1引言

現代監控系統的監控對象越來越復雜，越來越分散，信號采集終端呈現分布式趨勢。各個信號采集終端經常用小巧靈便、易于控制和性價比高的嵌入式系統構成相對獨立的數據采集系統，然后通過網絡將數據傳輸到上位機服務器進行統一分析處理 ［1］。負責數據傳輸的網絡通信協議和軟件在整個監控系統中起著十分重要的作用，然而周圍環境的電磁干擾、上位機 CPU被占用等情況可能導致網絡阻塞、連接中斷等，如果軟件不能及時發現故障并做出相應的處理，將會直接影響到整個系統的穩定性，導致數據采集中斷，甚至使系統癱瘓。利用實時操作系統 VxWorks對多任務的良好支持，本文提出了一種基于緩沖隊列的網絡通信模式，并添加了網絡狀態監測功能，使系統能夠快速的對網絡斷線等故障做出響應，提高了網絡通信的穩定性和可靠性。

2 VxWorks及分布式數據采集系統介紹

VxWorks是美國風河（ Wind River Systems）公司開發的一套具有微內核、可裁減的高性能實時操作系統，適用于當下所有流行的目標 CPU平臺，支持廣泛的網絡通信協議，為開發者提供了高效的實時多任務調度、終端管理、實時的系統資源及實時的任務間通信功能，是嵌入式領域中應用最多的實時操作系統之一［2］。VxWorks采用了與 4.4BSD TCP/IP兼容的實時網絡協議棧，使得網絡開發變得易于進行和方便移植。利用 VxWorks對多任務和Socket的良好支持，可以方便地實現網絡通訊。

圖1是我們開發的一個基于 TCP/IP協議的分布式監測系統的結構示意圖。該系統主要可分為三個層次結構：服務器、采樣節點、傳感器。傳感器負責采集信號，將物理信號轉換為電信號；采樣節點首先對信號進行預處理，然后通過 A/D芯片將信號轉換為數字信號，最后通過網絡傳送給服務器；服務器負責數據的接收、分析、存儲并顯示結果。服務器和采樣節點之間通過TCP/IP協議進 行數據的傳輸與接收，網絡通訊程序的質量直接影響著整個系統的穩定性和可靠性。TCP/IP協議是目前廣泛采用的一組完整的網絡通信協議，可以用在各種各 樣的信道和底層協議之上，是一組不基于任何特定硬件平臺而可實現異種機互聯的網絡通信協議，在網絡通信中被廣泛應用［3-4］。

具體表現為，消息隊列初始為空，數據發送任務阻塞在消息隊列上，網絡正常情況下，每有新的消息單元到達時，數據發送任務就將該消息單元指向的數據包立刻發送出去；如果某個時刻網絡受到外界環境的影響變地不穩定或發生短暫阻塞，數據包不能及時發出，該數據包就可緩存在 Buffer中，其地址信息緩存在消息隊列中，而不會丟失，等網絡正常后再發送出去。基于緩沖隊列的網絡通信模式如圖 3所示。根據待傳輸信息的緊急程度，不同的任務可以選擇基于 FIFO或優先級向緩存隊列中寫入消息單元。

實驗時，以一臺普通 PC機作為上位機服務器，采樣節點和服務器之間通過一個百兆的交換機相連。采樣節點的所有采集通道全開，均設為最大采樣率，服務器每隔 5秒鐘查詢一次節點狀態，此時數據傳輸率約為 65Mbit/s，系統連續運行 8小時。實驗結果顯示服務器收到的數據包數目和采樣節點發送的數據包數目相同，數據傳輸丟失率為 0.0%。

3網絡監測原理

當網絡發生中斷時，系統軟件應該能夠盡快發現網絡故障，并在網絡恢復后仍可正常運行，因此軟件應該具備網絡監控功能，實時監測網絡的連通性。監測網絡連通性的一個比較簡單的方法就是通過服務器向采樣節點不間斷發送 ICMP（Internet控制消息協議 ）包，如果能收到回應則證明網絡連通，反之則表示網絡中斷。此法雖然簡單，但是當節點比較多時，大量的 ICMP數據包會占用 CPU資源，降低服務器的效率，故此法不可行。圖 4是我們設計的一個網絡監控原理圖。

為避免影響到數據的實時傳輸，通信雙方各建立兩個 socket端口，一個作為數據通道專門用來傳遞數據信息，另一個用作監控通道，傳遞應答信號，監測網絡的連通性；監控通道負責管理和維護數據通道。節點 和服務器端運行的監控任務都是無限循環任務，每若干秒運行一次。在每一個循環周期內，采樣節點都會向服務器發起一次連接，服務器端收到采樣節點的連接請求 后，和其建立連接，然后向其發送信號指令。采樣節點收到信號指令后，向服務器發送應答信號，服務器若能在 T_wait時間內收到應答信號，則判定網絡通暢，否則認為網絡中斷。如果某時刻網絡出現斷線，那么重新建立連接后，服務器會向采樣節點發送重新連接指 令，采樣節點收到重新連接指令后，會關閉原有的數據傳輸 socket，重新和服務器建立數據傳輸通道。

實驗時，通過插拔網線模擬網絡的連通和斷線。結果表明，在系統進行數據傳輸時拔掉網線，若在 20秒內再接上，由于采樣節點具有一定的緩存能力，數據不會丟失，網絡仍可正常工作；若拔掉網線，超過 20秒之后再接上網線，采樣節點和服務器之間會重新建立連接，網絡仍可正常工作，但由于緩存隊列溢出，數據會發生丟失；若拔掉網線超過 30分鐘，采樣節點會判定網絡中斷、記錄故障并自動關閉系統，插上網線后，服務器通過網絡遠程啟動采樣節點，系統繼續正常工作。

4總結

利用 VxWorks對多任務和網絡的良好支持，本文提出了一種基于緩沖隊列的帶網絡狀態監測功能的網絡通信模式，目前已經在我們開發的分布式監控系統中得到應 用。該網絡通信模式使系統能夠應付一定的網絡故障，提高了系統的可靠性。該模式還可以方便地應用到其它嵌入式網絡開發中，具有廣泛的應用前景。本文作者創 新點：本文提出的這種基于緩沖隊列的帶網絡狀態監測功能的網絡通信模式，充分地利用了 VxWorks對多任務和網絡的良好支持，消息隊列不僅同步任務，還可作為緩存隊列用來緩存數據，使系統能夠應付一定的網絡波動；監控任務的工作模式使系 統能夠快速發現網絡故障并做出響應，待網絡故障排除后仍可正常運行。