论实时网络通信系统的分析和设计.doc

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网友zbggqyk171近日为您收集整理了关于论实时网络通信系统的分析和设计的文档，希望对您的工作和学习有所帮助。以下是文档介绍：论实时网络通信系统的分析和设计【摘要】实时通信系统对于嵌入式工业应用具有十分重要的意义。本文以通用网络为切入点,介绍了基本的网络体系结构模型,并且以嵌入式实时网络通信系统为例,分析了通用网络直接变成嵌入式的缺陷。在此基础上,进行了实时网络通信系统设计的初步分析研究思路。【关键词】实时通信网络分析设计一、网络体系结构一般而言,许多个节点互相连接组成计算机网络,单独分割看,单个节点都是具备通信功能的计算机,构造方式是按照层次结构组成。属于不同系统的每个层级的实体之间能够进行相互通信。OSI 七层网络体系参考模型从下而上为:物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层,该模型是异构系统,它提供了标准框架下的互相连接系统的通信基本规则。该参考模型的抽象结构把不同系统的相同层的应用程序称为同等层实体,每一层都有专供上层调用的接口。不同层应用程序实体之间的互相通信是完整网络通信的基础。应用程序具体包括文件传输服务、电子邮件系统等等。不同系统同层实体之间的互相通信遵守的协议规则有语法(数据格式、编码方式等)、语义(同步信息和差错处理机制)和时序(速度匹配和排序)三部分组成。网络的通信传(来源：[])输协议由网络底层协议譬如传输介质、拓扑结构和介质访问控制方法决定,这些通用协议都属于物理层和链路层协议,是支撑网络硬件环境的基础。介质访问控制指的是包括工作站、网桥等所有设备共同享用传输介质时对于传输介质的使用权分配操作。何种设备控制介质分为集中式和分布式,集中式方案中由中心站点发送允许命令来决定设备是否能够向网络发送数据,分布式方案中所有的工作站联合动态发送数据,共同完成介质访问。集中式的优点是灵活多变、逻辑简单、避免复杂配合,缺点是单点故障较多,中心站点容易成为制约网络性能的瓶颈。分布式的优缺点正好相反。设备如何控制介质的问题则可以分为循环式、预约式和竞争式三种。二、实时通信网络的研究方向重点修改网络协议底层的物理层,通过定量的通道占用时间来达到通讯的实时性要求是很多研究人员的主攻方向。这种方法的特点是改动网卡等硬件,在物理从协议更改之后,其他上层协议全部改动,形成最终的仅支持某一协议的专用系统。常规的嵌入式网络使用该方法成本过高,开发时间长,专用型强而移植性和灵活性差。另外一种行之有效(来源：[])的方案思路是基于 IEEE802.3 协议基础上用令牌控制访问介质,防止报文之间互相碰撞。由于令牌是虚拟化的,所以硬件上不需要太大的改动,令牌的服务管理需要许多的功能支持和保障带来的代价是添加新的协议软件和网络的运营开销会大大增加。网络实时通信的两个重要方面是访问仲裁和传输控制,分别对应于网络节点控制介质的时间点和网络节点控制介质发送数据的时间段,这两方面分别保证了节点的实时性和整个网络的实时性。目前的实时通信协议大多侧重一个方面,因此嵌入式实时通信系统的设计需要另辟蹊径。三、实时网络通信系统分析设计要点实时网络通信系统的设计需要考虑应用背景、预算成本、管理方案和后期维护等等多种因素,本文以嵌入式网络通信系统为例对于实时网络通信系统设计中的要点做出相关阐述。(一)网络总体模型结构以及特定设计的原型系统中,网络节点具体化为 Liunx 下的嵌入式节点,所有节点通过以太网互连。整个网络通信系统功能为:服务器(Server)节点实时监控另外嵌入式节点状态。整个网络范围之外布置一个远程节点,该远程节(来源：[])点可以是专用节点,也可以是通用计算机,它通过因特网采用 Web网页的形式对服务器节点进行访问,进而实现对于嵌入式网络的实时监控。该系统需要满足的条件有适用于嵌入式环境资源限制条件、底层网络采用以太网避免冲突、与因特网互连、兼容 TCP/IP 协议、满足一定的 QoS质量要求等等。总体图形如下:(二)中间件的功能以及层次结构中间件的实时模型是命令/响应的模式,节点被分成控制器和远程终端,每个子网内部只保留一个控制器。控制器管理通信事务通过调度表来实现,远程终端仅仅需要响应控制器的命令完成访问操作即可。控制器完成仲裁和传输控制的功能,控制器协同操作可以确定节点开始发送数据的时间点,也能够保证节点发送数据的时间段。对于向上层提供服务则通过通信机制制定规范的编程接口来实现。Linux 系统中中间件作为系统服务项,因此对于中间件实行模块化的封装便于系统守护进程,获取所需要的系统资源,与环境相适应。编译完成的模块伴随的系统的启动自动加载。统一网络中,节点内核在节点启动之后调用相应的 模块自动通信,周期性(来源：[])采集数据。不需要参与数据交换的节点由用户手动删除即可。(三) 协议C-S 模式基于命令/响应方式,使用与该嵌入式实时通信系统的帧结构、消息序列定义、差错和流量控制以及面向上层的服务接口等内容统称为 协议。该协议适用的专用网络具有如下特点:底层标准是以太网介质,竞争机制是 CSMA/CD,兼容 TCP/IP 协议,没有其他网络服务存在于网络中。在具有上述特点的专用网络中使用 协议不需要对于硬件做出过多的修改,而且保持对于 IP 协议的兼容性。协议帧封装在 IP 数据包之中。每一个 帧头长为 4 字节,由头长决定 帧的类型(命令帧、应答帧、数据帧和广播帧)。帧后内容的定义根据嵌入式环境的不同而采取不同的定义。四、结语为了满足工业环境要求,实时通信系统的开发方向应该是保证每个节点的实时性和整个网络的实时性。修改底层协议或者虚拟令牌环的方式都难以满足嵌入式实时网络通信系统的要求。嵌入式网络通信系统的设计需要采用特定的系统结构模型,利用模块化的中间件,采用特定的 协议为上层应用接口提供服务。参考文献:[1]沈涛.Linux 内核实时性以及网络实时性的研究[D].南京邮电大学,2013.[2]曹志军.移动网络通信系统优化设计的方法[J]. 信息通信,2013,07:204-205.[3]周安栋,张伽伟,石鸿萍. ARM11 嵌入式系统实时网络通信和 LCD显示的实现[J]. 现代电子技术,2011,16:7-9.

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