分布式计算机网络系统的通信软件设计

维普资讯 http://www.cqvip.com 第２８卷　第ｌＯ期　计算机工程　２００２年ｌＯ月　ｏ１．２８　№Ｉｏ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｏｃｔｏｂｅｒ　２００２　．工程应用技术与实现・　文章编号：１０００－３４２８（２００２）１０－－０２１３－－０３　文献标识码：Ａ　中图分类号：ＴＰ３３８・８　分布式计算机网络系统的通信软件设计　杨宇浩，王学群　ｆ同济大学电子与信息学院，上海２０００９２）　摘要：介绍了分布式环境下计算机无人值守监控系统的总体框架、网络结构和功能实现，并具体分析了其通信前置机系统的模块设计，包　括：通信协议、信令、帧结构等，以及通信核心模块的编程接口和代码函数实现方法。　关键词：分布式系统；监控系统；帧；信令　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｓ０ｆｔｗａｒｅ　Ｄｅｓｉｇｎ　０ｆ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｎｅｔｗｏｒｋ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ＹＡＮＧ　Ｙｕｈａｏ．ＷＡＮＧ　Ｘｕｅｑｕｎ　ｆＳｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　ａｎｄ　Ｉｎｆｍ‘ｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴｏｎｇＪｊ　Ｕｎｉｓ　ｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０００９２）　Ｉ　Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｊｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｓｓ　ｓｔｅｍ　ｆｒａｍｅｗｏｒｋ　ｎｅｔｓｓＯＩ‘ｋ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｊｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｎｔｏ—ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｊｎ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｅｎｓ，ｉｒｏｎｍｅｎｔ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｚｅｓ　ｔｈｅ　ｒｅａ１．