LXI網(wǎng)絡(luò)儀器拓撲圖生成的設(shè)計與實現(xiàn)

劉永斌，李宥謀，王 濤，趙成青

(西安郵電大學 計算機學院，陜西 西安 710000)

0 引 言

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及信息技術(shù)的快速發(fā)展，儀器儀表的測控技術(shù)領(lǐng)域發(fā)生了巨大變化，出現(xiàn)了以LXI總線為基礎(chǔ)的測控技術(shù)。LXI網(wǎng)絡(luò)儀器是一種結(jié)構(gòu)化、模塊化的儀器系統(tǒng)，儀器中各模塊之間、儀器與網(wǎng)絡(luò)之間均通過LXI總線進行互聯(lián)，這樣可不受機箱和零槽控制器的制約，使得集成更方便，也使得儀器中各測量模塊相互獨立，具備模塊化特點，突破了傳統(tǒng)通信技術(shù)的時空和地域限制。而且通過代理使得不帶網(wǎng)口的測量儀器網(wǎng)絡(luò)化，使其大大超越了傳統(tǒng)測試測量儀器的通訊性能及局限性。

而對LXI網(wǎng)絡(luò)儀器的測控、監(jiān)管與維護的前提是監(jiān)管平臺應(yīng)提供良好的網(wǎng)絡(luò)儀器拓撲圖，通過良好的拓撲圖既可對代理及其所接網(wǎng)絡(luò)儀器提供直觀的鏈接和分布等情況，也可提供操作簡單、功能完善的測量和管理服務(wù)。因此LXI網(wǎng)絡(luò)儀器拓撲圖的發(fā)現(xiàn)、呈現(xiàn)與管理顯得尤為重要。文中就拓撲圖的動態(tài)生成、刷新以及對拓撲圖上節(jié)點的狀態(tài)和事件展開研究，并進行設(shè)計與實現(xiàn)。

1 拓撲圖生成的設(shè)計與實現(xiàn)

1.1 數(shù)據(jù)庫的設(shè)計

整個LXI網(wǎng)絡(luò)儀器[1]管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫管理統(tǒng)一由監(jiān)管平臺處理，該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息存儲在名為xnmsdb的mysql5.5.54版本數(shù)據(jù)庫中，其中包含的數(shù)據(jù)表是根據(jù)監(jiān)管平臺所提供的功能確定的，而網(wǎng)絡(luò)儀器拓撲管理作為監(jiān)管平臺的一部分，涉及的關(guān)鍵數(shù)據(jù)表有代理編號與其MAC地址映射表(t_AgentIDMAC)和節(jié)點信息及拓撲關(guān)系表(t_RunningTreeView)。由于篇幅有限，只給出這兩張表的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

t_AgentIDMAC的結(jié)構(gòu)設(shè)計：

CREATE TABLE `t_AgentIDMAC` (

`id`int(11) NOT NULL,//代理編號，非空

`mac` varchar(20) NOT NULL, //代理MAC地址，非空，字符串類型

PRIMARY KEY (`id`), //id為主鍵

UNIQUE KEY `mac` (`mac`) //唯一性約束，防止MAC地址重復

)

t_RunningTreeView的結(jié)構(gòu)設(shè)計：

CREATE TABLE `t_RunningTreeView` (

`id`int(11) NOT NULL AUTO_INCREMENT, //節(jié)點唯一標識號，自增

`name`varchar(20) NOT NULL, //節(jié)點名稱，非空

`pid` int(11) NOT NULL, //本節(jié)點的父節(jié)點ID，非空

`ip` varchar(20) DEFAULT NULL, //代理IP地址

`mac` varchar(20) DEFAULT NULL, //代理MAC地址

`dscr` varchar(100) DEFAULT NULL, //節(jié)點信息描述

`interface`int(2) DEFAULT NULL, //代理的接口號

PRIMARY KEY (`id`) //id字段為主鍵

)

1.2 拓撲圖結(jié)構(gòu)的布局設(shè)計

該監(jiān)管平臺開發(fā)環(huán)境是使用Windows OS中Microsoft Visual Studio 2012的IDE，利用C#[2]語言在.NET Framework4.5平臺下進行開發(fā)。在C#的窗體應(yīng)用程序開發(fā)時，要求在監(jiān)管平臺的主控界面上顯示局域網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)儀器拓撲圖[3]。拓撲是一種層次關(guān)系，而在面向組件的C#中，窗體開發(fā)時它本身提供的顯示節(jié)點層級關(guān)系的控件只有TreeView控件，基于縱向的目錄樹結(jié)構(gòu)，相當于書的目錄樣式，雖然功能完善，但是結(jié)構(gòu)單一，不直觀，不靈活，不能夠適應(yīng)特定的需求。所以對網(wǎng)絡(luò)儀器拓撲圖的管理需要有更符合人機操作關(guān)系的特定的拓撲圖，那么就需要利用C#提供的圖形設(shè)備接口GDI+[4]來繪制出更符合需求的拓撲結(jié)構(gòu)。

