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基于互联网的远程监控系统在工业控制领域中的应用研究 摘要 目前工业控制领域进行设备远程监控的常见方式有两种：一是传 统以公用电话网作为数据传输网络的方式，存在不能同时集中监控多 台远程设备，难以同时传输数据、语音和图像，通信速度较低和通信 成本较高等缺点；二是以互联网作为数据传输网络的w e bs e r v e r 方 式，这种方式采用标准的浏览器如i e 等作为客户端用户界面，利用 w e b 服务器提供后台数据处理服务，是一种多层c l i e n t s e r v e r 结构， 数据传输使用标准的应用层协议h t t p 。 与w e b 方式不同，本文提出了建立直接基于底层互联网通信接 口的互联网远程监控系统。系统基于t c p i p 协议开发了专用应用层 协议，利用此协议在互联网上进行数据传输，并开发了专门的监控现 场和监控中心软件。 系统采用了“监控中心一i p 交换服务器一设备现场”的结构， 中心和现场通过i p 交换服务器交换i p 地址，然后利用此i p 建立直 接的数据传输通道；系统的监控画面管理策略使现场不必传输画面图 形信息，只需传输必要的实时状态数据，提高了系统运行效率。 为确保系统技术可行性，对建立系统的关键技术：互联网数据 传输延迟时间和s o c k e t 最大可连接客户数进行了测试和分析。 除了建立系统硬件结构，本文也设计了系统运行所需的软件系 统。i p 交换服务器软件为中心和现场提供i p 交换和状态转发服务； 监控现场软件负责现场设备运行监控和与远程监控中心交互，符合 o p c 标准的数据读写方式使系统可以用于不同结构的p l c 硬件；监控 中心对多个现场进行集中管理，监控现场运行状态，并可提取现场故 障和历史数据。 本文在w i n d o w s 平台下利用v i s u a lc + + 实现了系统。对系统实现 的技术要点进行了分析，给出了主要的类定义和数据结构，并提供了 部分源代码。 系统目前已开始在工业控制领域进行实际应用，文中给出了实际 应用的例子；同时还提出了在其他领域进行应用的方案，如水处理、 电力质量监控等。 关键词；互联网，工业控制，远程监控，套接字，客户服务器 t h ea p piic a tio nr e s e a r c ho fr e m o t em o nit o ra n dc o n t r o s y s t e mb a s e do ni n t e r n e ti ni n d u s t r yc o n t r o if i e i d a b s t r a c t a tp r e s e n tt h e r ee ) 【i s t st w ow a y st om o n i t o ra n dc o n t r o le q u i p m e n t r e m o t e l yi ni n d u s t r yc o n t r o lf i e l d o n ei sb a s e do np s t n ，w h i c ht a k e s s o m ed i s a d v a n t a g e ：u n a b l et od e a lm u l t ie q u i p m e n ta to n et i m e ；d i f f i c u l t t ot r a n s f e rd a t a 、v o i c ea n di m a g eb yp h o n el i n e ；l o wt r a n s f e rs p e e da n d 1 1 i g hp r i c e t h eo t h e ri sb a s e do ni n t e m e t w h i c ht a k e ss t a n d a r di n t e m e t b r o w s e r ( f o re x a m p l e ，m ) a st h ec l i e n tg r a p h i ci n t e r f a c e a n dh a s b a c k g r o u n dw e b s e r v e rp r o v i d ed a t ad e a ls e r v i c e s i t sc a l l e dw e b s e r v e r s t y l ea n dh a sam u l t i l e v e ls t r u c t u r e ，u s i n gs t a n d a r da p p l i c a t i o np r o t o c o l h 1 1 pt ot r a n s f e rd a t a t h ea r t i c l eb u i l d sai n t e m e t - b a s e dr e m o t es y s t e mw h i c hb a s e do n l o w - l e v e li n t e r n e