄微機(jī)及其應(yīng)用技術(shù)*

楊 咚1鐘 藝2呂衛(wèi)平2

(1.海軍駐昆明地區(qū)軍事代表辦事處 昆明 650118)(2.中國船舶重工集團(tuán)公司第705研究所昆明分部 昆明 650118)

某智能系統(tǒng)的各系統(tǒng)通過以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)交換數(shù)據(jù),該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄微機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)鏡像口采集各個(gè)系統(tǒng)的交互數(shù)據(jù)。論文結(jié)合若干實(shí)際應(yīng)用問題及其解決方案,介紹了該微機(jī)的應(yīng)用設(shè)計(jì)技術(shù)。

以太網(wǎng); 鏡像口; 數(shù)據(jù)記錄

Class Number TP393.1

1 引言

隨著現(xiàn)代信息系統(tǒng)智能化水平不斷提高,對(duì)各子系統(tǒng)之間的通訊信息量大小和通訊速度的要求也越來越高,由于以太網(wǎng)的傳輸速度高、傳輸距離遠(yuǎn)和應(yīng)用廣泛等優(yōu)點(diǎn)[1],采用以太網(wǎng)技術(shù)作為通訊手段是未來智能化信息系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)[2～3]。因?yàn)樵谀硟蓚€(gè)子系統(tǒng)通過以太網(wǎng)進(jìn)行通訊時(shí),其它系統(tǒng)也有可能需要通訊,所以一般各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互要通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)進(jìn)行；而且由于以太網(wǎng)數(shù)據(jù)不能通過第三端直接引線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄,所以該類信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄微機(jī)一般是通過以太網(wǎng)交換機(jī)的鏡像口采集數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)內(nèi)某兩個(gè)子系統(tǒng)發(fā)生數(shù)據(jù)交互時(shí),以太網(wǎng)交換機(jī)會(huì)自動(dòng)把該數(shù)據(jù)復(fù)制一份傳輸至鏡像口,再傳輸至數(shù)據(jù)記錄微機(jī),如圖1所示。

圖1 某信息系統(tǒng)通訊架構(gòu)簡(jiǎn)圖

該信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊采用了UDP協(xié)議[4],其數(shù)據(jù)記錄微機(jī)最主要的特點(diǎn)就是要實(shí)時(shí)處理海量網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù),既包括除數(shù)據(jù)微機(jī)外其他系統(tǒng)相互交互的鏡像數(shù)據(jù),還包括主控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)記錄微機(jī)直接交互的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)記錄微機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中遇到問題較多,概括地說,數(shù)據(jù)記錄微機(jī)不僅是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收方,而且是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)通訊的被攻擊方,有可能因?yàn)閿?shù)據(jù)接收的強(qiáng)度超過系統(tǒng)設(shè)計(jì)負(fù)荷而死機(jī)；再者,系統(tǒng)內(nèi)部存在復(fù)雜的電磁環(huán)境,對(duì)以太網(wǎng)通訊造成了干擾,這對(duì)數(shù)據(jù)記錄微機(jī)需要真實(shí)記錄網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)帶來了挑戰(zhàn)。

2 數(shù)據(jù)接收風(fēng)暴問題

在圖1中,數(shù)據(jù)記錄微機(jī)采集數(shù)據(jù)具有兩個(gè)特點(diǎn)。第一個(gè)特點(diǎn)是,系統(tǒng)1、系統(tǒng)2、乃至系統(tǒng)n之間每通訊一次,數(shù)據(jù)記錄微機(jī)都需要產(chǎn)生一個(gè)中斷事件用于接收鏡像數(shù)據(jù),這種數(shù)據(jù)只要求數(shù)據(jù)記錄微機(jī)對(duì)其進(jìn)行記錄；第二個(gè)特點(diǎn)是,由于有一部分?jǐn)?shù)據(jù)是主控系統(tǒng)直接發(fā)給數(shù)據(jù)記錄微機(jī)的,數(shù)據(jù)記錄微機(jī)需要對(duì)這部份數(shù)據(jù)做出記錄、響應(yīng)和回復(fù),但是數(shù)據(jù)記錄微機(jī)每一次接收數(shù)據(jù)時(shí),不能事先知悉該數(shù)據(jù)屬于哪一類,所以數(shù)據(jù)記錄微機(jī)對(duì)于每一幀以太網(wǎng)數(shù)據(jù)都需要解析。

