（测试计量技术及仪器专业论文）分布式测试系统仿真平台的初步研究——系统模型的探索.pdf

摘要随着计算机技术和网络技术的兴起1 0 发展，分和式应用这个概念越来越受到人们的重视。在自动化测试领域内，从传统的集中，测试转向分布式测试也是倍受关注的热点问题之一。本文在深入研究了分伽式系统的机胖厉提山了分布式测试系统的结构模型和计算模型，具有实际的应用价值。i 司时在模型的基础上，制订了一份数据通信协议，并用基于分布式组件对象模型( d i s t r i b u t e dc o m p o n e n to b j e c tm o d u l e ) 的技术完成了一个仿真验证平台，证明了所建立的模型的可实现性。分布式系统的软件编写较为复杂，需要用到面向对象的组件方法。所以本文还较为系统的研究介绍了d c o m技术，并对微软最新推出的n e t 技术做了讨论，为进一步应用研究打下了基础。关键词：分布式系统自动化测试结构模型计算模型仿真平台7 、山ia b s t r a c tw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g yo fc o m p u t e ra n dn e t w o r k ，t h ec o n c e p to fd i s t r i b u t e du s i n gb e c o m e m o r ea n dm o r ei m p o r t a n t i nt h ea u t o m a t i o nt e s t i n ge n v i r o n m e n t ，i ti sa l s oo n eo ft h eh o tp r o b l e m st h a tm e a s u r i n gs y s t e mt u r n e df r o mfet r a d i t i o n a lc e n t e r e ds y s t e mt od i s t r i b u t e ds y s t e m b a s e do nt h es t u d yo fd i s t r i b u t e ds y s t e m ，t h i st h e s i ss e tu pa na r c h i t e c t u r em o d u l ea n dac o m p u t i n gm o d u l e t h i sm o d u l eh a sf i n ea p p l i e dp r o s p e c t w i t ht h em o d u l e ，t h ea u t h o rd e f i n e dac o m m u n i c a t i o np r o t o c o la n de s t a b l i s h e das i m u l a t i o np l a t f o r mb yu s i n gd i s t r i b u t e dc o m p o n e n to b j e c tm o d u l e( d c o m ) t e c h n o l o g y t h ep l a t f o r mp r o v e dt h a tt h em o d u l ei sr e a l i z a b l e i ti sc o m p l e xt op r o g r a ms o f t w a r eo fd i s t r i b u t e ds y s t e m f o rt h ef o l l o w i n gs t u d y , t h i st h e s i sa l s oi n t r o d u c e dt h ed c o mt e c h n o l o g ya n dd i s c u s s e dt h e n e tt e c h n o l o g yk e y w o r d ：d i s t r i b u t e ds y s t e m ，a u t o m a t i o nt e s t i n ge n v i r o n m e n t ，a r c h i t e c t u r em o d u l e ，c o m p u t i n gm o d u l e ，s i m u l a t i o np l a t f o r m2南京航空航天人学硕士学位论文第一章绪论1 1 引言测试领域中的革新一方面是计算机技术的迅速发展使得测量不断向模块化方向发展，另一方面则是网络技术为测量自动化体系结构带来的变革，这种变革是在汁算机技术上的进一步延伸。首先是g p l b ( g e n e r a l p u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) 总线的出现，使得计算机成为自动测试系统的控制器，紧接着出现了l a b v i e w 等各种虚拟仪器开发软件。随着数据采集卡的出现，测试仪器直接以插卡的形式连接到计算机上，测试工程师可以灵活定义自己的仪器系统，这便产生了基于计算机的自动测试系统。正如计算机技术给测量自动化所带来的变革一样，网络技术同样为测量自动化体系结构带来了变革。