tc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ；d e v e l o p sat c p i p - b a s e d a p p l i c a t i o np r o t o c o lw h i c hi su s e dt ot r a n s f e rd a t ao nt h ei n t e m e t ； d e v e l o p ss y s t e ms o f t w a r e t h e s y s t e ma d o p t sa c e n t e r - i pe x c h a n g es e r v e r - f i e l d ”s t r u c t u r e t h e c e n t e ra n df i e l df i r s te x c h a n g e si pa d d r e s st h r o u g hi pe x c h a n g es e i v e r , t h e nb u i l d sad i r e c td a t at r a n s f e rc h a n n e l 。t h em a n a g e m e n tp o l i c yf o r m o n i t o ra n dc o n t r o lg r a p h i ci n t e r f a c em a k e so n l yn e c e s s a r yf i e l dr e a l t i m e d a t at r a n s f e r r e da n di m p r o v e st h es y s t e mr u n n i n g p e r f o r m a n c e t h ea r t i c l et e s t sa n da n a l y s e sk e yt e c h n o l o g yt os y s t e m ：d e l a y - t i m e f o rd a t at r a n s f e ro ni n t e r a c ta n dm a x - c o n n e c t a b l ec l i e n ts o c k e t s t h ea r t i c l ed e s i g n ss y s t e ms o f t w a r e t h es o f t w a r er u n n i n go ni p e x c h a n g es e r v e rp r o v i d e si pe x c h a n g es e r v i c e ；t h ef i e l ds o f t w a r em o n i t o r s a n dc o n t r o l se q u i p m e n t ，i n t e r a c t sw i t hc e n t e ra n dc o m m u n i c a t i o n sw i t h d i f f e r e n tp l ch a r d w a r eb yi t so p c - b a s e dd a t ar e a da n dw r i t es y s t e m ；t h e c e n t e rs o f t w a r eh a st h ec a p a b i l i t yo f d e a l i n gm u l t if i e l di i $ e r $ a to n et i m e ， a n d c a ng e tf a u l td a t aa n dh i s t o r i c a ld a t af r o mf i e l d t h ea r t i c l ei m p l e m e n t ss y s t e ms o f t w a r eo nw i n d o w sp l a t f o r mu s i n g v i s u a l 卅：a n a l y s e sk e yi m p l e m e n t a lt e c h n o l o g y , d e s c r i b e sm a i nc l a s s d e f i n i t i o na n dd a t as t r u c t u r ea n dp r o v i d e sp a r t so fs o u r c ec o d e s t h es y s t e mb u i l ti nt h ea r t i c l eh a sh a ds o m e p r a c t i c a la p p l i c a t i o n si n i n d u s t r yc o n t r o lf i e l d t h ea r t i c l ea l s op u t so u ts o m ea p p l i c a t i o ns o l u t i o n s i no t h e rf i e l d sa sw a t e rd e a