（机械电子工程专业论文）基于网络的rsm工程检测仪远程控制系统的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 中文摘要 网络技术推动了传统工业控制系统结构的变革。在测控领域，监控技术、 计算机技术和通信技术的紧密结合使计算机网络得以普及和发展。在现场设备 分布广泛或数据不易采集的场合，要能够及时的监控设备的运行状态并进行有 效的控制，需要将传统的监控技术与计算机网络相结合。本论文针对岩土工程 测试的特点将远程控制技术应用于中国科学院武汉岩土力学研究所智能仪器室 研制的r s m 工程检测仪器中，从而实现大范围实时监测、共享资源，具有极大 的现实意义。 本文首先从远程控制系统的控制方式以及通信协议入手，提出了系统的总 体设计方案，接着研究了基于c s 模式的网络实时控制系统的关键技术，应用 面向对象思想对系统软件进行了功能设计，重点分析了其中的远程通信模块的 实现方案，展示了远程控制系统的实现过程。最后对远程控制系统的实时性能 和安全性能进行的分析和评价，并结合实际应用的需求提出了系统的改进措施。 本系统在设计过程了综合利用了数据采集技术、网络通信技术以及面向对 象编程技术，以监控信息的实时操作和实时控制为中心，充分利用了现有的局 域网资源和广域网资源，采用的分层的、面向对象的设计方法，具有结构模块 化、层次化、接口简单、适应性强的特点，具有良好的丌放性。 关键宇：网络通信，t c p i p ，客户机服务器，远程控制 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t n e t w o r kt e c h n o l o g yh a sp r o m o t e dt h ec o n v e n t i o n a li n d u s t r i a lp r o c e s s c o n t r o ls y s t e m n ec o m b i n a t i o no fm o n i t o r i n gt e c h n o l o g y , c o m p u t e rt e c h n o l o g y a n dc o m m u n i c a t i o nm a k ei n t e r n e ts p r e a d e ra n dd e v e l o p e dr a p i d l yi nt h ef i e l do f m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m i nt h es i t u a t i o no fe q u i p m e n t sd i s t r i b u t e dw i d e l y a n dd a t aa c q u i s i t i o nd i f f i c u l t ，t h ec o m b i n a t i o no ft h ec o n v e n t i o n a lm o n i t o r i n g t e c h n o l o g ya n dn e t w o r kt e c h n o l o g yi sn e e d e dt om o n i t o ra n dc o n t r o lt h eo p e r a t i n g s t a t eo fe q u i p m e n ti nt i m e o nt h eb a s i so fr s me n g i n e e r i n gd e t e c t o r , w h i c hi s d e s i g n e d b y i n s t i t u t eo fr o c ka n ds o i lm e c h a n i c st h ec h i n e s e 。a c a d e m yo f s c i e n c e s ，t h i sp a p e ri n t r o d u c eh o wt oa p p l yt ot h er e m o t ec o n t r o lt e c h n o l o g yt o r e a l i z e l a r g e s c a l em o n i t o r i n g i nt i m ea n dr e s o u r c e s h a r i n g a i m e da tt h e c h a r a c t e r i s t i c so fr o c ka n ds o i ld e t e c t i n g t h e r e b y , t h er e s e a r c hi ss i g n i f i c a t i v e t h i sp a p e rs t a r t sw i t ha n a l y s i so ft h es y s t e m sc o n t r o l l i n gw a ya n d c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s a f t e ri n t r o d u c i n gt h