任 敏

（聊城大學(xué)東昌學(xué)院 數(shù)學(xué)與信息工程系，山東 聊城 252000）

0 引言

在遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)中，由于數(shù)據(jù)化信息總量的不斷提升，個別節(jié)點(diǎn)處的信號篩查能力會表現(xiàn)出明顯下降的變化趨勢。為避免上述情況的發(fā)生，可在解決任務(wù)分發(fā)問題的同時，實(shí)現(xiàn)對計(jì)算結(jié)果的合并化處理[1?2]。針對網(wǎng)絡(luò)通信效率的問題，文獻(xiàn)[3]基于物聯(lián)網(wǎng)三層體系架構(gòu)，采用STC15F2K60S2嵌入式單片機(jī)作為底層控制器芯片，開發(fā)了一種螃蟹養(yǎng)殖基地監(jiān)控系統(tǒng)，采用PLC 控制實(shí)現(xiàn)投餌機(jī)、增氧機(jī)的智能控制，在任何具備網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地方遠(yuǎn)程瀏覽養(yǎng)殖基地?cái)?shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖基地的安防和養(yǎng)殖池塘水上、水下攝像，滿足水產(chǎn)養(yǎng)殖的需要，并可作為示范進(jìn)行推廣應(yīng)用。文獻(xiàn)[4]針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信易受干擾的問題，在設(shè)計(jì)后臺管理系統(tǒng)時引用冗余技術(shù)和概率統(tǒng)計(jì)理論算法，針對排采現(xiàn)場需采集的數(shù)據(jù)較多且各異，解決無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用存在的問題，提高系統(tǒng)可靠性。但由于應(yīng)用模式的限制影響，系統(tǒng)內(nèi)監(jiān)控指令的平均運(yùn)行周期會明顯延長，節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的作用關(guān)聯(lián)程度逐漸降低。

為解決上述問題，在芯片外圍電路、主控制器模塊等多個硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)的支持下，設(shè)計(jì)一種新型的網(wǎng)絡(luò)通信遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，在系統(tǒng)構(gòu)建過程中，根據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)主機(jī)的支持，云計(jì)算技術(shù)可在極短時間內(nèi)完成對數(shù)以萬計(jì)信息參量的處理與篩查，實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)環(huán)境的改善，提升該系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用價值。

1 基于云計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)通信遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)通信遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的硬件執(zhí)行環(huán)境由網(wǎng)絡(luò)芯片外圍電路、云計(jì)算通信模塊、主控制器模塊三部分共同組成，具體搭建方法如下。

1.1 網(wǎng)絡(luò)芯片外圍電路

網(wǎng)絡(luò)芯片外圍電路可與遠(yuǎn)程通信監(jiān)控系統(tǒng)的外部輸入電源相連，在充分協(xié)調(diào)電壓、電流配比關(guān)系的同時，將散亂的電子流量整合成束狀傳輸形式。在應(yīng)用電子保持連續(xù)輸入的情況下，GND 網(wǎng)絡(luò)芯片會自發(fā)由斷開狀態(tài)轉(zhuǎn)化為連接狀態(tài)，并聯(lián)合C、R、M 三類電阻設(shè)備元件，將已存儲電子參量反饋至系統(tǒng)下級執(zhí)行結(jié)構(gòu)體之中。C 類型電阻設(shè)備的實(shí)際接入阻值相對較高，可在高電平傳輸情況下占據(jù)大量的傳輸電壓參量，再按照R 類電阻設(shè)備、M 類電阻設(shè)備間的實(shí)值配比關(guān)系，對其進(jìn)行后續(xù)的電量分壓協(xié)調(diào)。L電感位于網(wǎng)絡(luò)芯片外圍電路中部，起到承上啟下的物理連接作用，可在轉(zhuǎn)接傳輸電流的同時，對堆積電子量進(jìn)行適當(dāng)?shù)氖鑼?dǎo)處理。網(wǎng)絡(luò)芯片外圍電路如圖1 所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)芯片外圍電路圖

1.2 云計(jì)算通信模塊

云計(jì)算通信模塊以ENC28J60 元件作為核心搭建設(shè)備，左右兩端同時設(shè)置等量的通信傳輸接口，其中左部接口與網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)的輸入端相連，右部接口與網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)的輸出端相連。在云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，隨待傳輸通信數(shù)據(jù)總量的改變，輸入端接口的占據(jù)狀態(tài)也會逐漸產(chǎn)生變化。通常情況下，當(dāng)待輸入數(shù)據(jù)總量不超過7.5×1015TB 時，只有前10 個輸入端接口能達(dá)到滿額占據(jù)狀態(tài)；而當(dāng)待輸入數(shù)據(jù)總量達(dá)到9.3×1015TB 時，所有輸入端接口都能達(dá)到額定傳輸標(biāo)準(zhǔn)，只不過后4 個接口只能保持間歇性輸入狀態(tài)[5?6]。與輸入端接口相比，輸出端接口的傳輸連接能力相對較強(qiáng)，在待輸入數(shù)據(jù)總量不斷上升的情況下，這些物理接口始終具備較強(qiáng)的連接作用，直至將ENC28J60 元件內(nèi)暫存的云計(jì)算通信信息完全轉(zhuǎn)存至下級系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)構(gòu)之中。云計(jì)算通信模塊結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 云計(jì)算通信模塊結(jié)構(gòu)圖