la n de l e c t r i cq u a l i t ym o n i t o r c t e k e yw o r d s ：in t e r n e t ，in d u s t r yo o n t r oi ，r e m o t em e nit o r a n d c e n t r ei ，s o c k e t ，0l ie n t s e r v e r p s t n c o m h t 虬 i s p o p c 0 p cs e r v e r 肝c r a s d d b d i b i p v 4 i p v 6 符号说明 公用电话网 c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ，组件对象模型 h y p e r t e x tm a r k u pl a n g u a g e ，超文本链接标志语言 i n t e r n e ts e r v i c ep r o v i d e r ，互联网服务供应商 0 l ef o rp r o c e s sc o n t r o l ，过程控制领域的对象链接嵌入， 由o p c 基金会定义的一套工业标准 符合o p c 标准的c o ms e r v e r m i c r o s o f tf o u n d a t i o nc l a s sl i b r a r y ，微软基本类库 r e m o t ea c c e s ss e r v i c e ，远程访问服务 d e v i c e d e p e n d e n tb i t m a p ，设备相关位图 d e v i c e i n d e p e n d e n tb i t m a p ，设备无关位图 i n t e r n e tp r o t o c o lv e r s i o n4 ，目前使用的i p 格式标准 i n t e r n e tp r o t o c o lv e r s i o n6 ，新的i p 格式标准 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密区z 在廿解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名： 帛智 日期：2 啦年三月2 2 日 h 删妣肜j 醐铷一月芦 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 屉智卫 j 日期：2 神2 年2 月2 1 日 上海交通大学硕士学位论文基于互联网的远程监控系统在工业控翻领域中的应用研究j 第1 章绪论 本章阐述了远程监控系统在工业控制领域的作用、发展。对传统远程监控系统 和互联网远程监控系统进行了比较，分析了w e bs e r v e r 方式互联网远程监控系统的 特点，并在此基础上提出了本文的研究内容。 1 1 工业设备远程监控技术及其作用 设备远程监控的概念在工业控制领域由来以久，是指从与被控制设备地理位置 相距很远的地方对设备进行监测和控制，其目的是使设备维护人员不到现场即可了 解设备运行状态，必要时改变设备运行状态，减少设备维护费用。 对于大型工业设备制造商，在产品质量相差无几的前提下，提高产品售后服务 水平，快速响应用户要求已成为决定产品市场份额的重要因素。特别当产品远销全 国乃至世界各地时，设备的检修、维护、故障判断往往需要专人到现场处理，人力、 物力、财力的投入巨大，效果却不一定好。在这种情况下，建立远程监控系统就成 为这些设备制造商的首选。 1 。2 传统远程监控系统 在互联网诞生之前，远程监控系统传输数据使用的通信网络是公用电话网和一 些专用网络。专用网络覆盖的区域范围有限，且建立网络所需成本较高；公用电话 网覆盖的地区范围虽大，但通信费用太高，特别跨地区时产生的是长途电话费，监 控成本很高，速度也很慢。图卜l 是以公用电话网( p s t n ) 作为数据远程传输9 回络 实现的远程监控系统结构图。 越姒 p l c p 迸过p s w 琏行逢穰篮咎示蠢蹿 图1 - 1p s t n 方式远程监控系统结构图 f i g 卜1 r e m o t em o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e mb a s e do i lp s t n 上海交通大学硕士学位论文基于互联网的远程监控系统在工业控制领域中的应用研究2 可以说，制约传统远程监控系统发展的瓶颈就是缺少一个覆盖面广、通信成本 低且速度足够快的数据传输网络。 1 3 互联网远程监控系统 互联网的出现及其飞速发展，为建立新的远程监控系统提供了坚实基础。互联 网覆盖面极广，几乎覆盖了世界的各个角落：通信成本很低，不存在异地通信成本 差异；速度也较快；除了传输文本数据流之外，还可以同时传输音频、视频流，远 程监控更加方便。更重要的是，互联网技术发展潜力巨大，是目前及今后最理想的 数据传输网络。 