大規模電子檔案信息可視化通信傳輸系統設計

杜玉昌

（廈門軟件職業技術學院 福建 廈門 361024）

0 引言

在以數字經濟為主導的新經濟時代，智能數字化的通信信息技術的廣泛應用，促進了電子檔案信息使用量的“井噴式”增長[1]。伴隨著計算機網絡客戶群體量的激增，電子檔案信息的數量規模也在相應的提升，導致大規模電子檔案信息對通信網絡傳輸、存儲等性能的要求也越來越高[2]。通信網絡對電子檔案信息傳輸功能的實現，需要依靠相關的網絡協議、通信協議、路由算法，以及相關設備的共同運行。在數字化信息的背景下，電子檔案信息的安全性，是通信傳輸的基本要求，需要保證在傳輸的過程中，不被系統漏洞，或者其他外界因素干擾，避免信息數據泄露，造成經濟損失。同時，保證大規模電子檔案信息的傳輸速率，也是通信傳輸的基本要求。通信傳輸載體、路由算法，以及相關配置設施的不同，均會影響大規模電子檔案信息數據的傳輸速率[3]。在保證大規模電子檔案信息傳輸速度、傳輸安全性的同時，還要結合相關智能化技術，實現傳輸系統的可視化功能需求。基于以上背景，本文設計了一種大規模電子檔案信息可視化通信傳輸系統，希望為大規模電子檔案信息的高效、安全傳輸，提供一種有效的技術支持，促進通信傳輸領域的良性循環、可持續發展，提高相關產業的經濟效益與社會效益。

1 系統基本結構設計

1.1 硬件設計

為了滿足大規模電子檔案信息對通信容量、傳輸效率、傳輸安全性的主要功能需求，利用具有高集成度、易編程的FPGA芯片技術，結合路由網絡協議，設計大規模電子檔案信息的可視化通信傳輸系統[4]，通過對硬件設施的時序仿真與邏輯編譯，與每一級系統網絡結構相連接，實現大規模電子檔案信息的可視化、實時通信傳輸。設計系統的硬件設施主要包括DELL的型號為OptiPlex990的PC機、TendaAC1200的路由器、Redmi-RMMNT215NF的顯示器、以太網卡Intel82559、RS-485的系統總線路。

1.2 網絡結構層

基于上述可視化通信傳輸系統的硬件設施與基本結構，設計系統的功能模塊[5]。系統的各項功能分布在五層系統網絡結構當中，通過不同層級的協議，以及組件的功能，進行協同、交互工作，實現大規模電子檔案信息的可視化通信傳輸。五層網絡結構的基本功能及其主要協議如表1所示。

表1 可視化通信傳輸系統的網絡結構基本信息表

根據表1所示的設計系統的網絡結構基本信息，利用系統的硬件設施，結合相關協議與算法，實現大規模電子檔案信息的可視化通信傳輸。

2 系統功能模塊設計

2.1 通信協議設計

對大規模電子檔案信息的實時傳輸，需要由系統網絡中不同層級的復雜的通信協議來實現。在基礎網絡結構的基礎上，結合大規模電子檔案信息傳輸的功能需求，設計路由通信協議，以此來實現大規模信息的實時分析與傳輸。基于以太網絡，應用該網絡層級的驅動IP協議，通過網絡層的網卡參數、網卡地址，確定系統的通信傳輸字節、傳輸模式。在信息傳輸前，通過系統的信息鏈路層，啟用ARP協議，查詢并更新硬件地址，對信息數據進行封裝處理。其中，控制信息、本機ID、目的ID和CRC校驗的序列長度均為16 bit。基于網絡結構傳輸層的UDP協議，進行電子檔案信息數據的傳輸與接收。在通信協議的基礎上，結合大數據的功能性算法，實現系統的傳輸功能。

