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多媒介通信系統(tǒng)鏈路管理的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)
摘要：軍事通信系統(tǒng)和某些民和領(lǐng)域?qū)νㄐ趴煽啃院涂箽缘男枨笫沟命c(diǎn)到點(diǎn)的鏈路傾向于建立在多種通信媒介、多種協(xié)議上。介紹了一種借鑒OPC規(guī)范，基于COM技術(shù)，在多協(xié)議、多種協(xié)議上。介紹了一種借鑒OPC規(guī)范，基于COM技術(shù)，在多協(xié)議、多通信媒介上進(jìn)行鏈路管理和調(diào)度的解決方案，并給出了具體實(shí)現(xiàn)。在許多應(yīng)用中，如軍事通信中的C4I系統(tǒng)、政府部門(mén)和特殊行業(yè)中的某些重要通信系統(tǒng)，對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性、抗毀性有著非�？量痰囊�，既要求在正常情況下有較高的通信效率，又要求在惡劣環(huán)境下能保證基本的通信，因此僅僅依賴單一通信媒介難以達(dá)到可靠性的要求。在C4I系統(tǒng)中，把現(xiàn)有的和未來(lái)的全部傳輸媒介資源綜合到通信系統(tǒng)中已經(jīng)成為通信網(wǎng)絡(luò)追求的目標(biāo)之一。在民用領(lǐng)域，例如高速公路聯(lián)聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)中，因?yàn)樾枰粋�(gè)24×7的可靠通信平臺(tái)，亦采用了不同類型的通信媒介（如圖1），它通常把專線作為主用線路，把公眾電信網(wǎng)提供的撥號(hào)線（普通調(diào)制解調(diào)順或ISDN）連接作為臨時(shí)備用線路。不同通信媒介的效率和經(jīng)濟(jì)性差別很大。對(duì)不同類型的通信鏈路必須進(jìn)行綜合調(diào)度，做到自適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，自動(dòng)在主用鏈路和多條備用鏈路間進(jìn)行切換。這樣才能適應(yīng)這些系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)生存能力的要求。
傳統(tǒng)開(kāi)過(guò)程中，常把最上端的應(yīng)用程序直接建立在多種通信設(shè)備上，在應(yīng)用程序中直接對(duì)不同類型鏈路進(jìn)行管理和調(diào)度，這對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、升級(jí)、擴(kuò)展帶來(lái)了很大問(wèn)題。一方面應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)者需要耗費(fèi)大量精力在不同的通信設(shè)備上，而這些工作在別的同類項(xiàng)目中無(wú)法復(fù)用；另一方面，當(dāng)系統(tǒng)需要升級(jí)通信設(shè)備，或者擴(kuò)展新的通信媒介時(shí)，幾乎相當(dāng)于重新開(kāi)發(fā)整個(gè)系統(tǒng)。同時(shí)，在多個(gè)應(yīng)用程序共享通信設(shè)備時(shí)容易產(chǎn)生沖突。借鑒超鏈思想以及微軟和工業(yè)控制界共同推出的OPC（OLE for process control）規(guī)范的設(shè)計(jì)思路，提出了基于COM技術(shù)的解決方案。
圖1 節(jié)點(diǎn)間的多種通信媒介綜合使用
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1.1 設(shè)計(jì)思想
可以把所有媒介所提供的通信資源看作單一的邏輯數(shù)據(jù)鏈，即超鏈，它表示每一個(gè)節(jié)點(diǎn)到相鄰點(diǎn)的連接，而并不關(guān)心具體的通信媒介OPC規(guī)范通過(guò)提供標(biāo)準(zhǔn)接口的方法，使下層設(shè)備無(wú)需了解上層應(yīng)用，上層標(biāo)準(zhǔn)接口的方法，使下層設(shè)備無(wú)需了解上層應(yīng)用，上層應(yīng)用亦無(wú)需關(guān)心下層設(shè)備的細(xì)節(jié)。借鑒二者的思想，在應(yīng)用軟件和通訊設(shè)備間增加了一層類似中間件的通信平臺(tái)，使得應(yīng)用軟件和通信設(shè)備間的無(wú)關(guān)性得以實(shí)現(xiàn)，并把對(duì)通信設(shè)備的訪問(wèn)進(jìn)行統(tǒng)一管理，解決了并發(fā)沖突問(wèn)題。
1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
根據(jù)ISO七層網(wǎng)絡(luò)體系定義，在傳送（Transport）層之上對(duì)底層進(jìn)行封裝，是因?yàn)樵诙嗝浇榍闆r下，多種協(xié)議是分布式網(wǎng)絡(luò)體系的一個(gè)基本要求。一方面，一般情況下，不同的通信媒介適用的傳送層協(xié)議是完全不同的；另一方面，系統(tǒng)中所傳輸?shù)牟煌瑪?shù)據(jù)類型對(duì)通信性能（如一次可傳輸消息大小、實(shí)時(shí)性等指標(biāo)）的要求差別很大。針對(duì)不同數(shù)據(jù)類型，設(shè)計(jì)具有不同性能的傳送層協(xié)議，并實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)度，是實(shí)際應(yīng)用的需求。只有在傳送層之上進(jìn)行封裝才有可能屏蔽不同媒介所帶來(lái)的差異。系統(tǒng)整體描述如圖2所示。
