基于udp的傳輸技術(shù)在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用

基于udp的傳輸技術(shù)在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用

0fcu和浚元管理子系統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在工業(yè)計(jì)算機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)單元（以下簡(jiǎn)稱rcu）通常用于收集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)并執(zhí)行操作命令，而主管服務(wù)器（以下簡(jiǎn)稱服務(wù)器）應(yīng)負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的分析和處理并發(fā)布控制命令。FCU和Server組成完整的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò),形成了一類常用的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,如何在多個(gè)站點(diǎn)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸及如何保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝?、可靠性是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一。針對(duì)這個(gè)問題,結(jié)合實(shí)際開發(fā),本文將UDP協(xié)議應(yīng)用到監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,并闡述了應(yīng)用UDP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程和方法。1設(shè)計(jì)理念1.1增設(shè)udp協(xié)議UDP是UserDatagramProtocol的簡(jiǎn)稱,中文名是用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議,是TCP/IP體系結(jié)構(gòu)中一種無連接的傳輸層協(xié)議,提供面向事務(wù)的簡(jiǎn)單不可靠信息傳送服務(wù)。UDP是構(gòu)建于底層IP協(xié)議之上的傳輸層協(xié)議。利用UDP協(xié)議可以使用廣播的方式同時(shí)向子網(wǎng)上的所有設(shè)備發(fā)送信息,也可以使用組播的方式同時(shí)向網(wǎng)絡(luò)上的多個(gè)設(shè)備發(fā)送信息。UDP協(xié)議的主要作用是將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量壓縮成數(shù)據(jù)包的形式。一個(gè)典型的數(shù)據(jù)包就是一個(gè)二進(jìn)制數(shù)據(jù)的傳輸單位。每一個(gè)數(shù)據(jù)包的前8個(gè)字節(jié)用來包含報(bào)頭信息,剩余字節(jié)則用來包含具體的傳輸數(shù)據(jù)。1.2接收端的速度、帶寬UDP是一個(gè)無連接協(xié)議,傳輸數(shù)據(jù)之前,源端和終端不建立連接,當(dāng)它想傳送時(shí)就簡(jiǎn)單地去抓取來自應(yīng)用程序的數(shù)據(jù),并盡可能快地把它發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上。在發(fā)送端,UDP傳送數(shù)據(jù)的速度僅僅是受應(yīng)用程序生成數(shù)據(jù)的速度、計(jì)算機(jī)的能力和傳輸帶寬的限制;在接收端,UDP把每個(gè)消息段放在隊(duì)列中,應(yīng)用程序每次從隊(duì)列中讀一個(gè)消息段。由于UDP屬于無連接型協(xié)議,具有資源消耗小、處理速度快的優(yōu)點(diǎn),所以通常音頻、視頻和普通數(shù)據(jù)在傳送時(shí)使用UDP較多,因?yàn)樗鼈兗词古紶杹G失一兩個(gè)數(shù)據(jù)包,也不會(huì)對(duì)接收結(jié)果產(chǎn)生太大影響。同樣,在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,對(duì)數(shù)據(jù)傳輸可靠性要求不高,而且客戶端有多臺(tái)設(shè)備與服務(wù)器相互通信,適合使用UDP協(xié)議,同時(shí),也會(huì)在UDP的基礎(chǔ)上增加一些為保證可靠數(shù)據(jù)傳遞所必需的功能,使其成為一個(gè)基于消息的可靠傳遞協(xié)議。1.3通訊控制幀的幀類型在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,本文根據(jù)開發(fā)實(shí)際,將傳輸數(shù)據(jù)分為以下通訊控制及數(shù)據(jù)傳送兩類,通訊控制幀的幀類型值范圍為0x01-0x1f,數(shù)據(jù)傳送幀的幀類型值范圍為0x20-0xff。每一類包含的幀類型及用途見表1。1.4接收確認(rèn)信息反饋根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)分類,設(shè)計(jì)出FCU和Server之間的數(shù)據(jù)傳輸格式協(xié)議主要內(nèi)容如下:1)工作狀態(tài)/編號(hào):兩個(gè)字節(jié)長,低字節(jié)為本節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài),高字節(jié)為本節(jié)點(diǎn)的編號(hào);低字節(jié)在前,高字節(jié)在后。