微型復(fù)合網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)交換系統(tǒng)

沈　沉，宋彥鋒，楊　芳

(許繼電氣技術(shù)中心，河南 許昌 461000)

0　引言

在工業(yè)領(lǐng)域，聯(lián)網(wǎng)設(shè)備不多、來(lái)自不同供應(yīng)商且聯(lián)網(wǎng)接口存在多樣性的微型網(wǎng)絡(luò)較為常用[1-2]。例如，設(shè)備A和設(shè)備B通過(guò)專(zhuān)用通道1直接連接，設(shè)備B和設(shè)備C通過(guò)專(zhuān)用通道2直接連接，而通道1、2可能是以太網(wǎng)、 RS-485網(wǎng)絡(luò)、CAN總線(xiàn)等相同或不同的物理層[3]。對(duì)于這樣的情況，三個(gè)設(shè)備的應(yīng)用層如果要進(jìn)行報(bào)文交互，就必須作一些特殊、繁瑣的處理。

本文設(shè)計(jì)的微型復(fù)合網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)交換系統(tǒng)，可在包含有限網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)上，實(shí)現(xiàn)各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上應(yīng)用程序之間透明的、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信，而無(wú)需關(guān)心網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間不同的物理層、鏈路層互聯(lián)方式[4]。

1　交換系統(tǒng)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)

該數(shù)據(jù)報(bào)交換系統(tǒng)通信層次分為應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層、物理層，如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)通信層次示意圖

物理層是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的物理連接，可以是串口、以太網(wǎng)、CAN總線(xiàn)等各種介質(zhì)。鏈路層是工作于不同物理層介質(zhì)的鏈路控制。本文涉及節(jié)點(diǎn)互聯(lián)的物理層和鏈路層被封裝在網(wǎng)絡(luò)層的鏈路層接口中，網(wǎng)絡(luò)層只看到鏈路層接口，卻看不到物理層和鏈路層的具體細(xì)節(jié)。

網(wǎng)絡(luò)層是實(shí)現(xiàn)該數(shù)據(jù)報(bào)交換系統(tǒng)的核心。該層定義了數(shù)據(jù)報(bào)交換模塊、數(shù)據(jù)報(bào)管理模塊、鏈路層接口模塊等，并且實(shí)現(xiàn)了基于服務(wù)質(zhì)量(quality of service,QoS)[5-8]的數(shù)據(jù)傳輸層，為不同優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)提供了不同的實(shí)時(shí)處理性能。

應(yīng)用層主要完成特定的通信報(bào)文處理。網(wǎng)絡(luò)層向應(yīng)用層提供了應(yīng)用程序編程接口(application programming interface,API)，使應(yīng)用層可以直接基于網(wǎng)絡(luò)層工作，降低了網(wǎng)絡(luò)通信層次的復(fù)雜度，提高了通信的效率和可靠性。

2　交換系統(tǒng)協(xié)議簡(jiǎn)析

2.1　網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

網(wǎng)絡(luò)層定義并實(shí)現(xiàn)了以下協(xié)議功能。

①數(shù)據(jù)報(bào)交換協(xié)議。該協(xié)議是通用協(xié)議，可以映射到以太網(wǎng)、RS-485、CAN等數(shù)據(jù)協(xié)議，在協(xié)議上支持應(yīng)用層數(shù)據(jù)的透明傳輸。數(shù)據(jù)報(bào)交換協(xié)議及其在以太網(wǎng)報(bào)文上的映射,如圖2所示。

