王華，張德華，伍輝華，周勇，施斌

(中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰　214431)

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指揮控制與通信

跨網(wǎng)傳輸?shù)膶崟r試驗指揮顯示系統(tǒng)設(shè)計*

王華，張德華，伍輝華，周勇，施斌

(中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰214431)

摘要：根據(jù)測控任務(wù)的特點，設(shè)計了一種基于跨網(wǎng)傳輸?shù)腂/S模式的試驗信息實時指揮顯示系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了基于跨網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇谕ㄐ欧椒ǎ鉀Q了不同局域網(wǎng)之間數(shù)據(jù)通信的安全性和可靠性，通過Ajax技術(shù)和服務(wù)器端兩級數(shù)據(jù)緩存技術(shù)應(yīng)用，減少數(shù)據(jù)流量和服務(wù)器負(fù)荷，解決了試驗任務(wù)信息的高實時性、無屏閃、局部刷新的瀏覽器頁面的數(shù)據(jù)、曲線實時顯示等關(guān)鍵技術(shù)，并對提出的架構(gòu)和方法進(jìn)行了系統(tǒng)驗證。

關(guān)鍵詞：實時顯示；串口通信；Ajax技術(shù)；數(shù)據(jù)緩存；B/S模式；無屏閃

0引言

隨著航天測控任務(wù)的發(fā)展，測量船承擔(dān)了更多的長弧段測控任務(wù)和海上測控設(shè)備綜合校飛任務(wù)，其特點是工作架次多、時間長；同時由于網(wǎng)絡(luò)信息化技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，信息自動化系統(tǒng)也已成為試驗任務(wù)日常工作中必不可少的便捷工具和有效手段；如果能夠?qū)⒃囼炐畔⑼ㄟ^自動化系統(tǒng)實時發(fā)布，實現(xiàn)首長和相關(guān)技術(shù)人員足不出戶獲取第一手任務(wù)資訊，將大大提高試驗任務(wù)的工作效率和問題協(xié)調(diào)能力，發(fā)揮輔助決策功能。

一般情況下試驗網(wǎng)與辦公網(wǎng)是物理隔絕的2個局域網(wǎng)，如果實現(xiàn)各級指揮員和技術(shù)人員在辦公的同時實時關(guān)注試驗情況，首先需要實現(xiàn)兩網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)通信，重點是保證雙網(wǎng)通信的可靠性和安全性；其次將部分試驗數(shù)據(jù)傳輸?shù)睫k公網(wǎng)，基于辦公網(wǎng)的安全管控策略，在辦公網(wǎng)內(nèi)部禁止使用“80”以外的其他端口，導(dǎo)致常用的安裝于客戶端的實時顯示軟件數(shù)據(jù)通信端口無法接收數(shù)據(jù)，在辦公網(wǎng)內(nèi)無法正常運行，因此本文開展了基于跨網(wǎng)傳輸?shù)腂/S模式的試驗信息實時指揮顯示系統(tǒng)的研究。

1系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)需求分析，跨網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸，首先考慮試驗網(wǎng)的安全性，避免病毒入侵及試驗網(wǎng)的數(shù)據(jù)可控傳輸至辦公網(wǎng)；其次，考慮數(shù)據(jù)傳輸速率滿足要求，試驗網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸時延符合任務(wù)要求，實時到達(dá)在辦公網(wǎng)。由于已有的計算機(jī)病毒，主要以攻擊系統(tǒng)漏洞、電子郵件、不安全的下載、即時通信等模式傳播[1]，串口通信病毒相對較少，相對安全，因此，在跨網(wǎng)傳輸上，擬采用串口點對點單向通信的模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，同時結(jié)合試驗網(wǎng)的安防系統(tǒng)，可以有效保障試驗網(wǎng)的安全。并且在通信速率上一般串口通信速率為300 bps～115.2 kbps，而實際的跨網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)不大于30 kbit/s，在理論上，串口通信可行；因此，根據(jù)以上分析對系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計，如圖1所示。

根據(jù)需求，跨網(wǎng)傳輸?shù)脑囼炐畔崟r指揮顯示系統(tǒng)設(shè)計為以下部分，試驗網(wǎng)通信發(fā)子系統(tǒng)、辦公網(wǎng)通信收子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與存儲子系統(tǒng)、試驗信息實時顯示子系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)組成[2]，圖1中的遠(yuǎn)程實時數(shù)據(jù)交換軟件是試驗網(wǎng)中固有的通信軟件，試驗數(shù)據(jù)均從該軟件收發(fā)，跨網(wǎng)傳輸?shù)脑囼炐畔⒕褪菑倪h(yuǎn)程實時數(shù)據(jù)交換軟件發(fā)送的數(shù)據(jù)中，獲取數(shù)據(jù)源。