斯坦福和麻省理工合作开发了基于i n t e r n e t 的下一代远程诊断示范系统；美国 的d m 2 0 0 0 系统和p d s 系统都是网络系统，能对多台设备同时进行在线监测和智能诊 断多种典型故障，具有远程通信能力，能与企业的管理和控制系统联网通信，使企 业不同部门能同时获取设备运行状态信息，也能对不同地区不同企业的设备进行监 测和诊断等。这种远程监测诊断网络系统可以认为是第3 代设备状态监测与故障诊 断系统。 1 3 1p s t n 远程监控方式与互联网远程监控方式比较 在工业控制领域，p s t n 方式是应用较为广泛的一种传统远程监控方式，表卜1 是传统p s t n 远程监控方式与i n t e r n e t 远程监控方式的比较表。 1 3 2w e bs e r v e r 方式的互联网远程监控系统 目前工业控制领域常用的互联网远程监控系统一般是基于w e bs e r v e r 方式的， 系统结构如图1 - 2 所示。 图1 _ 2w e bs e r v e r 方式的互联网远程监控系统 f i g 1 - 2w e b - s e r v e rr e m o t em o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e m b a s e do ni n t e r n e t 上海交通大学硕士学位论文基于互联网的远程监控系统在工业控制领域中的应用研究 3 系统的基本工作原理是：( 1 ) 首先在w e b 服务器上保存包含现场监控图形用户 界面( g u i ) 的h t m l 页面和用于完成监控功能的相关组件；( 2 ) 用户通过现场客户 浏览器访问相应的w e b 服务器，下载现场监控h t m l 页面和相关组件；( 3 ) 位于监控 现场的客户浏览器可以对设备进行直接监视与控制，其他位置的客户浏览器则通过 w e b 服务器间接与设备进行交互。 这种结构具有以下优点：( 1 ) 基于w e b 的分布式应用可简单有效地实现异地远 程多用户管理 ( 2 ) 系统开发环境与应用环境分离，便于系统管理与升级；( 3 ) 应 用环境为标准的浏览器如i e 等，简化了较为复杂的g u i 的开发：( 4 ) 扩展性较好， 便于集成其他功能如e - m a i l ，b b s 等，可以简便地构造一个监测环境。 系统结构缺点是对作为中心节点的w e b 服务器可靠性要求很高；且如果访问量 很大的话。服务器性能将迅速下降。 表卜1 传统p s t n 远程监控方式与i n t e r n e t 远程监控方式比较表 案 传统的p s t n 远程监控方案 i n t e r n e t 远程监控方案 比寝 项目 经使用m o d e m 远程拨号所需费用为 不存在国内和国际长途电话费的 济 国内或国际长途电话费，监控成本很 差别，不管用户的设备在何地，所需 费用仅为本地市话费加上上网费。监 性高 控成本低 m o d e m 拨号为点对点方式，从用户 高k 切换到用户b 需要挂断a 再重拨到b ， 可以同时监控多个用户，进行“一 效即只能进行“一对一”的监控；在需 对多”的监控，速度快 性 要轮循监控多个用户时，效率极低， 速度慢 i n t e r n e t 是面向未来的数据传输 开 发展空问有限，难以和其他系统网络，发展潜力巨大，基于i n t e r n e t 放 集成技术的监控系统便于和企业内其他系 性 统集成 灵 很难在一根电话线上同时传输数在i n t e r n e t 上可以非常方便地实 活 据、语音、图象现数据、语音、图象三网合一 性 1 4 本文的研究内容 本文设计并实现了一种不同于w e bs e r v e r 方式的互联网远程监控系统。系统直 接利用较为底层的网络通信编程接口实现了互联网数据传输，在此基础上设计了监 控中心一i p 交换服务器一监控现场模式的整体系统架构，中心和现场可建立直 接连接，数据传输不通过服务器；设计并在w i n d o w s 平台上实现了该系统，最后探 讨了系统的实际应用例子和应用方案。 上海交通大学硕士学位论文基于互联网的远程监控系统在工业控制领域中的应用研究4 第2 章系统实现技术基础及关键技术指标测试 制造商对设备远程监控的需求，成为远程监控系统的市场推动力；而要真正实 现一个实用、安全、可靠的远程监控系统，则要依赖于相关技术的发展程度，它们 是系统实现的技术基础。互联网的出现及其迅速发展，为远程监控提供了一个便宜、 快速、可靠的数据传输网络，大大促进了远程监控系统的发展；数据加密技术则为 数据的安全传输提供了有力保证；数据库技术及其访问接口技术的发展，使大容量 数据存储及处理更加方便、快速；软件组件技术和软件开发工具的发展则成为将单 项技术集成在一起，构建大型软件系统的强力工具。 本章对系统实现所需的技术进行了介绍，并测试分析了对实现系统比较关键的 技术指标，以确保系统的技术可行性。 2 1t c p i p 协议 2 1 1 概念 t c p i p 主要是指用于i n t e r n e t 的两种网络协议( 或者说是数据传输方法) ：传 输控制协议和i n t e r n e t 协议然而，t c p i p 只是称为t c p i p 协议包中的许多协议 中的两种，而完整的t c p i p 协议包则包含了许多其他常用的网络通信协议如地址解 析协议( a r p ) 、文件传输协议( f t p ) 、超文本传输协议( i 订p ) 等。 