如果系統(tǒng)在數(shù)據(jù)接收中斷事件觸發(fā)時(shí)就對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析,而且單位時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)接收的次數(shù)太多,容易產(chǎn)生中斷嵌套現(xiàn)象,如圖2所示,當(dāng)出現(xiàn)數(shù)據(jù)接收風(fēng)暴時(shí),也就是在某時(shí)間段內(nèi)當(dāng)網(wǎng)絡(luò)接收中斷事件的次數(shù)超過了數(shù)據(jù)記錄微機(jī)的設(shè)計(jì)負(fù)荷時(shí),數(shù)據(jù)記錄微機(jī)的資源會(huì)永遠(yuǎn)用于處理中斷事件,程序無法從中斷事件中解脫出來,產(chǎn)生了死機(jī)現(xiàn)象[5]。

圖2 中斷嵌套流程圖

為了應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)接收風(fēng)暴問題,本文給出一種解決方案以供參考,如圖3所示。

圖3 解決方案查詢程序和中斷程序流程圖

圖2故障現(xiàn)象的根源在于系統(tǒng)軟件在中斷事件中處理過于復(fù)雜的事件,可以在中斷程序中不解析網(wǎng)絡(luò)包,只是讓驅(qū)動(dòng)層程序接收數(shù)據(jù)送至堆棧緩沖,而且應(yīng)用層程序把中斷變量累加,然后迅速跳出中斷程序；在應(yīng)用層主程序中按照一定節(jié)拍調(diào)用查詢程序,對(duì)堆棧緩沖區(qū)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包進(jìn)行逐個(gè)解析,有必要時(shí)還進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)回復(fù),當(dāng)中斷變量過大,超過系統(tǒng)最大負(fù)荷中斷處理個(gè)數(shù)max時(shí),強(qiáng)行把中斷變量清零和退出查詢程序。這樣可以讓中斷事件處理非?？焖?不會(huì)形成圖2的深度中斷嵌套現(xiàn)象；即便出現(xiàn)某時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)接收包過多,查詢程序的循環(huán)次數(shù)太大,或者本次查詢處理超時(shí)的情況,可以通過強(qiáng)行復(fù)位,退出查詢程序,系統(tǒng)不會(huì)因?yàn)閿?shù)據(jù)接收風(fēng)暴問題而死機(jī)。

再者,數(shù)據(jù)風(fēng)暴問題還可能表現(xiàn)為該信息系統(tǒng)內(nèi)某系統(tǒng)異常發(fā)出多個(gè)超長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)包,可能造成數(shù)據(jù)記錄微機(jī)數(shù)據(jù)記錄緩沖溢出；而且在實(shí)驗(yàn)室調(diào)試時(shí),由于有若干調(diào)試設(shè)備直接或者間接通過網(wǎng)線連接到系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī),這些調(diào)試設(shè)備連接到目標(biāo)計(jì)算機(jī)過程中會(huì)產(chǎn)生大量ARP網(wǎng)絡(luò)包,通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)廣播到每一個(gè)通訊端口；此外,安裝Windows操作系統(tǒng)的調(diào)試設(shè)備,當(dāng)其網(wǎng)口連接到網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)時(shí),Windows操作系統(tǒng)會(huì)隨機(jī)向交換機(jī)發(fā)出不明網(wǎng)絡(luò)包,這些數(shù)據(jù)都是室外使用沒有的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。為此,數(shù)據(jù)記錄微機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)當(dāng)對(duì)接收到非法信息進(jìn)行有選擇記錄,因?yàn)檎{(diào)試過程中只需要把非法信息網(wǎng)絡(luò)包和合法信息網(wǎng)絡(luò)包區(qū)別,記錄內(nèi)容只要包括發(fā)起方IP、接受方IP、本幀數(shù)據(jù)長(zhǎng)度,以及報(bào)文前20個(gè)字節(jié)即可；此外,應(yīng)該對(duì)每周期非法信息的記錄最大長(zhǎng)度進(jìn)行管制,防止記錄數(shù)據(jù)緩沖溢出。