圖2　數(shù)據(jù)報(bào)交換協(xié)議及其映射示意圖

從應(yīng)用層數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)層時(shí)，會(huì)添加由一個(gè)報(bào)文交換協(xié)議類(lèi)型符標(biāo)志(0x9000)和一個(gè)報(bào)文頭形成的一個(gè)新報(bào)文進(jìn)入鏈路層。報(bào)文頭包含數(shù)據(jù)報(bào)目的節(jié)點(diǎn)ID、源節(jié)點(diǎn)ID、數(shù)據(jù)報(bào)的生存周期(time to live,TTL)、報(bào)文端口號(hào)、應(yīng)用數(shù)據(jù)長(zhǎng)度以及數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)等信息。當(dāng)報(bào)文從網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)入應(yīng)用層時(shí)，該報(bào)頭會(huì)被剝離，傳遞至應(yīng)用層的僅為應(yīng)用數(shù)據(jù)。

②數(shù)據(jù)報(bào)交換模塊。該模塊主要負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)報(bào)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)。模塊內(nèi)部定義了一個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)ID表，表中的每一個(gè)條目依次對(duì)應(yīng)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)ID，且每個(gè)條目都存儲(chǔ)了可以訪問(wèn)到對(duì)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的本地鏈路層接口的接口編號(hào)。當(dāng)向其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報(bào)時(shí)，直接以ID為下標(biāo)遍歷訪問(wèn)表，取得對(duì)應(yīng)的鏈路層接口，然后通過(guò)對(duì)應(yīng)接口將報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)出去，以達(dá)到快速交換報(bào)文的目的。該處理方式采用了以太網(wǎng)交換機(jī)根據(jù)MAC地址表進(jìn)行數(shù)據(jù)報(bào)交換的原理[9]。表的條目數(shù)等于通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)除了本地節(jié)點(diǎn)以外的所有節(jié)點(diǎn)數(shù)。系統(tǒng)內(nèi)如果要增加通信節(jié)點(diǎn)，則必須更新所有節(jié)點(diǎn)的ID表配置數(shù)據(jù)。

③數(shù)據(jù)報(bào)管理模塊。該數(shù)據(jù)報(bào)交換系統(tǒng)定義了八個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)緩沖區(qū)。八個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)分別對(duì)應(yīng)其中一個(gè)緩沖區(qū)，并對(duì)其進(jìn)行管理。不同優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)入不同的緩沖區(qū)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的分流和隔離。每個(gè)任務(wù)的運(yùn)行優(yōu)先級(jí)不同，可以被高優(yōu)先級(jí)任務(wù)搶占，或者是搶占低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)。當(dāng)數(shù)據(jù)報(bào)緩沖區(qū)內(nèi)沒(méi)有數(shù)據(jù)報(bào)時(shí)，實(shí)時(shí)任務(wù)處于掛起狀態(tài)；當(dāng)數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)入對(duì)應(yīng)緩沖區(qū)后，會(huì)喚醒對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)任務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。當(dāng)?shù)蛢?yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)報(bào)正在被處理時(shí)，高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)入緩沖區(qū)，則低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)報(bào)的處理會(huì)被中斷，優(yōu)先處理高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)報(bào)；當(dāng)高優(yōu)先級(jí)的處理完成以后，低優(yōu)先級(jí)的繼續(xù)處理。根據(jù)以上的功能特點(diǎn)，該數(shù)據(jù)報(bào)管理模塊實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)報(bào)的QoS功能[10-12]。如果數(shù)據(jù)報(bào)是發(fā)給本地節(jié)點(diǎn)的，調(diào)用本地處理接口進(jìn)行處理；處理完成以后，該數(shù)據(jù)報(bào)的生命期結(jié)束。如果數(shù)據(jù)報(bào)是發(fā)給其他節(jié)點(diǎn)的，處理任務(wù)會(huì)對(duì)報(bào)文的TTL減1。如果TTL變成0，則丟棄報(bào)文；否則檢索目標(biāo)節(jié)點(diǎn)ID表，通過(guò)數(shù)據(jù)報(bào)交換模塊，將數(shù)據(jù)報(bào)從表項(xiàng)中對(duì)應(yīng)的鏈路層接口發(fā)出(數(shù)據(jù)報(bào)交換模塊)。該模塊通過(guò)TTL的機(jī)制，抑制了網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的形成。

