一種電磁頻譜監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信協(xié)議設(shè)計(jì)方法

趙明芳，劉 軍，楊 青

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所，山東 青島 266500）

1 電磁監(jiān)測系統(tǒng)中常用的數(shù)據(jù)通信協(xié)議

隨著用戶需求的日益復(fù)雜，電磁監(jiān)測系統(tǒng)業(yè)務(wù)種類增多，組網(wǎng)內(nèi)不同監(jiān)測角色間協(xié)同監(jiān)測任務(wù)數(shù)量及復(fù)雜度同步加大。不同業(yè)務(wù)場景對數(shù)據(jù)及其傳輸實(shí)時性、數(shù)據(jù)鏈路特性均有不同的需求，因此需要統(tǒng)一并簡化電磁頻譜監(jiān)測系統(tǒng)中各角色功能間的數(shù)據(jù)通信格式，以統(tǒng)一的數(shù)據(jù)通信協(xié)議簡化數(shù)據(jù)接口，提高數(shù)據(jù)交互效率。電磁監(jiān)測系統(tǒng)中常用的數(shù)據(jù)通信協(xié)議有HTTP 超文本傳輸協(xié)議和XML語法格式接口協(xié)議兩種方式。

1.1 HTTP 超文本傳輸協(xié)議

超文本傳輸協(xié)議（HyperText Transfer Protocol，HTTP）屬于應(yīng)用層的面向?qū)ο蟮膮f(xié)議，主要用于從WWW 服務(wù)器傳輸超文本到本地瀏覽器。數(shù)據(jù)傳輸時，客戶端與服務(wù)器建立連接。傳輸過程中，客戶端向服務(wù)器發(fā)送請求消息，服務(wù)器收到請求消息后返回響應(yīng)消息。請求與響應(yīng)結(jié)束后，客戶端主動釋放連接。該接口協(xié)議包含請求消息和響應(yīng)消息兩種消息格式，實(shí)現(xiàn)簡潔的表達(dá)請求和正確的解析與展示。

1.2 XML 語法格式接口協(xié)議

可擴(kuò)展標(biāo)記語言（eXtensible Markup Language，XML）是一種實(shí)用的結(jié)構(gòu)化通用標(biāo)記語言。XML 獨(dú)立于平臺和語言，基于統(tǒng)一的語法規(guī)范，以純文本方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與存儲。以某監(jiān)測管理一體化平臺為例，采用自定義的XML 同步請求/應(yīng)答消息格式即服務(wù)名稱（服務(wù)終結(jié)點(diǎn)，請求命令/響應(yīng)消息），實(shí)現(xiàn)客戶端、服務(wù)端、數(shù)據(jù)庫以及設(shè)備間的數(shù)據(jù)通信。例如：對某監(jiān)測中心（IP：172.16.51.41）的某監(jiān)測站（ID：21131）的某臺監(jiān)測接收機(jī)（ID：89AE12）發(fā)起對定頻信號121.9 MHz 以500 kHz 中頻帶寬連續(xù)測量IQ 結(jié)果的測量服務(wù)請求。

請求命令XML 文本如下：

2 電磁頻譜監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信協(xié)議設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)頻譜監(jiān)測系統(tǒng)的通信接口協(xié)議時需考慮兩個方面。一方面，數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時性要求。依據(jù)業(yè)務(wù)場景對響應(yīng)數(shù)據(jù)的實(shí)時性要求，接口協(xié)議包含同步與異步兩部分。另一方面，消息格式。在此采用JSON（JavaScript Object Notation）輕量級的數(shù)據(jù)交換格式。相比XML，JSON 更加符合電磁監(jiān)測系統(tǒng)在跨平臺、表達(dá)能力、編碼與解析難度、數(shù)據(jù)體積與提升網(wǎng)絡(luò)傳輸效率等方面的需求［1］。下面分別說明電磁頻譜監(jiān)測系統(tǒng)通信接口協(xié)議的同步請求/應(yīng)答接口協(xié)議和異步數(shù)據(jù)傳輸接口協(xié)議。

2.1 同步請求/應(yīng)答接口協(xié)議

該協(xié)議適用于同步請求與應(yīng)答機(jī)制的服務(wù)，如設(shè)備狀態(tài)查詢等。它包含Request 請求消息和Response 響應(yīng)消息兩種消息格式。

2.1.1 Request 請求消息

請求消息由Request Line（請求行）、Request Header（請求頭）和Body（請求正文）3 部分組成。消息結(jié)構(gòu)與JSON 文本格式，如圖1 所示。