为了满足测试系统互连、测试数据共享和提高测试系统工作的可靠性等方面的需要，网络技术逐渐地被应用到了测试领域，原有的基于单个计算机平台测量体系中的基本组件如：i ，o 接口、中央处理器、存储器和显示设备等，根据应用的需要分布到它们各自适应的地方。例如，可以将i o 操作测试模块安置在数据采集前沿，将数据分析处理模块分布在控制中心，将数据存储以及信息分析模块安置在后台数据库系统中，同时把分析结果通过网络显示在世界各地的w e b 浏览器中，从而形成了现代网络测试系统。现在网络测试系统正在从传统的集中式向分布式方向发展，分布式测试系统已成为测试系统领域当前研究的热点。1 2 自动化测试系统的发展近1 0 年来，以i n t e m e t 为代表的网络技术的出现以及它与其他高新科技的相互结合，不仅己开始将智能互联网产品带入现代生活，而且也为测量与仪器技术带来了前所未有的发展空间和机遇，网络化测量技术与具备网络功能的新型仪器应运而生。总线式仪器、虚拟仪器等微机化仪器技术的应用，使组建集中和分布式测试系统变得更为容易。但集中测试越来越满足不了复杂、远程( 异地) 和范围较大的测试任务的需求。对此，组建网络化的测试系统就显得非常必要，而计算机软、硬件技术的不断升级与进步、给组建测量网络提供了越来越优异的技术条件。1 9 7 8 年出现通用仪器总线( g p i b ) 后，构成自动测试系统就方便得多，测量仪器的程控性能也随着提高，出现一大批高水平的仪器和自动测试系统。1 9 8 7 年v x i 仪器总线问世，这种以v m e 计算机总线为基础的仪器扩展总线，兼备计算机和通用仪器总线的优点，并以开放式规范供测试业使用，形成个人计算机仪器系统的统一规范，极大限度地促进了自动测试系统的发展。v l a t s 一美国新代自动测试系统就是大量采用v x i 产品而形成的测试系统。i9 9 7 年下半年，n a t i o n a li n s t r u m e n t s 公司推出p x i ( p c ie x t e n s i o nf o r分布式测试系统仿真平台的初步研究系统模型的探索i n s t r u m e n t a t i o n ) 总线，并作为开放式规范提供仪器测试业使用。p x l 以c o m p a c tp c i为基础，是p c i 扩展仪器结构的新型系统级规范，它满足工业级标准，设备成本降低，而运行速度增加，体积更加紧凑。p x i 在自动测试系统中，将得到越来越广泛的应用。1 9 9 7 年，第一个通用串行总线( u s b ) 数据采集产品出现。通用串行总线是用来替代当前的串行( 并行) i o 总线的，其o 5 m b s 的传输速率( 理论上为1 5 m b s ) 比串口1 1 5 k b s 的速率快得多。u s b 可以在一个即插即用链中最多支持1 2 7 个设备。i e e e l 3 9 4总线( 也叫f i r ew i r e ) ，是更快的外部高速串行总线，传输速率理论值可达2 0 0 m b s 。选择u s b 和f i r ew i r e ，插入式数据采集卡将由更多的外部解决方案代替。虚拟仪器是充分利用计算机技术，并可由用户自己设计、自己定义的仪器。它通常由计算机、仪器模块和软件三部分组成。仪器模块中的数据采集卡、v x i 模块等仅用于信号的输入输出，仪器的功能主要靠软件实现。通过编程，用户可将它设计成波形发生器、示波器或数字万用表等不同仪器。如波形发生器发生的波形、频率、占空比、幅值、偏置等，示波器的测量通道、标尺比例、时基、极性、触发信号等都可用鼠标或按键进行设置，如同常规仪器一样使用。现在的仪器有能力在网络上传送数据。从早期的集中控制方式或4 2 0 m a 通信方式向着高性能数字网络方向、分布式测控方向发展，越来越多的系统开始采用开放式标准化网络结构。在这些标准化系统中各节点相互独立，都可专注于其主要工作，使程序高效运行，节点之间的信息通过网络传递，以达到相互关联的目的。现在国内的网络布线和i n t e m e t 测试方面的潜力很大，相关的测试系统也随之发展。u n i x 、w i n d o w sn t 、w i n d o w s 2 0 0 0 、w i n d o w sx p 、n e t w a r e 等网络化计算机操作系统，为组建网络化测试系统带来了方便。国际标准化组织i s 伽e c 和i t u t 共同努力，于9 0 年代初开发出了开放式分布处理模型r m o d p ( o d p ：o p e nd i s t r i b u t e dp r o c e s s i n g ) 。开放式分布处理模型( r m o d p ) 是一项试图解决分布环境下软件接口问题的新兴技术。它是一个通用的框架结构，在其上可实现不同的“分布计算环境”。基于o d p 框架的分布式网络计算平台主要有：d c o m 、c o r b a 、j i n i 以及微软最新的分布式计算平台n e tr e m o t i n g 和w e bs e r v i c e s 。i n t e m e t 上使用的t c p i p 协议，在开放性、稳定性、可靠性方面均有很大优势，采用它们很容易实现测试网络的体系结构。