eb a s i ct h e o r i e s o fr e m o t ec o n t r o l ， t h ed e s i g n i n gs c e n a r i oa n ds o m ek e yt e c h n o l o g i e sa r ed i s c u s s e di nd e t a i lt or e a l i z e r e a l - t i m ec o n t r o lb a s e do nc s t h es y s t e m sf u n c t i o nm o d e l sa t ed e s i g n e db yu s e o fo b j e c to r i e n t e dt e c h n o l o g ya n dt h e nt h ed e s i g no fr e m o t ec o m m u n i c a t i o n m o d e li se m p h a s i z e d t h er e a l i z a t i o no fr e m o t ec o n t r o ls y s t e mi ss h o w e d f i n a l l y , t h er e a l - t i m ep e r f o r m a n c ea n ds e c u r i t yp e r f o r m a n c ea r ee v a l u a t e da n ds o m e s o l u t i o n sa r eg i v e ni na c c o r d i n gt oa c t u a ld e m a n d s s y n t h e s i z i n gt h et e c h n o l o g yo f d a t aa c q u i s i t i o n ，n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n a n do b j e c to r i e n t e dp r o g r a m m i n g ，t h er e m o t ec o n t r o ls y s t e mi sf o c u s e do n r e a l t i m ec o n t r o la n dm o n i t o ri nl o c a in e t w o r ka n dw i d ea r e an e t w o r k w i t ht h e o b j e c to r i e n t e da n dl a y e r e ds t r u c t u r e ，i tp r o c e s s e st h e s ef e a t u r e s ：m o d e l e d ，l a y e r e d ， s i m p l ei n t e r f a c e ，s t r o n ga d a p t a t i o n ，o p e na n ds oo n k e yw o r d s ：n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n ，t c p i p , c l i e n t s e r v e r , r e m o t ec o n t r o l l i 武汉理工大学硕士学1 1 i ) ：论文 第1 章绪论 1 1 基于i n t e r n e t 的远程控制系统的发展及应用 九十年代以来，随着i n t e r n e t 的广泛应用，计算机和网络技术得到迅速发展， 促使其相关技术也逐渐走向成熟。这些不仅对人们传统的生活方式产生了巨大的 冲击，对工业控制领域的发展更是带来深刻的影响，如基于i n t e r n e t 的远程控制技 术就引起了工业界的广泛关注，它在核电监控、电网运行监控和机器人的远程控 制等方面都已经得到了实际应用，成为现代工业技术中的一个支撑和组成要素。 基于i n t e r n e t 的远程控制系统实现了跨地域的数掘共享，具有数掘传递快捷和交互 性强等特点，推动着控制技术向网络化、 趋势使得控制系统功能的扩展更加灵活， 的研究具有重大意义。 1 1 1 控制系统的发展历史 分布性和开放性的方向发展，这种发展 使用更加简便。因此，对远程控制系统 控制系统的发展是与计算机技术、通信技术、网络技术密不可分的。随着 这些相关技术的发展，控制系统大致经过了如下三个阶段： ( 1 ) 第一代的监控系统是以集中式控制为特征的单机监控系统，即计算机 集中控制系统( c c s ，c e n t r a l i z e dc o n t r o ls l y s t e m ) ，结构如图1 - 1 所示。系统主 要由一台计算机和一块或多块功能模板构成，主要是针对某一被监控的仪器而 设计，信息的交换和处理仅限于监控系统内部，是一种封闭式的系统。 图1 - 1 计算机集中控制系统结构 ( 2 ) 第二代的监控系统则是以局域网、集散化控制为特征的分布式监控系 统，即集散控制系统( d c s ，d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 。