請求消息JSON 文本格式如下：

服務(wù)消費(fèi)方發(fā)送JSON 文本請求消息到服務(wù)方，消息結(jié)構(gòu)中的3 部分對應(yīng)JSON 文本格式中的3 個鍵/值對，鍵名為字符串，分別以“RequestLine”“Header”“Body”代表請求行、請求頭與請求正文，鍵值為JSON 對象，即嵌套的鍵/值對。

（1）請求行。該部分包含服務(wù)名稱和服務(wù)地址兩個信息，對應(yīng)具體服務(wù)名稱與服務(wù)執(zhí)行的地址。該行對應(yīng)請求消息的第一個鍵/值對，鍵名“RequestLine”，鍵值是JSON 對象，包含請求行的兩個分量信息：一是服務(wù)名稱，鍵名“ServiceName”，鍵值是格式為“服務(wù)類別代碼_功能代碼”的字符串；二是服務(wù)地址，鍵名“URL”，鍵值是格式為http://host[:port]的字符串。host 是服務(wù)端主機(jī)IP 地址，port 是服務(wù)端主機(jī)端口號。以某監(jiān)測中心使用某設(shè)備進(jìn)行定頻測量服務(wù)為例，請求行為：

（2）請求頭。該部分包含與請求正文相關(guān)的信息。因不同服務(wù)類型（如設(shè)備服務(wù)或數(shù)據(jù)服務(wù)）的請求正文內(nèi)容與語法格式存在差別，該部分用于幫助解析請求消息。請求頭對應(yīng)請求消息的第二個鍵/值對，鍵名“Header”，鍵值是JSON 對象，鍵值包含格式為：

“鍵名”:值的分量信息

各分量信息的鍵名為代表一定意義的字符串。為實(shí)現(xiàn)消息結(jié)構(gòu)簡單、通俗易懂、便于后續(xù)解析，值盡量采用string、double 及bool 類型，不再嵌套復(fù)雜的數(shù)值結(jié)構(gòu)，如JSON 對象或數(shù)組。

請求頭示例：

（3）請求正文。該部分包含具體的請求數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)內(nèi)容由服務(wù)類別決定。例如：設(shè)備服務(wù)的請求正文包含與設(shè)備測量相關(guān)的參數(shù)，數(shù)據(jù)庫服務(wù)包含查詢數(shù)據(jù)庫等信息。請求正文對應(yīng)請求消息的第三個鍵/值對，鍵名“Body”，鍵值是JSON 對象，鍵值包含請求服務(wù)的參數(shù)信息，是同步請求/應(yīng)答通信接口協(xié)議設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。各分量信息的格式為：

“鍵名”:值

用于分組管理不同類別參數(shù)及其包含的具體參數(shù)。鍵名指定參數(shù)類別，值的數(shù)據(jù)類型有bool、double、string、null、JSON 對象以及JSON 數(shù)組共6 種。為便于區(qū)分管理復(fù)雜、大數(shù)據(jù)量的請求消息，一般采用對象或數(shù)組類型。

設(shè)備服務(wù)請求正文示例：對102.9 MHz 的定頻信號以200 kHz 中頻帶寬連續(xù)測量spectrum 結(jié)果。

2.1.2 Response 響應(yīng)消息

響應(yīng)消息由Response Line（響應(yīng)行）、Response Header（響應(yīng)頭）以及Body（響應(yīng)正文）3 部分組成。消息結(jié)構(gòu)與JSON 文本格式，如圖2 所示。

響應(yīng)消息JSON 文本格式如下：

服務(wù)方發(fā)送JSON 文本響應(yīng)信息到服務(wù)消費(fèi)方，消息結(jié)構(gòu)中的3 個部分對應(yīng)JSON 文本格式中的3 個鍵/值對，鍵名為字符串，分別以“ResponseLine”“Header”、“Body”代表響應(yīng)行、響應(yīng)頭與響應(yīng)正文，鍵值為JSON 對象，即嵌套的鍵/值對。

（1）響應(yīng)行。該部分包含狀態(tài)碼和狀態(tài)描述兩個信息，用于返回服務(wù)請求處理的狀態(tài)。該行對應(yīng)響應(yīng)消息的第一個鍵/值對，鍵名“ResponseLine”，鍵值是JSON 對象，包含響應(yīng)行的兩個分量信息。一是狀態(tài)碼，鍵名“Code”，鍵值是3 位數(shù)字組成的字符串，首位數(shù)字定義了狀態(tài)碼所屬類型（如成功、等待、重試以及取消等），后兩位數(shù)字代表當(dāng)前狀態(tài)類型中包含的具體返回狀態(tài)。二是狀態(tài)描述，鍵名“Message”，鍵值是狀態(tài)碼的具體描述字符串，說明服務(wù)請求處理的情況。