在开发软件方面，可视编程语言环境m i c r o s o f t 公司的v i s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c ，b o r l a n d 公司的d e l p h i 的推出，为简化计算机编程迈出了可喜的一步。而目前崭新的图形编程语言环境，例如n a t i o n a li n s t r u m e n t s 公司的l a b v i e w 、l a bw i n d o w s c v i ，h p 公司的v e e ，d a t at r a n s l a f i o n公司的d t v e e 等，都有开发网络应用项目的工具包。软件是虚拟仪器开发的关键，如l a b v i e w 和l a b w i n d o w s c v i 的功能都十分强大，不仅使虚拟仪器的开发变得简单方便，而且为把虚拟仪器做到网络上，提供了可靠、便利的技术支持。l a b w o w “c v i中封装了t c p 类库，可以开发基于t c p p 的网络应用。l a b v i e w 的t c 口和u d p网络v i 能够与远程应用程序建立通信，其具有的i n t e m e t2 1 2 具箱还为应用系统增加了2南京航空航大人学硕十学位论文e m a i l 、f t p 嗣lw e b 能力：利用远程自动化v i ，还可对控制其他设备的分散的v i 进行控制。l a b v i e w 60 中还特别增加有网络功能，提高了丌发网络应用程序的能力。采用分布对象技术如c o m d c o m 、c o r b a 等技术，国际上些大公司如h p 、n i 等，都相继开发出了自己的分布式测试系统，已在实际中得到了的应用。一个分布式网络测试系统包含数据采集、数据分析和数据表示二种模块，并分别在测量节点、测量分析服务器和测量浏览器中实现，如图1 1 所示：图1 1 一个分布式测试系统的组成结构图测量节点是能在网络中单独使用的数据采集设备。它们的形式有数据i o 模块( f i e l dp o i n t ) ，或者与网络相连的高速数据采集单元，或者是连接到网络上的配置测量插卡的计算机( p x ir t ) 。这些测量节点可以实现数据采集功能，并具有一定的数据分析功能，可以将原始数据或分析后的数据信息发布到网络中。测量服务器是一台网络中的计算机，它能够管理大容量数据通道、进行数据记录和数据监控，用户也可用它们来存储数据并对测量结果进行分析处理测量浏览器是一台具有浏览功能的计算机，用来察看测量节点或测量服务器所发布的测量结果或经过分析的数据。计算机技术、传感器技术、网络技术与测试技术的结合，使网络化、分布式测试系统的组建更为方便。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及相关技术的不断完善，使得计算机网络的规模更大，应用更广。在国防、通信、航空、航天、气象、制造等领域，对大范围的网络化测试将提出更迫切的需求，网络技术也必将在测试领域得到广泛的应用；网络化仪器很快会发展并成熟起来，从而有力地带动和促进现代测量技术即网络测量技术的进步。我国经济开始进入一个新的发展阶段，经济的国际化，使各行各业对信息需求及交流日益增长。对分布式系统的需求越来越大，分布式系统因其固有的优点，必将促进社会经济发展。所以，紧紧跟踪国际上分布式测试系统的研究现状，研究具有国际分布式测试系统仿真平台的初步研究系统模刑的探东先进水平的、具有自主知识产权的分布式测试系统，将为我国测试领域开创一个沿着网络化和丌放性方向发展的新局面，具有广阔的应用前景。1 3 分布式测试系统集成过程中的主要问题分布式系统因其自身固有的复杂性，使得编程和调试过程特别困难。而且由于测试系统的规模大小各异，且存在各类模板的集成以及在异构和分铂环境下设备互连、传输介质共享、数据通信和设备互操作等问题。所以，早先的测试系统大多是针对特定的试验要求进行开发研制，通用性较差，且难以扩展和移植。网络环境中不同硬件设备、操作系统、数据库系统以及基于不同语苦和模型的应用系统并存，使得整个网络错综复杂。互操作性、安全性、数据完整性已成为分布式软件开发的关键问题，给分布式应用的开发带来诸多困难。分布式测试系统节点软件功能需求的不断升级，结构只益复杂，现有的软件开发方法和技术无法满足分布式系统软件开发的需求，导致生产率低下，质量难以保证，由此而引发的安全性、可靠性、维护性等问题深深困扰着用户和软件开发人员。针对以上分布式测试系统集成中出现的种种问题，我们可以看出，分布式测试系统的难点不是在硬件方面丽是在软件方面。在现有的技术条件下，要实现地域上的分布并不是一件困难的事，但要开发出各方面性能较好的分布式测试系统，则集成框架、分布式编程模型以及软件开发环境等相关技术是亟待解决的关键问题。1 4 本文研究的内容计算机技术与网络技术的发展，促进了测试系统集成从传统的集散式向分布式测试系统方向发展。一些与分布式有关的技术和平台大量涌现，为分布式测试系统的集成提供了有利的条件。本文针对分布式测试系统的发展现状和存在的一系列问题，对分布式测试系统进行了研究，具体包括如下几个方面：1 初探分布式测试系统的框架模型( 包括结构模型和计算模型) ，解决了分布式测试系统的可扩展、可移植、容错性问题；2 在t c p 协议的基础上开发出一套用于分布式测试系统的数据通信协议；3 采用m i c r o s o f t 的d c o m 开发平台，设计了一个分布式测试系统仿真验证平台，对所设计的模型和协议进行验证；4 把仿真平台从d c o m 组件向n e t 组件做了转化。