典型的d c s 主要由现 武汉理工大学硕士学位论文 场设备、控制站和操作站组成，其结构如图1 2 所示。 这种系统的特点是“集中管理、分散控制”，即由控制站对分散的现场 设备进行实时控制，操作站的中央管理计算机则通过工业局域网把若干分布于 各个现场、独立的控制站互联起来形成控制网络以进行监督管理。集散控制系 统将集中管理和分散控制有机结合起来，从而实现了资源共享、协同工作、分 散监测和集中操作。这是基于工业局域网的相对丌放的系统，监控信息的处理 在控制网络网内部进行，因而不能实现更大范围的信息共享。 现场仪表现场仪表现蜗位表 现场仪表 图1 2d c s 结构 ( 3 ) 进入2 0 世纪9 0 年代，以i n t e r n e t 为代表的计算机网络技术的迅猛发 展以及其相关技术的完善，特别是信息高速公路的丌通，打破了传统通信方式 的限制，使控制系统的结构向着网络化、智能化、分散化的方向发展，监控技 术也进入了发展的第三阶段i n t e r n e t 阶段p 。 基于i n t e r n e t 的远程控制技术j e 是控制系统与i n t e r n e t 的融合与集成，是将 计算机网络通信技术应用于工业控制中而产生的一种新的控制模式，是指技术 管理人员在异地通过计算机网络连接被控制的计算机，通过在本地计算机上的 操作而实现对被控端的监控、管理和维护等行为，它体现了进入2 1 世纪的控制 系统的主要特征，即在自动化和工业控制中需要更深层次的渗透通信与网络技 术，“控制上网”是2 1 世纪工业控制的一个动向l e l 。 从工业测试领域来讲，由于现在工程现场和测试设备在地域上越来越分散， 要总揽现场控制信息和运行状况，或要对分散在工程现场的控制网络进行状态 武汉理工人学硕十学位论文 监控、远程软件下载及设备的珍断维护，只有通过i n t e r n e t 。特别是在一些大型 的跨省或跨国的重大工程中，要实现对分散在各地工程现场中的工程测试仪器 装置运行状态的实时监控、测试数据的统一分析管理，更是迫切要求将控制网 络和i n t e m e t 相结合来实现远程控制。 基于i n t e r r t e t 的远程控制系统以若干台巾心计算机为服务器，在不同的设备 上设立监测点，采集监测数据，在技术力量较强的科研机构设立远程监控中心， 为工程现场提供技术支持。其系统模型如图1 3 所示。 图1 - 3远程控制系统模型 1 1 2 远程控制系统的发展现状m m 】 3 川3 9 在控制系统中引入i n t e r n e t 技术是一种大势所趋，也是解决企业中经营管理、 办公自动化、监控调度、实时控制各层次中各自为政、风格不一等问题的一种 可行性解决办法；而随着计算机技术、网络通讯技术、控制技术迅速发展，出 现了大量智能仪表，其应用使得工业生产过程自动化水平得到了很大的提高， 这些都为系统的远程监控提供了便利条件。国外早在上世纪9 0 年代就在远程监 控方面有了很多的研究。除了早期在星际探索上对机器人的应用外，还在其他 许多领域做了探索研究。 1 9 9 3 年美国国家航空航天局j o h n s o n 航天中心与德州的四所大学成功的进 行了机器人远程分布式实验该项实验i 通过i n t e r n e t 在j o h n s o n 航天中心控制 位于t e x a sa & m 大学和t e x a s 大学a s u t i o n 分校的机器人，并同时在a r l i n g t o n 分校和r i c e 大学进行监测和性能分析。 1 9 9 4 年南加州大学完成m e r c u r y 项目，该项目允许远程用户通过w e b 浏览 器控制一机器手进行文物挖掘。英国b r a d f i l r d 大学工业技术系于1 9 9 6 年研制的 名为b r a d f o r d r o b o t i ct e l e s c o p e 天文望远镜，该天文望远镜已经在i n t e r n e t 上对 外开放。天文爱好者可以同过w e b 浏览器访问其主页，控制望远镜的角度和焦 距，_ ：j f ：可以在信箱收到观测结果。美国伯克力大学研制的t e l e g a r d e n 则是一个通 过i n t e r n e t 远程控制的种植花草的工业机器人手臂。 武汉理工大学硕士学位论文 1 9 9 6 年美国麻省n o r t h a n d o v e r 公司首先将p l c 与i n t e r n e t 相连，许多用户 由此受益。通过i n t e r n e t ，用户只要拥有浏览器，即可方便进行通讯。浏览器并不 能直接用来控制设备，设备的实际控制有p l c 或p c 来完成。用户可以用浏览 器进行过程参数的设定或控制对象的开启和关闭。 1 9 9 7 年1 月，首届基于i n t e r n e t 的工业远程诊断研讨会由斯坦福大学和麻省 理工学院联合主办：在美国波音公司的预维护系统中，采用了w e b 网络技术进 行数据分析，使用w e b 浏览器进行远程探测和检修机器的故障；加拿大的g r a n b y 公司使用w e b 浏览器技术，通过以太网进行机床故障诊断。 