CN101345764B - 多链路无线移动工业管控一体化数据传输系统中的传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多链路无线移动工业管控一体化数据传输系统，其利用多链路终端快速可靠的将文本数据、图片数据、音视频数据传输至服务器上。同时也可以快速从服务器上获取文本数据、图片数据、音视频数据，有效的解决了工厂复杂环境下的数据传输问题。本发明采用双卡的多链路对数据进行可靠的并发传输，多链路无线双卡数据传输系统采用自定义的数据帧格式，TCP与UDP相合的通信方式，并采用智能化的负载均衡方法、差错控制方法和安全保障方法。

Description

多链路无线移动工业管控一体化数据传输系统中的传输方法

一、技术领域：

本发明涉及一种无线数据传输系统，尤其是涉及一种能在工厂复杂应用环境下使用的支持多路数据并发传输、自动负载均衡、支持链路备份功能的多链路无线移动工业管控一体化数据传输系统。 

二、背景技术：

随着无线网络技术的快速发展，工业企业环境下进行无线数据传输和远程监控应用需求日益增长。由于工厂复杂环境对无线网络的可靠性有较高要求，以及工厂设备工作环境苛刻，对数据传输的要求较高。现有的无线数据传输系统无法满足工厂的上述要求。 

三、发明内容

本发明的目的在于提供一种多链路无线移动工业管控一体化数据传输系统，其利用多链路终端快速可靠的将文本数据、图片数据、音视频数据传输至服务器上。同时也可以快速从服务器上获取文本数据、图片数据、音视频数据，有效的解决了工厂复杂环境下的数据传输问题。 

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为： 

多链路无线移动工业管控一体化数据传输系统，其特征在于：采用双卡的 的多链路对数据进行可靠的并发传输，多链路无线双卡数据传输系统采用自定义的数据帧格式，TCP与UDP相合的通信方式，并采用智能化的负载均衡方法、差错控制方法和安全保障方法。 

数据传输过程为： 

①定义数据帧的类型： 

根据要传输的数据类型不同，帧类型分为数据帧和视频帧两种，在传输时进行区分； 

②帧的格式 

包头标   志(1  字节)

视频帧   类型(1  字节)

数据包   序号(1  字节)

数据包   个数(1     字节)

视频帧  编号(4  字节)

采集点  ID(2字  节)

数据包  大小(2  字节)

视频数 据(最大 500字  节)

③帧的处理： 

当视频帧或数据帧进入系统后，系统的数据分配单元将帧拆解为多个UDP数据包，随后将UDP数据包放入位于数据缓存中的发送队列里等待提取，在队列中按照先进先出的规则进行； 

④发送： 

UDP数据包被选中后，将会通过数据发送单元进入已经构建好的UDP传输信道进行传输，同时数据发送单元还会通过TCP协议将数据的差错控制和该数据包的所属帧位置等信息进行传输；当在多信道工作模式下，系统将平均分配每信道的数据发送量，并实时检测信道传输情况，当包进入信道，开始传输时，系统的差错控制单元会将该数据包进行在本地锁定并等待接收端的接收结果，如果接收端返回接收正常则解锁该包并进行下一数据包的发送，否则将重发该 包；如一个信道的发送队列已满，系统将自动将该数据包通过另一信道发送。 

⑤接收： 

UDP数据包被接收端的数据接收单元接收后，将首先确认该包的所属帧位置，并通过Integrity Testing完整性检测，接收端将向发送端返回数据包接收成功的信息，并将数据包放入重组队列，等待数据重组单元进行数据包的重组。 

⑥数据包恢复： 

用TCP进行差错控制，在数据包中加入自定义的控制信息，保证数据完整性；为了控制传输中的数据差错，通过验证校验和方式，接收端使用校验和检测出差错时，就将此用户数据段丢掉，UDP包中的其中一个字用来标识其它所有字节之和。 

TCP协议作为控制协议使用，首先在连接时通过TCP协议进行与对端的网络接口进行对接，产生连接套字；之后通过连接字进行建立一个基于UDP协议的信道，在此信道上进行大量的数据交换；在进行数据交换时，TCP协议会在其间作为包检测/包控制协议出现，以保证包在对端能组成完整的数据帧或图像帧。 

负载均衡方法的算法采用轮转算法，在一个副本队列里，队列的每个副本都具有相同的地位，轮转算法简单的在这组成员中顺序轮转选择；在负载平衡环境中，均衡器将新的请求轮流发给副本队列中的下一副本，如此连续、周而复始，每个副本都在相等的地位下被轮流选择。 