響應(yīng)行示例：成功接收請求消息，并成功處理。

（2）響應(yīng)頭。該部分包含與響應(yīng)正文的相關(guān)信息。與請求頭類似，該部分用于幫助解析響應(yīng)消息。響應(yīng)頭對應(yīng)響應(yīng)消息的第二個鍵/值對，鍵名“Header”，鍵值是JSON 對象，其中包含格式為：

“鍵名”：值的分量信息

鍵名稱為代表一定意義的字符串，分量值的設(shè)計(jì)原則與請求頭的設(shè)計(jì)原則一致。

響應(yīng)頭示例：

（3）響應(yīng)正文。該部分包含請求服務(wù)處理后返回的響應(yīng)數(shù)據(jù)，如返回的儀器設(shè)備狀態(tài)、數(shù)據(jù)庫查詢信息以及測量結(jié)果數(shù)據(jù)等。該部分對應(yīng)響應(yīng)消息的第3 個鍵/值對，鍵名“Body”，鍵值是JSON對象，包含對應(yīng)的請求服務(wù)的響應(yīng)數(shù)據(jù)信息。因涉及的響應(yīng)信息種類多、數(shù)據(jù)量大，該部分也是同步請求/應(yīng)答通信接口協(xié)議設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。各分量信息的格式為：

“鍵名”:值

用于分組管理不同類別響應(yīng)數(shù)據(jù)。鍵名指定響應(yīng)數(shù)據(jù)類別，鍵值包含具體的響應(yīng)數(shù)值。響應(yīng)正文的設(shè)計(jì)原則與請求正文的設(shè)計(jì)原則一致。

某個設(shè)備服務(wù)響應(yīng)正文示例：對105.9 MHz 的定頻信號以200 kHz 中頻帶寬連續(xù)測量IQ 結(jié)果。

2.2 異步數(shù)據(jù)傳輸接口協(xié)議

該接口協(xié)議適用需要大數(shù)據(jù)量或者持續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)場景，但對數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性要求相對較弱，如自動化監(jiān)測功能。異步傳輸方式包括字節(jié)流、文件或者數(shù)據(jù)庫等。其中，文件與數(shù)據(jù)庫操作均具備配套的工具與操作方法。監(jiān)測系統(tǒng)多涉及監(jiān)測設(shè)備的連續(xù)測量任務(wù)，常采用字節(jié)流（stream）方式實(shí)現(xiàn)異步數(shù)據(jù)傳輸，如IQ 數(shù)據(jù)、頻譜數(shù)據(jù)等。圖3 是字節(jié)流傳輸方式的異步數(shù)據(jù)傳輸幀格式。

字節(jié)流包含1～n個數(shù)據(jù)幀，每個數(shù)據(jù)幀由幀頭、數(shù)據(jù)頭以及數(shù)據(jù)體組成。幀結(jié)構(gòu)可靈活組合、剪裁，數(shù)據(jù)頭部分可選。幀頭包含當(dāng)前幀的公共信息，如幀版本、幀類型等。幀體是數(shù)據(jù)實(shí)體，由數(shù)據(jù)頭與數(shù)據(jù)體組成。數(shù)據(jù)體由若干子數(shù)據(jù)塊組成，每個子數(shù)據(jù)塊由數(shù)據(jù)塊頭與數(shù)據(jù)組成。數(shù)據(jù)頭描述數(shù)據(jù)體組成及幀數(shù)據(jù)的公共數(shù)據(jù)（公共工作參數(shù)/測量結(jié)果等），長度不固定，與幀類型、數(shù)據(jù)體關(guān)聯(lián)的任務(wù)模式相關(guān)。數(shù)據(jù)塊位于數(shù)據(jù)頭后，將工作參數(shù)或結(jié)果數(shù)據(jù)劃分為多個部分，使一幀可攜帶多種、大量的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)塊由數(shù)據(jù)塊頭與數(shù)據(jù)組成，其中數(shù)據(jù)塊頭描述當(dāng)前數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)部分的屬性、字節(jié)長度信息，而數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)實(shí)體［2］。

3 結(jié)語

該數(shù)據(jù)通信協(xié)議設(shè)計(jì)方法已應(yīng)用于某電磁頻譜監(jiān)測系統(tǒng)軟件開發(fā)，經(jīng)測試驗(yàn)證其平臺適應(yīng)性好，能夠覆蓋監(jiān)測業(yè)務(wù)的復(fù)雜數(shù)據(jù)類型，編程適應(yīng)性及可擴(kuò)展性強(qiáng)，易于編碼解碼，且傳輸?shù)臄?shù)據(jù)體積小，能夠有效提升網(wǎng)絡(luò)傳輸效率等，很好地解決了監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信協(xié)議不統(tǒng)一、重復(fù)以及管理維護(hù)困難的問題。