2)發(fā)送序號(hào):一個(gè)字節(jié)長,是發(fā)送方對(duì)所發(fā)送的數(shù)據(jù)傳送幀的順序編號(hào),由發(fā)送方填寫。所有數(shù)據(jù)傳送幀的發(fā)送均須按照順序填寫發(fā)送序號(hào)并要求從接收方取得接收確認(rèn),通訊控制幀的發(fā)送不需要接收確認(rèn)信息。3)確認(rèn)序號(hào):一個(gè)字節(jié)長,是作為接收確認(rèn)信息反饋給發(fā)送方的,由接收方填寫的已正確接收到的最近一幀的發(fā)送序號(hào)。接收方在正確接收到發(fā)送方的數(shù)據(jù)后,將幀中的發(fā)送序號(hào)作為確認(rèn)序號(hào)發(fā)送給原發(fā)送方。發(fā)送方依據(jù)確認(rèn)序號(hào)判斷幀發(fā)送是否成功。4)時(shí)間戳:五個(gè)字節(jié)長,此時(shí)間戳表示本包數(shù)據(jù)的發(fā)送時(shí)間,格式為:月(1byte)/日(1byte)/時(shí)(1byte)/分(1byte)/秒(1byte)。5)幀類型:一個(gè)字節(jié)長,表示該幀的類型。幀類型大致可分為兩種類型:通訊控制幀和數(shù)據(jù)傳送幀,如表1所示。通訊控制幀的幀類型值范圍為0x01-0x1f,數(shù)據(jù)傳送幀的幀類型值范圍為0x20-0xff。對(duì)于不同類型的數(shù)據(jù),填入不同的幀標(biāo)志和相應(yīng)的內(nèi)容,通過UDP協(xié)議發(fā)送到目標(biāo)地址上。6)數(shù)據(jù)長度:該數(shù)據(jù)傳送幀所包含的數(shù)據(jù)內(nèi)容部分的字節(jié)長度,兩個(gè)字節(jié),其中低字節(jié)在前,高字節(jié)在后。7)數(shù)據(jù)內(nèi)容:該數(shù)據(jù)傳送幀所攜帶的數(shù)據(jù)內(nèi)容,對(duì)通訊控制幀沒有此部分?jǐn)?shù)據(jù)。8)CRC校驗(yàn)CRC校驗(yàn)碼生成多項(xiàng)式為:G(X)=X16+X12+X5+1,計(jì)算初值為0;校驗(yàn)內(nèi)容從“首部長”到“數(shù)據(jù)內(nèi)容”的所有字節(jié);計(jì)算結(jié)果為兩個(gè)字節(jié)長,在幀格式中按照低字節(jié)在前,高字節(jié)在后的方式存放。2接收方接觸數(shù)據(jù)控制UDP協(xié)議在工作時(shí)主要靠主機(jī)IP地址和端口號(hào)來識(shí)別數(shù)據(jù),發(fā)送方把一幀數(shù)據(jù)附加上對(duì)方的IP地址和端口號(hào)就能把數(shù)據(jù)發(fā)送到目標(biāo)接收方,接收方通過事件觸發(fā)來讀取數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的內(nèi)容。本系統(tǒng)的各客戶端、服務(wù)器要經(jīng)常性地相互通信。C#將C++中的UDP通信功能進(jìn)行了很好地封裝,提供了功能強(qiáng)大的UDP通信控件。用戶在使用通信控件時(shí),可以根據(jù)需要隨時(shí)生成。使用C#的通信控件,比其他語言或控件要容易實(shí)現(xiàn),并且穩(wěn)定可靠。2.1多連接的通信在C#中,提供了幾個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信用的類:Dns類、IPHOStEntry類、IPEndPoint類以及UdpClient類。這些類可以在通信程序中根據(jù)需要使用。其中,IPEndPoint類表示網(wǎng)絡(luò)地址和服務(wù)端口組成的終結(jié)點(diǎn)。IPEndPoint類包含應(yīng)用程序連接到主機(jī)上的服務(wù)所需的主機(jī)和端口信息。通過組合服務(wù)的主機(jī)IP地址和端口號(hào),IPEndPoint類形成到服務(wù)的連接點(diǎn)。UdpClient類是C#實(shí)現(xiàn)UDP通信的類,可以在無連接的情況下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。在同步阻塞方式下,可以使用它的Send方法和Receive方法。2.2多路接收數(shù)據(jù)以及發(fā)送數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,有的模塊在程序運(yùn)行過程中要同時(shí)獨(dú)立接收多路數(shù)據(jù)以及發(fā)送數(shù)據(jù),并且在接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候還會(huì)進(jìn)行其他操作,必須使用多線程處理。使用C#的Thread類可以方便地處理多線程問題。2.3接收方udpUDP協(xié)議使用報(bào)頭中的校驗(yàn)值來保證數(shù)據(jù)的安全。校驗(yàn)值首先在數(shù)據(jù)發(fā)送方通過特殊的算法計(jì)算得出,在傳遞到接收方之后,還需要再重新計(jì)算。如果某個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)在傳輸過程中被第三方篡改或者由于線路噪音等原因受到損壞,發(fā)送和接收方的校驗(yàn)計(jì)算值將不會(huì)相符,由此UDP協(xié)議可以檢測(cè)是否出錯(cuò)。CRC校驗(yàn)的計(jì)算方法已在前文給出。3fcu對(duì)拾遺存儲(chǔ)通訊該協(xié)議已用于部署在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。所有設(shè)備連接并啟動(dòng)監(jiān)測(cè)軟件后,FCU與Server已經(jīng)成功建立連接。其工作過程為:FCU一直向Server發(fā)送通訊請(qǐng)求DC2,啟動(dòng)Se