高速公路收费系统通信服务器的设计与实现解析

1、 收稿日期 :2002201229 作者简介 :付孟若 (1972- , 男 , 广东韶关人 , 博士生 , fumengruo 21cn. com.高速公路收费系统通信服务器的设计与实现付孟若 吴今培 张其善(北京航空航天大学 电子信息工程学院 , 北京 100083 摘 要 :高速公路收费系统通信服务器是高速公路收费系统数据传输的枢纽 . 重点介绍了高速公路收费系统通信服务器软件的设计 、 实现方法和特点 . 通信服 务器使用按优先级分发报文的通信协议 , 支持多用户的并发通信 . 为了实现数据共享 的集中控制 , 通信服务器采用客户 服务器的模式 . 使用多线程的编程技术 , 满足了对

2、通信服务器实时性的要求 . 目前 , 该软件已通过了验收 , 在广深高速公路上运行良好 .关 键 词 :通信软件 ; 协议 (通信 ; 网络软件 ; 并发通信中图分类号 :U 412. 36+6. 1; TP 393. 09文献标识码 :A 文 章 编 号 :100125965(2003 0720624203De sign and implementation of on highway toll (School of E , of Aeronautics and Astronautics , Beijing 100083, China toll connection system is th

3、e center of data transmission. The de 2sign , of communication server were introduced. Based on designed protocol support packets , communication server exchanges data concurrently with end 2users. Client Server m odel was utilized to meet the need of centralized control of sharing data. Multithread

4、 programming technique was used to fulfill requirement of real 2time. The system w orks satis factorily at G uangzhou 2Shenzhen highway.K ey words :communication s oftware ; protocol (communication ; netw ork s oftwares ; concurrent communication 我国是当今世界上公路建设速度最快的国家 . 目前已通车高速公路收费系统普遍采用 “ 人工 收费 , 计算机

5、管理” , 随着高速公路路网的发展和 计算机网络 、 通信等高新技术的发展 , 在区域或省 内实行联网收费 , 是当前智能交通系统 (ITS 发展 的趋势 . 高速公路收费系统一般分为 3级 :收费车 道 、 收费站 、 收费管理中心 . 收费管理中心负责管 理各个收费站 , 收费站管理各个车道 , 收费中心与 收费站通过同步数字网 S DH (Synchronous Digital Hierardly 快速传递数据 , 收费站通过局域网对收 费车道实施监控并获得相关的收费信息 . 收费数 据在车道形成 , 经过收费站上报到中心 . 各种系统 配置及参数表由中心下发到收费站 , 再由收费站 下

6、发到各个车道 .为了连接高速公路收费管理中心和收费站 、 收费车道 , 分发收费数据和监控数据 , 需要开发高 速公路收费系统通信服务器 . 主要解决各级管理 部门之间的网络互连 、 监控报文的可靠实时分发 和其它类型报文的可靠分发 . 通过该通信服务器 , 可以获得各个收费车道设备的实时状态信息 , 并 可下发打开车道 、 关闭车道 、 强制下班等控制报文 和其它业务参数表 .本文主要讨论该通信服务器的设计 (功能 、 通 信协议 和实现 (开发手段 、 软件结构和特点 .1 系统设计通信服务器是高速公路收费系统通信的桥 2003年 7月 第 29卷 第 7期 北 京 航 空 航 天 大 学

7、 学 报Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics July 2003V ol. 29 N o 17梁 , 通过它可以实现各级系统之间的数据通信和 信息交换 .1 功能 实时接收和发送监控报文 ; 根据数据的 优先级 , 接收和发送其它各种类型的报文 ; 支持 文件传输 ; 通信链路的维护和侦测 . 当链路中断 并恢复后 , 支持自动重连 ; 具有简单网管功能 , 可以维护各个通信节点 .2 通信协议通信服务器为各个客户端提供 TCP IP 的接 口 1. 由于报文不是按照 FIFO (先进先出 的原则 进行传送

8、, 因此通信服务器使用一个应用层的通 信协议 , 来调度和分配优先级不同的报文 . 按照协 议的定义 , 报文被分为 5部分 (见图 1 .目的地址 源地址 优先级 数据 校验 图 1 报文结构报文按类型分为监控报文和数据报文 . 监控报文的优先级别最高 , 数据报文的优先级次之 , 普 通文件的优先级最低 . 网络通信中断时 ,器缓存未上传的数据 ,. 优先级划分的原则是 :在同类 报文中 , 不需确认的监控报文或实时数据报文的 优先级最高 , 其次才是需要确认的监控报文或非 实时数据报文 .2 实 现2. 1 开发手段在 Windows 2000平台上有大量的系统服务类 型作为分布式计算手

9、段 . 除了直接使用 Windows 提供的 Wins ock 服务外 ,Windows 2000还有命名管 道 (pipe 、 远程过程调用 (RPC 、 分布式组件对象 模型 (DC OM 、 消息队列 (MS M Q 等名目繁多的分 布式软件开发手段 . RPC ,DC OM 都是为专门的系 统功能而设定的 , 在通信服务器以数据传输为主 的情况下 , 使用它们只能增加系统开销 . MS M Q 虽 然很适用于开发传输数据的中转中心 , 但它使用 了过多的中间层系统调用 , 导致效率太低 , 会成为 系统的瓶颈 . 因此最佳的选择就是直接对 Wins ock (Windows S ock