我国近年来信息基础建设发展很快，光缆、数字微波、卫星等已成为信息 长途传输的主要干线，为我国信息高速公路建设打下了物质基础，同时也促进 了网络远程控制技术的发展，如在远程教学、网上考试、办公自动化、网络管 理等方面远程控制技术已经显现出强大的发展潜力，而随着控制、通信及计算 机网络技术的发展，传统的工业控制领域也丌始向网络化发展，形成了新的控 制网络，可以预见，控制网络与网络远程控制技术的结合将成为控制领域的一 个新方向。与在机器人、故障渗断、教学管理等领域中的研究应用相比较而言， 工程测试领域对于远程控制技术来说还是一个比较新的领域。而国内的很多重 大工程对远程控制和测试技术有着较大的需求，因此加强与重大工程的合作， 开发技术含量高的产品也是我国今后远程控制技术的发展趋势。 1 2 课题背景与意义 随着我国现代化事业的迅速发展，各类高层建筑、水利水电设施、矿山、 港口、高速公路、铁路和能源工程等大量工程项目的丌工建设，不可避免地形 成了大量的岩土勘测工程。这些工程的稳定状况，事关工程建设的成败与安全， 会对整个工程的可行性、安全性以及经济性等起着重要的制约作用。然而，对 于滑坡等岩土工程项目，不仅影响因素众多，而且一旦产生破坏即发生滑 坡或崩塌将会产生不可估量的损失，因此为了对这类岩土工程项目的潜在 危险进行预测和控制，我们必须对影响项目的相关参数进行实时掌握并能通过 参数的变化做出及时的反映，这就需要进行实时监控。通常的解决方法是在运 行现场安排工程技术人员留守。此方法的缺陷是人力资源浪费大，对于监测设 备数量多、分布广的大系统，统一调度管理比较困难，特别是值守人员的素质 4 武汉理：l 人学硕+ 学位论文 和责任心参差不齐，往往造成调度决策不够及时准确，使得系统总体运行质量 不高，直接影响到工程项目的安全状态和设备的使用寿命。同时由于岩土工程 项目的危险性往往涉及到人的生命，这就更增加了采用人员留守进行实时监控 的不可取性。随着计算机和网络技术的发展，将这种网络监控这一高新技术应 用于岩土工程之中可以很好的解决人员留守的诸多问题，同时也为这个古老的 课题研究开辟了新的领域。 传统的岩土监测一般都是采用人工现场巡视监测。即在工程监测现场布置 一定的传感器或仪表，现场值守人员定期对仪器仪表数据进行纪录，这样做的 直接缺点就是不能实时采集到有用的信息，当信息汇总分析后往往现场的状况 都已经发生了破坏，因此不可能及时准确地对工程现场状况进行预测。而且， 监测的测点和参数非常有限。考虑到勘测工程往往处于偏远或危险地区，采用 人工巡视时，如处于危险时期，则巡视人员的生命安全得不到保障。因此采用 远程网络监控技术后，我们可以做到真正的多测点、多参数、无人现场值守、 远程实时获取信息的远程监测系统。在现场大范围内多测点布蔑传感器，每个 测点尽量采集多参数的数据，现场由单片机控制传感器，将传感器采集的数据 以射频无线电的方式传输给布置在安全地带的上位机控制系统，上位机通过国 际互联网连接远程监控中心，将现场采集的数据传输到远程监控中心远程监 控中心可通过专家系统对数据进行分析。这样就可以做到无人进入勘测现场， 同时得到多参量信息，实时分析变量变化趋势，及时做出更加准确的分析，采 取更英明的决策，以便更加迅速的采取相应措施。 1 3 本文主要完成的工作 中国科学院武汉岩土力学研究所智能仪器室是我国岩土工程测试技术和智 能仪器的专业化研究中心。r s m ( r o c ka n ds o i lm e c h a n i c s ) 系列产品设备是智 能仪器室的主导产品，在国内岩土工程测试设备产品中的市场占有率较高，在 基桩及结构物智能测试方面已取得普遍性的成功。本课题的研究目的在于将远 程控制技术应用于中国科学院岩土力学研究所智能仪器室所研制的r s m 工程检 测仪上，从而实现大范围实时监测、共享资源，形成丰富的数据库，为高层技 术人员决策提供支持，实现远程监控现场情况的平台，便于工程技术人员大范 围统筹和直接干预现场，便于实现设备的远程操纵，具有极大的现实意义。 武汉理工大学硕士学位论文 本文从建立基于i n t e r n e t 的r s m 工程检测仪远程控制系统的目的和任务出 发，结合岩土工程的实际，列系统的建立方案及主要问题进行了研究和探讨， 主要完成的工作如下： ( 1 ) 以i n t e r n e t 技术的发展为基础，深入研究t c p i p ( 传输控制协议网际 协议，t r a n s f e rc o n t r o lp r o t o c o l i n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) 体系结构及其各种相关技术的 基本理论，构造基于客户机服务器( c l i e n t s e r v e r ，c s ) 结构的远程控制系统 的网络结构。 ( 2 ) 了解各种网络协议，制定远程控制系统的通信协议。 ( 3 ) 对网络通信和网络数据传输的实现方法进行介绍分析，并提出了具体 的实现方案。 ( 4 ) 对于远程控制系统的实时性和安全性能进行了分析及改进。 ( 5 ) 对于远程控制系统在工程测试领域中的应用进行了总结和展望。 武汉理j - 人学硕士学 迁沦文 第2 章远程控制系统网络基本理论 远程控制系统中各种信息的交换是实现远程控制功能的关键，这里的信息 包括数据信息流和控制信息流。