一種網(wǎng)絡(luò)版輪機(jī)模擬器系統(tǒng)通訊平臺設(shè)計(jì)

蔣傳杭 陳至哲

采用C#編程語言為開發(fā)語言和面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)方法，利用UML建模語言，結(jié)合線程池、UDP通訊協(xié)議等技術(shù)基礎(chǔ)，開發(fā)出一種適用于網(wǎng)絡(luò)版輪機(jī)模擬器的通訊平臺。主要完成即時(shí)通訊模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和操作顯示模塊等，通過各模塊之間協(xié)作來實(shí)現(xiàn)通訊平臺的功能需求。整體架構(gòu)采用C/S結(jié)構(gòu)，分別對服務(wù)器端、客戶端和數(shù)據(jù)庫等進(jìn)行分模塊設(shè)計(jì)，客戶端之間采用了點(diǎn)對點(diǎn)通訊架構(gòu)，利用UDP通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了用戶模型啟動、通訊和操作提示等功能，完成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)版輪機(jī)模擬器通訊平臺的開發(fā)。

該系統(tǒng)主要包括四個(gè)部分：客戶端、主服務(wù)器、組服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫。當(dāng)一個(gè)操作組滿足所需操作人數(shù)時(shí)，同組成員可進(jìn)行分角色輪機(jī)系統(tǒng)模擬操作，同組客戶端之間通過組服務(wù)器進(jìn)行通訊，不再通過主服務(wù)器，其數(shù)據(jù)庫負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲、訪問和保證數(shù)據(jù)的完整性約束等，各模塊之間均采用工業(yè)以太網(wǎng)UDP通訊協(xié)，來完成數(shù)據(jù)的交互。

1、整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

該平臺添加了組服務(wù)器與具體的輪機(jī)系統(tǒng)的模型，主服務(wù)器主要負(fù)責(zé)團(tuán)隊(duì)總數(shù)的管理和為客戶端分組等功能，當(dāng)人數(shù)滿足條件時(shí)組服務(wù)器運(yùn)行，客戶端可以直接對輪機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行模擬操作，組服務(wù)器用來實(shí)現(xiàn)模型解算、訪問數(shù)據(jù)庫等功能。而客戶端之間的數(shù)據(jù)交互和通訊采用都點(diǎn)對點(diǎn)結(jié)構(gòu)。

服務(wù)器端先行啟動，啟動的同時(shí)開啟端口監(jiān)聽客戶端是否接入。客戶端再行進(jìn)行用戶信息登錄等相關(guān)操作，服務(wù)器段進(jìn)行驗(yàn)證，認(rèn)證成功后允許用戶進(jìn)入通訊平臺，之后服務(wù)器端進(jìn)行角色分配和初始化操作，進(jìn)行模擬仿真訓(xùn)練，客戶端之間可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的信息和數(shù)據(jù)交互。

2、客戶端設(shè)計(jì)

客戶端運(yùn)用.Net平臺，采用C#編程語言，通過Visual Studio2010中Windows窗體應(yīng)用程序設(shè)計(jì)操作界面，主要采用Button、Label和Text Box等基礎(chǔ)控件。

在該通訊平臺中引入心跳機(jī)制，首先主服務(wù)器端負(fù)責(zé)監(jiān)控客戶端是否登錄成功，進(jìn)入局域網(wǎng)，當(dāng)客戶端成功登錄進(jìn)來，主服務(wù)器創(chuàng)建一個(gè)Client，客戶端連接成功后發(fā)送登錄信息，服務(wù)器端監(jiān)聽客戶端是否有消息傳出，有消息時(shí)，判斷該消息類型，如果是新客戶端的登錄信息，即設(shè)置用戶ID，顯示該用戶在線。服務(wù)器端對登錄成功的用戶每10s進(jìn)行一次空閑計(jì)數(shù)，當(dāng)客戶端向主服務(wù)器端發(fā)送的消息類型為心跳時(shí)，證明該客戶端處于在線狀態(tài)，空閑計(jì)數(shù)清零，可參與該輪機(jī)模擬器通訊平臺模擬操作。

服務(wù)器端對客戶端每10s進(jìn)行一次空間計(jì)數(shù)，逐次加一，當(dāng)空間計(jì)數(shù)為3000時(shí)（代表該客戶端已30秒沒有心跳），服務(wù)器自動斷開該Client，判定該用戶處于離線狀態(tài)，不可參與該輪機(jī)模擬器通訊平臺模擬操作，需重新登錄。

3、服務(wù)器端流程

主服務(wù)器端引進(jìn)一個(gè)監(jiān)聽機(jī)制，首先平臺開啟后進(jìn)行初始化，通過創(chuàng)建一個(gè)UDP監(jiān)聽線程，負(fù)責(zé)監(jiān)控是否有客戶端接入進(jìn)該通訊平臺，一旦客戶端可以構(gòu)成一組（四個(gè)客戶端為一組），形成一個(gè)操作組。

