一種以太網數據記錄微機及其應用技術*

楊 咚 鐘 藝 呂衛平

(1.海軍駐昆明地區軍事代表辦事處 昆明 650118)(2.中國船舶重工集團公司第705研究所昆明分部 昆明 650118)

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一種以太網數據記錄微機及其應用技術*

楊 咚1鐘 藝2呂衛平2

(1.海軍駐昆明地區軍事代表辦事處 昆明 650118)(2.中國船舶重工集團公司第705研究所昆明分部 昆明 650118)

某智能系統的各系統通過以太網網絡交換機交換數據,該系統的數據記錄微機通過網絡交換機鏡像口采集各個系統的交互數據。論文結合若干實際應用問題及其解決方案,介紹了該微機的應用設計技術。

以太網; 鏡像口; 數據記錄

Class Number TP393.1

1 引言

隨著現代信息系統智能化水平不斷提高,對各子系統之間的通訊信息量大小和通訊速度的要求也越來越高,由于以太網的傳輸速度高、傳輸距離遠和應用廣泛等優點[1],采用以太網技術作為通訊手段是未來智能化信息系統的發展趨勢[2～3]。因為在某兩個子系統通過以太網進行通訊時,其它系統也有可能需要通訊,所以一般各系統的數據交互要通過網絡交換機進行；而且由于以太網數據不能通過第三端直接引線實現數據記錄,所以該類信息系統的數據記錄微機一般是通過以太網交換機的鏡像口采集數據。在系統內某兩個子系統發生數據交互時,以太網交換機會自動把該數據復制一份傳輸至鏡像口,再傳輸至數據記錄微機,如圖1所示。

圖1 某信息系統通訊架構簡圖

該信息系統網絡通訊采用了UDP協議[4],其數據記錄微機最主要的特點就是要實時處理海量網絡數據,既包括除數據微機外其他系統相互交互的鏡像數據,還包括主控系統和數據記錄微機直接交互的網絡數據。該數據記錄微機在實際應用中遇到問題較多,概括地說,數據記錄微機不僅是一個網絡數據接收方,而且是一個網絡通訊的被攻擊方,有可能因為數據接收的強度超過系統設計負荷而死機；再者,系統內部存在復雜的電磁環境,對以太網通訊造成了干擾,這對數據記錄微機需要真實記錄網絡數據帶來了挑戰。

2 數據接收風暴問題

在圖1中,數據記錄微機采集數據具有兩個特點。第一個特點是,系統1、系統2、乃至系統n之間每通訊一次,數據記錄微機都需要產生一個中斷事件用于接收鏡像數據,這種數據只要求數據記錄微機對其進行記錄；第二個特點是,由于有一部分數據是主控系統直接發給數據記錄微機的,數據記錄微機需要對這部份數據做出記錄、響應和回復,但是數據記錄微機每一次接收數據時,不能事先知悉該數據屬于哪一類,所以數據記錄微機對于每一幀以太網數據都需要解析。

如果系統在數據接收中斷事件觸發時就對數據進行解析,而且單位時間內數據接收的次數太多,容易產生中斷嵌套現象,如圖2所示,當出現數據接收風暴時,也就是在某時間段內當網絡接收中斷事件的次數超過了數據記錄微機的設計負荷時,數據記錄微機的資源會永遠用于處理中斷事件,程序無法從中斷事件中解脫出來,產生了死機現象[5]。

圖2 中斷嵌套流程圖

為了應對數據接收風暴問題,本文給出一種解決方案以供參考,如圖3所示。

圖3 解決方案查詢程序和中斷程序流程圖

圖2故障現象的根源在于系統軟件在中斷事件中處理過于復雜的事件,可以在中斷程序中不解析網絡包,只是讓驅動層程序接收數據送至堆棧緩沖,而且應用層程序把中斷變量累加,然后迅速跳出中斷程序；在應用層主程序中按照一定節拍調用查詢程序,對堆棧緩沖區的網絡數據包進行逐個解析,有必要時還進行網絡回復,當中斷變量過大,超過系統最大負荷中斷處理個數max時,強行把中斷變量清零和退出查詢程序。這樣可以讓中斷事件處理非常快速,不會形成圖2的深度中斷嵌套現象；即便出現某時間內數據接收包過多,查詢程序的循環次數太大,或者本次查詢處理超時的情況,可以通過強行復位,退出查詢程序,系統不會因為數據接收風暴問題而死機。