拓撲圖布局結(jié)構(gòu)采用樹狀結(jié)構(gòu)，整個LXI網(wǎng)絡(luò)儀器管理系統(tǒng)最多有32個代理，每個代理最多可接4個測量儀器，根據(jù)實際情況可分為8組顯示具體的拓撲圖，每組可通過按鈕分別顯示。每組都為三級拓撲結(jié)構(gòu)，根節(jié)點作為第一級，沒有實際意義，起到連接代理的作用，代理為第二層節(jié)點，測量儀器為第三級節(jié)點，即葉子節(jié)點，連接在代理下。如果實際局域網(wǎng)中設(shè)備不能形成8組，那么只有存在的組的按鈕才具備顯示該組拓撲的事件。繪制拓撲圖的關(guān)鍵是要把每組的三級拓撲層次結(jié)構(gòu)繪制出來，并在拓撲周圍繪制出必要的簡易文字說明，繪制過程的控制中代碼細節(jié)很多，這里只給出GDI+操作的主要步驟，對于每一組拓撲采用自上而下、從左到右的畫法，如下：

(1)Graphics graphic=panel1.CreateGraphics();即在窗體form中的panel1面板上創(chuàng)建畫板，接下來就可以在panel1上繪制圖形、線條、文字等，但繪制的前提是要根據(jù)panel1的大小以及三級拓撲層次結(jié)構(gòu)的大小及位置確定合理的X、Y坐標，確定繪制對象的長度、粗細、形狀、顏色等屬性。

(2)根據(jù)坐標和繪制對象的屬性，利用Pen類實例化畫筆對象，繪制根節(jié)點，形狀為圓形，并利用上述的graphic[5]對象在圓形中繪制一個Image圖形作為根節(jié)點標志；再根據(jù)根節(jié)點相對panel1位置繪制出相應(yīng)的線條，用于連接四個代理。

(3)根據(jù)坐標和繪制對象屬性，利用Pen類實例化畫筆對象，通過for循環(huán)從左到右繪制出四個矩形，用來作為填充代理圖標的框架。這里不需要急于繪制代理圖標，因為還不知道實際有沒有代理或存在哪些代理。再根據(jù)代理的矩形框圖相對panel1位置繪制出相應(yīng)的線條，用于連接16個測量儀器。

(4)類似步驟3，區(qū)別是for循環(huán)16次，每次繪制正方形，用作填充測量儀器圖標的框架。

1.3 拓撲圖的生成與實現(xiàn)

前面已將三級拓撲層次結(jié)構(gòu)框圖繪制出來，接下來需要在其基礎(chǔ)上繪制出實際局域網(wǎng)中設(shè)備的圖標，這樣就能確定局域網(wǎng)中有哪些設(shè)備，以及這些設(shè)備的連接關(guān)系。前面已提到TreeView控件的局限性，所以將它作為輔助的拓撲顯示，而將文中設(shè)計的拓撲用于主要的拓撲顯示，該主要拓撲依賴于輔助拓撲的拓撲關(guān)系及數(shù)據(jù)，而該輔助拓撲依賴于數(shù)據(jù)表t_RunningTreeView。所以拓撲圖的生成[6]步驟大致如下：

(1)生成TreeView。首先從t_RunningTreeView中讀取數(shù)據(jù)存入DataTable內(nèi)存數(shù)據(jù)表中，利用DataTable類的對象的Select方法，即DataRow[] dr=dt.Select("pid="+pid)，通過foreach遞歸的從根節(jié)點，即pid為0的節(jié)點開始遍歷dr；每次遍歷實例化新的node對象，用于在TreeView中添加新節(jié)點，即TreeNode node=new TreeNode()，將dr對象的每行值與node的相關(guān)屬性綁定，再把node通過Add方法添加到TreeView；在這個過程中還要進行總代理個數(shù)、總測量儀器個數(shù)等數(shù)據(jù)的統(tǒng)計。

(2)將TreeView中的信息保存到相應(yīng)數(shù)組中，以便將TreeView輔助拓撲的拓撲關(guān)系及數(shù)據(jù)與主拓撲框圖進行數(shù)據(jù)的綁定，即通過foreach語句遞歸地遍歷TreeView中nodes節(jié)點，根據(jù)節(jié)點層次級別等屬性判斷，將node的信息存儲到代理或測量儀器相關(guān)數(shù)組中，并做相關(guān)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，代碼[7]如下：

private void tp_binding(TreeNodeCollection nodes)