各子系統(tǒng)主要功能如下：

(1) 試驗網(wǎng)通信發(fā)子系統(tǒng)

接收遠(yuǎn)程實時交換軟件發(fā)送的試驗信息，并將接收的實時原碼數(shù)據(jù)包，通過串口進(jìn)行點對點由試驗網(wǎng)單向傳輸至辦公網(wǎng)；同時數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)子系統(tǒng)，能實時監(jiān)控數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)情況，并能夠靈活地串行端口、波特率等參數(shù)進(jìn)行配置。

(2) 辦公網(wǎng)通信收子系統(tǒng)

通過串行端口實時接收數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)子系統(tǒng)發(fā)送的試驗信息，并同時將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給數(shù)據(jù)處理與存儲子系統(tǒng)，并能實時監(jiān)控數(shù)據(jù)收發(fā)情況；并能夠靈活的對串行端口、波特率等參數(shù)進(jìn)行配置。

(3) 數(shù)據(jù)處理與存儲子系統(tǒng)

實時接收數(shù)據(jù)接收子系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)的試驗信息，并按照文件將原碼數(shù)據(jù)包按照約定解析為要求的數(shù)據(jù)格式，并將解析后的數(shù)據(jù)進(jìn)行記庫；在該子系統(tǒng)界面上能實時監(jiān)視各類數(shù)據(jù)接收情況和解析情況，并可對異常數(shù)據(jù)實時提醒和記錄。

圖1　系統(tǒng)組成Fig.1　System composition

(4) 試驗信息實時顯示子系統(tǒng)

提供B/S模式的試驗信息實時指揮顯示W(wǎng)EB服務(wù)，用戶通過客戶端瀏覽器訪問該子系統(tǒng)，實現(xiàn)對試驗信息的實時和歷史數(shù)據(jù)信息進(jìn)行瀏覽等應(yīng)用。實時試驗數(shù)據(jù)采用準(zhǔn)實時的數(shù)據(jù)交互方式對各類任務(wù)數(shù)據(jù)信息以曲線、圖表及數(shù)據(jù)字段等多種表現(xiàn)形式顯示任務(wù)情況；另外，試驗信息實時顯示子系統(tǒng)為了保證其安全性，具備用戶授權(quán)和IP地址授權(quán)訪問的功能，對訪問用戶進(jìn)行合法身份驗證。主要功能模塊包括：

用戶管理模塊，該模塊對用戶進(jìn)行維護(hù)管理、身份驗證，不同級別的用戶其權(quán)限不同，信息量顯示不同；

試驗信息管理模塊，該模塊對試驗信息的基礎(chǔ)信息進(jìn)行添加、刪除、更新及備份的維護(hù)管理，并提供試驗信息的總體信息發(fā)布功能；

試驗信息顯示模塊，該模塊可根據(jù)試驗型號的不同，自動從數(shù)據(jù)庫中讀取相關(guān)基礎(chǔ)信息，提供該次試驗任務(wù)的實時數(shù)據(jù)顯示；

試驗信息數(shù)據(jù)導(dǎo)出及打印模塊，該模塊根據(jù)用戶需求，對選擇的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)出及打印功能。

(5) 數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)

提供數(shù)據(jù)庫服務(wù)，存儲記錄對應(yīng)的試驗信息。為跨網(wǎng)傳輸?shù)脑囼炐畔崟r指揮顯示系統(tǒng)提供實時和歷史數(shù)據(jù)服務(wù)。

2主要技術(shù)驗證與應(yīng)用

2.1串口通信設(shè)計

為了提高串口通信的可靠性、完整性及安全性，在串口單向通信中，設(shè)計了多線程、數(shù)據(jù)幀類型校驗、數(shù)據(jù)幀CRC校驗和數(shù)據(jù)幀幀長校驗等，試驗網(wǎng)通信發(fā)送子系統(tǒng)其數(shù)據(jù)發(fā)送過程如圖2所示。