4南京航空航火人学硕 一学位论文第二章分布式测试系统模型的建立2 1 计算机网络的产生和发展世界上第一台数字电子计算机自1 9 4 6 年问世后，在最初的l o 年内，计算机和通信没有什么关系。当时计算机以“计算中心”的服务模式工作。直至1 9 5 4 年，一种收发器( t r a n s c e iv e r ) 的终端制造出来后，人们才首次使用这种终端通过电话线路将数据发送到远地的计算机。此后，计算机开始与通信结合，计算中心的服务模式逐渐让位于计算机网络的服务模式。计算机网络的发展大致可分为以下4 个阶段：( i ) 面向终端的计算机通信网用一台计算机专门进行数据处理，用一个通信处理机或前端处理机f e p ( f r o n te n dp r o c e s s o r ) ( 早期为线路控制) 通过调制解调器与远程终端相连。通信处理机完成全部通信任务，包括串行和并行传输的转换，因为在通信的线路上是串行传输，而在计算机内部是并行传输，让计算机专门进行数据处理。调制解调器将终端或计算机的数字信号变成可以在电话线上传输的模拟信号或完成相反的变换。由于前端机可以采用比较便宜的小型计算机，所以在2 0 世 p , 6 0 年代初一直被广泛使用，这种联机系统称为面向终端的计算机通信网。也有人将这种最简单的计算机网络称为第一代计算机网。这种网络本质上是以单个主机为中心的星型网，各终端通过通信线路共享主机的软件和硬件资源。( 2 ) 分组交换网分组交换( p a c k e rs w i t c h i n g ) 也称为包交换，它是现代计算机网的技术基础。它采用的是电路交换，即通过交换机实现线路的转接，在两个要求通话的用户之间建立一条专用的通信线路。用户在通话之前，先要申请拨号，待建立一条从发端到收端的物理通路后，双方才能通话。在通话的全部时间里，用户始终占用端到端的固定线路，直到通话结束，释放线路为止，这种通信系统不适合传送计算机或终端的数据。计算机的数字信号是不连续的，传送这种信号真正占用线路的时间很少，往往不到1 0 甚至1 ，绝大部分时间通信线路实际上是空闲的。电路交换建立通路时间为l o 2 0 秒，对只需传送半秒的计算机数据来说太长了。电路交换很难适应不同类型、规格、速率的终端和计算机之间的通信。计算机通信对可靠性要求很高，需要在传送过程中进行差错控制，电路交换难以做到。( 3 ) 形成计算机网络的体系结构计算机网络是一个复杂的系统，需要解决的问题很多。早在a r p a n e t 设计时，就提出了“分层”方法，即将庞大而复杂的问题分为若干较小的易于处理的局部问题。分布式测试系统仿真平台的初步研究系统模j 口的探索1 9 7 4 年美国i j m 公司按照分层的方法制定了系统网络体系结构s n a ( s y s t e mn e t w o r ka r c h it e cl u r e ) 。现在s n a 己成为世界上较广泛使用的一种网络体系结构。f l l 随着社会的发展，不同网络体系结构的用户迫切要求能互相交换信息。为了使可i 同体系结构的计算机网络都能互连，国际标准化组g i s o 与1 9 7 7 年成立专门机构研究这个问题。1 9 7 8 年i s o 提出了异种机连网标准的框架结构，这就是著名的开放系统互连参考模型o s i 。o s i 得到了国际上的承认，成为其他各种计算机网络体系结构靠拢的标准，推动了计算机网络的发展。在这一时期( 2 0 世纪7 0 年代禾n 8 0 年代初) 内，出现了利用人造通信卫星进行中继的国际通信网络：局域网的商品化和实用化；网络互连和实用化；以及网络环境下的信息处理分布式处理的应用。( 4 ) 高速网络技术从2 0 世纪8 0 年代末开始，计算机网络开始进入其发展的第四代时期。其主要标志可归纳为：网络传输介质的光纤化、信息高速公路的建设：智能网络的发展；比计算机网络更高级的分布式系统的研究等。2 2 计算机网络的主要功能计算机网络主要有四项功能：( 1 ) 数据传送：这是计算机网络的基本功能，正是这一功能才能实现计算机与终端、计算机与计算机之间传送各种信息，对地理位置分散的单位进行集中管理与控制。( 2 ) 资源共享：资源共享指共享计算机系统的硬件、软件和数据，是计算机网络最有吸引力的功能。计算机网络的引入大大提高了整个系统的数据处理能力，降低了平均处理费用。( 3 ) 计算机的可靠性和可用性得到提高：可靠性的提高体现在网络中计算机彼此互为备用。台计算机出故障，可将任务交由其它计算机完成，不会出现单机在无后备情况下机器故障使全系统瘫痪的信息。可用性指当网络中某台计算机负担过重时，可将新任务转交网络中较空闲的计算机完成，通过计算机网络均衡各台计算机的负担，避免产生忙闲不均的现象，从而提高了每台计算机的可用性。( 4 ) 容易进行分布式处理网络中的用户可根据具体情况合理的选择网内资源，就近快速处理。但对较大型的综合性问题，当一台机器不能完成处理任务时，可按一定的算法将任务交给不同计算机分工协作完成，达到均衡的使用网络资源进行分布处理的目的，所以利用网络技术，能够将多台计算机连成具有高性能的计算机系统。