CN102571559A - 基于时间触发的网络报文发送方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于时间触发的网络报文发送方法，涉及网络通信技术领域，包括步骤：S1：接收并缓存上层应用发来的报文，记录报文的接收时间，按所述报文中的目标IP、目标端口及接收时间计算该报文的发送时间；S2：当到达所述发送时间后将所述报文发送。本发明的基于时间触发的报文发送方法通过接收报文时间，目标IP和目标端口计算延时级别来确定报文的延时，能够有效地控制报文的延迟时间，通过建立缓存并对报文分类存储，从而减小了丢帧率和丢包率的问题。
Description
技术领域
本发明涉及网络通信技术领域，特别涉及一种基于时间触发的网络报文发送方法。
背景技术
vxWorks是WindRiver公司提供的一套优秀的实时操作系统，它支持TCP/IP、UDP等标准的网络通讯协议，并提供了标准的Socket编程接口对网络资源进行透明访问。vxWorks作为一种实时操作系统，具有对外界中断的实时响应和支持多任务的特点，实时系统使用TCP/IP通信协议进行点对点通信，对于一对多的通信方式往往使用UDP通信协议。工程应用中，大量的使用vxWorks网络通信的实时性和一对多的特点进行一对多、大流量、高频率的数据通信。
vxWorks的网络结构提供了对其它网络和TCP/IP网络系统的透明访问，包括与伯克利软件套件的(Berkeley Software Distribution，BSD)套接字兼容的编程接口，远程过程调用(Remote Procedure CallProtocol，RPC)，简单网络管理协议(Simple Network ManagementProtocol，SNMP)，远程文件访问以及自举协议(Bootstrap Protocol，BOOTP)和地址解析协议(Address Resolution Protocol，ARP)代理。无论是松耦合的串行线路、标准的以太网连接，还是紧耦合的利用共享内存的背板总线，所有的vxWorks网络机制都是遵循标准的Internet协议。
工程应用中往往通过Socket实现网络通信，UDP通信时使用vxWorks提供的接口建立套接字并与本机IP地址绑定就可以向目标IP和目标端口发送报文，同时监听指定端口接收网络报文。
目前，基于vxWorks的多任务实时控制系统广泛使用vxWorks提供的标准UDP网络协议进行数据收发，无连接的数据收发没有服务器和客户端的区分，任何一方均可以是通信的发起方，同时也可以是通信的响应方。UDP网络协议数据的收发流程大致为：socket()建立套接字，返回套接字描述符；利用bind()将套接字描述符绑定本地地址；利用recvfrom()接收指定端口的报文，利用sendto()将指定数据发送至目标IP和目标端口；close()关闭套接字。
在对安全苛求的系统的应用中，如：地铁信号系统，要求进行大容量、高频率、多对象的数据(数据包大小500字节以上，数据包发送频率1/3ms以内，目标地址更新频率90秒(通信对象为3个站台更换一次，则为5分钟)以内，通信对象数目5个以上)通信，使用上述方法会带来两个问题：一是高频率的大容量数据发送至网络发送缓冲区会导致数据覆盖进而丢失该报文；二是当发送数据对象发生改变时，UDP协议发送数据前会花费相对较长的时间进行寻址，若此时发送数据频率过高会导致丢帧。
为了解决丢帧问题，工程应用中往往降低数据发送的频率，并在调用标准UDP协议网络发送接口之前进行发送数据的延时，这个延时往往是大量实验得到最不利情况下的延时值。实际应用中，往往不需要每帧数据都延时处理，这样会对工程应用带来不利的影响。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：在安全苛求系统中如何减少大容量、高频率、多对象数据发送时延时不可控及丢帧、丢包的问题。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于时间触发的网络报文发送方法，包括步骤：
S1：接收并缓存上层应用发来的报文，记录报文的接收时间，按所述报文中的目标IP、目标端口及接收时间计算该报文的发送时间；