安全保障方法包括： 

①数据加密算法： 

采用RC4加密解密算法，在帧进行拆解之前，将帧数据通过RC4算法进行加密，再进行拆分，接收端采用逆向工作流程来还原帧数据； 

②硬件地址绑定： 

进行硬件三重绑定，绑定发送端的MAC地址，无线ENS设备号，通讯卡串号，在连接时检测该三组号码，如有一项不符合，则强行拒绝连接。 

③用户认证： 

用户认证采用证书认证和密码认证双重认证方式，当用户连接时证书和用户密码不符合时，将拒绝用户连接。 

与现有技术相比，本发明具有的优点和效果如下： 

多链路无线双卡数据传输系统是无线网络技术在工业企业环境下的改进应用。多链路无线双卡数据传输系统可以利用多链路终端快速可靠的将文本数据、图片数据、音视频数据传输至服务器上。同时也可以快速从服务器上获取文本数据、图片数据、音视频数据。该系统在石化行业、电力系统、钢铁制造企业、以及对无线数据传输存着需求的企事业单位正得到广泛的应用。 

多链路无线双卡数据传输系统可以在工厂的复杂环境下，采用双卡的多链路对数据进行可靠的并发传输，在数据传输过程有负载均衡控制机制、差错控制机制和安全保障措施。 

四、附图说明：

图1为多链路无线双卡数据传输系统的网络结构图； 

图2为多链路无线双卡数据传输系统内部原理图； 

图3为多链路无线双卡数据传输系统差错控制过程图； 

图4为多链路无线双卡数据传输系统的负载均衡原理图； 

图5为TCP与UDP相结合的通讯方式原理图。 

图中，1-数据采集端，2-视频采集端，3-双卡数据传输盒，4-PC端无线监控，5-PDA端监控，6-手机端监控，7-无线网络供应商，8-接入路由，9-中央交换机，10-数据接收服务器，11-数据存储服务器，12-监控内网。 

五、具体实施方式：

GPRS(GeneralPacket Radio Service)是通用分组无线业务的简称。GPRS是GSMPhase2.1规范实现的内容之一，能提供比现有GSM网9.6kbit/s更高的数据率。GPRS采用与GSM相同的频段、频带宽度、突发结构、无线调制标准、跳频规则以及相同的TDMA帧结构。因此，在GSM系统的基础上构建GPRS系统时，GSM系统中的绝大部分部件都不需要作硬件改动，只需作软件升级。 

CDMA 1X是指cdma2000的第一阶段(速率高于IS-95，低于2Mbps)，前向链路数据速率可达到144Kbps、网络部分引入分组交换，可支持移动IP业务。在第三代移动通信的无线接口国际提案中，最广泛受到注意的是W-CDMA和cdma2000。cdma2000是美国向ITU提出的第三代移动通信空中接口标准的建议，是IS-95标准向第三代演进的技术体制方案。CDMA 1X采用扩频速率为SR1，即指前向信道和反向信道均用码片速率1.2288Mbit/s的单载波直接系列扩频方式。因此它可以方便地与IS-95(A/B)后向兼容，实现平滑过渡。由于CDMA 1X采用了反向相干解调、快速前向功控、发送分集、Turbo编码等新技术，其容量比IS-95大为提高。在相同条件下，对普通话音业务而言，容 量大致为IS-95系统的两倍。CDMA 1X网络可以作为话音业务的承载平台，也可以作为无线接入Internet分组数据承载平台，既可以为用户提供传统的话音业务，也可以为用户提供端对端分组传输模式的数据业务。 

TCP协议(Transmission Control Protocol，传输控制协议)是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。在该协议传输模式中数据包成功发送给目标计算机后，TCP会要求发送一个确认；如果在某个时限内没有收到确认，那么TCP将重新发送数据包。另外，在传输的过程中，如果接收到无序、丢失以及被破坏的数据包，TCP还可以负责恢复。 

TCP头格式                     C描述 

＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ 

                              struct tcphdr{ 

源端口(16位)                  WORD SourPort； 

目的端口(16位)                WORD DestPort； 

序号(32位)                    DWORD SeqNo； 

确认号(32位)                  DWORD AckNo； 

数据偏移(4位)                 BYTE HLen； 

保留(6位)                     BYTE Flag； 

标志(6位)                     WORD Window； 

窗口(16位)                    WORD ChkSum； 

校验和(16位)                  WORD UrgPtr； 

紧急指针(16位)                /*Put options here.*/ 

选项                          }； 

填充 

UDP协议(User Datagram Protocol，用户数据报协议)是一种无连接的传输层协议，提供面向事务的简单不可靠信息传送服务。UDP头包含很少的字节， 比TCP负载消耗少，而且比TCP传送数据速度快。UDP的头格式为： 