远程控制系统网络的通信协议和体系结构是影 响通信网络中信息交换的关键因素，因而l 圭l 直接影响着远程控制系统的性能。 2 1 网络通信协议模型 “；v “”一7 。 _ ：4 未氛；，拍头体叫进仃j i ! 1 1 自j 波川“0 。为j 佚f j1 又津能 够互相通信，它们必须使用“相同的语言”。交流什么信息，如何交换，何时通 信，这在参与通信的实体间必须达成互相都能接受的安排。这些安排就是规程 或协议。淤议往往被制定成一系列规则，用柬管制两个实体间的数据交换。 在计算机之间进行通信需要更高层次的协作。我们通常采用协议体系结构 的基本思想，即不用一个模块来完成通信任务，而用一个构造好了的模块集合 来完成不同的通信功能p j 。即将一个计算机网络分为若干层次，处在高层次的 系统仅是利用较低层次的系统提供的接口和功能，不需了解低层实现该功能所 采用的算法和协议；较低层次也仅是使用从高层系统传送来的参数，这就是层 次间的无关性。因为有了这种无关性，倘若某一模块发生变动时不会影响其他 模块的正常运行。在计算机网络发展上，影响较大的网络体系主要有开放系统 互连( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n ，o s i ) 七层参考模型和t c p i p 体系结构模型。 2 1 1o s i 参考模型 o s i 参考模型是国际标准化组织( i s 0 ) 发展出来的标准网络参考模型，浚 模型为计算机间开放式通信所需要定义的功能层次定义了全球标准，说明了信 息如何从一台计算机的应用软件通过网络传输到另一台计算机的应用软件。通 过这个标准结构，让厂商得以设计出完全兼容的通信产品，现在它已经被视为 计算机内部通信的主要结构模型。o s l 模型将通信会话需要的各种进程划分为7 个彼此独立的功能层次，每一层都具有特定的网络功能。这些层次的组织是以 一个通信会话中事件发生的自然顺序为基础，如表2 1 所示。 武汉理r ，_ 人学硕士学位论文 表2 - 1o s l 模型的七层体系结构 层的名称功能应川协议 应_ i _ | 层( 7 )提供网络与应用程序的接口h t t p ，f f p ，t e l n e t 等 数据的表示，完成数据转换、压缩、加密， 表示层( 6 )：r 作站服务，网络转向器 实现数据安全等功能 会话层( 5 ) 会话的连接、管理及数据传输的同步等 n e t b i o s 等 建立、维护和拆除传送连接，提供端到端 传输层( 4 )t c p ，u d p s p x 等 的错误恢复和流控制 网络层( 3 ) 解决路由选择、拥塞控制网络互迮等问题 1 p ，s p x 等 数据链路层( 2 ) 实现无差错传送，提供信息流蕈调机制e t h e r n e t ，a t m 等 确保能流的传输提供链路所需的机械、 物理层( 1 )礅绞线、集线器、光纤等 屯气功能利规程特性等 物理层：该层位于o s i 参考模型中的最底层，负责位流在传输媒体上的 传输。它从第二层数据链路层接收数据帧，并将帧的结构和内容串行发送，将 数据位从一台计算机传输到另一台计算机。这个物理层定义如何将缆线连接到 网络接口以及数据编码与位同步化等。 数据链路层：该层肩负两个责任，即发送和接收。发送时数据链路层接 收从上层网络传送来的数据包，将它切割成一个个较小的数据包，并在数据包 中加入检查码下传给物理层；接收时数据链路层则负责重新组织从物理层收到 的数据位流。它提供了数据有效传输的端到端连接。 网络层：该层定义负责源机器和目标机器之问建立它们所使用的路由。 它根据网络的条件、服务的优先权以及其他的因素决定数据的路径。另外，它 也负责管理网络流量问题，如数据包交换、路由以及控制数据堵塞等。 如果路由器无法传输来自源端的那么大的数据，路由器的网络层会将数据切 割成数个较小的数据包传送，然后接收端再将这些小数据包重组回原先传送的数 据。 传输层：该层提供类似于数据链路层的服务，保证数掘在端端之完整传 输，但与数据链路层不同的是它只是在本地网段上提供这种功能。传输层从会 话层接收数据并通过网络分段传输，它负责确保数据以适当的顺序递送，没有 数据包遗失或重复的问题发生并对信息进行重新封装。 会话层：该层主要用于管理两个计算机系统连接间的通信连接。如果系 统同时执行多个网络应用程序，则会话层必须保持这些通信协议的次序，确保 应用程序接收正确的数据。通信连接包含位于不同网络装置上的应用程序间的 武汉理l ：人学硕士学能论文 服务要求与服务响应，这些要求与响应应有会话层的通信协议调整。 表示层：该层提供各种应用在应用层数据上的编码与转换函数，确保从 某个系统的应用层所传送的数据可以被另一个系统的应用层正确解读。在传送 端，表示层将应用层的数据格式转换成一般认得的数据格式，在接收端，表示 层会将数据格式转换成对该应用层有用的数据格式。 应用层：该层是o s i 模型中最接近终端用户的一层，在网络服务和应用 间提供接口。其功能通常包含辨别通信伙伴、判断资源的可用性以及同步沟通。 o s i 参考模型提供了一个计算机间通信的概念架构，但模型本身并不是一种 通信方法，实际上的通信是使用通信协议来完成的。在数据网络运作中，通信 协议是一组正式的规则和协议，控制计算机如何在网络媒体上交换信息。一个 通信协议实现一个或多个o s i 层的功能。 