S2：当到达所述发送时间后将所述报文发送。
其中，所述步骤S1中计算报文的发送时间的方式具体包括：
根据所述报文的目标IP和目标端口计算报文的发送延迟级别；
根据当前缓存中的发送队列进行延迟级别累加，目标IP和目标端口相同的报文缓存到同一发送队列中；
按照累加后的延时为所述报文定时。
其中，根据报文的目标IP和目标端口信息计算其发送延迟级别，发送延迟级别包含四级：
一级：延迟时间为0～1ms，该优先级的报文为稳定通信阶段报文；
二级：延迟时间为3～10ms，该优先级的报文为初始通信阶段的报文；
三级：延迟时间为2～5ms，该优先级的报文为通信对象切换时的报文；
四级：延迟时间为：传入序号×1ms，该优先级的报文为在稳定通信阶段同一时间段内传入报文数目超过阈值时的报文。
其中，所述时间段不超过1ms，所述阈值为2。
其中，所述累加的方式为：延迟级别对应的延迟时间+上一个报文延时-已等待的时间。
其中，所述步骤S2具体包括：
循环遍历所述缓存中的每个发送队列的第一个报文，若到达发送时间，则发送该报文并返回发送时间给上层应用，同时记录日志，若未达到发送时间，则不发送。
(三)有益效果
本发明的基于时间触发的报文发送方法通过接收报文时间，目标IP和目标端口计算延时级别来确定报文的延时，能够有效地控制报文的延迟时间，通过建立缓存并对报文分类存储，从而减小了丢帧率和丢包率的问题。
附图说明
图1是本发明实施例的一种基于时间触发的报文发送方法流程图；
图2是本发明实施例的方法中报文转发实例结构图；
图3是图1中步骤S101的具体流程图；
图4是图1中步骤S102的具体流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明的基于时间触发的报文发送方法主要用于大容量、高频率、多对象且对安全要求苛求的通信系统中，如：vxWorks操作系统中。
如图1所示，本发明实施例的基于时间触发的报文发送方法包括：
步骤S101，接收并缓存上层应用发来的报文，记录报文的接收时间，按报文中的目标IP、目标端口及接收时间计算该报文的发送时间。本实施例中，为应用层创建一个数据发送缓冲区，及缓存，将接收到的报文先存储在缓存中。报文格式如图2所示，包含以下属性：传入时刻、延迟优先级别、目标IP、目标端口、待发送数据缓冲区极其长度信息。具体流程如图3所示：
记录接收报文的时间。
按报文的目标IP和目标端口进行分类缓存，目标IP和目标端口相同的报文缓存到同一发送队列中，图2中示出了两个发送队列。
根据报文的目标IP和目标端口信息计算其发送延迟级别，本实施例中，发送延迟级别包含四级：
一级(Priority Level 1)：延迟时间为0～1ms，即时间触发转发单元立即转发的报文。该优先级的报文为稳定通信阶段报文。
二级(Priority Level 2)：延迟时间为3～10ms，该优先级的报文为初始通信阶段的报文。
三级(Priority Level 3)：延迟时间为2～5ms，该优先级的报文为通信对象切换时的报文。
四级(Priority Level 4)：延迟时间为(传入序号×1)ms，该优先级的报文为在稳定通信阶段同一时间段内(小于1ms)传入报文数目超过规定阈值(通常为2)时的报文。
通信分为三个阶段，初始通信阶段，这个时期建立通信，需要发送广播包，建立ARP表，这个阶段的通信报文若发送至同一目标IP和端口频率过高(1ms中连续发送三帧及其以上)将导致所有报文均无法发送，故需要较长的延时时间，把这部分报文设置为二级；相应地，对于通信对象切换时，经过大量实验表明，需要经过5ms的延时处理，能取得较好的效果，设置为三级；而稳定期，即正常通信时期是一个稳态，将这类报文设置为一级。但稳态区也不允许频率过高(1ms内，2帧以上报文)，所以设置了上述四级。发送级别是针对同一目标IP和目标端口的报文来说的。当然，只有目标IP和目标端口发生改变时，才可能有第三级的分级。
每一帧待发送报文获得发送延迟级别后，应根据当前待发送数据缓冲区中发送队列对报文进行延迟级别累加，以保证待发送数据不存在乱序的问题。具体累加方式如下：
