基于會(huì)話、隊(duì)列控制的北斗短報(bào)文傳輸協(xié)議設(shè)計(jì)?

王 亮 徐開來(lái) 馬良荔

1 引言

北斗是我國(guó)自行研制的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，具有定位、授時(shí)、短報(bào)文功能，且成本低、體積小，非常適合廣域物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層的解決方案，其中短報(bào)文功能為解決遠(yuǎn)海和偏遠(yuǎn)地區(qū)通信提供了雙向信道。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的短報(bào)文功能在設(shè)計(jì)之初并未考慮到大于單條報(bào)文長(zhǎng)度以及多對(duì)多的應(yīng)用，在數(shù)據(jù)大于短報(bào)文的情況下無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效的傳輸，且目前尚無(wú)同等價(jià)格、同等體積的通信設(shè)備替代北斗衛(wèi)星的功能。從具體應(yīng)用方面來(lái)看，北斗的短報(bào)文通信在傳輸中還存在限制，具體如下：

1）單次通信容量有限，每次進(jìn)行短報(bào)文通信所能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量是有限的，普通用戶最高傳輸速度為120字節(jié)/分鐘，數(shù)據(jù)如果超過(guò)最大報(bào)文長(zhǎng)度，必須進(jìn)行分包傳送；

2）通信頻度有限，北斗系統(tǒng)每發(fā)送完一條報(bào)文后需等待很長(zhǎng)的時(shí)間才能進(jìn)行下一次傳輸；

3）北斗衛(wèi)星通信是不可靠的通信鏈路，在連續(xù)傳輸中丟包率較高。

文獻(xiàn)［1～5］均對(duì)常規(guī)短報(bào)文協(xié)議進(jìn)行擴(kuò)展，一定程度增加了傳輸性能，但其定義的分包傳輸協(xié)議僅解決了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸方案，實(shí)際應(yīng)用中不可能有如此理想的傳輸環(huán)境，尤其是在多對(duì)多的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中，某點(diǎn)在長(zhǎng)時(shí)間接收分包數(shù)據(jù)的同時(shí)還有可能接收到其他點(diǎn)數(shù)據(jù)或同一點(diǎn)的第二份數(shù)據(jù)（加裝復(fù)數(shù)北斗卡的發(fā)送端），由于沒(méi)有標(biāo)識(shí)符，接收端無(wú)法分辨數(shù)據(jù)來(lái)源，這就造成了數(shù)據(jù)混淆，使得分包數(shù)據(jù)無(wú)法還原，得不到最終數(shù)據(jù)。本文將傳統(tǒng)的短報(bào)文分包傳輸協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)，加入WEB服務(wù)器中的“會(huì)話控制”和“隊(duì)列控制”方法，融合重傳和確認(rèn)機(jī)制保證數(shù)據(jù)可靠傳輸，以滿足物聯(lián)網(wǎng)中多對(duì)多傳輸?shù)膶?shí)際需求，使北斗通信在物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)能發(fā)揮更好的功效。

2 會(huì)話控制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用架構(gòu)下，其采集端的數(shù)據(jù)種類包括控制指令、文字信息、圖像信息等，且數(shù)據(jù)交互頻繁，對(duì)于數(shù)據(jù)長(zhǎng)度大于單次報(bào)文最大度120字節(jié)的數(shù)據(jù)，通常利用分包傳輸，但傳輸?shù)却龝r(shí)間長(zhǎng)，在等待時(shí)間內(nèi)為避免多份數(shù)據(jù)之間混淆，設(shè)定一個(gè)全網(wǎng)唯一標(biāo)識(shí)符進(jìn)行區(qū)別。

接受端向發(fā)送端請(qǐng)求數(shù)據(jù)后，結(jié)合發(fā)送端和接收端的用戶ID生成的全網(wǎng)唯一標(biāo)識(shí)符“會(huì)話ID”（具體生成算法不在本文研究范圍中），之后發(fā)送確認(rèn)包，包含本次傳輸?shù)臅?huì)話ID、是否分包且分包數(shù)量等信息，之后開始數(shù)據(jù)包傳輸。與此同時(shí)，接收端仍可以實(shí)時(shí)接收其他或同一發(fā)送端的數(shù)據(jù)包，區(qū)分規(guī)則即為會(huì)話ID。這樣，當(dāng)接收端收到另一發(fā)送端的數(shù)據(jù)時(shí)，為不同會(huì)話ID開辟獨(dú)立內(nèi)存空間進(jìn)行接收存儲(chǔ)，直至數(shù)據(jù)傳輸完畢，從內(nèi)存中銷毀會(huì)話ID，將數(shù)據(jù)寫入硬盤。