④數(shù)據(jù)報(bào)流入接口。節(jié)點(diǎn)的鏈路層接口可以通過(guò)調(diào)用數(shù)據(jù)報(bào)流入接口，將收到的數(shù)據(jù)報(bào)傳遞到數(shù)據(jù)報(bào)管理模塊對(duì)應(yīng)優(yōu)先級(jí)的緩沖區(qū)中，激活對(duì)應(yīng)的管理任務(wù)后返回。管理任務(wù)被激活后，完成對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)的處理。數(shù)據(jù)報(bào)的流入和處理是異步進(jìn)行的。

⑤鏈路層接口。抽象的接口(包括初始化、數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送函數(shù)入口)，可適應(yīng)基于不同鏈路層、物理層的網(wǎng)絡(luò)接口的互聯(lián)，例如以太網(wǎng)、RS-422/485串口網(wǎng)絡(luò)、CAN總線(xiàn)等。接口對(duì)網(wǎng)絡(luò)層隱藏了具體互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)物理層、鏈路層的實(shí)施細(xì)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)層間的透明通信。初始化接口完成接口的初始化工作；數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送接口用于將數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送到接口連接的網(wǎng)絡(luò)上。在網(wǎng)絡(luò)層中定義了一個(gè)鏈路層接口表,每個(gè)表項(xiàng)對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)和外部網(wǎng)絡(luò)連接的一個(gè)接口。節(jié)點(diǎn)初始化時(shí)，向節(jié)點(diǎn)的鏈路層接口表注冊(cè)所有和外部互聯(lián)的接口。所有注冊(cè)的接口按注冊(cè)順序編號(hào)。

2.2　應(yīng)用層API協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

應(yīng)用層完成特定的通信報(bào)文處理。網(wǎng)絡(luò)層提供了應(yīng)用層API，使應(yīng)用層可以直接基于網(wǎng)絡(luò)層工作，降低了網(wǎng)絡(luò)通信層次的復(fù)雜度，提高了通信的效率和可靠性。網(wǎng)絡(luò)層主要提供了以下兩種應(yīng)用層API。

①基于回調(diào)模式的應(yīng)用層API。在每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中，定義一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)處理函數(shù)表。每個(gè)表項(xiàng)包含一個(gè)端口號(hào)、一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)處理函數(shù)以及一個(gè)函數(shù)參數(shù)。通過(guò)向應(yīng)用層提供回調(diào)函數(shù)注冊(cè)接口，使應(yīng)用層可以向數(shù)據(jù)報(bào)處理函數(shù)表注冊(cè)處理函數(shù)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)報(bào)的直接、快速處理。當(dāng)收到發(fā)送給本地節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)報(bào)時(shí)，數(shù)據(jù)報(bào)管理模塊會(huì)在函數(shù)表中查找對(duì)應(yīng)端口數(shù)據(jù)報(bào)的處理函數(shù)。如果找到，即直接調(diào)用處理函數(shù)來(lái)完成對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；否則丟棄。

②基于句柄模式的應(yīng)用層API。其包括創(chuàng)建句柄、發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)三個(gè)接口。可以根據(jù)數(shù)據(jù)報(bào)的端口號(hào)、數(shù)據(jù)報(bào)緩沖區(qū)大小來(lái)創(chuàng)建本地的處理句柄。發(fā)送接口可以通過(guò)創(chuàng)建的句柄向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送指定優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)報(bào)，發(fā)出的數(shù)據(jù)報(bào)的端口和句柄的端口號(hào)一致。接收接口可以收到別的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)到本地的句柄對(duì)應(yīng)端口的數(shù)據(jù)報(bào)。句柄模式的應(yīng)用層API是基于回調(diào)模式的應(yīng)用層API實(shí)現(xiàn)的。創(chuàng)建句柄時(shí)，在數(shù)據(jù)報(bào)處理函數(shù)表中注冊(cè)了指定端口的處理函數(shù)。當(dāng)注冊(cè)的處理函數(shù)被調(diào)用時(shí)，會(huì)將收到的數(shù)據(jù)報(bào)加入句柄內(nèi)部的緩沖區(qū)中；在通知應(yīng)用層數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后，返回函數(shù)。句柄模式的應(yīng)用層的發(fā)送和接收接口具備阻塞功能，調(diào)用時(shí)可以設(shè)定阻塞時(shí)間。如果阻塞期間接口響應(yīng)了請(qǐng)求，則返回結(jié)果；否則，返回超時(shí)。阻塞時(shí)間可以設(shè)置為0，此時(shí)數(shù)據(jù)收發(fā)接口工作在非阻塞模式。