报文的延时＝延迟级别对应的延迟时间+上一个报文延时-已等待的时间。如：第N个进入发送队列的报文为级别二的报文，第N+1个进入发送队列的报文若在10ms以内(二级延迟要求)进入发送队列，则应累加第N个报文延时再减去已计时时间(延时规定内的时间)，若T1时刻，二级报文进入，级别对应的延迟时间为10ms，T1+T(T＜10)ms时刻，一级报文进入，则该一级报文的延时为：0(一级延时)+10ms(二级报文延时)-Tms(二级报文已等待时间)。
按累加后的延时为报文定时。
步骤S102，当到达所述发送时间后将所述报文发送。具体步骤如图4所示：
循环遍历所述缓存中的每个发送队列的第一个报文，若到达发送时间，则发送该报文并返回发送时间给上层应用，同时将该报文的发送信息返回以便记录至非易失性存储介质离线分析；若未达到发送时间，则不发送。
大量实验表明，在单帧报文数目达到500个字节，报文发送频率小于1ms时，采用本发明的方法vxWorks操作系统的网络转发存在，减少了报文发送延时。丢包率和通信对象切换时的丢包率均有所降低。
在地铁列车控制系统中，本发明应用于列车车载通信控制器，列车出段开始与地面设备建立通信，然后进入正线运营。地铁线路是进行分段管理的，分段管理中心也即设备集中站是车载通信控制器的通信对象，通信对象往往包括：联锁系统(Computer Interlock，CI)、区域控制中心(Zone Controller，ZC)、车站列车监控系统(AutomaticTrain Supervision，ATS)、中心ATS、维护支持系统(MaintenanceSupport System，MSS)、网络时间协议(Network Time Protocol，NTP)服务器。列车在线路上运行，从进入一个区域开始与该区域的地面设备建立通信，列车的车载设备向地面通信对象发送报文时采用上述步骤S101、S102进行，发送到同一个通信对象的报文缓存在同一个发送队列中。离开该区域进入下一个区域时，与上一个区域的地面设备断开链接并与下一个区域的地面设备建立通信。由于各线路、站间距离、速度以及其他因素的影响，车载通信控制器与地面通信对象的切换时长各不相同。但无一例外的，在基于通信的列车自动控制(Communication Based Train Control，CBTC)系统中，车地进行一对多、大容量、高频率的通信，且需要进行通信对象的通信切换。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (6)
1.一种基于时间触发的网络报文发送方法，其特征在于，包括步骤：
S1：接收并缓存上层应用发来的报文，记录报文的接收时间，按所述报文中的目标IP、目标端口及接收时间计算该报文的发送时间；
S2：当到达所述发送时间后将所述报文发送。
2.如权利要求1所述的基于时间触发的网络报文发送方法，其特征在于，所述步骤S1中计算报文的发送时间的方式具体包括：
根据所述报文的目标IP和目标端口计算报文的发送延迟级别；
根据当前缓存中的发送队列进行延迟级别累加，目标IP和目标端口相同的报文缓存到同一发送队列中；
按照累加后的延时为所述报文定时。
3.如权利要求2所述的基于时间触发的网络报文发送方法，其特征在于，根据报文的目标IP和目标端口信息计算其发送延迟级别，发送延迟级别包含四级：
一级：延迟时间为0～1ms，该优先级的报文为稳定通信阶段报文；
二级：延迟时间为3～10ms，该优先级的报文为初始通信阶段的报文；
三级：延迟时间为2～5ms，该优先级的报文为通信对象切换时的报文；
四级：延迟时间为：传入序号×1ms，该优先级的报文为在稳定通信阶段同一时间段内传入报文数目超过阈值时的报文。
4.如权利要求3所述的基于时间触发的网络报文发送方法，其特征在于，所述时间段不超过1ms，所述阈值为2。
5.如权利要求2所述的基于时间触发的网络报文发送方法，其特征在于，所述累加的方式为：延迟级别对应的延迟时间+上一个报文延时-已等待的时间。
6.如权利要求1所述的基于时间触发的网络报文发送方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：
循环遍历所述缓存中的每个发送队列的第一个报文，若到达发送时间，则发送该报文并返回发送时间给上层应用，同时记录日志，若未达到发送时间，则不发送。
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