3 隊(duì)列控制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

發(fā)送端在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，會(huì)遇到上一會(huì)話還沒(méi)有完成，又接收新的發(fā)送指令，此時(shí)應(yīng)根據(jù)請(qǐng)求創(chuàng)建會(huì)話隊(duì)列，檢測(cè)是否有空閑的信道，有則分配信道開始傳輸，否則掛起傳輸請(qǐng)求，等待前次傳輸完成。在等待期間若接收到接收端的“取消請(qǐng)求數(shù)據(jù)”的請(qǐng)求包，根據(jù)其攜帶的會(huì)話ID，查詢相應(yīng)的傳輸進(jìn)程，若傳輸未完成則終止傳輸，否則取消請(qǐng)求數(shù)據(jù)失敗，兩種情況均插隊(duì)向接收端發(fā)送一條確認(rèn)包，并銷毀會(huì)話ID，記入日志。

接收端只有在收到確認(rèn)包，識(shí)別到會(huì)話ID后才可知本次傳輸是否在隊(duì)列、預(yù)計(jì)排隊(duì)時(shí)間、預(yù)計(jì)完全接收完畢的時(shí)間，告知用戶，由用戶決定是否取消本次傳輸。若取消，則發(fā)送帶有“取消請(qǐng)求數(shù)據(jù)”和本次傳輸“會(huì)話ID”的請(qǐng)求包，之后收到取消成功的確認(rèn)包即完成取消請(qǐng)求操作；不取消，則等待傳輸完畢。

4 可靠傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 發(fā)送端流程

在發(fā)送端接收到接收端請(qǐng)求數(shù)據(jù)的請(qǐng)求包后，創(chuàng)建“會(huì)話ID”作為本次傳輸?shù)奈ㄒ粯?biāo)識(shí)符，根據(jù)“數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)符”找到要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，分析所請(qǐng)求的數(shù)據(jù)體積，若超出單次報(bào)文最大長(zhǎng)度則拆分為子數(shù)據(jù)包，并對(duì)每個(gè)小數(shù)據(jù)包添加包含“會(huì)話ID”和“數(shù)據(jù)包ID”的包頭，依次發(fā)送，直至全部發(fā)送完畢。若發(fā)送期間再次接收到請(qǐng)求數(shù)據(jù)的請(qǐng)求包，則依然創(chuàng)建“會(huì)話ID”，開啟隊(duì)列模式，暫時(shí)掛起本次會(huì)話ID傳輸，等待信道空閑，并插隊(duì)發(fā)送一條確認(rèn)包，告知接收端會(huì)話ID。接收端可依照會(huì)話ID，發(fā)送“取消請(qǐng)求數(shù)據(jù)”的請(qǐng)求包，發(fā)送端會(huì)根據(jù)會(huì)話ID取消在隊(duì)列中的傳輸，并插隊(duì)發(fā)送一條確認(rèn)包，告知接收端該會(huì)話ID的傳輸取消成功。

數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，等待接收端回執(zhí)包，識(shí)別回執(zhí)包中“類型”若為1（完成）則，將本次會(huì)話相關(guān)信息存入硬盤后，銷毀會(huì)話ID，清空緩存；若為2（補(bǔ)發(fā)）則識(shí)別“回執(zhí)包總條數(shù)”，確認(rèn)要接收的回執(zhí)包個(gè)數(shù)，等待全部回執(zhí)包接收完畢，統(tǒng)計(jì)“缺失數(shù)據(jù)包序號(hào)”，重新發(fā)送相應(yīng)的子數(shù)據(jù)包，重復(fù)此過(guò)程直至回執(zhí)包“類型”為1。若為3（超時(shí)）或等待超過(guò)一定時(shí)間，則判定為超時(shí)，將本次“會(huì)話”相關(guān)數(shù)據(jù)掛起存入硬盤，寫入日志，等待人工操作，之后銷毀“會(huì)話ID”，清空緩存。

4.2 接收端流程

向發(fā)送端發(fā)送請(qǐng)求包后，等待“確認(rèn)包”，收到后識(shí)別“本次傳輸數(shù)據(jù)包總量”，查詢“會(huì)話ID”，若無(wú)則創(chuàng)建，之后持續(xù)接收數(shù)據(jù)包，分析包頭，并將數(shù)據(jù)包按照“會(huì)話ID”存儲(chǔ)于緩存中，直至接收完畢，比對(duì)緩存中數(shù)據(jù)包，記錄丟包編號(hào)，向發(fā)送端發(fā)送回執(zhí)包，標(biāo)注“類型2（補(bǔ)包）”，同時(shí)繼續(xù)接收數(shù)據(jù)包，重復(fù)此過(guò)程直至數(shù)據(jù)包完整，向發(fā)送端發(fā)送回執(zhí)包“類型1（完成）”，重新組合數(shù)據(jù)包。接收過(guò)程中，一定時(shí)間未收到數(shù)據(jù)包或確認(rèn)包則判定為超時(shí)，將本次“會(huì)話”相關(guān)數(shù)據(jù)掛起存入硬盤，寫入日志，等待人工操作，之后銷毀“會(huì)話ID”，清空緩存。發(fā)送端、接收端整體流程圖如圖1所示。

5 擴(kuò)展包的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計(jì)的各種擴(kuò)展協(xié)議，均是在標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文的數(shù)據(jù)段建立新的擴(kuò)展字段頭，并將整條報(bào)文重新定義為“XX包”，以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能，具體定義如下：

