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多媒介通信系統(tǒng)鏈路管理的設(shè)計和實現(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到點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、多通信媒介上進行鏈路管理和調(diào)度的解決方案，并給出了具體實現(xiàn)。在許多應(yīng)用中，如軍事通信中的C4I系統(tǒng)、政府部門和特殊行業(yè)中的某些重要通信系統(tǒng)，對通信網(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到可靠性的要求。在C4I系統(tǒng)中，把現(xiàn)有的和未來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)收費系統(tǒng)中，因為需要一個24×7的可靠通信平臺，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)提供的撥號線（普通調(diào)制解調(diào)順或ISDN）連接作為臨時備用線路。不同通信媒介的效率和經(jīng)濟性差別很大。對不同類型的通信鏈路必須進行綜合調(diào)度，做到自適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，自動在主用鏈路和多條備用鏈路間進行切換。這樣才能適應(yīng)這些系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)生存能力的要求。
傳統(tǒng)開過程中，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)用程序中直接對不同類型鏈路進行管理和調(diào)度，這對整個系統(tǒng)的開發(fā)、升級、擴展帶來了很大問題。一方面應(yīng)用軟件開發(fā)者需要耗費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目中無法復(fù)用；另一方面，當(dāng)系統(tǒng)需要升級通信設(shè)備，或者擴展新的通信媒介時，幾乎相當(dāng)于重新開發(fā)整個系統(tǒng)。同時，在多個應(yīng)用程序共享通信設(shè)備時容易產(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)計思路，提出了基于COM技術(shù)的解決方案。
圖1 節(jié)點間的多種通信媒介綜合使用
1 系統(tǒng)設(shè)計
1.1 設(shè)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(shù)據(jù)鏈，即超鏈，它表示每一個節(jié)點到相鄰點的連接，而并不關(guān)心具體的通信媒介OPC規(guī)范通過提供標(biāo)準接口的方法，使下層設(shè)備無需了解上層應(yīng)用，上層標(biāo)準接口的方法，使下層設(shè)備無需了解上層應(yīng)用，上層應(yīng)用亦無需關(guān)心下層設(shè)備的細節(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，使得應(yīng)用軟件和通信設(shè)備間的無關(guān)性得以實現(xiàn)，并把對通信設(shè)備的訪問進行統(tǒng)一管理，解決了并發(fā)沖突問題。
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）層之上對底層進行封裝，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)類型對通信性能（如一次可傳輸消息大小、實時性等指標(biāo)）的要求差別很大。針對不同數(shù)據(jù)類型，設(shè)計具有不同性能的傳送層協(xié)議，并實現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)度，是實際應(yīng)用的需求。只有在傳送層之上進行封裝才有可能屏蔽不同媒介所帶來的差異。系統(tǒng)整體描述如圖2所示。
鏈路的調(diào)度管理層對不同協(xié)議、不同通信媒介以及不同鏈路進行一管理和調(diào)度。通信媒介1～n表示諸如專線網(wǎng)絡(luò)、撥號線-MODEM、無線調(diào)制解調(diào)器-無線電臺及與此類似層次、將來擴展的不同通信媒介，鏈路調(diào)度管理層對這些通信媒介進行初始化、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)議以及將來擴展的各種不同協(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)到來時并不直接與各通信媒介模塊通信，而是通過鏈路管理層訪問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(shè)備聯(lián)系緊密）并不支持并發(fā)訪問，鏈路管理層把對它們的訪問串行化。
1.3 模塊化和可擴展性
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多的改動，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)計和實現(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。鏈路調(diào)度模塊通過盡量統(tǒng)一的接口對各模塊進行調(diào)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(guī)范應(yīng)用COM/OLE技術(shù)實現(xiàn)了模塊化和可擴展性，但OPC規(guī)范主要針對工業(yè)控制領(lǐng)域，在本設(shè)計中無法完全實現(xiàn)，故直接采用COM技術(shù)，借鑒OPC的設(shè)計思想構(gòu)建本設(shè)計。每個協(xié)議模塊和通信媒介模塊均是一個單獨COM組件，通過接口和回調(diào)接口與鏈路調(diào)度模塊進行通信，鏈路管理模塊以總線方式實現(xiàn)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(diào)度模塊轉(zhuǎn)發(fā)。
所面臨的難點之一在于協(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別，在設(shè)置參數(shù)和獲得當(dāng)前狀態(tài)方面無法做到大致統(tǒng)一的接口，可以通過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)本身的情況進行解析，得到特定的參數(shù)。
難點之二，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程中同時使用同一通信媒介時，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(shù)據(jù)輸入進行串行化處理（排隊），使同一時刻，只處理一個輸入。在COM組件的多線程模型中，單線程套間（STA）模型有如下特點：如果某COM組件的對象生成在單線程套間中，則只有與同在一個套間特定的線程可以訪問該對象不在同一套間的其他線程必須通過列集（marshal）技術(shù)才能訪問該對象。這種技術(shù)基于COM ORPC協(xié)議和消息階列機制，自動把對該對象的訪問串行化了。所以如果每個通信媒介組件都只有一個對象且生存在STA中，則通過列集技術(shù)它的訪問自動被串行化。
1.4 媒介模塊和協(xié)議模塊的設(shè)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(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)（回調(diào)）、參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)改變報告（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）提供了一個基本與協(xié)議無關(guān)的傳送
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