3 鏡像口數(shù)據(jù)失真問題

在系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)通訊中,某兩個(gè)系統(tǒng)的單次網(wǎng)絡(luò)通訊環(huán)節(jié)如圖4所示[1],在絕大多數(shù)情況下,系統(tǒng)1發(fā)到系統(tǒng)2的數(shù)據(jù),與數(shù)據(jù)記錄微機(jī)接收到的鏡像數(shù)據(jù)是一致的,符合網(wǎng)絡(luò)鏡像口原理；但是由于通道2和鏡像口通道屬于兩條獨(dú)立的物理鏈路,網(wǎng)絡(luò)信號(hào)在傳輸過程中受到的電磁干擾是不一致的,存在一種小概率事件,從系統(tǒng)1發(fā)出的數(shù)據(jù),分別在系統(tǒng)2和數(shù)據(jù)記錄微機(jī)收到的數(shù)據(jù)是不一致的。這種故障現(xiàn)象會(huì)帶來兩個(gè)嚴(yán)重的后果,一方面在系統(tǒng)室外試驗(yàn)過程中,一些屬于系統(tǒng)控制的重要命令會(huì)在通訊過程中失真,給系統(tǒng)試驗(yàn)的安全性帶來嚴(yán)重隱患；另一方面,在系統(tǒng)回收后,從數(shù)據(jù)記錄微機(jī)的數(shù)據(jù)中很難分析出數(shù)據(jù)失真的真實(shí)情況。

圖4 某一幀通訊環(huán)節(jié)示意圖

本文給出一種解決方案以供參考,圖5是UDP數(shù)據(jù)包的格式[6～7],圖1中的該信息系統(tǒng)要求網(wǎng)絡(luò)通訊的實(shí)時(shí)性很高,內(nèi)部各子系統(tǒng)通訊采用UDP協(xié)議的目的是希望以最小的開銷來達(dá)到網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的進(jìn)程通信目的,UDP協(xié)議在完成進(jìn)程到進(jìn)程的通信中提供了一定的差錯(cuò)檢驗(yàn)功能,在圖4中,系統(tǒng)1發(fā)出的UDP網(wǎng)絡(luò)包在組幀時(shí),可以計(jì)算以及合成圖5中的UDP數(shù)據(jù)包校驗(yàn)和。

圖5 UDP數(shù)據(jù)包格式

圖6 UDP用戶數(shù)據(jù)報(bào)文傳輸封裝與拆封示意圖

圖6是UDP用戶數(shù)據(jù)報(bào)文傳輸過程中的封裝與拆封原理示意圖[8],在圖6處理過程中,系統(tǒng)2在收到該UDP包時(shí),計(jì)算并判斷接收數(shù)據(jù)包UDP頭的校驗(yàn)和是否正確,如果不正確,則說明該數(shù)據(jù)在傳輸過程中已經(jīng)失真,系統(tǒng)2對(duì)該幀不做相關(guān)響應(yīng)；隨后系統(tǒng)2回復(fù)系統(tǒng)1一幀UDP包,在組幀時(shí)除了包含正常需求的數(shù)據(jù)外,在用戶應(yīng)用層協(xié)議里定義一組數(shù)據(jù),用于表示上一幀系統(tǒng)2收到的UDP包校驗(yàn)和不對(duì),該回復(fù)幀會(huì)通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)鏡像口在數(shù)據(jù)記錄微機(jī)形成記錄數(shù)據(jù),供系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)束回收后數(shù)據(jù)分析；在這里,數(shù)據(jù)記錄微機(jī)對(duì)于鏡像數(shù)據(jù)不做校驗(yàn)和判斷,而是直接記錄,當(dāng)出現(xiàn)系統(tǒng)2回復(fù)系統(tǒng)1的UDP數(shù)據(jù)包也失真這種極端情況時(shí),數(shù)據(jù)記錄微機(jī)可以在用戶應(yīng)用層數(shù)據(jù)里,讓系統(tǒng)1發(fā)至系統(tǒng)2數(shù)據(jù)失真情況得到反映。