UDP结构的定义为： 

struct udphdr{ 

u_int16_t source； 

u_int16_t dest； 

u_int16_t len； 

u_int16_t check； 

       }； 

因此在多链路无线双卡数据传输系统中采TCP与UDP相结合的通信方式，利用TCP协议传输数据准确性好的优点和UDP协议传输数据速度快、负载消耗小的优点来保证该系统数据的快速、准确传输的。 

参见图1和图2，本发明的工作过程： 

1、系统建立PPP拨号连接 

多链路无线数据传输系统是采用TCP与UDP相结合的通讯方式，通过自带 小的优点来保证该系统数据的快速、准确传输的。 

参见图1和图2，本发明的工作过程： 

1、系统建立PPP拨号连接 

多链路无线数据传输系统是采用TCP与UDP相结合的通讯方式，通过自带的网络拨号模块，使用专有的用户信息登入数据接收端所在的VPDN网络。在连接建立初期，首先服务器通过TCP协议向接收端发出连接申请，通过协议认证后，服务器将与数据接收端建立基于UDP与TCP的通讯信道，并进行路由准备。 

2、建立路由表 

建立路由表可通过两种方式：手动方式和自动方式。 

手动方式：按照既定的网络结构与数据传输要求，在数据采集服务器上，按照配置文件，进行路由表的修改，使所有链路的数据接收端指向一个接收端，构成多个链路，以下是概念命令： 

Route del 0.0.0.0mask 0.0.0.0dst 0.0.0.0 

Route add<自动获取的IP信息1>mask<...>dst<既定的数据接 

收网关IP> 

Route add<自动获取的IP信息1>mask<...>dst<既定的数据接 

收网关IP> 

自动方式：按照既定的网络结构和数据传输要求，数据连接程序从配置文件中提取数据接收网关IP地址，由所在的服务器中的连接模块自动的进行路由表 的修改。该方法适合多链路的路由建立，节省路由修改时间。 

3、在服务器上进行注册 

发送端与采集端通过TCP协议进行握手后，发送端向接收端发送自身ID，接收端获取发送端的IP和ID并记录下来，完成注册过程，构建UDP连接通道和TCP控制连接。没有注册的IP发送端将不接收其发过来的UDP数据，在多通道模式下，系统将并发实现多个通道的连接，并在接收端使用负载均衡技术，实现网络传输均衡。 

4、数据传输过程 

①定义数据帧的类型 

根据要传输的数据类型不同，帧类型分为数据帧和视频帧两种，在传输时进行区分。数据帧对时延要求较低，而对可靠性要求较高，视频帧则要求传输时延尽量缩短，且允许非关键桢的丢失和缺损传输。 

②帧的格式 

包头标   志(1  字节)

视频帧   类型(1  字节)

数据包   序号(1  字节)

数据包   个数(1     字节)

视频帧  编号(4  字节)

采集点  ID(2字  节)

数据包  大小(2  字节)

视频数 据(最大 500字  节)

③帧的处理 

当视频帧(数据帧)进入系统后，系统的DDU(Data distribution unit数据分配单元)将帧拆解为多个UDP数据包，随后将UDP数据包放入位于数据缓存中的发送队列里等待提取，在队列中按照FIFO(先进先出)的规则进行。 

④发送 

UDP数据包被选中后，将会通过DSU(Data sent units数据发送单元)，进入已经构建好的UDP传输信道进行传输，同时DSU还会通过TCP协议将数据的差错控制和该数据包的所属帧位置等信息进行传输。当在多信道工作模式下，系统将平均分配每信道的数据发送量，并实时检测信道传输情况，当包进入信道，开始传输时，系统的ECU(Error Control Unit差错控制单元)会将该数据包进行在本地锁定并等待接收端的接收结果，如果接收端返回接收正常则解锁该包并进行下一数据包的发送，否则将重发该包。如一个信道的发送队列已满，系统将自动将该数据包通过另一信道发送。 