2.2 傳輸模塊設計

利用FPGA實現系統傳輸功能的核心，是濾波器結構。將初始的大規模電子檔案信息作為信號源，通過濾波器，完成信號的發送與接收。其中，接收信號的過程，需要經過加性高斯白噪聲處理，保證接收信號的正序性與完整性。通過相關通信協議對接收信號的識別與判斷，決定信號的正確性，發出接收指令，實現信息的傳輸。設初始的大規模電子檔案信息的序列為A(r)，根據濾波器的卷積計算，得到經過發送濾波器的信息序列Z(r)，計算公式表示為：

上式中，Z(r)表示具有雙極性特征的二進制的大規模電子檔案信息序列；η表示濾波器的總階數值；b(s)表示濾波器的抽頭向量。在進行上述卷積計算之前，需要利用FPGA平臺對濾波器的抽頭向量進行獲取，數值由1～16中選取。確定抽頭向量，在初始的信息序列的前后碼元中，加入四組0，進行序列碼之間干擾因素的消除，提高待傳輸序列的精度。為了避免傳輸過程中的大規模電子檔案信息受到環境或者內在因素干擾造成的信息錯位、丟失或模糊，基于上述總線傳輸模塊，設計加性高斯白噪聲通道。設一組隨機變量c1、c2，且通過序列的計算，得到高斯白噪聲隨機變量λ，計算表示為：

通過上述計算，產生加性高斯白噪聲，將噪聲疊加在待傳輸信息序列上，對具有噪聲的待傳輸信息序列進行過濾，提高信息傳輸效率的同時，保證傳輸后大規模電子檔案信息的完整性。

2.3 數據糾錯與校驗

上述傳輸模塊的功能設計，考慮了電子檔案信息量大的特征，增加了傳輸通信容量，提高了傳輸速率。但由于在傳輸過程中，速度越快，傳輸信息的丟包、錯包的概率越大，導致最終電子檔案信息傳輸后的數據的可信度與完整度越低。基于此，需要利用通信傳輸的自動重傳技術，對數據信息進行糾錯與校驗，以此來保證傳輸信息的完整性。自動選擇重傳需要信息序列的延時傳輸情況的觸發。現基于TCP協議，設定自動重傳觸發機制。設信息序列平滑往返時延 'δ，以及信息序列往返中間變量σ的更新計算表示為：

上式中，δ表示信息序列的傳輸往返時延。經過上式的計算，更新得到有效的信息序列的往返時延 ，進行第二次更新，計算表示為：

上式中，μ、?分別表示更新系數，其中μ=18，結合上式，得到最終的重傳超時時間θ，計算表示為：

上式中，J表示重傳向量，在本次設計的重傳機制中，取值為4；φ表示TCP協議的自定義時間。根據上述對信息序列重傳超時時間的計算與設定，可以有效降低大規模電子檔案信息傳輸過程中的丟包、錯包率，保證傳輸數據的完整性與有效性。

2.4 可視化設計

為了滿足大規模電子檔案信息傳輸過程的人機交互操作的功能需求，設計傳輸系統的可視化界面。界面設計的過程中，需要包括用戶的登錄界面，大規模電子檔案信息的查看界面，以及電子檔案信息數據的提示、操作界面。界面所有的按鈕都需要建立相關功能控件的邏輯關系，才能實現對應功能操作。在此基礎上，在網絡層中加入Tilcon的嵌入式可視化索引，結合3D可視化效果、字體標識等程序，實現通信傳輸系統的人機交互、可視化設計。

3 試驗與檢測

3.1 試驗準備

為檢測本文設計的大規模電子檔案信息可視化通信傳輸系統的可行性與穩定性，設計了仿真模擬對比試驗。基于Windows系統，采用FPGA控制程序，搭建本次檢測的試驗平臺。硬件的語言環境為C++，系統平臺的開發環境基于ISE12.0。路由器的額定電壓為28 V；路由器分別將5 V的電壓提供給系統的信息采集模塊，以及通信模塊。結合上文所述的開發環境，設計各模塊的通信接口、傳感單元的連接接口，為了便于傳輸系統方案的運行，接口組件均為通用型。利用系統不同單元的功能需求，進行仿真對比分析。