4 內(nèi)存數(shù)據(jù)沖突問題

該數(shù)據(jù)記錄微機(jī)在使用過程中,有三個(gè)和內(nèi)存有關(guān)的操作:網(wǎng)絡(luò)接收,即通過查詢程序從驅(qū)動(dòng)層緩沖取出網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)組合,即把網(wǎng)絡(luò)接收原始數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)發(fā)送原始數(shù)據(jù)、以及其他數(shù)據(jù)記錄微機(jī)的科研參數(shù)進(jìn)行一定的周期分割和排序；數(shù)據(jù)記錄,即把組合處理后的數(shù)據(jù)從內(nèi)存區(qū)寫入存儲(chǔ)設(shè)備[9]。如果這三個(gè)操作只用同一個(gè)內(nèi)存緩沖區(qū),則數(shù)據(jù)記錄微機(jī)會(huì)因?yàn)閮?nèi)存沖突而死機(jī),圖7提供了一個(gè)內(nèi)存輪轉(zhuǎn)使用解決方案,在每一個(gè)處理周期,數(shù)據(jù)記錄微機(jī)某一個(gè)內(nèi)存緩沖只做一個(gè)操作,這樣可以把該操作的內(nèi)存數(shù)據(jù)保護(hù)起來,不會(huì)因?yàn)閮?nèi)存沖突而死機(jī)；在本周期結(jié)束時(shí),緩沖區(qū)的使用方式再輪轉(zhuǎn)一遍。

圖7 多緩沖輪轉(zhuǎn)流程圖

在圖7處理過程中,如果該信息系統(tǒng)突然異常斷電,數(shù)據(jù)記錄微機(jī)會(huì)有兩到三個(gè)周期的數(shù)據(jù)駐留在內(nèi)存里,來不及寫入存儲(chǔ)設(shè)備,造成事后分析數(shù)據(jù)缺失。為了應(yīng)對(duì)這種意外情況,數(shù)據(jù)記錄微機(jī)需要外接一組備用電池,其供電電壓略低于該信息系統(tǒng)供電電源供電電壓,與該信息系統(tǒng)供電電源以并聯(lián)方式作為數(shù)據(jù)記錄微機(jī)電源的輸入端,其中每一個(gè)輸入分支,還配有一個(gè)防電流倒灌二極管,防止備用電池和該信息系統(tǒng)供電電源的電流互相倒灌。在通常情況,由于該信息系統(tǒng)供電電源的電壓較高,數(shù)據(jù)記錄微機(jī)使用該信息系統(tǒng)供電電源的能量；當(dāng)出現(xiàn)該信息系統(tǒng)供電電源異常斷電時(shí),備用電池會(huì)自動(dòng)接管數(shù)據(jù)記錄微機(jī)電源的輸入,保證數(shù)據(jù)記錄微機(jī)不間斷供電,這樣可以確保圖7最后兩到三個(gè)周期的數(shù)據(jù)可以完整記錄。

5 調(diào)試設(shè)備控制時(shí)差問題

普通數(shù)據(jù)記錄微機(jī)的調(diào)試設(shè)備都是一臺(tái)PC機(jī)或者工控計(jì)算機(jī),主要用于模擬該信息系統(tǒng)內(nèi)部各系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通訊,并把這些數(shù)據(jù)直接輸入到數(shù)據(jù)記錄微機(jī),用于檢查數(shù)據(jù)記錄微機(jī)的數(shù)據(jù)記錄和網(wǎng)絡(luò)回復(fù)功能是否正常,如圖8所示。

在上位機(jī)用網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)軟件可以發(fā)現(xiàn),在圖8的發(fā)送網(wǎng)絡(luò)報(bào)文過程中,每個(gè)報(bào)文在一段時(shí)間內(nèi)能按照上位機(jī)軟件設(shè)定的時(shí)間間隔發(fā)送至數(shù)據(jù)記錄微機(jī),在另一段時(shí)間則出現(xiàn)實(shí)際時(shí)間間隔和設(shè)定的不一致情況(誤差達(dá)到了毫秒級(jí)),這是因?yàn)榇蟛糠终{(diào)試設(shè)備裝載的操作系統(tǒng)都是Windows,該操作系統(tǒng)是一個(gè)多任務(wù)操作系統(tǒng),CPU除了處理用戶線程,還要處理很多系統(tǒng)線程,容易出現(xiàn)控制時(shí)差現(xiàn)象。

圖8 普通數(shù)據(jù)記錄微機(jī)調(diào)試設(shè)備通訊原理圖

下面提供了一個(gè)控制時(shí)差問題的解決方案,圖9是硬件連接圖,圖10是通訊原理圖,主要原理是通過一個(gè)嵌入式系統(tǒng)作為通訊中繼器[10],把上位機(jī)模各子系統(tǒng)通訊的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至數(shù)據(jù)記錄微機(jī)。