1.3 主控制器模塊

主控制器模塊是隸屬于網(wǎng)絡(luò)通信遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的最底層執(zhí)行應(yīng)用元件，可同時與多臺云計(jì)算主機(jī)保持并聯(lián)連接關(guān)系，一方面轉(zhuǎn)接來自通信模塊的應(yīng)用數(shù)據(jù)信息，另一方面收集網(wǎng)絡(luò)芯片外圍電路中的傳輸電子量。在遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)的作用下，主控制器模塊可直接調(diào)取云計(jì)算主機(jī)中的通信數(shù)據(jù)參量，并按照網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控用戶的實(shí)際消耗需求，對這些信息數(shù)據(jù)進(jìn)行整合處理，從而生成全新的傳輸數(shù)據(jù)包文件[7?8]。若云計(jì)算能夠長時間保持良好的驅(qū)動狀態(tài)，主控制器模塊則會跟隨進(jìn)入長期穩(wěn)定的信息輸出狀態(tài)，直至監(jiān)控主機(jī)中呈現(xiàn)出連續(xù)的信息顯示畫面后，實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)程通信監(jiān)控指令的指向性改寫與轉(zhuǎn)達(dá)。主控制器模塊結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 主控制器模塊結(jié)構(gòu)圖

2 基于云計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)通信遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)硬件執(zhí)行環(huán)境的支持下，按照云服務(wù)監(jiān)控協(xié)議連接、遠(yuǎn)程通信端口號選取、IP 地址與密碼程序設(shè)置的處理流程，完成系統(tǒng)的軟件執(zhí)行環(huán)境搭建，兩相結(jié)合實(shí)現(xiàn)基于云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)通信遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的順利組建。

2.1 云服務(wù)監(jiān)控協(xié)議

網(wǎng)絡(luò)通信遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中包含TCP/IP、UDP、OSI、RAM 四類云服務(wù)應(yīng)用協(xié)議。其中，TCP/IP 協(xié)議作用于遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)的源端口位置，當(dāng)數(shù)據(jù)信息的傳輸長度保持在16～31 位之間時，這類型協(xié)議的連接完全不受其他系統(tǒng)設(shè)備元件作用情況的影響[9]。UDP 協(xié)議作用于遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)端口位置，受到數(shù)據(jù)信息傳輸長度數(shù)值的直接影響，隨著系統(tǒng)硬件設(shè)備執(zhí)行能力的改變，該協(xié)議的連接作用強(qiáng)度也會發(fā)生變化。OSI協(xié)議作用于遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)的中間傳輸位置，隨網(wǎng)絡(luò)芯片外圍電路中電子輸出能力的增強(qiáng)，該類型協(xié)議的連接作用范圍會出現(xiàn)適當(dāng)?shù)臄U(kuò)大[10?11]。RAM 協(xié)議作用于遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)信號減弱區(qū)域，在信息收集方面具備較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用能力，但在云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的作用下，該類型協(xié)議的實(shí)際作用空間始終保持不變。云服務(wù)監(jiān)控協(xié)議連接原理如表1 所示。

表1 云服務(wù)監(jiān)控協(xié)議連接原理

2.2 遠(yuǎn)程通信端口號選取

一般情況下，系統(tǒng)遠(yuǎn)程通信端口號選取遵循每個應(yīng)用層只對應(yīng)唯一一個號碼節(jié)點(diǎn)的原則。在云計(jì)算原理的作用下，云服務(wù)監(jiān)控協(xié)議必須與16 bit 的應(yīng)用程序保持對應(yīng)識別關(guān)系，且隨著通信網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程覆蓋面積的增大，信號可及的最遠(yuǎn)傳輸距離也在逐漸延長[12?13]。規(guī)定q0代表通信端口號的最小排查序列號，q1代表通信端口號的最大排查序列號，在整個實(shí)值系數(shù)空間內(nèi)，上述兩項(xiàng)物理量間的實(shí)際差異量越大，待篩查的端口號存儲空間范圍也就越大。β代表既定云計(jì)算應(yīng)用系數(shù)，在既定網(wǎng)絡(luò)通信空間內(nèi)，該項(xiàng)物理量的實(shí)際表現(xiàn)量可影響端口號的最終選取結(jié)果。聯(lián)立上述物理量，可將系統(tǒng)的遠(yuǎn)程通信端口號選取結(jié)果表示為：

