嵌入式通信系統中間件研究

盧遠征

摘 要：嵌入式通信系統的廣泛應用使得網絡系統互連成為大勢所趨。作為嵌入式通信系統的關鍵構件——中間件，其具有異構性、異質性、對等性等特征。嵌入式中間件即應用在嵌入式通信系統的中間件，但嵌入式中間件與傳統的中間件相比，由于嵌入式環境的資源限制，嵌入式通信系統的中間件功能和結構要更為緊湊，實時性也更高。本文分析了嵌入式通信系統的中間件的架構，為解決嵌入式通信系統互連的通信問題提供可行性方案。

關鍵詞：嵌入式通信；中間件；馬爾可夫決策過程；路由算法

一、嵌入式通信系統中間件概述

1. 嵌入式通信系統中間件

中間件系一種獨立的系統軟件程序或者服務程序，其提供一個網絡的化高層抽象集合。嵌入式通信系統的中間件的作用是將編程人員從復雜的聯系中解脫出來，并提供安全的消息、目錄、服務和文件等功能。嵌入式通信系統軟件開發者需要屏蔽底層、繁瑣、易錯的細節，同時又起到互連、互動的作用，嵌入式通信系統借助中間件在不同的技術之間共享資源。因此，嵌入式通信系統下的中間件可以簡化為中間件平臺通信。

2. 嵌入式通信系統中間件的功能模塊

研究嵌入式通信系統中間件，需先分析其功能模塊。對實時編程、構件技術進行分析，可以提高信息協同能力。對消息傳遞、排隊技術進行分析，建立網絡通信通道。進行數據、文件發送設計，可以適應多種嵌入式操作系統環境，亦可運行于單任務或無操作系統支撐的環境。支持可擴充性的嵌入式通信系統技術，可以滿足嵌入式通信系統的實時性。嵌入式通信系統中間件在上述過程中完成以下功能：自動發現通信設備；屏蔽配置通信設備異構性；消息的路由傳遞和排隊；建立網絡通信的通道；控制數據、文件傳輸。

二、嵌入式通信系統中間件的系統架構

1. 嵌入式通信系統中間件整體架構

嵌入式通信系統的中間件的核心安裝在設備的物理層之上，位于需要進行消息傳遞的位置。向下游需要屏蔽不同設備系統、通信協議產生的異構性，向上游需要根據不同應用，建立邏輯通道，使消息從發送方傳遞到接收方，實現嵌入式異構對等異質網絡的通信目的。

在嵌入式通信系統中間件層，面向應用程序的部分作為通信接口，對應用程序調用。該接口的運行與具體的操作系統無關，僅為用戶使用的統一規范的調用接口。在編寫應用程序時，毋需調用具體操作系統，亦毋需與具體硬件調用，所有通信功能皆由調用中間件接口完成。對用戶端而言，該層完整地提供了虛擬的通信功能。

2. 嵌入式通信系統中間件設計層次

嵌入式通信系統的中間件處在物理層上，向下游需要屏蔽設備的異構性，向上游需要提供統一的接口，用以供應用程序或者供用戶端直接使用。嵌入式通信系統一般采用層次設計的方式，把中間件分為既獨立又互相調用的六個層次：驅動層；路由層；接口層；應用層；傳輸層和鏈路層。

驅動層包括所有與硬件相關或無關的設備驅動；接口層方便嵌入式通信系統的通信中間件能夠在不同操作系統之間自由移植；鏈路層控制與之直接相連的設備之間的通信時序性、同步性和差錯控制；路由層實現消息在多個設備組成的互連網絡中的尋找最優路經，建立數據包排隊機制；傳輸層為用戶端提供端到端的傳輸；應用層根據不同應用，來選擇不同傳輸控制級別和路由層協議。

三、嵌入式通信系統中間件的馬爾可夫決策

1. 嵌入式通信系統中間件鏈路的因素

在嵌入式環境下進行轉發，需要考慮如鄰居節點的處理能力、能量供應、內存資源情況、連通度、鏈路的延時、物理移動性、設備對鏈路介質本身的偏好性傳送速度和流量負載、等鏈路及與其相連的鄰居節點的因素。嵌入式通信系統根據可否發生變化的性質，將這些因素分為時變性因素或確定性因素。

2. 嵌入式通信系統中間件的馬爾可夫決策過程

馬爾可夫決策過程即著名的馬氏過程，作為系統序列決策的一種方法，系高效、低能耗的系統決策方式。序列決策即特定過程在系統中處于一定狀態，根據其狀態選擇一個行動，被稱為決策。馬爾可夫決策過程對系統的運行有兩個影響：一是產生即得費用；二是系統的狀態會依此行動有關的規律在下一個階段轉移到新的狀態。重復與開始時相同的問題，亦即為選取時刻的決策。往復循環，直至確定一個過程的決策序列——策略。歸根結底，序列決策問題就是要在第一個決策之前已然選好一個策略，使決策序列相對應的報酬序列中效用函數值在此策略下達到最優。

四、嵌入式通信系統中間件協議

1. 嵌入式通信系統中間件單播路由過程

嵌入式通信系統中間件在通信時的單播路由工作過程是：首先，查找本地路由表，若查找到目的地的路由表項，下一步按照指示發送，否則繼續查找；其次，尋找路徑，在源節點廣播路徑選擇請求，進而在各設備之間采用泛洪模式傳遞請求。整個決策過程由嵌入式通信系統目的設備節點發起，再計算初始試，將計算值傳遞給相鄰設備節點。在后期各階段，各設備之間分別計算。當階段算法即將結束時，設備節點、源皆產生本地決策。在路由表中加入新的路由表項，作為目的地址，并繼續加為下一跳。最后需要初始化此表項路由的超時定時器值，至此路由計算過程方結束。在各設備之間定期的廣播消息中發現、保持鄰居的信息，利用鏈路狀態更新策略，在鄰居節點之間傳遞費用向量，并將其記錄在自己的鄰居表中。

2. 嵌入式通信系統中間件的鏈路狀態的更新

嵌入式通信系統中間件的鏈路狀態的更新系基于發生事件，進而導致鏈路的時變性因素發生變化，此時必須進行的新鏈路狀態通告。嵌入式通信系統的中間件鏈路狀態更新不及時，將會導致信息錯誤。不精確的鏈路狀態下的路由器，將會關注多種時變性因素的狀態更新問題。根據各時變因素的性質，可以采取兩種更新方法：一是閡值事件更新，二是外部事件更新。前者用于因傳輸數據而發生變化的因素，其處理器的處理能力、能量、內存、鏈路可用帶寬更新，當變化幅度大于某閡值時，則自動更新；后者用于由于嵌入式通信系統設備本身的拆除、加入，因此而產生變化的因素節點的連通性或者移動概率。

參考文獻

[1] 章森，吳建平，林闖.互聯網端到端擁塞控制研究綜述.軟件學報，2012年.

[2] 李文杰，劉斌.輸入排隊中搶占式的短包優先調度算法.電子學報，2015年.

[3] 郭傳雄，鄭少仁.對操作系統中網絡協議的層排隊分析，計算機學報，2015年.

[4] 唐應輝.論一基礎與應用分析，科學出版社，2015年.

[5] 陳敏.OPNET網絡仿真，清華大學出版社，2014年.