2 1 2 特点 与其他协议相比，t c p i p 有两个主要优点：简单轻便，易于实现。基于这两个 特点，t c p i p 很快流行起来，并被集成到各种操作系统中；今天，t c p i p 已经成为 i n t e r n e t 的基础，通过i n t e r n e t 把全世界数以千万的计算机连接在一起。 此外，t c p i p 可以工作在各种各样的硬件和操作系统之上，这样人们就很容易 利用t c p i p 将各种不同的计算机构成一个异构型网络，它们之间通过公共协议包进 行通信。基于这个原因，虽然t c p i p 首次发表于7 0 年代中期，但至今仍相当流行。 2 1 3 发展历史 1 9 6 9 年，美国国防部高级规划办公室( d a r p a ) 为它的各研究中心制定了个网 络发展计划。其主要内容是网络在核打击下的生存能力。该网络的设计还有其他一 些要素，到最重要的是它的操作( 运行) 独立于任何一个控制中心。该系统的原型 称为a r p a n e t 。 原始的a r p a n e t 工作得还可以，但面临的一个问题是周期性的系统崩溃。而且， 从长远来看，该网络花费昂贵。因此，研究的最初目的就是开发一组更可靠的协议。 该研究于7 0 年代中期结束，其结果就是t c p i p 。 2 1 4 结构层次 t c p i p 协议是一个四层协议，其结构如图2 1 所示。 上海交通大学硕士学位论文 基于互联网的远程监控系统在工业控制领域中的应用研究 5 图2 - 1t c p i p 协议包的体系结构“1 f i g 2 - 1a r c h i t e c t u r eo ft c p i pp r o t o c o lp a c k a g e 每一层的功能分别是： 一数据链路层：也称为网络接口层，通常包括操作系统中的设备驱动程序和计算机 对应的网络接口卡，它们一起处理与物理传输介质之间的物理接口细节。该层包含 的协议有：a r p ( 地址解析协议) 和r a r p ( 反向地址解析协议) 。 一网络层：也称为互联网层，负责分组在网络中的活动，包括i p 协议( i n t e r n e t 协 议) 、i c m p 协议( i n t e r n e t 控制报文协议) 和i g m p 协议( i n t e r n e t 组管理协议) 。 一传输层：该层主要为两台主机上的应用程序提供端到端的数据通道，它分为两个 不同的协议：t c p ( 传输控制协议) 和u d p ( 用户数据报协议) t c p 协议提供端到端 的质量保证的数据传输，该层负责数据的分组、质量控制和超时重发等，应用层则 可以忽略这些工作。u d p 协议则只是提供简单的把数据报从一端发到另一端，至于数 据是否到达或按时到达、数据是否损坏都必须由应用层来完成。这两种协议各有各 的用途，t c p 主要用于面向连接的应用，而u d p 则在及时性服务中有着重要用途，如 网络多媒体通信等 应用层：该层负责处理实际的应用程序细节。这一层包含了许多常用协议如t e l n e t ( 电子公告板协议) 、s m t p ( 简单邮件传输协议) 、f t p ( 文件传输协议) 和s n m p ( 简 单网络管理协议) 等。 2 1 5 工作过程 t c p i p 的操作是通过“堆栈”的协议进行的。这个堆栈是由用于在两台机器之 间传输数据的所有协议组成的。这个堆栈一般被分为5 层，如图2 2 所示。 当数据自上而下通过了图2 一所示的各层，它就来到了在另一台机器或另一个网 络上的目的地。在目的地，这个过程则刚好相反，即数据首先到达物理层，然后逐 层向上而到达栈顶在这个过程中，在源机器和目的机器上都提供了一个复杂的错 误检测系统。 2 i 6 i p 地址和端口 ( 1 ) i p 地址 网络互联的目的是提供一个无缝的通信系统，因此i n t e r n e t 协议必须屏蔽物理 网络的具体细节，提供一个虚拟网络的功能，使设计者可以在不考虑物理硬件细节 的情况下自由地选择地址。在t c p i p 协议栈中，编址由i p 协议规定，i p 标准分配 给每台主机一个3 2 位( b i t ) 的二进制数作为该主机的i p 地址。 每个3 2 位i p 地址被分割成两部分：前缀和后缀。前缀用于确定计算机从属的 上海交通大学硕士学位论文基于互联同的远程监控系统在工业控制领域中的应用研究 6 物理网络，后缀则用于确定网络上一台单独的计算机。i n t e r n e t 中每一个物理网络 都有一个唯一的值作为网络号( n e t w o r kn u m b e r ) 。i p 地址的层次性保证了以下两个 重要性质： 每台计算机分配一个唯一的地址： 一虽然网络号分配必须全球一致，但后缀可以本地分配，不必全球一致。 i p 地址共分5 类：a 类、b 类、c 类、d 类和e 类。其中 类、b 类和c 类为基 本类，d 类用于多播传输，e 类属于保留类，现在不用。 