1）請(qǐng)求包

圖1 發(fā)送、接收流程圖

接收端向發(fā)送端請(qǐng)求獲取某項(xiàng)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)符定義需要獲取的數(shù)據(jù)類型便于發(fā)送端查找，還可以攜帶時(shí)間、經(jīng)緯度、用戶資料等附加信息；接收端在收到確認(rèn)包后，得到本次傳輸?shù)臅?huì)話ID，可以向發(fā)送端取消該會(huì)話ID的數(shù)據(jù)請(qǐng)求。

表1 請(qǐng)求包包頭字段定義

2）確認(rèn)包

發(fā)送端接收到請(qǐng)求包之后，向接收端發(fā)送一個(gè)確認(rèn)包，包含本次傳輸數(shù)據(jù)包數(shù)量與“會(huì)話ID”，接收端查詢相應(yīng)的“會(huì)話ID”，對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行存儲(chǔ)。附加信息中會(huì)攜帶本次會(huì)話ID是否在隊(duì)列，預(yù)計(jì)排隊(duì)時(shí)間，預(yù)計(jì)傳輸完成時(shí)間等信息。

表2 確認(rèn)包包頭字段定義

3）數(shù)據(jù)包

未超過(guò)單次短報(bào)文傳輸最大字節(jié)數(shù)的數(shù)據(jù)直接傳輸即可，超過(guò)的則拆分為多個(gè)子數(shù)據(jù)包，并自定義數(shù)據(jù)包編號(hào)，賦予會(huì)話ID，接收端接收到數(shù)據(jù)包后，依據(jù)包頭里的“數(shù)據(jù)包ID”暫存于緩存中，等本次傳輸全部數(shù)據(jù)包到齊后，重新組包。數(shù)據(jù)包的格式如表3所示。

表3 數(shù)據(jù)包包頭字段定義

4）回執(zhí)包

接收端收到本次傳輸?shù)淖詈笠粋€(gè)數(shù)據(jù)包后，進(jìn)行數(shù)據(jù)包序號(hào)校驗(yàn)，若缺失某些數(shù)據(jù)包，則判定為丟包，并將缺失數(shù)據(jù)包ID計(jì)入回執(zhí)包中，統(tǒng)計(jì)完成后發(fā)送給發(fā)送端。實(shí)際應(yīng)用中回執(zhí)包可能出現(xiàn)多個(gè)，因此添加“回執(zhí)包總數(shù)”，以便系統(tǒng)識(shí)別所有回執(zhí)包后進(jìn)行補(bǔ)包處理。各字段頭含義如表4所示。

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

1）實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

對(duì)本文設(shè)計(jì)的會(huì)話控制與隊(duì)列控制協(xié)議進(jìn)行測(cè)試，相對(duì)成熟的分包傳輸協(xié)議不作為實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)。

2）實(shí)驗(yàn)環(huán)境

民用北斗通信模塊2套（含SIM卡160044、160048兩張）、PC機(jī)2臺(tái)、基于Windows環(huán)境的傳輸控制軟件。

3）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

以傳輸1KB長(zhǎng)文本為例，總計(jì)傳輸時(shí)間約12分鐘，期間進(jìn)行多次請(qǐng)求數(shù)據(jù)與取消請(qǐng)求數(shù)據(jù)，觀察會(huì)話ID的創(chuàng)建與隊(duì)列模式情況。其中會(huì)話ID代碼以最簡(jiǎn)單算法生成，實(shí)際運(yùn)用中可根據(jù)需求改進(jìn)。

表4 回執(zhí)包包頭字段定義

表5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4）實(shí)驗(yàn)分析

會(huì)話、隊(duì)列創(chuàng)建功能測(cè)試：接收端端連續(xù)發(fā)送4次“請(qǐng)求數(shù)據(jù)”，發(fā)送端開始傳輸，并將之后3次請(qǐng)求添加至隊(duì)列；

會(huì)話取消功能測(cè)試：接收端主動(dòng)取消，排隊(duì)中的某個(gè)會(huì)話，反饋成功，之后主動(dòng)取消正在傳輸?shù)臅?huì)話，反饋成功；

隊(duì)列傳輸功能測(cè)試：接收端無(wú)任何用戶指令，發(fā)送端連續(xù)完成2個(gè)會(huì)話的傳輸任務(wù)。

結(jié)論：發(fā)送端同時(shí)創(chuàng)建4個(gè)傳輸會(huì)話成功，且互不干擾；取消正在傳輸?shù)臅?huì)話成功，取消排隊(duì)中的會(huì)話成功；連續(xù)傳輸兩組會(huì)話成功。

7 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的傳輸協(xié)議不局限于北斗通信，也適用于其他低速信道，客觀上北斗短報(bào)文并不是數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罴逊桨?，也不是北斗衛(wèi)星的發(fā)展方向，但目前北斗通信模塊覆蓋廣、成本低、體積小在遠(yuǎn)海和山區(qū)依舊有應(yīng)用價(jià)值，本文是基于低速信道提供一種物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層通用解決方案。

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