2 3 分布式系统的定义分布式系统至今为止还没有一个令人满意的定义。下面给出个大致的描述：“一南京航空肮人入学硕卜if 沦文个分布式系统是一些独立的计算机的集合，但是对这个系统的用户来说，系统就象台计算机一样。”这有两方面的含义：从硬件角度讲，每台计算机都是自毛的：从软件角度讲，用户将整个系统看作是台汁算机。2 3 i 硬件与软件观点所有的分布式系统都是m i m d ( m u l t i p l ein s t r u c t i o ns t r e a mm u l t i p l ed a t as t r e a m ) 型，但m i m d 可以分成两类：具有共享存储器的称为多处理机或多处理器( m u l t i p r o c e s s o r ) ：不具有共享存储器的称为多计算机( m u i t i c o m p u t e r ) 。它们之间的本质区别在于：在多处理机中，所有的c p u 共享统一的虚拟地址空阳j 。另一种分类方法是：在一些系统中的机器是紧耦合型( t i g h t l yc o u p l e d ) 的，另一些系统中的机器是松耦合型( 1 0 0 s e l yc o u p l e d ) 的，紧祸合的系统多用于并行系统( 共同处理一个问题) ，而松耦合系统多用于分布式系统( 处理一些不相关的问题) 。虽然硬件是重要的，但软件也同样重要。系统呈现给用户的印象以及用户如何看待系统大都取决于系统的软件。同样，软件也有紧耦合和松耦合之分。而分布式系统应该是在松耦合硬件上的紧耦合软件，因为这样一个系统的目标是使用户产生一个错觉：整个计算机网络是一个分时系统，而不是一个互补相同的机器的集合。一些专家称这种性质为单系统映像( s i n g l e s y s t e mi m a g e ) ，另一些专家认为应该是虚拟的单处理机( v i r t u a lu n i p r o c e s s o r ) 。不管人们如何对他进行描述，根本思想是：用户不必意识到系统中有多个c p u 存在。分布式系统的特点：有一个单一的、全局的进程问的通信机制，从而使任何进程都可以和其他进程通信。在不同的计算机上不应有不同的机制，本地通信和远程通信也不应有不同的机制。进程管理也必须处处相同。进程如何建立、撤消、启动、停止都不能因为机器不同而有不同。所以，不仅要有唯一的一整套在所有的计算机上都可以使用的系统调用，而且这些系统调用的设计必须符合分布式环境的要求。在任何地方，文件系统也必须看起来是相同的。在系统的所有地方都使用相同的系统调用接口，作为它的必然结果，在系统的所有c p u 上必须运行相同的内核。2 3 2 分布式系统的特点现在人们只需要花几百美元就能买到个c p u 芯片，这个芯片每秒钟执行的指令比8 0 年代最大的大型机的处理器每秒钟所执行的指令还多，如果付出两倍的价钱，将得到同样的c p u ，但它以更高的时钟速率运行。因此，最节约成本的办法通常是在一7分布式测试系统仿真平台的初步研究系统模型的探索个系统中使用集中在起的大量的廉价c p u 。所以，分布式系统的主要原因是它可以得到比单个的大型集中式系统好得多的性能价格比。实际上，分佃式系统是通过较价廉的价格来实现相似的性能的。另一方面，微处理机的集合不仅能产生比单个大型主机更好的性能价格比，而且还能产生单个大型主机无论如何都不能达到的绝对性能。例如，按目前的技术，我们能够用1 0 0 0 0 个现代c p u 芯片组成一个系统，每个c p u 芯片以5 0 m i p s 的速率运行，那么整个系统的性能就是5 0 0 0 0 0 m i p s 。而如果单个处理机要达到这一性能，就必须在2 1 0 w s的时间内执行一条指令，然而没有一个现存的计算机能接近这个速度。所以，无沦是要以低价格获得普通的性能，还是要以较高的价格获得极高的性能，分布式系统都能满足。同集散式系统相比较，分布式系统的另一个潜在优势在于它的高可靠性。通过把工作负载分散到众多的机器上，单个芯片故障最多只会使一台机器停机，而其他机器爿二会受任何影响。对于关键性的应用，可以考虑采用分布式系统来实现以获得高可靠性。此外，渐增式的增长方式也是分布式系统优于集中式系统的一个潜在的重要原因。因为当一个机构扩充时，原先的主机就可能不能胜任了，解决办法是更换更大型的主机。这样会增加很多费用，且原先的主机放置不用也会产生浪费，比较好的方法是采用分布式系统，在系统需求增加时可以逐渐进行扩充。分布式系统还有数据共享、设备共享、任务分配灵活、工作负荷平均等优点。尽管分布式系统有许多优点，但也存在一些缺陷。一个是软件，就目前的技术发展水平而言，为分布式系统开发的软件还很少。什么样的操作系统、程序设计语言和应用适合这个系统? 系统应当做多少，用户又应当做多少呢?另一个是网络，因为它会损失信息，所以就需要专门的软件进行恢复。同时，网络还会过载。当网络负载趋于饱和时，对任务分配、路由算法的要求就很高。还有就是安全性，因为分布式系统数据可以共享，各个用户都可以很方便的存放数据，那么用户同样也能很方便的存取无关的数据，这样一来，安全性的问题也很突出。尽管如此，分布式系统仍然是优点多于缺点，从集中式向分布式转变的脚步是不可逆转的。2 4 分布式测试系统框架模型的建立要建立一个分布式测试系统，首先要考虑其网络基础( 即局域网) 的构成。