i p 地址一般采用点分十进制的表示方法，例如： 1 0 0 0 0 0 0 10 0 11 0 1 0 00 0 0 0 0 11 00 0 0 0 0 0 0 0 1 2 9 5 2 6 0 采用点分十进制的表示方法后的地址分类表2 - 1 所示。 表2 - l 各类i p 地址的范围“1 类型范围 a 类 0 0 0 0 1 2 7 2 5 5 2 5 5 2 5 5 b 类 1 2 8 ，0 。0 0 1 9 1 2 5 5 2 5 5 2 5 5 c 类1 9 2 0 0 0 2 2 3 2 5 5 2 5 5 2 5 5 d 类 2 2 4 0 0 0 2 3 9 2 5 5 2 5 5 2 5 5 e 类2 4 0 0 0 0 2 4 7 2 5 5 2 5 5 2 5 5 此外，需要特别注意以下几个特殊的i p 地址： 网络地址：i p 中主机地址为0 的地址表示网络地址，如1 2 8 2 1 1 0 0 ； 广播地址：网络号后跟一个所有位全是1 的后缀，就是直接广播地址； 回送地址：1 2 7 0 0 i 用于测试。 桌面系统 应用层 = 工 传输层 网络层 = = 链路层 二工 物理层 当用户初始化一个数据传输时，本层把请求 发送给传输层 传输层为请求附加一个报文头，并把它发送 到网络层 在网络层，为了进行路由处理，把源和目的 节点的i p 地址添加到报文中 数据链路层对它上面的各层和它下面的物理 层之间的数据流进行错误检测 物理层在传输介质上发送和接收数据( 介质 可能是同轴电缆、p p p 方式m o d e m 等) 图2 - 2t c p i p 协议栈嗍 f i g 2 2 t l t i pp r o t o c o ls t a c k 上海交通大学硕士学位论文基于互联回的远程监控系统在工业控制领域中的应用研究 了 ( 2 ) 端口 一种可用的操作系统资源，s o c k e t 用它来唯一标识一个应用程序。每个应用程 序均与某个特殊的端口联系，当与该端口有关的任何连接请求到达时，相应的应用 程序就被启动。 服务器一般都是通过知名端口号来识别的。例如，对每个t c p i p 实现来说，f t p 服务器的t c p 端口号都是2 1 ，t e l n e t 服务器的t c p 端口号都是2 3 。 客户端通常对它所使用的端口号并不关心，只需要保证该端口号在本机上是唯 一的就可以了。 2 2 套接字( s o c k e t ) 技术m 2 2 1 套接字概念 套接字是通信的基石，是支持t c p i p 协议的网络通信的基本操作单元。可以将 套接字看作不同主机间的进程进行双向通信的端点，它构成了在单个主机内及整个 网络间的编程界面。套接字存在于通信域中，通信域是为了处理一般的线程通过套 接字通信而引进的一种抽象概念套接字通常和同一个域中的套接字交换数据( 数 据交换也可能穿越域的界限，但这时一定要执行某种解释程序) 。 套接字有两种不同的类型：流套接字和数据报套接字。 流套接字提供双向的、有序的、无重复且无记录边界的数据流服务，它适用于 处理大量数据。流套接字是面向连接的，通信双方进行数据交换之前，必须建立一 条路径，这样既确定了它们之间路由，又保证了双方都是活动的、可彼此响应的 流套接字所需的系统资源较多。 数据报套接字支持双向的数据流，但并不保证数据传输的可靠性、有序性和无 重复性，此外数据报套接字也保留了其记录边界。数据报套接字是无连接的，它不 保证接收端是否正在侦听，因此并不十分可靠，需要程序员保证数据报的排序和可 靠性。数据报套接字所需的系统资源较少。 2 2 2 套接字编程模型 不论是流套接字还是数据报套接字，一般都采用c l i e n t s e r v e r 模型( 图2 3 ) 在网络上传递数据，即通信的两端分别c l i e n t 端和s e r v e r 端，由c l i e n t 端向s e r v e r 客户机 冈 l 堕堡丝i 困 服务器 图2 - 3 套接字编程的c l i e n t s e r v e r 模型1 f i g 2 - 3 s o c k e tc l i e n t s e r v e rm o d e l 端发出连接请求，s e r v e r 端监听并响应c l i e n t 端的连接请求；连接建立后，即可实 现数据在c l i e n t 端和s e r v e r 端的双向传输。这种方式隐含了在建立c l i e n t s e r v e r 间通信时的非对称性。 上海交通大学硕士学位论文 基于互联网的远程监控系统在工业控制领域中的应用研究8 2 3 数据加密技术嘲 简单地说，加密就是把原始数据( 明文) 看成一连串或一块块的数字，通过某 种运算方式把它变成另外的看上去毫无意义的数字( 密文) 。这种运算的逆过程必须 存在同时又很难被找到。目前常用的加密算法有r s a 、r c 2 和d e s 等。 一个加密方案的算法不能是固定的，否则能解密一个密文就能解密所有的使用 该方案的密文，然而不可能每次加密都设计一个新算法，而是使用不同的加密参数 参与加密运算。这个参数就称为密钥。有些加密算法甚至公开运算过程，只靠巨大 的密钥总数来来防止破译。