再者,數據風暴問題還可能表現為該信息系統內某系統異常發出多個超長網絡包,可能造成數據記錄微機數據記錄緩沖溢出；而且在實驗室調試時,由于有若干調試設備直接或者間接通過網線連接到系統網絡交換機,這些調試設備連接到目標計算機過程中會產生大量ARP網絡包,通過網絡交換機廣播到每一個通訊端口；此外,安裝Windows操作系統的調試設備,當其網口連接到網絡交換機時,Windows操作系統會隨機向交換機發出不明網絡包,這些數據都是室外使用沒有的網絡數據。為此,數據記錄微機在設計時,應當對接收到非法信息進行有選擇記錄,因為調試過程中只需要把非法信息網絡包和合法信息網絡包區別,記錄內容只要包括發起方IP、接受方IP、本幀數據長度,以及報文前20個字節即可；此外,應該對每周期非法信息的記錄最大長度進行管制,防止記錄數據緩沖溢出。

3 鏡像口數據失真問題

在系統內部網絡通訊中,某兩個系統的單次網絡通訊環節如圖4所示[1],在絕大多數情況下,系統1發到系統2的數據,與數據記錄微機接收到的鏡像數據是一致的,符合網絡鏡像口原理；但是由于通道2和鏡像口通道屬于兩條獨立的物理鏈路,網絡信號在傳輸過程中受到的電磁干擾是不一致的,存在一種小概率事件,從系統1發出的數據,分別在系統2和數據記錄微機收到的數據是不一致的。這種故障現象會帶來兩個嚴重的后果,一方面在系統室外試驗過程中,一些屬于系統控制的重要命令會在通訊過程中失真,給系統試驗的安全性帶來嚴重隱患；另一方面,在系統回收后,從數據記錄微機的數據中很難分析出數據失真的真實情況。

圖4 某一幀通訊環節示意圖

本文給出一種解決方案以供參考,圖5是UDP數據包的格式[6～7],圖1中的該信息系統要求網絡通訊的實時性很高,內部各子系統通訊采用UDP協議的目的是希望以最小的開銷來達到網絡環境中的進程通信目的,UDP協議在完成進程到進程的通信中提供了一定的差錯檢驗功能,在圖4中,系統1發出的UDP網絡包在組幀時,可以計算以及合成圖5中的UDP數據包校驗和。

圖5 UDP數據包格式

圖6 UDP用戶數據報文傳輸封裝與拆封示意圖

圖6是UDP用戶數據報文傳輸過程中的封裝與拆封原理示意圖[8],在圖6處理過程中,系統2在收到該UDP包時,計算并判斷接收數據包UDP頭的校驗和是否正確,如果不正確,則說明該數據在傳輸過程中已經失真,系統2對該幀不做相關響應；隨后系統2回復系統1一幀UDP包,在組幀時除了包含正常需求的數據外,在用戶應用層協議里定義一組數據,用于表示上一幀系統2收到的UDP包校驗和不對,該回復幀會通過網絡交換機鏡像口在數據記錄微機形成記錄數據,供系統試驗結束回收后數據分析；在這里,數據記錄微機對于鏡像數據不做校驗和判斷,而是直接記錄,當出現系統2回復系統1的UDP數據包也失真這種極端情況時,數據記錄微機可以在用戶應用層數據里,讓系統1發至系統2數據失真情況得到反映。

4 內存數據沖突問題

該數據記錄微機在使用過程中,有三個和內存有關的操作:網絡接收,即通過查詢程序從驅動層緩沖取出網絡接收數據；數據組合,即把網絡接收原始數據、網絡發送原始數據、以及其他數據記錄微機的科研參數進行一定的周期分割和排序；數據記錄,即把組合處理后的數據從內存區寫入存儲設備[9]。如果這三個操作只用同一個內存緩沖區,則數據記錄微機會因為內存沖突而死機,圖7提供了一個內存輪轉使用解決方案,在每一個處理周期,數據記錄微機某一個內存緩沖只做一個操作,這樣可以把該操作的內存數據保護起來,不會因為內存沖突而死機；在本周期結束時,緩沖區的使用方式再輪轉一遍。