ｔｉｍｅ　ｄａｔａ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｍｏｄｕｌｅ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ：　ｃｏｒｎｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｐｒｏｔｏｃｏｌｓ，ｆｒａｍｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｃｏｒｎｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｐｒｏｇｒａｔａｍｉｎｇ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ａｎｄ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｃｏｄｅｓ　ａｒｅ　ａｌｓｏ　ｐｒｏｓ　ｉｄｅｄ．　ＩＫｅ），ｗｏｒｄｓ】Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ；Ａｕｔｏ—ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ；ｒｒａｍｅ；Ｃｏｍｍｕｎｉｅａｔｉｏｎ　ｊｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　分布式计算机环境监控系统可取代传统的监控维护方　准数据库实现监测信息共享。　式，实现了全自动无人值守的设计要求，即通过建立分布式　的实时信息采集、传输、处理和反馈网络系统，实现大范围　的实时的远程数据监测、遥控，从而达到自动监测、控制、　集中维护管理。　ｌ系统结构和功能　图１总体框架　１．１系统概况　（２）监控中心网络结构（控制系统第一级ＩＭＣＣ）（见图２）　系统为二级控制网络：第一级为集中监控中　６，（ＩＭＣＣ）．　监控中局域网结构，采用ＴＣＰ／ＩＰ协议实现多环境系统　通常是在有人值守的维护管理中心，山前置机、工作站、数　互联，具有先进性、开放性、可转换性。由两台Ｓｕｎ￣．作站　据管理机、大屏幕显示器等构成，符合ＩＥＥＥ８０２．３　ＣＳＭＳ／ＣＤ　担任监控主机，并互为热备份，采用Ｓｕｌｌ　Ｓｏｌａｒｉｓ多用户多进　的局域网络规范。系统主机具有强大而灵活的处　能力，并　程操作系统和ＯｐｅｎＷｉｎ图形工作环境，用户界面为ｘ—　可根据需要接入图像监视系统。集中监控中心支持多种通信　Ｗｉｎｄｏｗｓ图形化标准。监控中心网由前置机实现与远端监控　协议，包括ＴＣＰ／ＩＰ、Ｘ．２５等，以满足本网络与上级监控系统　模块的通信连接，每台前置机可连接至少８个远端监控模　的连接和数据共享要求；第二级为远端处理模块（ＲＰＭ），分　块，标准配置为８台前置机，监控总容量为６４个远端处理模　布在少人维护或无人值守的被监控站。山远端监控主机（包　块，系统可通过路由器联入更高层次信息管理网络，通过标　括远端通信机、远端监控机）、智能化监控设备（包括读卡　准数据库实现监测信息共享。　机、蓄电池监测仪、配线架监测仪、协议转换器等）以及各　（３）远端监控模块结构（控制系统第二级ＲＰＭ）（见图３）。　类探测器和开关控制器等组成。两级之问通过专网、公用电　活网、数字数据网等构成广域网。系统ｊ｛矗控总容量可根据实　际被监控对象灵活配置，监控环境系统标准配置可达１　３　１　０７２　个物理量点。　１．２系统网络结构　（１）总体框架（见图１）。　