基于嵌入式技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究

曹 聰 劉治國 張德育

（1、沈陽理工大學(xué)通信與網(wǎng)絡(luò)工程中心，遼寧 沈陽 1101592、大連大學(xué)通信與網(wǎng)絡(luò)重點實驗室，遼寧 大連 116000）

引言

應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)是應(yīng)付緊急情況臨時搭建的通信系統(tǒng)，該網(wǎng)絡(luò)是一個易受攻擊的系統(tǒng)，可能受到惡劣的外界環(huán)境、強干擾等多種因素的影響，這些都使網(wǎng)絡(luò)中的軟硬件資源故障發(fā)生率居高不下。因此需要引入監(jiān)控系統(tǒng)對其軟硬件資源進(jìn)行實時監(jiān)控管理，數(shù)據(jù)采集作為監(jiān)控系統(tǒng)的基本功能，采集的方式將直接影響到通信網(wǎng)絡(luò)的整體性能。考慮應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)具有小型化、節(jié)能、可移動性、簡單易操作等特點，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)采用當(dāng)前流行的嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。嵌入式系統(tǒng)本身集成CPU、內(nèi)存、FLASH、網(wǎng)口、串口、PCI接口等硬件資源，數(shù)據(jù)的采集和處理工作主要通過嵌入式系統(tǒng)的資源完成，從而減少了應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)資源的消耗。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，在硬件配置上以Intel公司的IXP425網(wǎng)絡(luò)處理器為核心，其內(nèi)部的SDRAM控制器與四片HY57V561620CTP-H芯片相連，構(gòu)成128M動態(tài)存儲空間；擴展總線上連接了兩片JS28F128J3D75芯片組成32M的FLASH存儲空間，用來存放啟動代碼、操作系統(tǒng)、文件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集程序；處理器的媒體獨立接口與一片LXT972C芯片相連，向外提供10/100M自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)接口。擴展板上包含RJ45以太網(wǎng)接口、PCI接口、調(diào)試串口、通訊串口等，以太網(wǎng)接口與核心板LXT972C芯片相連，負(fù)責(zé)主機數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)信息數(shù)據(jù)的傳輸；PCI接口與IXP425內(nèi)部的PCI總線相連，負(fù)責(zé)主機數(shù)據(jù)的傳輸和主機信息的采集；調(diào)試串口和通訊串口分別與IXP425內(nèi)部的兩個高速串行接口相連，調(diào)試串口主要用于接收和發(fā)送調(diào)試信息，通訊串口主要用來采集不支持PCI接口和網(wǎng)絡(luò)通訊的設(shè)備信息。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本系統(tǒng)采用主動采集和被動采集相結(jié)合的采集方式，主動采集主要應(yīng)用簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議(SNMP)，而被動采集主要采用網(wǎng)絡(luò)探針和收集SNMP Trap報文的方法，具體的數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)如圖2所示。

SNMP協(xié)議是應(yīng)用層的通信協(xié)議，主要采用Client/Server架構(gòu)，SNMP協(xié)議定義了數(shù)據(jù)包的格式，并且對外提供了用于控制管理信息庫(MIB)對象的基本操作命令。基于SNMP協(xié)議的數(shù)據(jù)采集，在實現(xiàn)上主要完成兩部分的設(shè)計：管理者和管理代理。管理者運行在嵌入式板卡端，負(fù)責(zé)構(gòu)造SNMP請求報文，與駐留在網(wǎng)絡(luò)結(jié)點中的代理(agent)交換信息，同時異步接收代理發(fā)送的Trap消息。而代理運行在被監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)結(jié)點中，負(fù)責(zé)維護(hù)結(jié)點的狀態(tài)信息，接受管理者的查詢，而且當(dāng)結(jié)點發(fā)生特定的事件的時候，代理根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的告警機制向管理者發(fā)送狀態(tài)改變Trap消息，目前網(wǎng)絡(luò)主機和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都提供了SNMP協(xié)議支持，而且可以根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的需要對代理程序進(jìn)行擴展。

圖3 主機與板卡硬件通信結(jié)構(gòu)

圖4 PCI板卡應(yīng)用示意圖

網(wǎng)絡(luò)探針是一種新興的數(shù)據(jù)采集技術(shù)，它是對計算機接入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制的一種程序。主機與板卡之間底層硬件通信結(jié)構(gòu)如圖3所示，主機與板卡之間是利用PCI總線傳輸數(shù)據(jù)的，兩端的驅(qū)動程序采用網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動模型。發(fā)送數(shù)據(jù)流程為：主機應(yīng)用程序調(diào)用板卡驅(qū)動程序?qū)?shù)據(jù)封裝成數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)幀的格式，之后調(diào)用PCI驅(qū)動程序?qū)?shù)據(jù)發(fā)送給板卡，板卡驅(qū)動程序接收到數(shù)據(jù)包之后判斷數(shù)據(jù)幀的目的地址，如果是板卡與主機的內(nèi)部通信地址，則傳送到板卡上層應(yīng)用程序進(jìn)行處理，如果是外網(wǎng)地址，則將數(shù)據(jù)幀的源地址改為板卡的有效地址將數(shù)據(jù)幀發(fā)送至外網(wǎng)。探針主要用來偵聽傳入的數(shù)據(jù)包，在板卡接收數(shù)據(jù)包的同時將數(shù)據(jù)包暫時緩存在板卡內(nèi)存中，再按照網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的層次結(jié)構(gòu)對數(shù)據(jù)包逐層進(jìn)行分析，獲得當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)運行的狀態(tài)。

3 實際應(yīng)用

針對應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境，實際應(yīng)用中將板卡部署到應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點上，由監(jiān)控中心向板卡下達(dá)采集任務(wù)，指定每個板卡需要監(jiān)控的節(jié)點和具體的監(jiān)控內(nèi)容，實際應(yīng)用如圖4所示。系統(tǒng)在設(shè)計時充分考慮到功能的擴展，預(yù)留了多個擴展接口，可以增加無線通信模塊，適應(yīng)無線通信數(shù)據(jù)采集的需求，對于不支持PCI接口和網(wǎng)絡(luò)接口的設(shè)備可以通過串口進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

結(jié)束語

本文根據(jù)應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)實際應(yīng)用環(huán)境的特點，設(shè)計了基于嵌入式技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在硬件設(shè)計上，以IXP425網(wǎng)絡(luò)處理器為核心，集成PCI接口、網(wǎng)絡(luò)接口、串口等多種通信接口用于數(shù)據(jù)采集。在軟件設(shè)計上，采用SNMP協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)探針兩種采集方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)開發(fā)完成后，在實際應(yīng)用環(huán)境中進(jìn)行了實驗，數(shù)據(jù)采集效果良好，達(dá)到了預(yù)期的應(yīng)用需求。

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