{

foreach(TreeNode node in nodes)

{

if(node.Level==1) //代理

{

agentName[i1]=node.Text; //代理名

imgIndexAgent[i1]=node.ImageIndex;//代理圖標索引

if(node.Nodes!=null)//該代理下還有孩子節(jié)點，即測量儀器

{

childNodeCount[k1]=node.Nodes.Count;//統(tǒng)計該代理下的儀器數(shù)

k1++;

sub_tp_binding(node.Nodes);//統(tǒng)計測量儀器相關(guān)數(shù)據(jù)

}

i1++;

m1++;

}

tp_binding(node.Nodes);//遞歸

}

}

private void sub_tp_binding(TreeNodeCollection nodes)

{

foreach(TreeNode childNode in nodes)//遍歷代理下的測量儀器

if(childNode.Level==2) //測量儀器

{

devName[j1]=childNode.Text;//存儲測量儀器名

imgIndexDev[j1]=childNode.ImageIndex;//測量儀器圖標索引

j1++;

n1++;

}

sub_tp_binding(childNode.Nodes);//可以注釋掉，因為沒有四級節(jié)點

}

}

(3)根據(jù)所點擊的某一組，獲取該組索引，利用索引、代理框圖的坐標及步驟2得到的節(jié)點信息，通過for循環(huán)依次繪制出四個代理圖標，并繪制出代理名等文字說明，對于不存在的代理用專門的特定圖標替代，不需要繪制代理名等文字說明；代理繪制完成后，統(tǒng)計所查看組的前面所有組代理所連接的測量儀器總數(shù)，即：for(int i=0;i<4*index;i++) j1+=childNodeCount[i];這樣就知道了當前組中測量儀器圖標的起始索引，然后結(jié)合該索引，通過雙重循環(huán)(第一重循環(huán)為每個代理，第二重循環(huán)為每個代理下的四個測量儀器)和判斷，依次繪制每個代理下所連接的測量儀器的圖標，并繪制出代理名等文字說明，對不存在的測量儀器，用特定圖標替代，不需要繪制代理名等文字說明。由于篇幅有限，不具體介紹代碼，最后實現(xiàn)的拓撲是查看第一組拓撲顯示的操作，見圖1(左側(cè)為TreeView目錄樹圖，右側(cè)就是基于TreeView的拓撲圖)。

圖1 網(wǎng)絡(luò)儀器拓撲

2 拓撲圖的動態(tài)刷新

拓撲圖的刷新實質(zhì)上是清除已有的TreeView目錄樹狀圖和拓撲圖，再重新生成一次它們，基本原理還是根據(jù)t_RunningTreeView數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)生成TreeView目錄樹狀圖，再根據(jù)TreeView節(jié)點的數(shù)據(jù)繪制樹狀拓撲圖。其缺點是無論拓撲圖關(guān)系是否發(fā)生變化，就去刷新[8]，人為控制時消耗人力，程序輪詢控制時，在時間間隔上又有局限性。要實現(xiàn)動態(tài)刷新，刷新原理不變，區(qū)別是當局域網(wǎng)的代理或測量儀器連接狀態(tài)的改變導致拓撲圖改變時，更新t_RunningTreeView數(shù)據(jù)表，再進行程序控制的刷新。

獲取[9]局域網(wǎng)中拓撲圖連接狀態(tài)改變的方法有三種，三種方法相互協(xié)調(diào)，共同完成各自的任務(wù)，缺一不可。由于代碼較多，限于篇幅，這里只概述流程，分別為：

(1)DHCP自動發(fā)現(xiàn)[10]。這是后臺模塊調(diào)用的一個開源DHCP，目的是發(fā)現(xiàn)局域網(wǎng)[11]中的代理開發(fā)板，并為其分配IP地址，然后將IP地址和代理的MAC地址推送給監(jiān)管平臺，推送指的是后臺和監(jiān)管模塊之間采用進程間的socket通信實現(xiàn)；監(jiān)管平臺專門創(chuàng)建并啟動了一個后臺線程去接收該推送的任務(wù)，接收到推送信息后，將線程將字節(jié)數(shù)組中的數(shù)據(jù)反序列化成對應(yīng)的結(jié)構(gòu)體，并將得到的有效數(shù)據(jù)顯示在監(jiān)管平臺主控界面的運行欄中，還要寫入日志文件，并通過MAC在t_AgentIDMAC數(shù)據(jù)表中查找對應(yīng)代理編號，再根據(jù)IP在t_RunningTreeView表中查找對應(yīng)的ID號，如果沒找到，說明該代理不存在，需要將該代理信息添加至數(shù)據(jù)表t_RunningTreeView中，表明拓撲圖連接狀態(tài)已改變。反序列化和結(jié)構(gòu)體[12]代碼分別如下：