3.2 實時性檢測

在上述試驗準備的基礎上，分別應用本文設計的大規模電子檔案信息可視化通信傳輸系統（試驗組），傳統通信傳輸系統（對照組1），以及基于PKI技術的通信傳輸系統（對照組2），進行100組隨機大規模電子檔案信息的仿真傳輸，在傳輸過程中，記錄電子檔案信息經過不同路由端口節點的同步時差，計算平均值，并進行對比分析，結果如表2所示。

表2 不同系統的信息傳輸實時性檢測結果對比表

由表2可知，對于隨機的100組不同大小的大規模電子檔案信息，試驗組系統在信息傳輸過程中，路過不同路由節點的最短同步時長、最長同步時長以及兩者的差值（時差），均低于對照組1、對照組2。試驗組系統傳輸的電子檔案信息路過所有節點最短同步時長的均值為1.575 us，分別比對照組1、對照組2低1.29 us、0.915 us；所有最長同步時長的均值為2.207 5 us，分別比對照組1、對照組2低1.295 us、1.152 5 us；所有節點的時差均值為0.632 5 us，分別比對照組1、對照組2低0.21 us、0.235 us。同時，試驗組將電子檔案信息由初始節點，傳輸到路由器的底層終端，即實現可視化的同步時長需要6.30 us，遠低于實際工程要求的傳輸最長時長12 us。上述試驗結果表明，本文設計的大規模電子檔案信息可視化通信傳輸系統，具有良好的實時性與同步性。

3.3 通信功能檢測

在驗證了本文設計傳輸系統高效性的基礎上，檢測系統的通信功能。在傳輸過程中，加入2.4 GHz的同頻干擾，其他條件與上述試驗保持一致，分別應用三種不同的系統進行傳輸，記錄從傳輸開始到結束過程中的丟包率與錯包率，并進行對比分析，結果如圖1所示。

圖1 丟包率與錯包率對比結果

由圖1可知，對于隨機的100組不同大小的大規模電子檔案信息，在2.4 GHz同頻干擾下，經過試驗組系統傳輸后的丟包率、錯包率均低于對照組1、對照組2；試驗組信息傳輸的丟包率均值為1.14%，分別比對照組1、對照組2低2.12%、2.49%；試驗組信息傳輸的錯包率均值為1.68%，分別比對照組1、對照組2低1.62%、2.01%。上述試驗結果表明，本文設計的大規模電子檔案信息可視化通信傳輸系統，能夠在通信傳輸下，相對較好地保證大規模電子檔案數據信息的完整性與正序性，說明設計系統具有優良的通信效果與穩定性，能夠在增大通信容量的同時，保證傳輸的穩定性與高效性，為相關企業的信息交流、傳輸，提供可靠的傳輸通道，促進電子通信網絡的良性循環和可持續發展。

4 結語

隨著科學技術的發展，各個領域對性能優良的網絡通信技術的需求愈加迫切。為了滿足數據量不斷增加的傳輸信息，本文結合智能化新技術，研究一種大規模電子檔案信息可視化通信傳輸系統。該系統具有足夠大的通信容量，對設計系統進行實時性測試，設計系統傳輸的電子檔案信息路過所有節點最短同步時長的均值為1.575 us，最長同步時長的均值為2.207 5 us，時差均值為0.632 5 us，應用本文系統實現可視化的同步時長需要6.30 us，說明本文系統具有較為良好的實時性。對設計系統進行通信功能檢測，在2.4 GHz同頻干擾下，信息傳輸的丟包率均值和錯包率均值分別為1.14%和1.68%，相比于對比系統數值更低，說明設計系統具有較好的通信效果和穩定性。為大數據信息的傳輸，提供有效、可靠的傳輸通道，促進通信領域以及大規模電子檔案相關產業的可持續發展。