2.3 通信網(wǎng)絡(luò)IP 地址與密碼程序

通信網(wǎng)絡(luò)IP 地址及密碼程序編寫是基于云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)通信遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的末尾處置環(huán)節(jié)，可在已知數(shù)據(jù)傳輸目的地的同時，建立相鄰監(jiān)控節(jié)點(diǎn)之間的實(shí)踐性應(yīng)用連接，從而提高遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)中的信息承載能力[14?15]。在云計(jì)算空間環(huán)境中，e0代表最小的數(shù)據(jù)化信息傳輸系數(shù)，e1代表最大的數(shù)據(jù)化信息傳輸系數(shù)，隨著δ1，δ2兩個目標(biāo)IP 地址的不斷明確，密碼程序的編譯流程也能得到逐漸完善，直至數(shù)據(jù)傳輸系數(shù)ξ的表現(xiàn)值不再發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)一次完整的監(jiān)控指令運(yùn)行流程。在上述物理量的支持下，聯(lián)立式（1），可將通信網(wǎng)絡(luò)IP 地址與密碼程序的編譯結(jié)果表示為：

3 系統(tǒng)應(yīng)用能力檢測

為驗(yàn)證基于云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)通信遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用價值，設(shè)計(jì)如下對比實(shí)驗(yàn)。在遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)中，截取等量的數(shù)據(jù)信息參量作為實(shí)驗(yàn)研究對象，令其他干擾條件始終保持不變，記錄各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的具體變化情況。已知實(shí)驗(yàn)組主機(jī)搭載基于云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)通信遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，對照組主機(jī)搭載傳統(tǒng)C/S 型監(jiān)控系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如表2 所示。

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

DPI 指標(biāo)能夠反映系統(tǒng)主機(jī)對于數(shù)據(jù)化信息的實(shí)際排查精準(zhǔn)度，通常情況下，前者的指標(biāo)數(shù)值越大，后者的排查精度水平也就越高，反之則越低。實(shí)驗(yàn)組、對照組DPI 指標(biāo)的具體變化情況記錄如表3 所示。

表3 DPI 指標(biāo)對比 %

由表3 可知，隨著實(shí)驗(yàn)時間的延長，實(shí)驗(yàn)組DPI 指標(biāo)保持先下降、再上升、最后穩(wěn)定的變化趨勢，全局最大值達(dá)到74.1%。對照組DPI 指標(biāo)在短時間的穩(wěn)定狀態(tài)后，開始不斷下降，全局最大值僅達(dá)到50.1%，與實(shí)驗(yàn)組極值相比，下降了24%。綜上可知，隨著基于云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)通信遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用，DPI 指標(biāo)出現(xiàn)了明顯上升的變化趨勢，對于增強(qiáng)數(shù)據(jù)化信息的實(shí)際排查精準(zhǔn)度起到適當(dāng)促進(jìn)作用。

監(jiān)控指令平均運(yùn)行周期也能反映網(wǎng)絡(luò)通信監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用能力，一般情況下，隨運(yùn)行周期實(shí)值的縮短，系統(tǒng)應(yīng)用能力會出現(xiàn)明顯的增強(qiáng)，反之，則會大幅下降。實(shí)驗(yàn)組、對照組系統(tǒng)監(jiān)控指令平均運(yùn)行周期的實(shí)際變化情況記錄如表4 所示。

表4 監(jiān)控指令平均運(yùn)行周期對比 s

由表4 可知，隨網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)總量的提升，實(shí)驗(yàn)組、對照組監(jiān)控指令平均運(yùn)行周期均呈現(xiàn)不斷上升的變化趨勢，但實(shí)驗(yàn)組上升幅度明顯小于對照組。從極限值的角度來看，實(shí)驗(yàn)組最大值為7.1 s，遠(yuǎn)低于對照組最大值14.9 s。綜上，隨著基于云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)通信遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用，監(jiān)控指令平均運(yùn)行周期呈現(xiàn)明顯縮短的變化趨勢，在既定監(jiān)控時間內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)通信監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用能力的有效促進(jìn)。

4 結(jié)語

基于云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)通信遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用能力更強(qiáng)，且在網(wǎng)絡(luò)芯片外圍電路、主控制器模塊等多個硬件執(zhí)行元件的作用下，可實(shí)現(xiàn)對云服務(wù)監(jiān)控協(xié)議的按需連接。從實(shí)用性角度來看，DPI指標(biāo)上升、監(jiān)控指令運(yùn)行時長下降，能夠?qū)υ鰪?qiáng)數(shù)據(jù)化信息的實(shí)際排查精準(zhǔn)度起到適當(dāng)?shù)拇龠M(jìn)作用，滿足遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用需求。