监控中心为局域网结构，采用ＴＣＰ／ＩＰ协议实现多环境系　统互联，具有先进性、开放性、可转换性。由两台Ｓｕｎ工作　站担任监控主机，并互为热备份，采用Ｓｕｎ　Ｓｏｌａｒｉｓ多用户多　图２监控中心网络结构　进程操作系统和ＯｐｅｎＷｉｎ图形工作环境，用户界面为Ｘ．　每个远端监控机可监控１　２８个点，包括各类探测器、传　Ｗｉｎｄｏｗｓ图形化标准。监控中心网由前置机实现与远端监控　模块的通信连接，每台前置机可连接至少８个远端监控模　块，标准配置为８台前置机，监控总容量为６４个远端处理模　作者简介：杨宇浩（１９７２～），男，　工程师、硕士生，主研方向：计　块。系统可通过路由器联入更高层次信息管理网络，通过标　算机网络通信软件开发；王学群，　硕士生　收稿日期：２００２　０卜ｌ９　维普资讯 http://www.cqvip.com 感器、变送器、控制开关和智能化监控设备（读卡机、蓄电　池检测仪、配线架监测仪、协议转换器、空调等）。通过　ＲＳ２３２、ＲＳ４２２、ＲＳ４８５等标准串行接口与各类标准监控设　备连接，通过隔离的开关量输入／输出接ＶＩ和模拟量输入接　ＶＩ将非标准监控设备接入系统。每个远端通信机可为Ｉ６个远　端监控机提供实时通信服务。各远端处理模块均为开放式标　准化、模块化结构，标准配置最大监控容量为２０４８个物理量　点。　图３远端监控模块结构　ｌ＿３系统监控环境和功能实现　（Ｉ）监控环境设备　监控系统的监控对象包括各类常用设备：交流配电设　备，整流配电设备，辅助供电设备，各种空调设备，各种通　信设备，烟雾报警设备，电子门卡设备，温度传感设备，湿　度传感设备，图像监控设备等。　在其它分布式环境中，监控对象可灵活调整。　（２）性能特点　监控系统实现的主要功能包括：（１）对各监控设备、环境告　警及其恢复的实时监测；（２）远程没置模块量的告警范围；（３）远端　和中心两极均具有实时告警信息和可控告警声光指示；（４）自动派：［　维护管理；（５）全汉化图形人机界面；（６）地理位置图形分析和模拟　控制开关；（７）遥信、遥测、遥控、遥设、遥｝见功能；（８）远程实时　追踪、远程自动抄表；（９）智能化油机、空调、整流器等设备接入；　（１Ｏ）网络管理（定时自检、巡视、远程联网、脱网等）；（１１）三级Ｖ１　令、操作存档、系统安全保证；（１２）自动磁　出入控制；（１３）历史　数据记录查询、统计、制表；（１４）模拟量参数曲线描绘、测量精度　可达ｏ　００２；（１５）对各类变送器、探测器供电；（１６）工作电源范围　．４８＼；／＋２４Ｖ。　２通信前置机系统结构设计　【１）系统结构　通信前置机模块的主要功能是：Ｉ）在监控主机和远端监　控模块之间建立通信；２）对监控主机和远端监控模块之问的　数据流进行编码、解码、格式转换和数据转发。　通信前置机系统结构如图４。　．　图４通信前置机系统结构　２１４～　。　（２）通信前置机软件模块系统（见表Ｉ）。　表１前置机系统总控调度核心模块　多ｊ＂户　涮制解　数据解码模块、　ＴＣＰ／ＩＰ网络协议　ｊ嵩Ｌ］扣　编码模块、格式　数据包通信模块　腱驱动　调器监　转换模块、数据　模块　转发模块　控模块　远程通信模块　网卡驱动模块　３远程通信协议设计　通信前置机与远端处理模块之间的通信主要由两大类数　据组成：远端处理模块采集的实时数据信息和监控中心发送　的监控命令信息。