⑤接收 

UDP数据包被接收端的DRU(Data receiving unit数据接收单元)接收后，将首先确认该包的所属帧位置，并通过Integrity Testing完整性检测，接收端将向发送端返回数据包接收成功的信息，并将数据包放入重组队列，等待数据重组单元进行数据包的重组。 

⑥数据包恢复 

用TCP进行差错控制，在数据包中加入自定义的控制信息。如序号，数据包的大小等信息，可以保证数据完整性，为了控制传输中的数据差错，通过验证校验和方式，接收端使用校验和检测出差错时，就将此用户数据段丢掉，UDP包中的其中一个字用来标识其它所有字节之和，从而达到校验的目的，保证正确的数据传送。 

本发明多链路无线双卡数据传输系统采用自定义的数据帧格式、TCP与UDP相合的通信方式、智能化的负载均衡机制、先进的差错控制技术、以及完善的 安全保障手段。 

本发明采用自定义的数据帧格式： 

包头标志：0x80 

视频帧类型：标识I、B、P帧 

视频帧内帧SLICE_I＝2 

视频预测帧SLICE_B＝1 

视频双向预测帧SLICE_P＝0， 

数据包序号：帧内数据包编号，从0开始 

数据包个数：此帧被分拆成数据包的个数 

视频帧编号：视频帧的编号，从1开始采集点ID：摄像头编号 

数据包大小：此包数据的大小，最大500字节 

数据：要发送的视频数据 

包头   标志  (1  字节)

视频  帧类 型(1 字节)

数据  包序 号(1 字节)

数据  包个  数(1  字节)

视频 帧编 号(4  字节)

采集点  ID(2  字节)

数据包  大小(2  字节)

视频数 据(最 大500   字节)

本发明采用TCP与UDP相结合的通信方式： 

TCP与UDP的区别： 

1、基于连接与无连接 

2、对系统资源的要求(TCP较多，UDP少) 

3、UDP程序结构较简单 

4、流模式与数据报模式 

5、TCP保证数据正确性，UDP可能丢包，TCP保证数据顺序，UDP不保证相对照以上的一些特性，所产生的TCP与UDP相结合的通讯方式，如图5： 

由于TCP协议在进行连接时能保证正确的寻址和数据的顺序，在这里作为控制协议使用，首先在连接时通过TCP协议进行与对端的网络接口进行对接，产生连接套字。之后通过连接字进行建立一个基于UDP协议的信道，在此信道上进行大量的数据交换。在进行数据交换时，TCP协议会在其间作为包检测/包控制协议出现，以保证包在对端能组成完整的数据帧或图像帧。 

本发明采用智能化的负载均衡机制，负载均衡是由多台服务器以对称的方式组成一个服务器集合，每台服务器都具有等价的地位，都可以单独对外提供服务而无须其他服务器的辅助。通过某种负载分担技术，将外部发送来的请求均匀分配到对称结构中的某一台服务器上，而接收到请求的服务器独立地回应客户的请求。均衡负载能够平均分配客户请求到服务器列阵，籍此提供快速获取重要数据，解决大量并发访问服务问题。这种群集技术可以用最少的投资获得接近于大型主机的性能。负载均衡的优点：第一，负载均衡能将传入的请求传播到多达32台服务器上，即可以使用最多32台服务器共同分担对外的网络请求服务。网络负载均衡技术保证即使是在负载很重的情况下，服务器也能做出快速响应；第二，负载均衡对外只需提供一个IP地址(或域名)；第三，当负载均衡中的一台或几台服务器不可用时，服务不会中断。网络负载均衡自动检测到服务器不可用时，能够迅速在剩余的服务器中重新指派客户机通讯。这项保护措施能够帮助你为关键的业务程序提供不中断的服务，并可以根据网 络访问量的增加来相应地增加网络负载均衡服务器的数量；第四，网络负载均衡可在普通的计算机上实现。 

参见图4，本系统中使用的负载均衡算法为轮转算法。轮转算法是所有调度算法中最简单也最容易实现的一种方法。在一个副本队列里，队列的每个成员(副本)都具有相同的地位，轮转算法简单的在这组成员中顺序轮转选择。在负载平衡环境中，均衡器将新的请求轮流发给副本队列中的下一副本，如此连续、周而复始，每个副本都在相等的地位下被轮流选择。轮转法的活动是可预知的，每个结点被选择的机会均等，因此很容易计算出结点的负载分布。轮转法比较适用于集群中所有结点的处理能力和性能均相同的情况，在实际应用中，一般将它与其他简单方法联合使用时比较有效。 