圖7 多緩沖輪轉流程圖

在圖7處理過程中,如果該信息系統突然異常斷電,數據記錄微機會有兩到三個周期的數據駐留在內存里,來不及寫入存儲設備,造成事后分析數據缺失。為了應對這種意外情況,數據記錄微機需要外接一組備用電池,其供電電壓略低于該信息系統供電電源供電電壓,與該信息系統供電電源以并聯方式作為數據記錄微機電源的輸入端,其中每一個輸入分支,還配有一個防電流倒灌二極管,防止備用電池和該信息系統供電電源的電流互相倒灌。在通常情況,由于該信息系統供電電源的電壓較高,數據記錄微機使用該信息系統供電電源的能量；當出現該信息系統供電電源異常斷電時,備用電池會自動接管數據記錄微機電源的輸入,保證數據記錄微機不間斷供電,這樣可以確保圖7最后兩到三個周期的數據可以完整記錄。

5 調試設備控制時差問題

普通數據記錄微機的調試設備都是一臺PC機或者工控計算機,主要用于模擬該信息系統內部各系統的網絡通訊,并把這些數據直接輸入到數據記錄微機,用于檢查數據記錄微機的數據記錄和網絡回復功能是否正常,如圖8所示。

在上位機用網絡檢測軟件可以發現,在圖8的發送網絡報文過程中,每個報文在一段時間內能按照上位機軟件設定的時間間隔發送至數據記錄微機,在另一段時間則出現實際時間間隔和設定的不一致情況(誤差達到了毫秒級),這是因為大部分調試設備裝載的操作系統都是Windows,該操作系統是一個多任務操作系統,CPU除了處理用戶線程,還要處理很多系統線程,容易出現控制時差現象。

圖8 普通數據記錄微機調試設備通訊原理圖

下面提供了一個控制時差問題的解決方案,圖9是硬件連接圖,圖10是通訊原理圖,主要原理是通過一個嵌入式系統作為通訊中繼器[10],把上位機模各子系統通訊的數據轉發至數據記錄微機。

圖9 帶網絡時差矯正系統的數據記錄微機調試設備硬件連接圖

首先,上位機向網絡時差矯正模塊發送一大幀報文,該報文包含模擬該信息系統各系統通訊的若干小幀報文以及這些報文的時間間隔,網絡時差矯正模塊收到該報文并解幀,隨即按照設定的時間間隔向數據記錄微機發送模擬該信息系統內部通訊的若干幀報文,在這里由于網絡時差矯正模塊是一個嵌入式系統,所以可以精確地模擬時間節拍,向數據記錄微機發送模擬該信息系統內部通訊的報文；其中數據記錄微機收到模擬該信息系統主控系統的呼叫報文時,向網絡時差矯正模塊回復一幀報文；網絡時差矯正模塊收到該回復報文后,記錄該報文的回復速度V,并向上位機轉發該報文以及該報文的回復速度V。

可以通過圖9的以太網交換機鏡像口接入一個通用儀器網絡分析儀,可以精確地測出網口2向網口3發送的實際網絡報文時間間隔,把該參數和設定的時間間隔進行比較,測得兩者誤差小于0.1ms,證明該方案可以有效地解決控制報文發送間隔的時間誤差問題。

從圖10還可以看出,該方案不但可以精確控制報文的發送時間間隔,還可以在線反饋數據記錄微機回復該信息系統主控系統的網絡速度,這也是檢驗數據記錄微機性能的重要指標。

圖10 帶網絡時差矯正系統的數據記錄微機調試設備通訊原理圖

6 結語

本文討論了該信息系統用采集以太網鏡像口數據的數據記錄微機在實際應用中的若干問題,其中利用簡化中斷程序方案應對數據接收風暴問題,利用UDP網絡包校驗和的計算和判斷方案應對數據傳輸干擾問題,利用三級緩沖和不間斷供電方案應對內存數據沖突問題,利用嵌入式系統應對調試設備網絡控制時差問題,取得了較好效果。

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A Sort Of Ethernet Data Recorded Microcomputer and Its Applications Technology

YANG Dong1ZHONG Yi2LV Weiping2

(1.Navy Representative Office in Kunming,Kunming 650118)(2.Kunming Branch of the 705 Research Institute of China Shipbuilding Industry Corporation,Kunming 650118)

Each system of an intelligent system exchange the data via the Ethernet switches.The microprocessor for data recording collects interactive data from each system through the mirror port of network switch.Several practical applications are combined with relative solutions,and the application designing technology of this microprocessor is introduced.

ethernet,port mirroring,data records

2014年8月3日,

2014年9月26日

楊咚,男,研究方向:水中兵器研制。鐘藝,男,高級工程師,研究方向:水中兵器內測系統研制。呂衛平,男,研究員,研究方向:水中兵器內測系統研制。

TP393.1

10.3969/j.issn1672-9730.2015.02.029