通信协议在设计上参考Ｎｏ．７信令，根据高　速、可靠、安全、经济的原则将数据包定义成３种帧格式：　（Ｉ）完整长帧　帧长Ｉ　３个字节，用于传送初始化信息、开关量故障中断　信息、模拟量故障中断信息、巡视、遥信、遥测命令应答　等。　（２）半简化帧　帧长７个字节，用于传送告警、撤销告警、遥测、遥信　命令应答等。　（３）简化帧　ＣＲＣ　ｌ　Ｎ　Ｉ　Ｐ—ＮＯ　ｌ　Ｃ—ＮＯ　ｌ　ＳＩＯ　ｌ　ＦＩＢ　ｌ　ＦＳＮ　ｌ　ＢＩＢ　Ｉ　ＢＳＮ　Ｆ　帧长５个字节，用于传送脱网、联网请求、各种应答信　息等。　帧内符号定义：　１　：帧起始标志；ＦＳＮ：前Ｉ句序号；ＢＳＮ：后向序号；　ＦＩＢ：前向指示；ＢＩＢ：后向指示；ＳＩＯ：服务指示；Ｃ．　ＮＯ：远端机编号；Ｐ－ＮＯ：监控点标号；Ｎ：传输数量代　码，帧长控制；ＳＩＯＡ：扩充服务指示器；ＳＩＦ：数据；　ＣＲＣ：校验码。　远程数据通信命令定义：　ＳＩＯ＝０ＩＨ：脱机请求；・ＳＩＯ＝０２Ｈ：联网请求；ＳＩＯ＝　０３Ｈ：对远端机　始化命令；ＳＩＯ＝０４Ｉｑ：智能设备初始化命　令；ＳＩＯ＝０５Ｈ：远端机故障中断请求；ＳＩＯ＝０６Ｈ：开关量故　障中断请求；ＳＩＯ＝０７Ｈ：模拟量故障中断请求；ＳＩＯ＝０８Ｈ：　智能没备故障中断请求；ＳＩＯ＝０９Ｈ：巡视命令；ＳＩＯ＝ＩＯＨ：　遥信命令；ＳＩＯ＝Ｉ　ＩＨ：遥测命令；ＳＩＯ＝１２Ｈ：遥控命令；　ＳＩＯ＝Ｉ３Ｈ：智能设备控制命令；ＳＩＯ＝Ｉ　５Ｈ：ＣＲＣ校验错。　４通信前置机核心模块软件设计　（Ｉ）通信前置机系统总控调度核心模块流程图（见图５）。　（２）远程端数据通信模块设计（见图６）。　远程通信公共编程接口：　打开指定端口：ＩＯＰ—ＯＰＥＮ（）；向端口写入１个字节：　ｌＯＰ—ＰＵＴＣ（）；从端口读取１个字节：ＩＯＰ—ＧＥｑ、Ｃ（）；端口缓　冲区写：ＩＯＰ—ＷＲＩＴＥ（）；端口缓冲区读：ＩＯＰ—ＲＥＡＤ（）；端　口状态字：ＩＯＰ—ＳＴＡＴＵＳ（）；端口输出队列空间：ｌＯＰ—Ｄ０Ｑ—　ＳＩ　ＡＣＥ（）；端口输入队列字节数：ＩＯＰ—ＤＩＱ－ＣＯＵＮＴ０；输　出端口刷新：ＩＯＰ—ｍ；ＳＥＴ－ＤＯＱ（）；输入端口刷新：ＩＯＰ—　ＲＥＳＥＴ－ＤＩＱ（）；端口初始化复位：ＩＯＰ—ＲＥＳＥＴ（）；关闭端　口：ＩＯＰ—ＣＬＯＳＥ（１。　维普资讯 http://www.cqvip.com （３）主机端数据通信模块设计（见图７）。　图５通信前置机系统总控调度核心模块流程图　远程通　模块　ｌ　１　ｒ　程通信公』　接ｌ】　’　ｒ　【｛】由　１ＮＴ１　４Ｈ　驱动模　制数　数掘队　　ｆ夕ｊｌｘ　］ＲＡＭ　１　端ｕ扩埏　侧　驱动　』　图６远程端数据通信模块　图７主机数据通信模块结构　通信前置机主机端数据通信程序实现和监控主机之间的　数据通信，监控主机系统通过ＩＰＣｊ／￣．．信机制在主机系统进程　问保持联系和同步，前置机主机端数据通信程序采Ｊ￣ＴＣＰ／ＩＰ　协议标准Ｓｏｃｋｅｔ套接字在网络链路层与监控主机进行网络通　信。具有通信速度怏、可靠性和安全性高等特点，符合异种　机网络互联的标准。　主机通信模块主要接口函数：　ｉｎｔ　ＳｅｎｄＭｓｇ（ＤＣＢ　ｐｏｉｎｔ）／　信息发送函数　／　｛Ｕｎｉｏｎ　ＲＥＧＳ　ｒｅｇｓ；　ｓｔｒｕｃｔ　ＳＲＥＧＳ　ｓｒｅｇｓ；　ｒｅｇｓ．