嵌入式通信系統(tǒng)中間件研究

盧遠征

摘 要：嵌入式通信系統(tǒng)的廣泛應用使得網(wǎng)絡系統(tǒng)互連成為大勢所趨。作為嵌入式通信系統(tǒng)的關鍵構件——中間件，其具有異構性、異質性、對等性等特征。嵌入式中間件即應用在嵌入式通信系統(tǒng)的中間件，但嵌入式中間件與傳統(tǒng)的中間件相比，由于嵌入式環(huán)境的資源限制，嵌入式通信系統(tǒng)的中間件功能和結構要更為緊湊，實時性也更高。本文分析了嵌入式通信系統(tǒng)的中間件的架構，為解決嵌入式通信系統(tǒng)互連的通信問題提供可行性方案。

關鍵詞：嵌入式通信；中間件；馬爾可夫決策過程；路由算法

一、嵌入式通信系統(tǒng)中間件概述

1. 嵌入式通信系統(tǒng)中間件

中間件系一種獨立的系統(tǒng)軟件程序或者服務程序，其提供一個網(wǎng)絡的化高層抽象集合。嵌入式通信系統(tǒng)的中間件的作用是將編程人員從復雜的聯(lián)系中解脫出來，并提供安全的消息、目錄、服務和文件等功能。嵌入式通信系統(tǒng)軟件開發(fā)者需要屏蔽底層、繁瑣、易錯的細節(jié)，同時又起到互連、互動的作用，嵌入式通信系統(tǒng)借助中間件在不同的技術之間共享資源。因此，嵌入式通信系統(tǒng)下的中間件可以簡化為中間件平臺通信。

2. 嵌入式通信系統(tǒng)中間件的功能模塊

研究嵌入式通信系統(tǒng)中間件，需先分析其功能模塊。對實時編程、構件技術進行分析，可以提高信息協(xié)同能力。對消息傳遞、排隊技術進行分析，建立網(wǎng)絡通信通道。進行數(shù)據(jù)、文件發(fā)送設計，可以適應多種嵌入式操作系統(tǒng)環(huán)境，亦可運行于單任務或無操作系統(tǒng)支撐的環(huán)境。支持可擴充性的嵌入式通信系統(tǒng)技術，可以滿足嵌入式通信系統(tǒng)的實時性。嵌入式通信系統(tǒng)中間件在上述過程中完成以下功能：自動發(fā)現(xiàn)通信設備；屏蔽配置通信設備異構性；消息的路由傳遞和排隊；建立網(wǎng)絡通信的通道；控制數(shù)據(jù)、文件傳輸。

二、嵌入式通信系統(tǒng)中間件的系統(tǒng)架構

1. 嵌入式通信系統(tǒng)中間件整體架構

嵌入式通信系統(tǒng)的中間件的核心安裝在設備的物理層之上，位于需要進行消息傳遞的位置。向下游需要屏蔽不同設備系統(tǒng)、通信協(xié)議產生的異構性，向上游需要根據(jù)不同應用，建立邏輯通道，使消息從發(fā)送方傳遞到接收方，實現(xiàn)嵌入式異構對等異質網(wǎng)絡的通信目的。

在嵌入式通信系統(tǒng)中間件層，面向應用程序的部分作為通信接口，對應用程序調用。該接口的運行與具體的操作系統(tǒng)無關，僅為用戶使用的統(tǒng)一規(guī)范的調用接口。在編寫應用程序時，毋需調用具體操作系統(tǒng)，亦毋需與具體硬件調用，所有通信功能皆由調用中間件接口完成。對用戶端而言，該層完整地提供了虛擬的通信功能。

2. 嵌入式通信系統(tǒng)中間件設計層次

嵌入式通信系統(tǒng)的中間件處在物理層上，向下游需要屏蔽設備的異構性，向上游需要提供統(tǒng)一的接口，用以供應用程序或者供用戶端直接使用。嵌入式通信系統(tǒng)一般采用層次設計的方式，把中間件分為既獨立又互相調用的六個層次：驅動層；路由層；接口層；應用層；傳輸層和鏈路層。