圖2　數(shù)據(jù)發(fā)送示意圖Fig.2　Sketch map of data sending

首先，系統(tǒng)啟動后，進(jìn)行串口和UDP端口的初始化，接收從遠(yuǎn)程實時數(shù)據(jù)交換軟件組播發(fā)送的試驗信息；將數(shù)據(jù)幀進(jìn)行數(shù)據(jù)類型校驗，如果不是允許發(fā)送的數(shù)據(jù)直接丟棄；否則進(jìn)行數(shù)據(jù)幀的CRC校驗，循環(huán)冗余碼CRC(cyclical redundancy check)，CRC校驗是一種常用的數(shù)據(jù)完整性校驗方法，由于實現(xiàn)簡單，檢錯能力強(qiáng)，被廣泛使用在各種數(shù)據(jù)校驗應(yīng)用中，是進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸差錯檢測的一種有效手段[3]。在串口通信中，系統(tǒng)設(shè)置有奇偶校驗，奇偶校驗是CRC校驗的一種特殊情況，由于其漏檢率高，在可靠性和完整性要求高的情況下，CRC校驗更安全可靠[4]。實際應(yīng)用中采用CRC-16校驗方法實現(xiàn)。最后進(jìn)行數(shù)據(jù)幀幀長校驗，由于串口通信發(fā)送的是不定長的數(shù)據(jù)包，在發(fā)送端是一幀一幀發(fā)送，但在接收端就存在一幀數(shù)據(jù)多次接收或者多幀數(shù)據(jù)一次性接收的情況，這樣通過數(shù)據(jù)幀幀長校驗可將數(shù)據(jù)幀正確、完整的解析。在串口通信的接收端同樣設(shè)計，順序反之。

2.2試驗信息實時顯示子系統(tǒng)設(shè)計

B/S模式的試驗信息實時顯示子系統(tǒng)，主要在瀏覽器上以圖表、曲線及數(shù)據(jù)的方式實時顯示各類試驗信息，是用戶直接交互的終端顯示，難點是任務(wù)的實時數(shù)據(jù)曲線顯示的準(zhǔn)實時性，主要解決頁面實時高頻率刷新的屏閃問題、高清底圖的分層顯示、多種數(shù)據(jù)實時比對及數(shù)據(jù)曲線的縮放等等。為滿足以上需求，B/S模式的數(shù)據(jù)顯示采用而ASP.NET中的Ajax技術(shù)實現(xiàn)，其采用了DOM模型來交互和動態(tài)顯示[5-6]，并且結(jié)合了Java，XML，以及JavaScript 的編程技術(shù)，這門技術(shù)能與服務(wù)器之間通過XMLHttpRequest 對象來進(jìn)行異步通信，打破了傳統(tǒng)使用整體頁面刷新的顯示模式[7-8]。

B/S模式的試驗信息實時顯示工作模式，如圖3所示。

圖3　B/S模式的試驗信息實時顯示機(jī)制Fig.3　Data real time display mechanism based on brower/server model

在客戶端，Ajax是富客戶端的工作模式，其在瀏覽器與Web 服務(wù)器之間加入了一個Ajax 引擎，通過調(diào)用JavaScript 對象的XMLHttpRequest 請求與后臺服務(wù)器利用固定接口進(jìn)行動態(tài)通信[9-10]；在后臺服務(wù)器進(jìn)行邏輯運算后再通過異步傳輸機(jī)制將已經(jīng)部分更新HTML 的頁面內(nèi)容發(fā)送給用戶瀏覽器，這樣瀏覽器所得到的響應(yīng)文件中包含了最新且最必要的數(shù)據(jù)[11]。網(wǎng)頁中包含JavaScript代碼不必刷新整個頁面，實現(xiàn)頁面的無屏閃局部刷新。Ajax 技術(shù)平衡了客戶端與服務(wù)端的負(fù)載，優(yōu)化了瀏覽器和服務(wù)器端之間的溝通，降低了數(shù)據(jù)傳輸量，提高了Web 應(yīng)用的響應(yīng)速度，服務(wù)器端的后臺數(shù)據(jù)庫的邏輯處理將不會影響到客戶端瀏覽器的變化[12]。由于JavaScript 是解釋型的語言，在數(shù)據(jù)流量大的初始頁面打開時運行效率受限，初始化完成后，運行效率高，用戶基本感受不到頁面實時刷新[13]。

服務(wù)器端，為優(yōu)化服務(wù)器的訪問性能、減少數(shù)據(jù)流量和服務(wù)器負(fù)荷，采用ASP.NET中的2種緩存機(jī)制來提高性能[14]。第1種應(yīng)用程序緩存，緩存頻繁訪問的數(shù)據(jù)，即試驗網(wǎng)實時發(fā)送過來存儲在數(shù)據(jù)庫中的新數(shù)據(jù)；第2種機(jī)制是頁輸出緩存，它保存頁處理輸出，并在用戶再次請求該頁時，不用再次處理該頁，只需重用所保存的輸出頁。同時通過.Net 2.0 引入自定義緩存依賴項，基于MS-SQL Server 的SqlCacheDependency特性，可以避免“數(shù)據(jù)過期”的問題，它能夠根據(jù)設(shè)置的數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)數(shù)據(jù)的變化，通知緩存，并移除那些過期的數(shù)據(jù)[15]。