鏈路的調(diào)度管理層對(duì)不同協(xié)議、不同通信媒介以及不同鏈路進(jìn)行一管理和調(diào)度。通信媒介1～n表示諸如專線網(wǎng)絡(luò)、撥號(hào)線-MODEM、無(wú)線調(diào)制解調(diào)器-無(wú)線電臺(tái)及與此類似層次、將來(lái)擴(kuò)展的不同通信媒介，鏈路調(diào)度管理層對(duì)這些通信媒介進(jìn)行初始化、激活、配置，并獲得它們的數(shù)據(jù)接口和所有應(yīng)該得到的狀態(tài)。協(xié)議1～n表示諸如基于TCP的協(xié)議、基于UDP的協(xié)議、半雙工高速短波協(xié)議以及將來(lái)擴(kuò)展的各種不同協(xié)議，它們的管理同樣由鏈路調(diào)度管理層進(jìn)行，接口并不直接暴露給上層，而是由管理層封裝后向上層提供統(tǒng)一的接口。協(xié)議模塊在需要發(fā)送數(shù)據(jù)或者有數(shù)據(jù)到來(lái)時(shí)并不直接與各通信媒介模塊通信，而是通過(guò)鏈路管理層訪問(wèn)通信媒介模塊所提供的接口。這是因?yàn)樵S多通信模塊（與物理設(shè)備聯(lián)系緊密）并不支持并發(fā)訪問(wèn)，鏈路管理層把對(duì)它們的訪問(wèn)串行化。
1.3 模塊化和可擴(kuò)展性
在不同的應(yīng)用中，所用的協(xié)議和通信組件不盡相同，要求在鏈路管理層不做過(guò)多的改動(dòng)，既能加入新的協(xié)議模塊和通信媒介模塊。這樣就需要設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)做到模塊化，且各模塊和鏈路調(diào)度模塊之間必須隔離開(kāi)。鏈路調(diào)度模塊通過(guò)盡量統(tǒng)一的接口對(duì)各模塊進(jìn)行調(diào)度和管理。微軟的組件對(duì)象模型技術(shù)（COM）就提供了這種特性。OPC規(guī)范應(yīng)用COM/OLE技術(shù)實(shí)現(xiàn)了模塊化和可擴(kuò)展性，但OPC規(guī)范主要針對(duì)工業(yè)控制領(lǐng)域，在本設(shè)計(jì)中無(wú)法完全實(shí)現(xiàn)，故直接采用COM技術(shù)，借鑒OPC的設(shè)計(jì)思想構(gòu)建本設(shè)計(jì)。每個(gè)協(xié)議模塊和通信媒介模塊均是一個(gè)單獨(dú)COM組件，通過(guò)接口和回調(diào)接口與鏈路調(diào)度模塊進(jìn)行通信，鏈路管理模塊以總線方式實(shí)現(xiàn)對(duì)協(xié)議模塊和媒介模塊的管理。而協(xié)議組件和通信媒介組件之間的通信則由鏈路調(diào)度模塊轉(zhuǎn)發(fā)。
所面臨的難點(diǎn)之一在于協(xié)議組件和通信媒介組件可以有相同的數(shù)據(jù)接口，但是這些組件的特性千差萬(wàn)別，在設(shè)置參數(shù)和獲得當(dāng)前狀態(tài)方面無(wú)法做到大致統(tǒng)一的接口，可以通過(guò)組件自解析的方式解決。鏈路管理模塊和這些組件之間的參數(shù)用字符串或數(shù)組的方式傳遞，各組件在得到這些字符串后根據(jù)本身的情況進(jìn)行解析，得到特定的參數(shù)。
難點(diǎn)之二，如前文所述，通信媒介組件與物理層密切相關(guān)，很難做到支持并行化的輸入。在多條獨(dú)立鏈路不同的線程中同時(shí)使用同一通信媒介時(shí)，各鏈路對(duì)物理層的操作將產(chǎn)生沖突，必須對(duì)通信媒介組件的數(shù)據(jù)輸入進(jìn)行串行化處理（排隊(duì)），使同一時(shí)刻，只處理一個(gè)輸入。在COM組件的多線程模型中，單線程套間（STA）模型有如下特點(diǎn)：如果某COM組件的對(duì)象生成在單線程套間中，則只有與同在一個(gè)套間特定的線程可以訪問(wèn)該對(duì)象不在同一套間的其他線程必須通過(guò)列集（marshal）技術(shù)才能訪問(wèn)該對(duì)象。這種技術(shù)基于COM ORPC協(xié)議和消息階列機(jī)制，自動(dòng)把對(duì)該對(duì)象的訪問(wèn)串行化了。所以如果每個(gè)通信媒介組件都只有一個(gè)對(duì)象且生存在STA中，則通過(guò)列集技術(shù)它的訪問(wèn)自動(dòng)被串行化。
1.4 媒介模塊和協(xié)議模塊的設(shè)計(jì)
媒介組件封裝了與網(wǎng)絡(luò)平有關(guān)的操作，向上提供了建鏈、斷鏈、發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)（回調(diào)）、參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)改變報(bào)告（回調(diào)）、參數(shù)查詢、狀態(tài)查詢等接口。
例如在高速公路網(wǎng)絡(luò)中，專線網(wǎng)絡(luò)和撥號(hào)線后備鏈路都基于IP網(wǎng)絡(luò)，Windows套接字接口（Winsock）提供了一個(gè)基本與協(xié)議無(wú)關(guān)的傳送
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