当信息从台计算机系统的软件应用程序被传输到另一台计算机系统的软 件应用程序时，必须通过o s i 层。在传送端，数据会从应用层开始依序往下传 递、封装。每一层在接收到要传送的信息时，都会剥数掘进行适当的处理( 如 呈现成转换数据格式、传输层切割数据包等) ，并在数据包前后附加上它的包头， 然后再将数据包传递给下一层。 在接收端，则会将接收的数据从物理层丌始，依序往上层传递、解封装。 每一层在接收到从下层传递的数据包目寸，会在数据包上拆卸它的包头，并对数 据包进行适当的处理( 如呈现成转换数据格式、传输层重组数据包、数据链路 层进行错误检查等) ，然后再将数掘包传递给上一层。如图2 2 所示。 假设系统a 要将信息传送给系统b 上运行的应用软件，系统a 上的应用程 序会将它的信息传送到系统a 的应用层( 第七层) ，然后应用层将数据打包后传 送表示层( 第六层) ，接着依次类推向下传递到物理层( 第一层) o 物理层将其 转换成二进制比特流，放到物理网络媒体上，通过媒体传送到系统b 上。 系统b 的物理层从物理媒体取得信息，然后物理层将该层的报文头去掉， 将信息上传到数据链路层，并依次往上传递，直到信息被上传到系统b 的应用 层。最后，系统b 的应用层将信息传给接收的应用程序，完成通信过程【b 】。 9 武汉理工火学硕士学位论文 技迭数据 接收数据 图2 - 2数据传递过程 2 1 2t c p i p 参考模型【3 1 】【3 2 】 t c p i p 模型在计算机网络体系结构中占有非常重要的地位，几乎所有的工 作站都配有t c p i p 协议，这就使得t c p i p 成为计算机网络事实上的国际标准 即工业标准。t c p l p 参考模型和o s i 参考模型的比较如表2 3 所示。 表2 - 3t c p i p 模型与o s l 模型的比较 t c p i p 参考模型 o s i 参考模型 应用层( f t p ，m r r p ，t e l n e t 等)应删层，表示层，会话层 传输层( t c p u d p )传输层 网络互连层( i p )网络层 网络接口层数据链路层，物理层 l o 武汉理工人学硕士学位论文 网络接口层：对应于o s i 参考模型的底端两层：数据链路层和物理层， 主要负责从网卡中发送或接收数据。 网络互连层：该层定义了互连网络协议( i p ) 的报文格式和传送过程，对 应于o s i 参考模型的网络层。该层的工作主要负将数据包封装成网络数据包，并 执行所有必要的路由算法。 传输层：该层和o s i 参考模型中的传输层相似，1 该层为网络中的主机提 供了端到端的通信连接。传输通信协议包括：t c p ( 传输控制协议) 和u d p ( 用 户数据报协议) 。t c p 协议所作的工作包括把应用程序交给它的数据分成合适的 小块交给下面的网络层，确认接收到的分组，设罨发送最后确定分组的超时时 钟等；u d p 协议则只简单的把数据报从一端发送到另端，至于数据是否按时 到达、数据是否损坏则要山应用程序自行负责。 应用层：应用层提供计算机之间的高层网络通信，相当于o s i 模型中的 应用层、表示层和会话层。应用层协议指定在客户端和服务器之间传输命令， 提供标准的访问方法。应用层的主要协议有文件传送协议f r p 、远程登陆踟议 t e l n e t 协议和超文本传输协议h 1 t r p 等。 o s i 参考模型和t c p i p 参考模型都采用了层次结构的概念，前者将“服务” 和“协议”定义结合起来，使得参考模型变得十分复杂，从理论上讲是比较完 整的，但实现起来却比较困难。而t c p i p 模型更侧重互连设备洲的数据传送， 而不是严格的功能层次划分，因而比o s i 模型更灵活。 2 2 常见的通信协议介绍 前面介绍了t c p i p 网络模型定义的四层网络通信协议，网络通信程序的丌 发主要是在传输层之上进行的，下面我们将主要剥t c p i p 模型中传输层和应用 层协议做一些分析与比较。 2 2 1 传输层协议的分析 1 、传输控制协议( t c p ) t c p 是一种提供面向连接的、可靠的字节流服务的传输层协议。它在传送 数据时将用户数掘打包构成报文段，主机交换数据必须建立一个会话。它用比 特流通信，即数据被作为无结构的字节流。t c p 数据包括酋部和数据区，其格 武汉理上人学硕士学披沧文 式如表2 - 4 所示。t c p 数据报头包含以下内容：源端口、日的端口、序列号、确 认序列号、头部长度、保留位、码元比特、窗口大小、校验和、紧急指针：下 面分别讨论各字段的意义； 表2 - 4 t c p 数据报格式 源端口号目标端口号 顺序号 确认号 t c p 保 uap rsf 头k留rcssy1 窗口大小 gkh t n n 校验羊f i紧急指针 选i 数据( 可选项) ( 1 ) 源端口号和目的端口号字段：均为1 6 位数据，用于寻找发端和收端 应用进程，这两个值加上i p 首部中的源端l p 地址和目的端i p 地址可唯一确定 一个t c p 连接。 ( 2 ) 序列号字段：占用3 2 位，用来标以从t c p 发端向t c p 收端发送的数 据字节流，当序号达到2 j z 1 后又从0 丌始。 ( 3 ) 确、认号字段：3 2 位，接收方希望接收的下一个报文段序号。 ( 4 ) 头部长度字段：给出以3 2 位表示的头部数据长度，一般头部数据为 2 0 个字节。 ( 5 ) 保留字段：6 位，全为0 。 ( 6 ) 码元比特：一个六位的标志字段，该字段每个比特( 从左到右) 置1 时意义如下： _ u r g ：紧急指针可用； _ a c k ：确认字段可用； _ p s h ：接收方应该尽快将这个报文段交给应用层； - r s t ：重建连接； _ s y n ：用来发起一个连接； 武汉理一t 人学硕一i ：学位论文 _ f i n ：发送方完成发送任务： ( 7 ) 窗口字段：1 6 位，指定缓冲区的大小， ( 8 ) 校验和字段：1 6 位，出发送方计算和存储，并出接收端进行验证。 ( 9 ) 紧急指针字段：处理带外数据，占1 6 位。 ( 1 0 ) 选项：长度不定，但长度必须以字节记，具体内容结合具体命令看， 最常见的可选字段是最长报文的大小。 t c p 报文中数掘部分是可选的，如在建立连接和终止一个连接时双方交换 的报文段仅含有t c p 首部。当收发双方进行数据交换时，t c p 协议采用三次握 手加计时器的机制，即发送方发送数据后启动一个定时器，接收方收到后返回 一个包含确认序号的段，确认序号指出接收方准备接收的下一个字节序号；若 发送方的定时器超时，发送方重发这个段。在此过程中通信双方彼此交换三次 信息。三次握手机制是在存在数据报丢失、重复和延迟的情况下确保通信双方 信息交换确定性的充分必要条件。三次握手过程如f 图所示一j ； ( 1 ) 建立连接的三次握手： 发送方接收方 1 ) c r ( s e q = x ) 2 ) a c k = x + i ，a c c ( s e q = y ) 3 ) a c k = y + i ，丌始传送数据 图2 5建立连接的正常情况下三次握手 c r ：请求连接； 一a c c ：接收连接请求； s e q ：序列号； _ d r ：终止连接： a c k ：确认序列号； 首先，发送方将s y n 字段晟1 ，发送一个初始序号为x 连接请求。然后， 接收方接收后发回包含初始序号为y 的应答，同时将确认序号置为x + i 以对连 接请求进行确认。最后，发送方将确认序号置为y + i 进行确认。这样就完成了 连接的建立。 武汉理丁大学硕士学位论文 ( 2 ) 释放连接时的三次握手： 发送方接收方 1 ) 延迟的c r ( s e q = x ) ： 2 ) 发送方在发送c r 后的规定时问内未收到a c k 而导致超时，重 发c r ( s e q = y ) ： 3 ) 接收方收到延迟的c r ( s e q = x ) ，发a c k = x + i ，a c c 武汉理r 人学硕l ：学位论文 4 ) 接收方收到重发的c r ( s e q = y ) ，认为是新的连接请求，发 a c k = y + 1 ，a c c ： 5 ) 发送方收到一个对超时c r 的确认，由于发送方并没有要求建 立连接，因此不会理睬主机b 的确认： 6 ) 发送方收到一个对重发c r 的确认，建立连接。 释放连接出现异常的情况和上述过程类似，这罩就不再赘述。由上述过程 可见，采用t c p 协议建立的连接是非常可靠的，它能保证从通讯建立到最后释 放连接，数据包被可靠的传送通讯两端。当出现数据报丢失、重复和延迟的情 况下，三次握手确保通信双方信息交换的确定性。 2 、用户数据报协议( u f ) p ) u d p 是一个简单的面向数据报的传输层协议，它提供一个非连接数据传输 服务，在数据传递上提供不可靠但最努力的数掘传输，即它把应用程序传给i p 层的数据发送出去，但是并不保证它们能到达目的地，也无法复原接收数据包 的顺序错误，无法发现数据包丢失。u d p 数据包的格式如表2 8 所示。 其中，端口号表示发送进程和接收进程，u d p 报文长度指的是u d p 首部和 u d p 数据的字节长度，校验和对整个u d p 数据包进行校验。 表2 - 8u d p 数掘报格式 源端口号目的端口号 u d p 报文( 主= 度校验和f 数据 根据u d p 数据包的格式可以看出，u d p 协泌被设计成一个有效的和最小的 传输协议。它只适用于转发数掘报至应用进程，并执行一定的错误检查。u d p 传输协议不提供任何t c p 支持的更先进的功能。没有计时机制、流量控制管理机 制、应答或其他任何功能。u d p 使用尽力方式传送数据报。由于某种原因传输 失败，数据报被丢弃并且不试图作重传。 综上所述，t c p 和u d p 是迥异的传输层协议，被设计为做不同的事情。二 者的共性是都使用i p 作为其网络层协议，而主要的差别】j ! | j 在于可靠性。t c p 是 高度可用的，而u d p 是一个简单的、尽力数据报转发协议。这个基本的差别暗 武汉理工人学硕士学位论文 示了t c p 更复杂，需要大量功能开销，然而u d p 是简单和高效的。当应用程序 使用t c p 通信时，会在源计算机与目的计算机之问建立一条虚拟的连接。一旦 连接被建立完成后，就可以在此连接之上传送分组数据并维护此连接，当用户 数据传送完毕后撤除此连接。而u d p 协议是无连接的，并不提供可靠传输服务。 但它比t c p 协议实现起柬更简单，它省去了建立连接和拆除连接的过程，取消 的重发检验的机制，能够达到较高的通信效率。