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多媒介通信系統鏈路管理的設計和實(shí)現
摘要：軍事通信系統和某些民和領(lǐng)域對通信可靠性和抗毀性的需求使得點(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)行鏈路管理和調度的解決方案，并給出了具體實(shí)現。在許多應用中，如軍事通信中的C4I系統、政府部門(mén)和特殊行業(yè)中的某些重要通信系統，對通信網(wǎng)絡(luò )的可靠性、抗毀性有著(zhù)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(lài)單一通信媒介難以達到可靠性的要求。在C4I系統中，把現有的和未來(lái)的全部傳輸媒介資源綜合到通信系統中已經(jīng)成為通信網(wǎng)絡(luò )追求的目標之一。在民用領(lǐng)域，例如高速公路聯(lián)聯(lián)網(wǎng)收費系統中，因為需要一個(gè)24×7的可靠通信平臺，亦采用了不同類(lèi)型的通信媒介（如圖1），它通常把專(zhuān)線(xiàn)作為主用線(xiàn)路，把公眾電信網(wǎng)提供的撥號線(xiàn)（普通調制解調順或ISDN）連接作為臨時(shí)備用線(xiàn)路。不同通信媒介的效率和經(jīng)濟性差別很大。對不同類(lèi)型的通信鏈路必須進(jìn)行綜合調度，做到自適應不同的網(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。這樣才能適應這些系統對網(wǎng)絡(luò )生存能力的要求。
傳統開(kāi)過(guò)程中，常把最上端的應用程序直接建立在多種通信設備上，在應用程序中直接對不同類(lèi)型鏈路進(jìn)行管理和調度，這對整個(gè)系統的開(kāi)發(fā)、升級、擴展帶來(lái)了很大問(wèn)題。一方面應用軟件開(kāi)發(fā)者需要耗費大量精力在不同的通信設備上，而這些工作在別的同類(lèi)項目中無(wú)法復用；另一方面，當系統需要升級通信設備，或者擴展新的通信媒介時(shí)，幾乎相當于重新開(kāi)發(fā)整個(gè)系統。同時(shí)，在多個(gè)應用程序共享通信設備時(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）規范的設計思路，提出了基于COM技術(shù)的解決方案。
圖1 節點(diǎn)間的多種通信媒介綜合使用
1 系統設計
1.1 設計思想
可以把所有媒介所提供的通信資源看作單一的邏輯數據鏈，即超鏈，它表示每一個(gè)節點(diǎn)到相鄰點(diǎn)的連接，而并不關(guān)心具體的通信媒介OPC規范通過(guò)提供標準接口的方法，使下層設備無(wú)需了解上層應用，上層標準接口的方法，使下層設備無(wú)需了解上層應用，上層應用亦無(wú)需關(guān)心下層設備的細節。借鑒二者的思想，在應用軟件和通訊設備間增加了一層類(lèi)似中間件的通信平臺，使得應用軟件和通信設備間的無(wú)關(guān)性得以實(shí)現，并把對通信設備的訪(fǎng)問(wèn)進(jìn)行統一管理，解決了并發(fā)沖突問(wèn)題。
1.2 系統結構
根據ISO七層網(wǎng)絡(luò )體系定義，在傳送（Transport）層之上對底層進(jìn)行封裝，是因為在多媒介情況下，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，系統中所傳輸的不同數據類(lèi)型對通信性能（如一次可傳輸消息大小、實(shí)時(shí)性等指標）的要求差別很大。針對不同數據類(lèi)型，設計具有不同性能的傳送層協(xié)議，并實(shí)現自適應調度，是實(shí)際應用的需求。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。系統整體描述如圖2所示。
鏈路的調度管理層對不同協(xié)議、不同通信媒介以及不同鏈路進(jìn)行一管理和調度。通信媒介1～n表示諸如專(zhuān)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )、撥號線(xiàn)-MODEM、無(wú)線(xiàn)調制解調器-無(wú)線(xiàn)電臺及與此類(lèi)似層次、將來(lái)擴展的不同通信媒介，鏈路調度管理層對這些通信媒介進(jìn)行初始化、激活、配置，并獲得它們的數據接口和所有應該得到的狀態(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)擴展的各種不同協(xié)議，它們的管理同樣由鏈路調度管理層進(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一的接口。協(xié)議模塊在需要發(fā)送數據或者有數據到來(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(fǎng)問(wèn)通信媒介模塊所提供的接口。這是因為許多通信模塊（與物理設備聯(lián)系緊密）并不支持并發(fā)訪(fǎng)問(wèn)，鏈路管理層把對它們的訪(fǎng)問(wèn)串行化。
1.3 模塊化和可擴展性
在不同的應用中，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。這樣就需要設計和實(shí)現做到模塊化，且各模塊和鏈路調度模塊之間必須隔離開(kāi)。鏈路調度模塊通過(guò)盡量統一的接口對各模塊進(jìn)行調度和管理。微軟的組件對象模型技術(shù)（COM）就提供了這種特性。OPC規范應用COM/OLE技術(shù)實(shí)現了模塊化和可擴展性，但OPC規范主要針對工業(yè)控制領(lǐng)域，在本設計中無(wú)法完全實(shí)現，故直接采用COM技術(shù)，借鑒OPC的設計思想構建本設計。每個(gè)協(xié)議模塊和通信媒介模塊均是一個(gè)單獨COM組件，通過(guò)接口和回調接口與鏈路調度模塊進(jìn)行通信，鏈路管理模塊以總線(xiàn)方式實(shí)現對協(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度模塊轉發(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據接口，但是這些組件的特性千差萬(wàn)別，在設置參數和獲得當前狀態(tài)方面無(wú)法做到大致統一的接口，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用字符串或數組的方式傳遞，各組件在得到這些字符串后根據本身的情況進(jìn)行解析，得到特定的參數。
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。在多條獨立鏈路不同的線(xiàn)程中同時(shí)使用同一通信媒介時(shí)，各鏈路對物理層的操作將產(chǎn)生沖突，必須對通信媒介組件的數據輸入進(jìn)行串行化處理（排隊），使同一時(shí)刻，只處理一個(gè)輸入。在COM組件的多線(xiàn)程模型中，單線(xiàn)程套間（STA）模型有如下特點(diǎn)：如果某COM組件的對象生成在單線(xiàn)程套間中，則只有與同在一個(gè)套間特定的線(xiàn)程可以訪(fǎng)問(wèn)該對象不在同一套間的其他線(xiàn)程必須通過(guò)列集（marshal）技術(shù)才能訪(fǎng)問(wèn)該對象。這種技術(shù)基于COM ORPC協(xié)議和消息階列機制，自動(dòng)把對該對象的訪(fǎng)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)對象且生存在STA中，則通過(guò)列集技術(shù)它的訪(fǎng)問(wèn)自動(dòng)被串行化。
1.4 媒介模塊和協(xié)議模塊的設計
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)送數據、接收數據（回調）、參數設置、狀態(tài)改變報告（回調）、參數查詢(xún)、狀態(tài)查詢(xún)等接口。
例如在高速公路網(wǎng)絡(luò )中，專(zhuān)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )和撥號線(xiàn)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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