圖9 帶網(wǎng)絡(luò)時(shí)差矯正系統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄微機(jī)調(diào)試設(shè)備硬件連接圖

首先,上位機(jī)向網(wǎng)絡(luò)時(shí)差矯正模塊發(fā)送一大幀報(bào)文,該報(bào)文包含模擬該信息系統(tǒng)各系統(tǒng)通訊的若干小幀報(bào)文以及這些報(bào)文的時(shí)間間隔,網(wǎng)絡(luò)時(shí)差矯正模塊收到該報(bào)文并解幀,隨即按照設(shè)定的時(shí)間間隔向數(shù)據(jù)記錄微機(jī)發(fā)送模擬該信息系統(tǒng)內(nèi)部通訊的若干幀報(bào)文,在這里由于網(wǎng)絡(luò)時(shí)差矯正模塊是一個(gè)嵌入式系統(tǒng),所以可以精確地模擬時(shí)間節(jié)拍,向數(shù)據(jù)記錄微機(jī)發(fā)送模擬該信息系統(tǒng)內(nèi)部通訊的報(bào)文；其中數(shù)據(jù)記錄微機(jī)收到模擬該信息系統(tǒng)主控系統(tǒng)的呼叫報(bào)文時(shí),向網(wǎng)絡(luò)時(shí)差矯正模塊回復(fù)一幀報(bào)文；網(wǎng)絡(luò)時(shí)差矯正模塊收到該回復(fù)報(bào)文后,記錄該報(bào)文的回復(fù)速度V,并向上位機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)該報(bào)文以及該報(bào)文的回復(fù)速度V。

可以通過圖9的以太網(wǎng)交換機(jī)鏡像口接入一個(gè)通用儀器網(wǎng)絡(luò)分析儀,可以精確地測(cè)出網(wǎng)口2向網(wǎng)口3發(fā)送的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)報(bào)文時(shí)間間隔,把該參數(shù)和設(shè)定的時(shí)間間隔進(jìn)行比較,測(cè)得兩者誤差小于0.1ms,證明該方案可以有效地解決控制報(bào)文發(fā)送間隔的時(shí)間誤差問題。

從圖10還可以看出,該方案不但可以精確控制報(bào)文的發(fā)送時(shí)間間隔,還可以在線反饋數(shù)據(jù)記錄微機(jī)回復(fù)該信息系統(tǒng)主控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)速度,這也是檢驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄微機(jī)性能的重要指標(biāo)。

圖10 帶網(wǎng)絡(luò)時(shí)差矯正系統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄微機(jī)調(diào)試設(shè)備通訊原理圖

6 結(jié)語

本文討論了該信息系統(tǒng)用采集以太網(wǎng)鏡像口數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)記錄微機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中的若干問題,其中利用簡(jiǎn)化中斷程序方案應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)接收風(fēng)暴問題,利用UDP網(wǎng)絡(luò)包校驗(yàn)和的計(jì)算和判斷方案應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸干擾問題,利用三級(jí)緩沖和不間斷供電方案應(yīng)對(duì)內(nèi)存數(shù)據(jù)沖突問題,利用嵌入式系統(tǒng)應(yīng)對(duì)調(diào)試設(shè)備網(wǎng)絡(luò)控制時(shí)差問題,取得了較好效果。

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A Sort Of Ethernet Data Recorded Microcomputer and Its Applications Technology

YANG Dong1ZHONG Yi2LV Weiping2

(1.Navy Representative Office in Kunming,Kunming 650118)(2.Kunming Branch of the 705 Research Institute of China Shipbuilding Industry Corporation,Kunming 650118)

Each system of an intelligent system exchange the data via the Ethernet switches.The microprocessor for data recording collects interactive data from each system through the mirror port of network switch.Several practical applications are combined with relative solutions,and the application designing technology of this microprocessor is introduced.

ethernet,port mirroring,data records

2014年8月3日,

2014年9月26日

楊咚,男,研究方向:水中兵器研制。鐘藝,男,高級(jí)工程師,研究方向:水中兵器內(nèi)測(cè)系統(tǒng)研制。呂衛(wèi)平,男,研究員,研究方向:水中兵器內(nèi)測(cè)系統(tǒng)研制。

TP393.1

10.3969/j.issn1672-9730.2015.02.029