//對Socket收到的字節(jié)數(shù)組數(shù)據(jù)進行反序列化

public Object BytesToStruct(Byte[] bytes,Type strcutType)

{

int size=Marshal.SizeOf(strcutType);//得到結(jié)構(gòu)體的大小

//分配結(jié)構(gòu)體大小的內(nèi)存空間

IntPtr buffer=Marshal.AllocHGlobal(size);

//從bytes字節(jié)數(shù)組拷貝到內(nèi)存空間

Marshal.Copy(bytes,0,buffer,size);

//將數(shù)據(jù)從非托管內(nèi)存封送到結(jié)構(gòu)類型的托管對象

object obj=Marshal.PtrToStructure(buffer,strcutType);

Marshal.FreeHGlobal(buffer);//釋放非托管內(nèi)存空間

return obj; //返回對象

}

//反序列化后的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為結(jié)構(gòu)體，C#中結(jié)構(gòu)的定義如下：

//引用C#的StructLayout特性，說明結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)字段的物理布局

[StructLayout(LayoutKind.Sequential,CharSet=CharSet.Ansi,Pack=0)]

public struct DHCPInfo

{

//MarshalAs特性表示如何在托管和非托管代碼間封送數(shù)據(jù)

[MarshalAs(UnmanagedType.ByValTStr, SizeConst=20)]

public stringMACAddress;//MAC地址字段

[MarshalAs(UnmanagedType.ByValTStr,SizeConst=20)]

public stringIPAddress;//IP字段

}

(2)SNMP協(xié)議的Trap。代理Trap給監(jiān)管平臺的信息包括告警、事件和測量儀器的狀態(tài)等信息，監(jiān)管平臺通過Trap的OID號進行字符串的解析和較為復雜的過濾、判斷、映射及控制，獲取測量儀器的插拔狀態(tài)信息，更新t_RunningTreeView。Trap消息由代理模塊發(fā)送給后臺模塊，后臺模塊進行一系列處理再通過socket套接字發(fā)送給監(jiān)管模塊。

(3)監(jiān)管平臺的掃描[13]代理線程。代理的上線有DHCP自動發(fā)現(xiàn)，測量儀器的插拔有代理的SNMP的Trap。對于代理的斷線，首先它無法通過網(wǎng)絡(luò)Trap，其次這里的DHCP不具備這樣的功能，故只能依賴監(jiān)管平臺每隔一定時間去讀取t_RunningTreeView表中所有代理的ID和IP，然后通過C#中Ping類和PingReply類來Ping每個IP，即發(fā)送ICMP回送請求，并獲取ICMP應(yīng)答狀態(tài)，如果應(yīng)答狀態(tài)不成功，則表明該IP對應(yīng)的代理不存在，應(yīng)該從數(shù)據(jù)庫[14]中刪除該代理的記錄并刪除該代理下連接的全部測量儀器，即更新[15]數(shù)據(jù)表t_RunningTreeView，如果Ping通，ICMP應(yīng)答狀態(tài)成功，則讀取下一個ID和IP，然后進行同樣的操作。該掃描關(guān)鍵代碼[16]如下：

Threadt_scan=new Thread(new ThreadStart(scanAgentIp));//創(chuàng)建線程

t_scan.Start();//啟動線程

public voidscanAgentIp()

{

string sqlStr="select ip,id from t_RunningTreeView where pid=1";/* pid為1，表示代理，因為所有代理的父節(jié)點的id是1 */

string connectionString="server=localhost; user id=root; password=lyb; database=xnmsdb";//數(shù)據(jù)庫連接的必要信息

conn_s=new MySqlConnection(connectionString);//實例化數(shù)據(jù)庫連接對象

conn_s.Open(); //打開數(shù)據(jù)庫連接

MySqlCommand cmd=conn_s.CreateCommand();

cmd.CommandText=sqlStr;

MySqlDataReader read=cmd.ExecuteReader();

while(read.Read())//讀取下一個記錄行

{

string ip=read.GetString(0); //獲得該行第一個字段，即ip

int id=read.GetInt32(1); //得到id

Ping pingSender=new Ping();//實例化Ping類

PingReply reply=pingSender.Send(ip,250); //發(fā)送ICMP回送消息，并得到應(yīng)答

if(reply.Status!=IPStatus.Success)//判斷ICMP應(yīng)答狀態(tài)，如果不成功

{

string sqlStr1="delete from t_RunningTreeView where ip='"+ip + "' or pid='" + id + "'";//定義刪除該代理及其所接的測量儀器的命令字符串