通常加密和解密使用同一个密钥，这称为常规密钥密码 体制。但它有一个漏洞，就是发端( 加密方) 必须在数据传输( 称为会话) 之前把 它所用的密钥( 称为会话密钥) 传输给收端，这样收端才能解密然而在网上传输 时密钥本身也可能被截获，从而别人也能对截获的密文进行解密。 为了解决这个问题，可以让加密和解密使用不同的密钥。一个称为公开密钥， 另一个称为私人密钥，它们构成一个密钥对。这就是公开密钥密码体制。发端使用 公开密钥加密，收端使用私人密钥解密，因此收端只要把他的公开密钥传给发端， 发端就可以对发送的数据进行加密了，而收端用于解密的私人密钥无需告诉发端。 公开密钥即使被截获也没关系，因为它不能用来解密。另外虽然公开密钥和私人密 钥之间存在相互关系，但要根据公开密钥推测对应的私人密钥几乎是不可能的。 公开密钥算法相对于常规密钥来说一般算法过于复杂，在处理大流量的数据时 比较慢，因此通常加密数据还是用r c 2 、d e s 等常规密钥算法是，而把e s a 用于加密 r c 2 、d e s 用的会话密钥，保证会话密钥传输的安全。 2 4 数据库访问技术 2 4 1 o d b c 接口 o d b c 是o p e nd a t a b a s ec o n n e c t i v i t y ( 开放式数据库连通性) 缩写，可能是使 用最广泛的关系型数据库访问接口。它的特点是高效灵活，但比较复杂，且只能访 问关系型数据库。它是一种底层接口，有相应的对其进行简化的控件，v c 的m f c 类 库也有封装好的o d b c 类。 2 4 2d a o 接口 d a o 是d a t aa c c e s so b j e c t ( 数据访问对象) 的缩写，是主要针对a c c e s s 数据 库j e t 引擎开发的一种数据库访问接口，用于访问a c c e s s 数据库比较高效，但访问 其他数据库则比较慢。它是一种底层接口，有相应的对其进行简化的控件，v c 的m f c 类库也有封装好的d a o 类。 2 4 3r d o 接口 r d o 是r e m o t ed a t ao b j e c t ( 远程数据对象) 的缩写，是一种紧凑、轻量级的 与o d b c 的接i = 1 。它模仿了d a o 对象模型，并且使开发人员获得o d b c 低级功能的 方式变得更加容易。它在对s q ls e r v e r 的数据访问中非常流行，但其能力仅限于 获取j e t 或i s 埘数据。另外，它也只能通过现有的0 9 b c 驱动程序访问关系型数 据库。 上海交通大学硕士学位论文基于互联网的远程监控系统在工业控制领域中的应用研究9 2 4 4o l e 陷和a d o 接口 o l ed b 是o l ed a t a b a s e ( 对象连接嵌入数据库) 的缩写，它是一个低级的基于 对象的接口，且不限于关系型数据、i s a m 、j e t 或其他任何东西。它可以处理任何 类型的信息，也可以是开发者极少直接面对的东西，除非要开发数据存储或数据库 引擎。o l e 陷是通往“通用数据访问”模型的大门。 a d o 是a c t i v e xd a t ao b j e c t ( a c t i v e x 数据对象) 的缩写，这是与o l e - d b 的 应用程序级接口。它外表与r d o 和d a o 相似( 具有相似的对象模型) ，但却是这些 技术的超集。可以使用a d o 、通过o l ed b 服务提供者来处理数据，也可以通过o l ed b f o ro d b c 接口来访问现有o d b c 驱动程序。比起任何其他接口，它提供有更广泛的 访问方式，但不与r d o 向后兼容。 2 5c o m 技术9 】 2 5 ，1 组件化程序设计 在组件化程序设计的思想出现之前，软件设计中使用最为广泛的是面向对象技 术。然而，随着软件科学的不断发展，新的应用系统越来越复杂，尤其这几年 i n t r a n e t i n t e r n e t 的飞速发展，使软件应用置身于更加广阔的环境中，从而对应用 软件提出了更高的要求，这就使得软件设计更加困难。在这样的情况下，面向对象 的思想已经难以适应这种分布式软件模型，组件化程序设计的思想得以迅速发展。 按照组件化程序设计的思想，复杂的应用程序被设计成一些小的、功能单一的 组件模块，这些组件模块可以运行在同一台机器上，也可以运行在不同的机器上， 甚至可以运行在跨越太平洋的两台机器上。在理想的情况下，每台机器的运行环境 可以不同，甚至可以是不同的操作系统。为了实现这样的应用软件，组件程序和组 件程序之间需要一些极为细致的规范，只有组件程序遵循了这些共同的规范，软件 系统才能正常运行。为此，o m g ( o b j e c tm a n a g e m e n tg r o u p ，对象管理组织) 和m i c r o s o f t 分别提出了c o r b a ( c o m m o no b j e c tr e q u e s tb r e a k e ra r c h i t e c t u r e ，公共对象请求 中介体系) 和c o m ( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ，组件对象模型) 标准，目前c o r b a 模 型主要用于u n i x 操作系统平台上，而c o m 则主要用于m i c r o s o f tw i n d o w s 操作系 统平台上。 