由于测试系统的规模各有不同，且存在各类模板的集成以及在异构和分布环境下设备互连、传输介质共享、数据通信和设备互操作等问题。所以在考虑局域网的建立时，一定要充分重视容错性、实时性、可扩展性。另外，在实际应用中还需要考虑传输介质的利用率等参数。纵观i e e e 8 0 2 标准系列，i e e e 8 0 23 标准( c s m a c d 访问方法和物理层技术规范) 在轻负载时效率较高，但在重负载时效率急剧降低，且发送和响应时延都具有随机性。i e e e 8 0 2 5 标准( 令牌环网访问方法和物理层技术规范) 引入了令牌机制，在重负载时效率也很高，但不具有很好的可扩展性。而i e e e 8 0 2 4 标准( 令牌总线访问方法和物理层技术规范) 是一种物理上为总线网，逻辑上为环形网的局域网。它保持了总线网的接入方便，保证了可扩展性；又由于引入了令牌机制，克服了总线网在重负载时效率急剧下降的缺点，在重负载时仍能保持几乎1 0 0 ；由于有了令牌，传递数据的时延能在事先计算出来，再加上可定义优先级，所以实时性也可以得到保证。同时因为物理上是总线形而逻辑上是环形的，当某一台计算机出现不可恢复的故障时，只需重新初始化整个网络，就可以把出现故障的机器排除于网络外，不会引起整个系统的瘫痪。分布式测试系统不仅包括结构分布，还应包括功能分布和信息分布。为了在分布式测试系统的集成中涵盖上述内容，从而真正的体现集成的思想、方便的集成系统、最大化的减少因试验功能要求改变、试验环境改变和试验设备改变所带来的系统变化。把分布式测试系统的框架模型分为结构模型和计算模型两部分。2 4 1 分布式测试系统的结构模型由于测试系统的规模大小各异，且存在各类模板的集成以及在异构和分布环境下的设备互连、传输介质共享、数据通信和设备互操作等问题。构成分布式测试系统后，在一次测试任务中，应根据具体情况分配系统中各台计算机的任务，共同完成测试任务。为了尽可能的利用系统内的资源，充分利用每一台设备的潜力，本文提出基于系统级、模块级和应用级的结构模型。系统级：是对某一个分布式测试系统的整体描述，通常由多个子系统组成，它们之间协调工作，共同完成测试任务；模块级：是对一个系统中各功能模块的抽象描述，每一个或几个功能模块代表一个子系统，而具体的功能由相应的工作站来完成：应用级：是对具体完成相应的功能的计算机的描述。这样一来，将一个具体系统分为逻辑和物理两个层次。系统级与模块级是系统功能的逻辑层次，应用级是系统功能的物理层次。于是，一个系统的构建有机的分成了两部分：( 1 ) 对系统的逻辑描述( 功能描述) ：( 2 ) 将逻辑描述映射到物理级( 实际设备) 上实现。其中逻辑层次包括系统的组成( 如系统中包含哪些功能模块) 、各模块之间的通信关系、需要传递的参数等，然后按一定的协议将这些信息生成对应的数据传送给相分布式测试系统仿真平台的初步研究系统模，口的探索应的工作模块使用。物理层次是将这些信息按同样的执议解释成功能模块可以执行的内容，这个过程由系统自动完成。这样，用户无需了解系统的具体结构，只需按规定的格式填写配置参数即可。图2 1分布式测试系统集成三级结构模型图2 1 即为分布式测试系统集成三级结构模型。图中模块与工作站的关系中，存在一对多或多对一的映射关系，每个模块可能由多台工作站组成，而多个模块也有可能由一台工作站组成。对于不同的测试任务，可由不同的机器完成；而同样的机器，也可能用做不同的用途。分布式测试系统集成的结构模型刻画了分布式测试系统集成框架的结构。2 4 2 分布式测试系统计算模型上面提出的结构模型主要体现了分布式测试系统的功能抽象和结构抽象的结合。要完整地实现分布式测试系统的功能，还需要为其选择恰当的计算模型。传统意义上的测试系统往往是面向具体任务的，在系统设计中通常以任务为核心，采取顺序执行的模型。然而，这类简单的模型不能适应分布式测试系统的需求，因此，还需要对分布式系统的计算模型进行研究。由于分布式测试系统与传统的面向任务的测试系统在结构上有很大的区别，所以它对于对计算模型也有一些特殊要求：( 1 ) 要适应系统分布性与并发性的要求；作为个分布式系统其计算模型应反映出这样的观点。这里的分布不仅包含地理位置上的分布，还包含功能上的分布。( 2 ) 要适应系统资源管理与测试事务处理相结合的要求；分布式测试系统所完成的测试试验任务从本质上说是对系统资源的管理，测试也是围绕着各类系统资源进行的，因此，传统意义上的试验任务可以有测试任务来代替。而测试任务则可以分解为若干测试事务的集合，这就构成了一种新的计算模式a( 3 ) 要适应系统多种驱动机制协同工作的要求。o南京航空航夫人学硕_ f 学 奇：沦文分布式测试系统对系统实时性的要求较高，具有实时分确式系统的若干特征。实时分布式系统使用两种常用的驱动机制作为其应用程序的计算模型时间驱动机制和事件驱动机制，而这两种模型也都有各自的用途、各自的优点，同时也反映了分布式测试系统驱动事务的两种不同情况。对于根据不同事件的发生进行不同响应且事件发生先后顺序不是十分重要的情况，应该采用事件驱动机制：对于事件有固定先后顺序的或事件发生太过频繁的情况，应该采用时问驱动机制。分布式测试系统的应能适应这多种驱动机制协同工作的要求。针对这些特定的要求，本文提出基于4 层结构的多线程计算模型。塾塑塑! 卜。