因此，u d p 最适合于小的发送( 也 就是单独的报文1 ，对于数据分成多个报文且需要对数据流进行调节的情况，t c p 则更适合。 2 2 2 应用层协议分析 应用层协议建立在网络层协议之上，是专门为用户提供应用服务的，负责处 理特定的程序细节，一般是可见的。在实际的网络丌发中我们一般都不需涉及 网络的底层编程，而只用在最上层即应用层上进行丌发就可以满足特定的需要。 常见的应用层协议包括： 1 、远程登录( t e l n e t ) 协议；远程登录就是用户把本地计算机与远程计算机 连接起来，然后使用远程计算机系统的资源或其他服务。t e l n e t 是支持远程登录 的通信协议，属于t c p i p 通信m 议的终端协议部分。t e l n e t 软件使用t c p i p 在 用户计算机和远程计算机之间建立一条通信线路，使终端设备通过线路和远程 主机连接，提供虚拟终端服务。t e l n e t 应用由两部分组成：一部分是运行在提出 服务请求的计算机上，称为客户程序；另一部分是服务器程序，运行在提供服 务的计算机上。网络则在两者之间提供通信媒介。 客户程序必须完成以下工作： 建立与一个远端主机的t c p 网络连接。 接受本地主机的特定形式的输入。 按特定标准对输入的内容重新格式化并发送给远程计算机。 一从远程计算机接收某种标准形式的输出。 一对接收的输出内容重新格式化，并在本地主机上显示出来。 服务器程序是服务的提供者，它们是在后台运行的系统进程，一旦服务器 启动以后就会在特定的端口( 默认为2 3 ) 侦听是否有客户发出请求。服务器程 序需要完成以下工作： 做好连接的准备，侦听客户的请求。 1 6 武汉理一f 大学硕士学位论文 一对客户的请求进行所需的服务。 一 以标准协议格式向客户机发送结果。 _ 等待下一次请求的出现。 2 、h 1 t r p ( h y p e r t e x tt r a n s f e rp r o t o c o l ，超文本传输协议) ：h 兀1 p 是w w w ( w o r l dw i d ew e b ) 的核心协议，是专门为w e b 设计的一种应用层网络协议， 是w e b 应用的基本协议，w e b 浏览器和服务器之间用h t r p 协议来传输w e b 文 档。 h t t p 协议是一种根据明确性和速度要求，为建立分布式协作超媒体信息系 统而设计的卧议，属于应用层协议，位1 二t c p i p 协议的顶层，可以用来传输各 种对象，而不必考虑其数据类型。h t r p 通信建立在t c p i p 连接之上，缺省的 t c p 端口号是8 0 ，也可以使用其他的端口号。w e b 服务器在端口8 0 上接受来自 多个远端客户的连接如图2 - 9 所示。 w e b 服务器运行着一个守护进程，它始终在端口8 0 监听来自远端客户的请 求。当一个请求发来时，它就会产生一个子进程来处理当前请求，守护进程继 续以后台方式运行，继续监听柬自远端的连接淆求了。h t t p 通信中客户提出请 求要带上全部必要的信息，客户机和服务器之间不能对不确定的问题进行磋商。 图2 - 9w e b 服务器接受多个客户的连接 h t r p 协议具有以下功能和特点： ( 1 ) 以c s 模式为基础，一个服务器可以为分布在世界各地的许多客户服 务。 ( 2 ) 简易性，h 1 t 1 1 p 被设计成一个很简单的仂议，使得w e b 服务器能高效 的处理大量请求，客户机要连接服务器只需发送请求方式和u r l 路径等少量信 息即可。 ( 3 ) 灵活性与内容类型标识，h t r p 协议允许传送任意类型的数据，内容 类型标识指示了所传输数据的类型。对任意格式传输数据的完全开放性是h t t p 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 和w e b 所提供的最重要的优越性。 ( 4 ) 无连接性，即意味着每次连接只限处理一个请求，客户要建立连接， 需先发出请求，收到响应，然后断开连接。采用这种“无连接”协议，在没有请 求提出的时候，服务器不会在那里空闲等待，完成一个请求后服务器不会继续为 这个请求负责，从而不用为保留历史请求而耗费资源，而服务器实现起来也是很 简单的。 ( 5 ) 无状态性，由于缺少状态，使得h t t p 累赘少，系统运行效率高，服 务器反应快，但同样由于没有状态，协议刑事务处理没有记忆能力，若后续事 务处理需要有关前面处理的信息，那么这些信息必须在协议外面保存。另外， 缺少状态意味着所需的前面信息必须重现，导致每次连接需要传送较多的信息。 3 、文件传输( f t p ) 协议p j ：从根本上讲，f r r p 协议就是在网络中各种不同 计算机之间按照t c p i p 协议来传输文件的协议。尽管f t p 的最初设计是从传输网 络文件的角度出发的，但是至今它已用于从i n t e r n e t 上获取远程主机的各类文件 信息、数据，包括程序代码、研究报告、科技论文和图表等。f r p 协议采用也是 客户服务器模式。当用户使用f t p 客户程序访问远程服务器时要建立两个t c p 连接来传输一个文件，首先建立控制连接，控制连接主始终等待客户与服