2 5 2c o m 概念 c o m 是由m i c r o s o f t 提出的组件标准，它不仅定义了组件程序之间进行交互的标 准，并且也提供了组件程序运行所需的环境。在c o m 标准中，一个组件程序也被称 为一个模块，它可以是一个动态链接库，被称为进程内组件( i n - p r o c e s sc o m p o n e n t ) ； 也可以是一个可执行程序，被称为进程外组件( o u t o f - p r o c e s sc o m p o n e n t ) 。一个 组件程序可以包含一个或多个组件对象，因为c o m 是以对象为基本单位的模型，所 以在程序与程序之间进行通信时，通信的双方应该是组件对象，也叫做c o m 对象， 而组件程序( 或称做c o m 程序) 是提供c o m 对象的代码载体。 2 5 3c o m 结构 ( 1 ) 对象与接口 上海交通大学硕士学位论文基于互联网的远程监控系统在工亚控射领域中的应用研究 o c o m 是面向对象的软件模型，因而对象是它的基本要素之一，使用对象的应用( 或 另一个对象) 称为客户，有时也称为对象的用户。 接口是一组逻辑上相关的函数集合，其函数也被称为接口成员函数。对象通过 接口成员函数为客户提供各种形式的服务。 在c o m 模型中，对象本身对于客户来说是不可见的，客户请求服务时，只能通 过接口进行。每一个接口都由一个1 2 8 位的全局唯一标识符( g u i d 。g l o b a l l yu n i q u e i d e n t i f i e r ) 来标识。客户通过g u i d 来获得接口的指针，再通过接口指针，客户就 可以调用其相应的成员函数。至于具体功能如何实现。则完全由对象的接口内部实 现。所以，在c o m 模型中，对象通过接口及接口中的函数为客户提供服务，对于客 户来说，它只与接口打交道。 ( 2 ) c o m 的c s 模型 不难看出，对象和客户之间的作用是建立在c l i e n t s e r v e r 模型基础上的。c o m 采用c s 结构的重要原因之一在于c s 模型的稳定性，尤其对于跨进程的程序通信， 稳定性更会带来性能上的高可靠性。 c o m 虽然以c s 模型为基础，但t o m 可以非常灵活地使用这种模型。图2 - 4 是c 嘣 灵活使用c s 模型的几种用法。 ( a ) ( a ) 简单客户服务器模型( b ) 客户服务器模型的两重结构 ( c ) c o m 中包容模型示例( d ) c o w 中聚合模型示例 图2 - 4o 嘣灵活使用c s 模型的几种用法f 1 f i g 2 - 4u s a g eo fc sm o d e li no 删 2 5 4c o m 特性 c o m 规范定义的组件模型，主要有以下几个特性： 面向对象性；基于c s 模型的结构；语言无关性：进程透明性；可重用性。 2 5 5d c o m 与c 0 聃+ d c o i i 是c o m 的扩展，它可以支持不同计算机上组件对象与客户程序之间或者组 件对象之间的相互通信，这些计算机可以在局域网内，也可以在广域网上，甚至通 过i n t e r n e t 相互连接。对于客户程序而言，组件程序所处的位置是透明的，我们不 必编写任何处理远程调用的代码，因此。d c 伽也是c o m 的无缝扩展。 上海交通大学硕士学位论文基于互联两的远程监控系统在工业控制领域中的应用研究1 1 c o m + 不是c 叫的新版本，我们可以把它理解为c o m 的新发展，或者c 伽更高层 次上的应用。c o m + 的底层结构仍然以c o m 为基础，它几乎包容了c o m 的所有内容。c o m + 综合了c o m 、d c o m 和其他相关技术要素，同时倡导了一种新的概念，把组件软件提 升到应用层不再是底层的软件结构，它通过操作系统的各种支持，使组件对象模型 建立在应用层上，把所有组件的底层细节留给操作系统，因此，c o m + 与操作系统的 结合更加紧密 2 6 系统实现关键技术指标测试 2 6 1 互联网数据传输延迟时间 工业控制领域对设备监控都有一定的实时性要求。对于大型设备如大型车库、 中央空调来说，实时性要求不是很高，一般到秒级。互联网作为数据传输网络，进 行数据远程传输本身就需要一定时问，且互联网是公共网络，难免存在数据“堵塞” 现象，因此必须对利用互联网进行数据传输造成的延迟时间进行测试，确保系统可 以满足一定的实时性要求。 ( 1 ) 测试方案及结果 数据传输是在监控中心和监控现场之间进行，因此首先需要编写测试用的中心 端和现场端软件。此测试软件具有最基本的网络数据发送接收功能，发送端通过互 联网定时发送数据至接收端，通过记录发送接收时间即可测试延迟时间。具体的测 试结果如表2 2 所示。 表2 2 互联网数据传输延迟时间测试结