参见图3，本发明采用先进的差错控制技术，用TCP进行差错控制，在数据包中加入自定义的控制信息，如序号，数据包的大小等信息，可以保证数据完整性，为了控制传输中的数据差错，通过验证校验和方式，接收端使用校验和检测出差错时，就将此用户数据段丢掉，UDP包中的其中一个字用来标识其它所有字节之和，从而达到校验的目的，保证正确的数据传送。 

本发明采用完善的安全保障手段： 

1、数据加密算法 

采用RC4加密解密算法，在帧进行拆解之前，将帧数据通过RC4算法进行加密，再进行拆分，接收端采用逆向工作流程来还原帧数据，以防止在数据传输过程中被他人窃听截取。 

2、硬件地址绑定 

进行硬件三重绑定，绑定发送端的MAC地址，无线ENS设备号，通讯卡串号，在连接时检测该三组号码，如有一项不符合，则强行拒绝连接，因此保证不会发生其他设备的恶意接入该系统。 

3、用户认证 

用户认证使用证书认证和密码认证双重认证方式，当用户连接时证书和用户密码不符合时，将拒绝用户连接，保证网络内信息不被恶意调用。 

Claims (1)

1.多链路无线移动工业管控一体化数据传输系统中的传输方法，其特征在于：采用双卡的多链路对数据进行可靠的并发传输，多链路无线双卡数据传输系统采用自定义的数据帧格式，TCP与UDP相合的通信方式，并采用智能化的负载均衡方法、差错控制方法和安全保障方法，

数据传输过程为：

①定义数据帧的类型：

根据要传输的数据类型不同，帧类型分为数据帧和视频帧两种，在传输时

进行区分；

②帧的格式

③帧的处理：

当视频帧或数据帧进入系统后，系统的数据分配单元将帧拆解为多个UDP数据包，随后将UDP数据包放入位于数据缓存中的发送队列里等待提取，在队列中按照先进先出的规则进行；

④发送：

UDP数据包被选中后，将会通过数据发送单元进入已经构建好的UDP传输信道进行传输，同时数据发送单元还会通过TCP协议将数据的差错控制和该数据包的所属帧位置信息进行传输；当在多信道工作模式下，系统将平均分配每信道的数据发送量，并实时检测信道传输情况，当包进入信道，开始传输时，系统的差错控制单元会将该数据包进行在本地锁定并等待接收端的接收结果，如果接收端返回接收正常则解锁该包并进行下一数据包的发送，否则将重发该包；如一个信道的发送队列已满，系统将自动将该数据包通过另一信道发送；

⑤接收：

UDP数据包被接收端的数据接收单元接收后，将首先确认该包的所属帧位置，并通过Integrity Testing完整性检测，接收端将向发送端返回数据包接收成功的信息，并将数据包放入重组队列，等待数据重组单元进行数据包的重组；

⑥数据包恢复：

用TCP进行差错控制，在数据包中加入自定义的控制信息，保证数据完整性；为了控制传输中的数据差错，通过验证校验和方式，接收端使用校验和检测出差错时，就将此用户数据段丢掉，UDP包中的其中一个字用来标识其它所有字节之和，

TCP协议作为控制协议使用，首先在连接时通过TCP协议进行与对端的网络接口进行对接，产生连接套字；之后通过连接字进行建立一个基于UDP协议的信道，在此信道上进行大量的数据交换；在进行数据交换时，TCP协议会在其间作为包检测/包控制协议出现，以保证包在对端能组成完整的数据帧或图像帧，

负载均衡方法的算法采用轮转算法，在一个副本队列里，队列的每个副本都具有相同的地位，轮转算法简单的在这组成员中顺序轮转选择；在负载平衡环境中，均衡器将新的请求轮流发给副本队列中的下一副本，如此连续、周而复始，每个副本都在相等的地位下被轮流选择；

安全保障方法包括：

①数据加密算法：

采用RC4加密解密算法，在帧进行拆解之前，将帧数据通过RC4算法进行加密，再进行拆分，接收端采用逆向工作流程来还原帧数据；

②硬件地址绑定：

进行硬件三重绑定，绑定发送端的MAC地址，无线ENS设备号，通讯卡串号，在连接时检测该三组号码，如有一项不符合，则强行拒绝连接；

③用户认证：

用户认证采用证书认证和密码认证双重认证方式，当用户连接时证书和用户密码不符合时，将拒绝用户连接。

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