MyMysqlMeans.getsqlcom(sqlStr1);/*執(zhí)行數(shù)據(jù)庫操作，調(diào)用監(jiān)管模塊封裝的數(shù)據(jù)庫操作的靜態(tài)類的相應(yīng)靜態(tài)方法 */

load_tp=new Thread(new ThreadStart(createAutoFind));

load_tp.Start();

}

pingSender.Dispose();//銷毀對象

}

read.Dispose();

Thread.Sleep(3000); //隔3 s掃描一次

}

在上述三種方法中更新了t_RunningTreeView數(shù)據(jù)表后，就需要自動重新生成拓撲圖，即調(diào)用繪制拓撲圖所封裝的方法[17]，然而，這三種方式對應(yīng)三個線程，這三個線程分別產(chǎn)生一個線程去專門執(zhí)行重繪拓撲圖的方法，如果再次產(chǎn)生的這三個線程都去調(diào)用該方法更新UI界面的拓撲圖，會產(chǎn)生錯誤。C#中不允許這樣的操作，所以要聲明委托，在線程上執(zhí)行指定的委托。關(guān)鍵代碼如下：

Thread load_tp=new Thread(new ThreadStart(createAutoFind));

load_tp.Start();

public delegate voidmy_autoFind();//聲明委托

public voidcreateAutoFind()

{

this.Invoke(new my_autoFind(autoFindStart));// 在線程上執(zhí)行指定的委托

}

3 拓撲圖的節(jié)點右擊事件

節(jié)點操作事件是對拓撲圖中的代理和測量儀器進行符合需求的各種操作，即在代理或測量儀器的圖標區(qū)域通過單擊鼠標右鍵形成各自的菜單欄，再根據(jù)菜單欄選定某一菜單項，完成該菜單項所提供的設(shè)備管理功能。panel1面板鼠標單擊事件的注冊代碼如下：

this.panel1.MouseClick+=

newSystem.Windows.Forms.MouseEventHandler(this.panel1_MouseClick);

對于實現(xiàn)panel1_MouseClick(object sender,MouseEventArgs e)方法的代碼細節(jié)較多，這里只給出該方法的算法描述：

首先根據(jù)e對象判斷單擊的是哪個鼠標按鈕，如果是左鍵，方法調(diào)用結(jié)束，否則對每一組拓撲中代理和測量儀器所占用的20個區(qū)域，逐個判斷e對象的X、Y坐標是否在這些區(qū)域中，如果在(表明就不需要判斷其他區(qū)域了，程序完成了整個功能后可以通過break跳出循環(huán)，并結(jié)束)，計算出當前點擊的是第j索引組拓撲圖。然后再判斷鼠標右擊的第i索引區(qū)域編號是否小于4，如果是，表明該區(qū)域是代理，否則該區(qū)域是測量儀器；其中i取值范圍是-1

如果是代理區(qū)域，即i<4,需用i<(agentNum-4*j)判斷該區(qū)域是否存在代理,如果存在，通過index=i+4*j計算出該代理在整個拓撲中的索引，最后根據(jù)該索引在該代理區(qū)域周圍彈出菜單欄，即agentMenu.Show(e.X+250,e.Y+150)，程序結(jié)束；其中agentNum表示存在的代理總數(shù)。

如果是測量儀器區(qū)域，要用index=4*j+(i-4)/4計算出該區(qū)域是否屬于index索引的代理下的區(qū)域，需用(index+1)<=agentNum判斷該區(qū)域附屬的索引為index的代理區(qū)域是否存在代理。如果存在，通過node=treeView1.Nodes[0].Nodes[index]獲得TreeView控件中索引為index的代理節(jié)點，如果該代理節(jié)點下還有節(jié)點(測量儀器)，通過index1=i%4計算出右擊的測量儀器區(qū)域相對其附屬代理下的4個區(qū)域中的索引號，再通過index1

4 結(jié)束語

文中研究了局域網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)儀器拓撲圖的結(jié)構(gòu)設(shè)計和自動發(fā)現(xiàn)、生成以及節(jié)點的右擊事件，屬于LXI網(wǎng)絡(luò)儀器測控與管理系統(tǒng)項目中監(jiān)管平臺的一部分。該項目具備研究與實現(xiàn)的意義與價值，也具備創(chuàng)新性與實用性；該項目已被驗收，運行正常，達到了預(yù)期目標。