通過創(chuàng)建一個(gè)控制臺程序作為主服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)與多個(gè)客戶端程序通訊，主線程的socket綁定在一個(gè)固定端口，用于監(jiān)聽客戶端的信息，每當(dāng)一個(gè)客戶端啟動后，會發(fā)送一個(gè)連接請求，Server端就會自動創(chuàng)建一個(gè)新的線程，用來實(shí)現(xiàn)服務(wù)器端于客戶端之間的通訊，當(dāng)客戶端退出程序時(shí)，結(jié)束該線程。

監(jiān)聽機(jī)制的引用是利用多線程技術(shù)。

4、數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

此通訊平臺的數(shù)據(jù)庫使用SQL Server實(shí)現(xiàn)。

5、UDP通訊協(xié)議設(shè)計(jì)

該輪機(jī)模擬器模型各個(gè)模塊之間均采用UDP通訊協(xié)議來進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息的交互，需對UDP協(xié)議進(jìn)行具體詳細(xì)的制定。

客戶端與服務(wù)器端的信息主要分為兩類：

A.客戶端指令與服務(wù)器端應(yīng)答

B.仿真模擬數(shù)據(jù)分發(fā)（具體包括：1.客戶端與服務(wù)器之間采用單播 2.服務(wù)器和客戶端之間采用組播3.客戶端之間采用點(diǎn)對點(diǎn)通訊）

6、以太網(wǎng)楨基本格式

客戶端指令和服務(wù)器應(yīng)答信息數(shù)據(jù)包基本格式：

數(shù)據(jù)起始符（2 字節(jié)） + 數(shù)據(jù)長度（4字節(jié)） +客戶端號（4 字節(jié)） +信息傳輸文本 （0-500 字節(jié)） + 結(jié)束符（2 字節(jié)）

仿真操作數(shù)據(jù)包基本格式：

數(shù)據(jù)起始符（2 字節(jié)） + 數(shù)據(jù)長度（4 字節(jié)） +客戶端號（4 字節(jié)） +數(shù)據(jù)傳輸文本 （0-500 字節(jié)） + 結(jié)束符（2 字節(jié)）

仿真數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)包基本格式：

數(shù)據(jù)起始符（2 字節(jié)） + 數(shù)據(jù)長度（4 字節(jié)） +時(shí)間戳（4字節(jié)）+數(shù)據(jù)傳輸文本 （0-500 字節(jié)） + 結(jié)束符（2 字節(jié)）

6.1數(shù)據(jù)起始符（21H）

本通訊平臺數(shù)據(jù)起始符定義為16 進(jìn)制單字節(jié)數(shù)（21），即每組數(shù)據(jù)包均以21（H）為起始字符，便于數(shù)據(jù)包的報(bào)頭校驗(yàn)。各個(gè)模塊之間均采用不同的UDP數(shù)據(jù)包格式來完成信息與數(shù)據(jù)的交互。

ASCII碼：！。

6.2數(shù)據(jù)長度

所有數(shù)據(jù)，包括起始字符和結(jié)束字符，字節(jié)長度為2字節(jié)。

6.3客戶端號

登錄系統(tǒng)客戶端的編號。定義為整型，字節(jié)長度為4字節(jié)。

6.4時(shí)間戳

由于UDP通訊協(xié)議不提供擁塞控制，因此在該通訊平臺中引入了時(shí)間戳[48]。時(shí)間戳是在應(yīng)用層對數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行排序，在數(shù)據(jù)包進(jìn)行封包時(shí)封存當(dāng)前時(shí)間，對數(shù)據(jù)包進(jìn)行一個(gè)時(shí)間上的標(biāo)記，以此作為數(shù)據(jù)發(fā)送順序先后的憑證。而接收端通過兩個(gè)數(shù)據(jù)包中封存的時(shí)間戳標(biāo)記，計(jì)算出這兩組數(shù)據(jù)發(fā)送間隔（或者稱為兩組數(shù)據(jù)包的時(shí)間間隔），以此對數(shù)據(jù)包的傳輸效率進(jìn)行控制[49]，通過將時(shí)間戳插入數(shù)據(jù)包中完成這一功能。

在該系統(tǒng)協(xié)議中，用int32型數(shù)據(jù)表示時(shí)間戳。時(shí)間戳從0開始，每次傳輸發(fā)生時(shí)，時(shí)間戳加1。客戶端驗(yàn)證時(shí)間戳，如小于原時(shí)間戳，則該數(shù)據(jù)包應(yīng)丟棄。

6.5結(jié)束符

數(shù)據(jù)結(jié)束符定義為16進(jìn)制單字節(jié)數(shù)（0DH），即每組數(shù)據(jù)包均以0D（H）為結(jié)束字符，便于數(shù)據(jù)包的尾校驗(yàn)。

十進(jìn)制：13。

ASCII碼：回車。

當(dāng)仿真數(shù)據(jù)量大，不再對仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，而是通過在所傳輸文本中的位置確定數(shù)據(jù)的值、類型和含義。所有的值都表示為float型數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包不超過1472個(gè)字節(jié)，如果超過1472字節(jié)的話，則需要對仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行分包發(fā)送。