3系統(tǒng)驗證

3.1驗證平臺構(gòu)成

在軟件開發(fā)機(jī)房部署對應(yīng)的軟硬件，采用仿真數(shù)據(jù)，模擬試驗網(wǎng)向辦公網(wǎng)發(fā)送測試數(shù)據(jù)，驗證跨網(wǎng)傳輸?shù)脑囼炐畔崟r查詢系統(tǒng)原型及其實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)的可行性、可靠性、準(zhǔn)確性及安全性。重點測試試驗IP網(wǎng)與辦公網(wǎng)實時數(shù)據(jù)傳輸速率的可靠性和安全性，測試B/S模式的試驗信息實時指揮顯示系統(tǒng)的顯示準(zhǔn)確性、實時性和可靠性，以及對訪問量及性能測試等等。

系統(tǒng)硬件設(shè)備主要包括：

(1) 試驗網(wǎng)通信發(fā)微機(jī)(試驗網(wǎng)通信子系統(tǒng))+ RS232串口通信卡；

(2) 辦公網(wǎng)通信收微機(jī)(辦公網(wǎng)通信子系統(tǒng))+ RS232串口通信卡；

(3) 數(shù)據(jù)處理與記庫微機(jī)(數(shù)據(jù)處理與存儲子系統(tǒng))；

(4) IIS服務(wù)微機(jī)(試驗信息實時顯示子系統(tǒng))；

(5) 數(shù)據(jù)庫服務(wù)器 (數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng))。

2個RS232串口通信卡之間通過1.25 m RS-232連接線點對點連接。

如圖4所示，在該驗證平臺中，將辦公網(wǎng)通信子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與存儲子系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)部屬在一臺微機(jī)上，這樣部署有利于保證數(shù)據(jù)的完整性和安全性，避免鏈路問題導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。將試驗信息實時顯示子系統(tǒng)部署在一臺微機(jī)上， 發(fā)布其IIS服務(wù)，以供用戶訪問。

3.2驗證結(jié)果

通過軟硬件部屬，數(shù)據(jù)仿真發(fā)送以往任務(wù)的記盤數(shù)據(jù)，按照200幀/s的頻率發(fā)送各類遙外測數(shù)據(jù)，串口通信的數(shù)據(jù)收發(fā)均正常，無丟幀、錯幀，誤碼率為零，數(shù)據(jù)庫記庫數(shù)據(jù)的幀數(shù)與發(fā)送的各類數(shù)據(jù)幀數(shù)一致，在運行過程中，通過客戶端瀏覽器訪問各類任務(wù)數(shù)據(jù)，均顯示正常，且實時數(shù)據(jù)曲線以每秒局部刷新且無屏閃。具體實現(xiàn)界面，如圖5、圖6所示。數(shù)據(jù)仿真、串口通信以及B/S實時顯示之間的數(shù)據(jù)一致。

圖4　系統(tǒng)部署圖Fig.4　System deployment diagram

圖5　串口通信數(shù)據(jù)發(fā)送界面Fig.5　Serial communication data sending interface

圖6　實時數(shù)據(jù)曲線顯示頁面Fig.6　Real time data curve display Webpage

4結(jié)束語

本文研究的跨網(wǎng)傳輸?shù)腂/S模式的試驗信息實時指揮顯示系統(tǒng)，通過串口通信方法解決了不同局域網(wǎng)之間數(shù)據(jù)通信的安全性和可靠性，通過Ajax技術(shù)和服務(wù)器端兩級緩存的應(yīng)用，實現(xiàn)了試驗任務(wù)信息的瀏覽器頁面高實時性、無屏閃局部刷新，減少數(shù)據(jù)流量和服務(wù)器負(fù)荷，保證了高效的服務(wù)器訪問性能。

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Design of Real Time Task Data Command and Display System Based on Cross Network Transmission

WANG Hua, ZHANG De-hua, WU Hui-hua, ZHOU Yong, SHI Bin

(Satellite Maritime Tracking and Control Departmen of China,Jiangsu Jiangyin 214431, China)

Abstract:According to the characteristics of the maritime tracking and control missions, a kind of task data real time command and display system, brower/server model based on the cross network transmission, is designed. Firstly, the serial port data communication method based on across a network data transmission is introduced. It settles the security and reliability of data communication. Secondly, the Ajax technology and server two layers data caches technology reduces the data flow of the internet and server load, and some key technology are resolved, such as the high real time of data display, data and curve display way of local refresh and so on. Finally, the system architecture and realization method are tested and verified.

Key words:real time display; serial port communication; Ajax technology; data caches; browse/server model; no screen flash

*收稿日期：2015-05-05；修回日期：2015-07-16

作者簡介：王華(1977-)，女，河南汝南人。高工，碩士，研究方向指揮顯示及軟件系統(tǒng)架構(gòu)等。

通信地址：214431江蘇省江陰市103信箱505號E-mail：whwindcolor@126.com

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2016.03.013

中圖分類號：TP391

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-086X(2016)-03-0078-06