采垦亟 一子门应用数程据t 一序库厂_服服务务器器l系逻丽统g亟亟 一p c机l 客户lui：i 客户机2 b 一辑：后 f图2 2 分布式测试系统计算模型如图2 2 所示，分布式测试系统集成的客户n 务器计算模型。这个计算模型刻画了分布式测试系统集成框架的运行模式。客户层：客户机工作站和附加设备，负责维护用户接口，还有少量确认工作；解释层：解释所有通过局域网传来的数据，并转换成可以处理的格式，确保系统可以跨平台使用；中间层：大部分的业务逻辑和应用程序规则，和解释层可以在同一台机器上：服务层：处理客户机的请求，同时还要存储数据，充当数据服务器。这种客户机服务器模型充分利用网络资源，符合分布式计算的要求。采用这样的结构从整体上看有以下一些特点：桌面上的智能。因为客户机负责处理客户界面，它要把用户的查询或命令变化成一个可被服务器理解的预定义语言，并把服务器返回的结果提交给用户。分布式测试系统仿真平台的初步硼f 究系统模型的探索最优化的共享服务器资源，如c p u 资源、数据存储能力。客户机可以请求服务器完成大型计算( 如信号处理) 或运行大型应用( 如数据库管理系统) ，然后简单的把结果告诉客户机。优化网络利用率。因为客户机只把请求的内容传给服务器，服务器也只是返回最终结果，系统中没有必要传送整个数据文件的内容。在底层操作系统和通信系统之上提供一个抽象的层次，允许应用程序有较好的可维护性和可移植性。在这罩，分御式系统中提出的客户机服务器模型是4 层的，与普通的客户机，月务器模型不同，利用中划层屏蔽了应用和网络。这样一方面可以实现软件的跨平台；另一方面更好的实现了软件的重用。南京航空航天人学硕十学位论文第三章分布式测试环境下实时通信3 1 分布式系统的测试环境为了使测试系统的使用人员和测试软件的歼发人员均得以充分利用分布式测试系统的各个资源，需要建立个分布式的测试环境。该环境一般由下列基本部件组成：通信服务、分布测试数据服务等。分布式系统可以采用局域网建立，下面是几种局域网标准的比较：i e e e 8 0 2 3 ：总线局域网。总线网是一种传送信息最简单、最直接、也是最流行的局域网。这种网络的典型代表就是1 9 7 5 年由美国x e r o x 公司研制成功的、采用无源电缆作为总线传输信息的以太网( e t h e r n e t ) ，它是以历史上表示传播电磁波的以太( e t h e r ) 命名的。以太网采用的媒体访问技术为c s m a c d ( 载波监听多路访问冲突检测) 技术。i e e e 8 0 2 5 ：令牌环局域网。环形网是由一段段点到点链路连接起来的闭合环路，信息沿环路单向的、逐点的传递；每个节点都从环路上接收一个比特转发一个比特，转发时进行整形放大；每个节点都具有地址识别能力，一旦发现有本站地址，便接收信息，否则继续向下一站传送。i e e e 8 0 2 4 ：令牌总线网。这种网络结构基本上是上面两种结构取长补短后的组合。从物理结构上看，令牌总线网是一种总线形局域网，各站共享总线传输信道。但从逻辑结构上看，他又是一种环形局域网，接在总线上的各站组成一个逻辑环。这种逻辑环通常按工作站地址的递减顺序排列，与站的物理位置无关。总线网接入方便、可靠性较高，但当网络负载增加时，冲突急剧增加、网络吞吐量急剧下降，且因为每个工作站的发送和响应时间不确定，所以实时性差、负载能力不强，而这些缺陷在分布式测试系统中恰恰是致命的。令牌环网引入了令牌机制，只有获得令牌的工作站才有权发送数据，这样避免了冲突，实时性好、负载能力强、但管理复杂、可靠性差。另外，接入不方便也是一个明显的缺陷，现代的测试任务越来越大、越来越复杂，系统的不易扩充就成了很大的缺陷。而令牌总线网将两者结合起来，既保持了总线网的总线结构又兼有令牌环网的令牌机制。这样就避免了两者的缺陷而兼有两者的好处。令牌总线网通过设置令牌来控制各站对总线的访问。只有得到令牌的工作站才有权向总线上发送数据，而其余没得到令牌的站只能监听总线或从总线上接收信息。由于在总线上只设置了一个令牌，在任一时刻只可能有一个工作站访问信道，因此不会出现冲突。而且各个站要发送的数据可以设定优先级，数据传送的时间大体是能计算出来的，这样就保证了发送的实时性。因为不论是否有信息发送，网上的各站都要发送令牌，因此在轻负载时令牌总线网的效率较低，但在重负载时性能非常好，效率很分布式测试系统仿真平台的初步研究系统模j 的探亲高。根据分布式测试网络的特点，选用令牌总线网( i e e e 8 0 2 4 ) 是最合适的。3 2 分布式测试环境下实时通信的特点在令牌总线网的基础上构建的分布式测试系统，具有以下特点：非连续性：测试系统所需要处理的实时网络传输仅仅处于一个时间段范围之内；强针对性：某次测试试验需要在网络内传输的内容和形式是一定的，传输的数据完整性预先也可知道。因此，在协议设计上就有了很强的针对性：不平等性：当测试试验中包括多个任务协同工作时，与普通网络协同工作有所不同，各任务的职责分工非常明确，不同功能的任务对网络的访问需求不同，因此各任务对网络的访问有优先级；大数据量：测试试验一般都需要采集大量的实时数据，在输入路数较多、采集精度较大的情况下，将产生大量的数据。因此，网络传输速度要求较高；对数据完整性的特殊要求：由于各个测试点测量的数据代表不同的意义，所以对数据完整性的要求是不同的。