驅動層包括所有與硬件相關或無關的設備驅動；接口層方便嵌入式通信系統(tǒng)的通信中間件能夠在不同操作系統(tǒng)之間自由移植；鏈路層控制與之直接相連的設備之間的通信時序性、同步性和差錯控制；路由層實現(xiàn)消息在多個設備組成的互連網(wǎng)絡中的尋找最優(yōu)路經，建立數(shù)據(jù)包排隊機制；傳輸層為用戶端提供端到端的傳輸；應用層根據(jù)不同應用，來選擇不同傳輸控制級別和路由層協(xié)議。

三、嵌入式通信系統(tǒng)中間件的馬爾可夫決策

1. 嵌入式通信系統(tǒng)中間件鏈路的因素

在嵌入式環(huán)境下進行轉發(fā)，需要考慮如鄰居節(jié)點的處理能力、能量供應、內存資源情況、連通度、鏈路的延時、物理移動性、設備對鏈路介質本身的偏好性傳送速度和流量負載、等鏈路及與其相連的鄰居節(jié)點的因素。嵌入式通信系統(tǒng)根據(jù)可否發(fā)生變化的性質，將這些因素分為時變性因素或確定性因素。

2. 嵌入式通信系統(tǒng)中間件的馬爾可夫決策過程

馬爾可夫決策過程即著名的馬氏過程，作為系統(tǒng)序列決策的一種方法，系高效、低能耗的系統(tǒng)決策方式。序列決策即特定過程在系統(tǒng)中處于一定狀態(tài)，根據(jù)其狀態(tài)選擇一個行動，被稱為決策。馬爾可夫決策過程對系統(tǒng)的運行有兩個影響：一是產生即得費用；二是系統(tǒng)的狀態(tài)會依此行動有關的規(guī)律在下一個階段轉移到新的狀態(tài)。重復與開始時相同的問題，亦即為選取時刻的決策。往復循環(huán)，直至確定一個過程的決策序列——策略。歸根結底，序列決策問題就是要在第一個決策之前已然選好一個策略，使決策序列相對應的報酬序列中效用函數(shù)值在此策略下達到最優(yōu)。

四、嵌入式通信系統(tǒng)中間件協(xié)議

1. 嵌入式通信系統(tǒng)中間件單播路由過程

嵌入式通信系統(tǒng)中間件在通信時的單播路由工作過程是：首先，查找本地路由表，若查找到目的地的路由表項，下一步按照指示發(fā)送，否則繼續(xù)查找；其次，尋找路徑，在源節(jié)點廣播路徑選擇請求，進而在各設備之間采用泛洪模式傳遞請求。整個決策過程由嵌入式通信系統(tǒng)目的設備節(jié)點發(fā)起，再計算初始試，將計算值傳遞給相鄰設備節(jié)點。在后期各階段，各設備之間分別計算。當階段算法即將結束時，設備節(jié)點、源皆產生本地決策。在路由表中加入新的路由表項，作為目的地址，并繼續(xù)加為下一跳。最后需要初始化此表項路由的超時定時器值，至此路由計算過程方結束。在各設備之間定期的廣播消息中發(fā)現(xiàn)、保持鄰居的信息，利用鏈路狀態(tài)更新策略，在鄰居節(jié)點之間傳遞費用向量，并將其記錄在自己的鄰居表中。

2. 嵌入式通信系統(tǒng)中間件的鏈路狀態(tài)的更新

嵌入式通信系統(tǒng)中間件的鏈路狀態(tài)的更新系基于發(fā)生事件，進而導致鏈路的時變性因素發(fā)生變化，此時必須進行的新鏈路狀態(tài)通告。嵌入式通信系統(tǒng)的中間件鏈路狀態(tài)更新不及時，將會導致信息錯誤。不精確的鏈路狀態(tài)下的路由器，將會關注多種時變性因素的狀態(tài)更新問題。根據(jù)各時變因素的性質，可以采取兩種更新方法：一是閡值事件更新，二是外部事件更新。前者用于因傳輸數(shù)據(jù)而發(fā)生變化的因素，其處理器的處理能力、能量、內存、鏈路可用帶寬更新，當變化幅度大于某閡值時，則自動更新；后者用于由于嵌入式通信系統(tǒng)設備本身的拆除、加入，因此而產生變化的因素節(jié)點的連通性或者移動概率。

參考文獻

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