通過(guò)以上兩種應(yīng)用層API進(jìn)行通信，不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用層能夠建立透明的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)會(huì)話(huà)。會(huì)話(huà)的兩端使用相同的數(shù)據(jù)報(bào)端口，不分別處理源端口和目的端口，簡(jiǎn)化了端口處理，提高處理性能。會(huì)話(huà)隱藏了不同的物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層影響實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，使應(yīng)用程序不再受復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系的影響。

3　交換系統(tǒng)的應(yīng)用示例

以一個(gè)3節(jié)點(diǎn)最小網(wǎng)絡(luò)為例，說(shuō)明本交換系統(tǒng)的特點(diǎn)和使用方法，如圖3所示。節(jié)點(diǎn)之間可以通過(guò)以太網(wǎng)、串口網(wǎng)絡(luò)或者CAN總線(xiàn)連接。不同的網(wǎng)絡(luò)需要在鏈路層接口作抽象處理，因此交換系統(tǒng)的上層接口無(wú)需關(guān)心具體的物理連接方式。

圖3　最小系統(tǒng)示例圖

(1)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)需要靜態(tài)分配網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)ID。交換網(wǎng)絡(luò)具備三個(gè)節(jié)點(diǎn)，其節(jié)點(diǎn)連接如圖4所示。對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)靜態(tài)地分配一個(gè)節(jié)點(diǎn)ID。每個(gè)節(jié)點(diǎn)ID在網(wǎng)絡(luò)中必須是唯一的。

圖4　節(jié)點(diǎn)連接示意圖

(2)網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)硬件接口依次連接。接口編號(hào)是節(jié)點(diǎn)自身的通信接口的編號(hào)。通信接口物理層可以是以太網(wǎng)口、CAN節(jié)點(diǎn)或者串口。兩個(gè)直連的通信接口物理層必須相同，沒(méi)有直連的通信接口物理層可以不同。

①節(jié)點(diǎn)1的接口1和節(jié)點(diǎn)2的接口0直連，這兩個(gè)通信接口必須一致。

②節(jié)點(diǎn)2的接口3和節(jié)點(diǎn)3的接口1直連，這兩個(gè)通信接口必須一致。

③其他沒(méi)有直連的通信接口可以不同。

(3)每個(gè)節(jié)點(diǎn)維護(hù)一個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)ID表。該表用來(lái)維護(hù)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)和本節(jié)點(diǎn)鏈路接口編號(hào)的映射。比如圖4中：節(jié)點(diǎn)2的接口3直連到節(jié)點(diǎn)3的接口1，節(jié)點(diǎn)1的數(shù)據(jù)可以通過(guò)節(jié)點(diǎn)2傳遞到節(jié)點(diǎn)3的接口1。因此，節(jié)點(diǎn)3的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)ID表中目的節(jié)點(diǎn)1和目的節(jié)點(diǎn)2映射的鏈路接口編號(hào)都為1。其他節(jié)點(diǎn)的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)ID表同理。