10、et 接口进行开发 , 虽然编程复杂 , 但可以获得最好的性能 2.2. 2 软件结构高速公路收费系统采用客户 服务器的模 式 1. 其中通信服务器是服务器端 , 与它相连的其 它应用系统是客户端 , 其模型如图 2所示 . 客户 服务器模式就是以服务器为中心实现数据共享的 集中控制 . 客户端只要与通信服务器间建立一条 连接 , 就可以与所有其它的客户端通信 . 客户 服 务器模式实际上包含了 2个程序 , 一个运行在服 务器端 , 另一个运行在客户端 . 客户端与服务器端 建立可靠的 、 面向连接的服务 . 服务器首先启动 , 建立一个套接口 , 并把它和本机的网络地址绑定 起来 , 然后

11、使套接口做好侦听的准备 , 这时就可以 等待接收数据了 . 客户端在建立套接口后 , 就可以 与服务器建立连接了 . 连接一旦建立后 , 服务器和 客户端就可以通过套接口发送和接收数据了 . 事 实上 , 服务器和客户端的程序并不是对称的 . 客户 端的程序不停地向服务器发出请求 , 服务器侦听 套接口 , 根据客户端的请求做出响应 , 所以它们之 ., .图 2 客户 服务器模型广深高速公路收费系统通信服务器包含通信 模块 、 链路控制模块 、 报文处理模块和用户管理模 块 . 这些模块之间的关系如图 3所示 .图 3 通信服务器的结构通信模块根据报文的优先级 , 可靠地发送和 接收报文 ,

12、 并支持报文的静态路由 .链路控制模块监测网络连接是否正常 . 如果 不正常则通知主线程设置网络不正常标识 , 同时 定时检查网络通信是否正常 . 如果网络连接恢复 正常 , 则通知主线程可以进行数据传输 .报文处理模块负责报文的处理 , 主要包括提 取报文所需的原始数据 , 并根据报文的定义格式 , 封装和拆封报文 .用户管理模块主要完成与通信服务器连接的 客户端的管理 , 管理的内容包括授权客户端连接 526第 7期 付孟若等 :高速公路收费系统通信服务器的设计与实现通信 , 客户端的名称 地址表格的维护 , 各通信节 点通信状态的显示和管理 , 以及在必要的时候 , 可以强制断开与通信节

13、点的通信连接等 .由于每个客户端都需要与通信服务器建立 TCP IP 连接 , 为了提高软件代码的重用性和加速 应用系统的开发 , 利用 Windows 平台的 ActiveX 技 术将客户端的通信代码封装成一个 OCX 控件 , 这 样通信服务器和客户端的 OCX 就构成了一个基 于 TCP IP 的实时分发技术的客户 服务器模式 . 这种实时的分发技术能够在不同的模块间提供透 明的通信手段 , 开发层次在 OSI 7层网络模型的 应用层上 . 2. 3 特 点1 多个客户端的实时 、 并发通信 . 根据需求 , 通信服务器需要与多达 30个的客户端建立连接 , 这样要解决处理各个节点数据的

14、延时问题 . 通信 服务器建立了 30个逻辑通信链路 (建立并打开 30个套接口 , 与请求通信的客户端相连 , 来解决服 务器调度客户端并发通信的问题 , 每个逻辑通信 链路都分别使用 512个字节的缓冲区 . 以满足客户端的实时 、 2 时 , , 使用了 . 一个接收线程 , 分别处理报文的发送和接收 . 发送 线程和接收线程需要协同工作 . 通信服务器使用 同步事件 (WS AEventSelect 来同步数据 , 防止发送 线程和接收线程在读取数据缓冲区时发生冲突 .3 差错控制采用连续 ARQ (自动重复请求 方式 . 客户端可以一次发送多个数据报文 , 通信服 务器接收到报文 、

15、 解析后发回一个应答 , 对一次传 输进行确认 . 这样可以避免客户端每次发送一个 数据报文 , 都需要等待通信服务器的应答 ACK (Acknowledgement , 从而提高了信道的利用率和 传输效率 .4 确认应答机制 . 根据设计的通信协议 , 并 不能保证发送的报文都被通信服务器可靠地接 收 . 为了保证数据传输的可靠性 , 通信服务器设计 了可靠的确认应答机制 . 客户端在发送数据报文 后 , 就等待服务器的应答 (ACK 报文 . 如果在规定 的时间内 , 客户端没有收到服务器的应答 , 则重新 发送未正确接收的数据 , 同时重发次数增加一次 . 如果重发次数超过了规定的次数

16、M , 就丢弃该数 据报文 , 同时启动通信链路检测线程 , 检查通信链 路的状况 , 如图 4所示 .图 4 通信链路检测线程的流程5 数据转发机制 . 通信服务器对接收到的报文进行分析 . 如果报文的目的地址不是本地 , 就通过全线地址表对目标地址进行路由 , 然后通知发 送线程 , 从指定的端口转发 . 2, 所 , . 如果需要增 , 可以编辑全线地址表 , 加入通信节 点地址和名称即可 .3 结 束 语使用多线程的编程技术开发的 、 支持并发通 信的通信服务器 , 在广深高速公路系统升级改造 过程中 , 经过了系统联合调试和实际运行的考验 , 并运行良好 . 采用 ActiveX 技

17、术开发的 OCX 控件 , 加速了应用软件的开发 , 提高了代码的重用性 . 实 践证明 , 它可以满足实时性和多用户并发通信的 要求 .参考文献 (R eferences 1Leon R E. W orld of internet :A client 2server architecture and thenew generation of in formation serversJ.Online and CDROM Re 2view ,1994,18(5 :2792842哈蒙德 . 计算机局域网性能分析 M.钟嘉强译 . 北京 :人民邮电出版社 ,1991Hamm ond. Performance analysis for com puter LANsM.T ranslated by Zhong Jiaqiang. Beijing :People s P ost and T elecommunications Publishing H ouse