ｈ．ａｈ＝Ｏ：　ｒｅｇｓ．ｘ．ｄｉ＝ＦＰ　ＯＦＦ（ｐｏｉｎｔ）：　ｓｒｅｇｓ．ｅｓ＝ＦＰＳＥＧ（ｐｏｉｎｔ）；　ｉｎｔ８６ｘ（ｉｎｔ＿ｎＵｍ．＆ｒｅｇｓ．＆ｒｅｇｓ．＆ｓｒｅｇｓ）；　ｉｆ（ｒｅｇｓ．ｘ．ｃｆｌａｇ）　ｒｅｔｕｒｎ（一１）；　ｉｆ（ｐｏｉｎｔ一＞ｄｉｎｕｓｅ！＝０）　ｒｅｔｕｒｎ（１）：　ｒｅｔｕｒｎ（Ｏ）：｝　ｃｈａｒ　ｆａｒ　ＧｅｔＭｓｇ（ｘ　ｏｉｄ）／　信息接受函数　／　｛Ｕｎｉｏｎ　ＲＥＧＳ　ｒｅｇｓ；　ｓｔｒｕｃｔ　ＳＲＥＧＳ　ｓｒｅｇｓ；　ｒｅｇｓ．ｈ．ａｈ＝２：　ｉｎｔ８６ｘ（ｉｎｔ＿ｎＵｍ，＆ｒｅｇｓ，＆ｒｅｇｓ，＆ｓｒｅｇｓ）；　ｉｆ（ｒｅｇｓ．ｘ．ｃｆｌａｇ１　ｒｅｔｕｒｎ（ＮＵＬＬ）；　ｉｆ（（ｒｅｇｓ．Ｘ．ｂｘ—ｓｒｅｇｓ．ｅｓ）＆＆（ｓｒｅｇｓ．ｅｓ＝＝＝Ｏ））　ｒｅｔｕｒｎ（ＮＵＬＬ）；　ｒｅｔｕｒｎ（（ｃｈａｒ　）ＭＫ—ＦＰ（ｓｒｅｇｓ．ｅｓ，ｒｅｇｓ．Ｘ．ｂｘ））：｝　ｉｎｔ　ＲｅｔＭｓｇ（ｖｏｉｄ）／　网络信息监测函数　／　ｆ　Ｕｎｉｏｎ　ＲＥＧＳ　ｒｅｇｓ：　ｒｅｇｓ．ｈ．ａｈ＝４：　ｉｎｔ８６（ｉｎｔ—ｎｕｍ，＆ｒｅｇｓ，＆ｒｅｇｓ）：　ｉ（ｆｒｅｇｓ．Ｘ．ｃｆｌａｇ）　ｒｅｔｕｒｎ（一１）；　ｒｅｔｕｒｎ（０）：｝　ｉⅡＩ　ｔｏｌａｎ（ｉｎｔ　ｄｅｓｔｎｕ　ｍ，ｕ　ｎｓｉｇｎｅｄ　ｃｈａｒ　ｆｌａｇ，ｃｈａｒ　ｄａｔａｐｔｒ，　ｉｎｔ　ｌｅｎｇｔｈ）／　网络信息发送函数　／　｛ｓｔａｔｉｃ　Ｕｎｓｉｇｎｅｄ　ｃｈａｒ　ｔｅｒａｐｈｅａｄ　ｌ６０ｌ：　ｓｔａｔｉｃ　ＤＣＢ　ｔｅｒｎｐｄｃｂ：　ｔｅｒｎｐｄｃｂ．ｄｄｅｓｔｎｕｍ＝ｄｅｓｔｎｕｍ；　ｔｅｍｐｄｃｂ．ｄｈｅａｄ　（ｃｈａｒ　）ＭＫ＿ＦＰ（ＦＰ＿ＳＥＧ（ｔｅｍｐｈｅａｄ），ＦＰ＿ＯＦＦ（ｔｅｍｐｈｅａｄ））；　ｔｅｒｎｐｄｃｂ．ｄｈｅａｄｌｅｎ＝６０：　—ｔｅｍｐｄｃｂ．ｄｄａｔａ　（ｃｈａｒ　）ＭＫＦＰ（ＦＰＳＥＧ（ｄａｔａ—ｐｔｒ）．　ＦＰＯＦＦ（ｄａｔａｐｔｒ））；　ｔｅｒｎｐｄｃｂ．ｄｄａｔａｌｅｎ＝ｌｅｎｇｔｈ；　ｔｅｒｎ　ｐｄｃｂ．ｄｆｌａｇ＝ｆｌａｇ；　ｒｅｔｕｒｎ（ＳｅｎｄＭｓｇ（＆ｔｅｍｐｄｃｂ））：｝　５系统推广和应用　通信系统是环境监控系统的核心技术之一，具有很强的　通用性，经实际环境对监控对象的测试和运行表明，系统监　控范围广、监控对象适应性强、精度高、实时响应速度怏，　通信质量好。由于系统通信系统模块设计的通用性，可广泛　应用于各类分布式环境的监控、通信、网络系统之中。　参考文献　Ｉ张鼎兴远程监控系统数据通信的分析与研究计算机工程２００１　２７（１１、１　７Ｉ　２余可曼、陈　平　金连甫网络通信中问件的设计及实现计算机工　程、２００１，２７ｆ５１　１　１６　３张　军．张荣涛，孙　宇分布式检测监控系统中Ａｇｅｎｔ模型及实现　研究计算机工程，２００１．２７（２）：９３　４　Ｔａｎｅｎｂａｕｍ　Ａ　Ｓ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｎｅｔｗｏｒｋ　Ｐｒｅｎｔｉｃｅ　Ｈａｌ１．Ｉ　９９７　２１５—