(4)每個(gè)節(jié)點(diǎn)還需要維護(hù)一個(gè)應(yīng)用回調(diào)注冊(cè)表，以接收或者丟棄數(shù)據(jù)報(bào)的選擇。每個(gè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用回調(diào)注冊(cè)表可以有多個(gè)條目。

(5)節(jié)點(diǎn)應(yīng)用層利用本交換系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，需要明確以下關(guān)鍵參數(shù)。

①目標(biāo)節(jié)點(diǎn)ID：交換系統(tǒng)需要根據(jù)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)ID找到鏈路接口編號(hào)，然后通過(guò)相應(yīng)鏈路接口發(fā)送數(shù)據(jù)。

②數(shù)據(jù)報(bào)文端口號(hào)：接收端需要根據(jù)該端口號(hào)選擇應(yīng)用回調(diào)函數(shù)。在應(yīng)用的角度，該端口號(hào)具備應(yīng)用數(shù)據(jù)類(lèi)型的含義。

③數(shù)據(jù)報(bào)優(yōu)先級(jí)：接收端根據(jù)數(shù)據(jù)報(bào)的優(yōu)先級(jí)作相應(yīng)的處理，實(shí)現(xiàn)QoS功能，優(yōu)先處理優(yōu)先級(jí)高的數(shù)據(jù)報(bào)，保證數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文提出了數(shù)據(jù)包優(yōu)先級(jí)的概念，并基于該概念實(shí)現(xiàn)了微型復(fù)合網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)交換系統(tǒng)的QoS功能，保證了本網(wǎng)絡(luò)交換系統(tǒng)在多種類(lèi)型數(shù)據(jù)報(bào)共網(wǎng)時(shí)，能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)處理各類(lèi)數(shù)據(jù)報(bào)。交換系統(tǒng)提供的接口對(duì)網(wǎng)絡(luò)層隱藏了具體互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的物理層、鏈路層的實(shí)施細(xì)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)層間的透明通信。該系統(tǒng)適用于有限節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)互連、對(duì)報(bào)文實(shí)時(shí)性要求高的微型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。系統(tǒng)中物理層的各個(gè)設(shè)備可以通過(guò)各種以太網(wǎng)、交換機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)等連接。

參考文獻(xiàn):

[1] 張學(xué)輝.基于以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表,2017,38(3):41-43.

[2] 楊曉華,侯巍,王樹(shù)新,等.基于CAN總線(xiàn)的分布式控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)[J].低壓電器,2006,38(1):40-42.

[3] 沈航,徐紅泉,蔡慧,等.工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置,2015,38(1):6-9.

[4] 曹健,劉瓊,王遠(yuǎn).基于數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2016,36(3):596-600.

[5] 王瑾瑤.以太網(wǎng)協(xié)議模型的演進(jìn)分析[J].機(jī)械管理開(kāi)發(fā),2013,133(3):106-107.

[6] 劉正藍(lán),朱淼良,姜明,等.QoS協(xié)議及體系結(jié)構(gòu)研究綜述[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工業(yè)版),2003,37(3):288-294.

[7] 鐘川,黃陶明.分層QoS關(guān)鍵技術(shù)分析[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī),2009(1):111.

[8] 林闖,王元卓,任豐原.新一代網(wǎng)絡(luò)QoS研究[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào),2008,31(9):1525-1535.

[9] 李研,周明輝,李瑞超,等.一種考慮QoS數(shù)據(jù)可信性的服務(wù)選擇方法[J].軟件學(xué)報(bào),2008,19(10):2620-2627.

[10]王延年,鄭曉慶.基于數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議研究[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)(工業(yè)版),2011,32(2):93-96.

[11]王春霞.基于數(shù)據(jù)和能量?jī)?yōu)先等級(jí)改進(jìn)WSN中S-MAC協(xié)議的研究[J].河南科技,2015,33(4):569-573.

[12]楊璽,劉少?gòu)?qiáng),樊曉平,等.實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的混合式無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)多路徑路由研究[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2008,25(4):1237-1239.