有些重要数据要求不能有传输错误，有些数据可以不要求完全无误，不同情况下或不同的参数对数据完整性的要求是不同的。3 3 分布式测试系统环境下实时通信协议的设计分布式测试系统环境下实时通信协议的设计目的是在现有的以太网络基础上，针对测试系统的特殊性，结合t c p 和u d p 网络协议的优点，以u d p 为基础，加入多级差错控制、主从广播发送、非平等网络访问、令牌管理等管理措旌，建立分布式测控环境下的实时网络传输控制协议。此协议将以令牌的方式控制网络资源的使用，降低以太网通讯中访问冲突引发的资源浪费，实现实时高速的网络传输。3 3 1 传送的数据结构令牌帧：0 x 0 0 + 令牌+ 优先级控制帧：0 x 0 f + 控制字段+ 数据段数据帧：0 x f 0 + 数据段接收方接收到一帧数据时，先判断接收的是什么帧，再进行处理。只有拥有令牌的工作站才能发送数据，由于引入了令牌机制，解决了争用带宽引起的冲突降低了效率的问题。不过令牌管理较为复杂，增加了算法的开销。引入了优先级机制后，可以保证实时性，让优先级较高的重要数据实时的得到响应。每台工作站接收到令牌帧的时候，都将自身要传输的数据的优先级和令牌帧上的优先级比较一下。如果优先级高于或等于令牌帧的优先级，则接收令牌、发送数据，发送完一帧数据后，如没有数据要发送了，就恢复令牌原来的优先级，如还有数据要发送，则令牌帧上的优先级换上自己的优先级，然后传给下一站；如低于令牌的优先级，则把令牌不做任何改动的发往下一站。1 4南京航空航犬人学顺十f 论文收到控制帧的时候需要读出控制字段，根据相应的控制字做相应的动作。控制字主要用来控制工作站的状态与行为，确保各工作站的同步性。接收到数据帧的时候，按照自身测试任务的需要做出相应的处理即可。3 3 2 网络的管理初始化：由主机查找网络，发出“仞始化”帧，各工作站接收到后会返回“登陆服务器”帧，服务器返回“登陆成功”帧。同时服务器按照各个工作站i p 地址大小顺序初始化逻辑网：然后给每台工作站发送“发送标志寄存器”帧，标志寄存器是存储各台工作站上、下站的i p 地址；插入：客户机初始化，发送“登陆服务器”帧，主机在下一轮接到令牌后更新逻辑网，并给需要重写标志寄存器的工作站重发“发送标志寄存器”帧；退出：有两种情况，一种是客户机发送“退出逻辑环”帧，这时服务器应答“退出成功”帧，同时在逻辑环上删除该站，在下一轮接到令牌后给需要重写标志寄存器的工作站重发“发送标志寄存器”帧；另一种情况是服务器退出，这时候，服务器发送“谁来接替”帧，有主控模块的工作站都可以回应“愿意接替”帧，服务器接收到后传“接替成功”帧给i p 地址最大的那台工作站，接替的工作站开始初始化网络。如服务器在一段时间内没接收到应答，则再发送一次“谁来接替”帧，如仍没有接到应答，就给所有正在运行的工作站发送“自身独立运行”帧，然后自动退出，不进行任何操作。此时每台工作站仍然可以继续工作，运行自身的测试任务模块，存储获得的数据；令牌传递算法：逻辑环按站地址由高到低的递减顺序组成，只有得到令牌的工作站才有权向总线上发送数据。刚发送完数据帧的令牌持有站将令牌传递给后继站，后继站应立即发送数据帧或令牌帧：故障恢复：故障主要是下游站失效和多个令牌问题每当令牌持有站发送完数据，将令牌传递给下游站后，它都要监听总线上的信号，以此判断它的下游站是否处于正常工作状态。如果没有监听到下游站发送的有效帧，而且已超时，则再发一次令牌。若仍未监听到有效帧，则它断定后继站已出故障，发送“要求重新初始化”帧给服务器，因为只有持有令牌的站才能发送数据，所以当令牌持有站监听到总线上还有其他站发送的数据帧时，说明令牌不止一个，于是它就立即取消自己所持有的令牌，并回到监听状态。采用这个措施可以使令牌数不超过l 。但如果持有令牌的站都取消令牌，则会出现无令牌状态。服务器在一段时间内没有接到令牌的话，会进入初始化过程。优先级：把网络的容量分配给具有较高优先级的帧，如果容量尚有富裕，则再分配给优先级较低的帧。在分布式测试环境下的每一台工作站都运行一个网络传输管理模块，各个网络传输模块之间以令牌协调工作，通过t c p 协议传输数据：每个网络传输模块负责网络输分布式测试系统仿真平台的初步研究系统模型的探索入数据的筛选、网络输入数据向本主机相应任务的分发、本主机各任务对网络的数据输出以及把输出数据传输给其他主机上的网络传输模块等分布式系统测试环境下的基本通信方式是面向端口的消息通信。当某个任务希望与另一个任务通信的时候，就将消息发往接收方给出的端口中，而接受任务则从端口中取到消息。不同的测试任务模块具有不同的端口，从而具有任务所配置的属性。用户对端口的访问是透明的，系统自动根据实时通信协议维护端口中的信息。1 6南京航空航天大学硕十学f j ：7 _ 论文4 1 仿真的定义第四章仿真平台的实现仿真这个概念很早就存在了，它的好处是显而易见的，可以降低丌发成本、加快开发速度，同时可以让一些隐蔽的错误在开发早期就暴露出来。但在一段时间内仿真没有清晰而明确的定义。直到1 9 6 1 年，g w m o r g e n t h a t e r 首次技术性定义“仿真意指在实际系统尚不存在的情况下对于系统或活动本质的实现”。1 9 7 8 年，k 6 m 定义连续系统仿真为“用能代表所研究的系统的模型作实验”。1 9 8 2 年，s p r i e t 进一步将仿真的内涵加以扩充，认为“所有