控制网关（共7篇）
控制网关 篇1
1 网关概述
网关的作用就是为在不同的通信协议和不同的传输速度的计算机或模块之间进行通信时, 建立连接和信息解码, 重新编译, 并将数据传输给其他系统。为了使采用不同协议及速度的数据总线间实现无差错数据传输, 必须要用一种特殊功能的计算机系统, 这种计算机系统就叫做网关。
在汽车内部采用基于不同总线的分层网络结构, 可以达到信息交换、减少布线、降低成本以及提高总体可靠性的目的, 网关则是分层网络结构中的核心, 它可以实现各层网络中的信息共享以及网络管理和故障诊断的功能。一个网关应该具有各层网络的总线接口, 同时还要具有一定的运算能力, 这样才能吞吐量来处理信息, 确保网络正常运行。采用这样一个网关来协调各层网络, 可以实现信息共享, 提高网络效率;同时给故障诊断、故障排除提供了很大的方便。总的来说, 网关就是为不同协议之间提供一个接口。
2 CAN/LIN网关总体概述
网关是工作在不同性质网段之间的网络互连设备, 在网关内部实现了协议的相互转换, 从硬件的层面上来看, 网关要提供与不同网段的接口。就CAN/LIN网关而言, 只要一个同时拥有CAN、LIN接口的高性能MCU就可以了。
CAN/LIN网关在车身网络中有双重身份, 它除了作CAN/LIN网关外, 还作为低速CAN节点和LIN的主节点。作为低速CAN节点时, 它负责分析接收到的CAN报文, 提取数据场的信息, 用来驱动车灯和车身电机;作为LIN主节点时, 它负责把接收到的CAN报文信息转化成LIN报文, 并将它们发送给LIN从机, 以便LIN从节点驱动车身电器。正因为它有这个CAN/LIN报文转换的功能, 故可以作为CAN/LIN网关。图1是一个典型的CAN/LIN网关框图。
3 MCU芯片选型
车身网络属于中低速网络, 既可以用CAN总线进行通信和控制, 也可以用LIN总线进行通信和控制。从节约成本的角度考虑, 可以使用LIN总线。但LIN总线使用主从结构, 而车身电器部分又很多, 包括车灯、车门、后视镜以及雨刮等等, 因此, 为减少系统模块以及使系统更为简单系统化, MCU作为CAN/LIN网关, 既可以接收CAN总线报文, 又可以对CAN报文进行解读, 发送给LIN总线。基于车身网络以上特点, 电路中选用Freescale公司生产的MC68HC908GZ32芯片作为MCU芯片。
MC68HC908GZ32是Freescale公司生产的8位微控制器。其内部具有8位的中央处理单元、时钟发生模块、8通道的定时器模块、8位的键盘中断模块、增强型串行通信模块、时基模块以及CAN通信模块等。其容量达32KB的片内Flash存储器与1536B字节RAM能满足多数用户的各种应用要求。不仅有传统的串行通信接口, 而且还有串行外围接口, 使得芯片与外部设备、芯片与外围扩展芯片的通信和连接变得简便, 具有53个通用I/O引脚。
4 最小系统
MCU的最小系统即是用最少的元器件组成的单片机可以正常工作的系统。一般来说, 最小系统包括以下几个方面:电源部分, 复位电路部分和时钟电路部分。以下就MC68HC908GZ32的最小系统做一个简单的介绍:
4.1 电源部分
由于现在汽车上采用的电源系统一般均为12V电压系统, 但是电路中所用的单片机及芯片各个管脚的最大输入电压一般都是5V, 所以需要一个电压转换器件来实现电源的电压转换, 本系统中采用LM7805芯片来转换电压, 将12V电源电压转换为5V电源电压。
LM7805具有过压保护, 过流保护, 过热保护, 电路使用安全可靠, 能够实现1A以上的输出电流, 器件具有良好的温度系数。再加上其简单易用, 价格低廉, 所以本系统中采用它作为电源电压转换器件。
其连接电路图如图2所示:
4.2 复位电路部分
MCU本身具有RST复位引脚, 所以只需要在外部加上一个简单的复位电路与RST复位引脚相连即可实现MCU的复位。这种复位方式被称为外部复位, 外部复位是通过外部电路实现RST引脚上输入一个有效的低电平实现的。单片机复位电路有很多种, 比较典型的并且经常用到的是RC复位电路, 其外部复位电路图如图3所示:
当开关SW1闭合后, 引脚RST与地相接, 即是在RST引脚上输入一个有效的低电平, 输入RST信号, 实现复位。RC的作用是为了防止外来的干扰信号影响RST正常工作。
4.3 时钟电路部分
时钟电路在单片机系统硬件中往往是一个关键的部分, 因为晶振体的工作频率很高, 设计不当很有可能使其工作时的产生的高频信号对其他电路造成干扰, 尤其是对模拟部分如AD转换输入信号的干扰;或者甚至晶振体不工作, 导致整个单片机系统无法运行。
因为MC08HC908GZ32芯片支持1M到8M的晶振, 所以, 为了能够获得更高的速度, 所以, 本电路中MCU时钟电路部分采用一个8M的晶振和一个10M的电阻并联连接, 另外再接上两个电容得到。OSC1为输入引脚, OSC2为输出引脚。时钟电路部分电路图如图4所示:
5 CAN收发器电路
TJA1050收发器的电路连接和简单, 参考其数据手册很容易就能连出其收发器部分电路图。其电路图如图5所示:
电路图中, TJA1050的TXD和RXD引脚分别与MCU的PTC0/CANtx和PTC1/CANrx引脚相连接, 因为MCU本身具有MSCAN模块所以不需要太多的转换电路;S引脚接地, 让芯片进入高速工作模式即正常工作模式;Vref引脚悬空不接;CANH和CANL引脚分别与CAN高低速总线相连接, 在外围为了滤除干扰信号的影响, 外加两个电容C1和C2, 两个电容均取典型值为100nf, 同时也起到保护引脚的作用 (防止直流电的流入) ;参考数据手册可知Vcc引脚电压限制在4.75V到5.25V之间, 所以, 由前面介绍的LM7805得到5V的电压输入Vcc, Vcc与电源5V电压相连接, 获得输入电压, 为了滤除干扰信号的影响, 可以在外围加入一个电容C5, 取值为100nf。
6 LIN收发器电路
TJA1020的电路相对TJA1050电路复杂一点, 但是在参考其数据手册的情况下也比较容易得出LIN收发器的电路, 其电路图如图6所示:
电路图中, MCU中没有专门的LIN模块, 所以使用MCU中的ESCI模块来代替LIN模块。TXD与RXD引脚分别与MCU中的PTE0/TXD和PTE0/RXD引脚相连接, 由于RXD引脚为接收数据引脚, 它需要从外部接收数据, 所以需要一个较大的电阻来防止外部电流过大烧坏芯片, 所以引入R21电阻 (取值10K) 来防止外部电流过大烧坏芯片;LIN引脚与LIN总线接口电路相连接, 实现与LIN总线上的数据互联;BAT引脚, 根据数据手册可知, 其引脚电压值在-0.3到40V之间, 车身系统的供电电压为12V, 所以不需要加入其他的电源转换系统来转换, 直接将BAT引脚与车身系统供电蓄电池12V电源相连接即可, 但是, 为了防止电流的方向流通出现烧坏芯片等问题的出现, 所以接了一个二极管D1来防止电流方向流通, 同时, BAT引脚上的电流也是有限制的, 所以, 接入一个1K的电阻来降低大电流, 将BAT引脚上的电流控制在规定范围之内。NSLP引脚为睡眠控制输入引脚, 将其与MCU芯片的PTA2引脚相连接, 即用一个I/O口来控制NSLP引脚的电平高低, 在低电平的时候, 达到睡眠控制输入的作用。NWAKE引脚也与12V电源相连接。INH引脚悬空不接。
摘要：本文结合CAN (Controller Area Network) 、LIN (Local Interconnect Network) 总线原理及其通信特点, 阐述了在选用飞思卡尔和飞利浦公司的芯片平台上运用protel软件对CAN/LIN网关系统的硬件分析。系统中电路主要包括MCU芯片电路最小系统, CAN通信模块电路, LIN通信模块电路等。最小系统包括复位电路, 时钟电路, 电源电路等。
关键词：CAN总线,LIN总线,CAN/LIN网关
参考文献
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控制网关 篇2
Beckhoff推出PROFINET 10总线耦合器EK9300,该产品能够以简单、高效的方式连接不同的控制网络。这样,一台PR0FINET控制器可以与一个或多个EtherCAT、PROFINET、PROFIBUS和EtherNet/IP系统交换数据。因此,EK9300可以用作一个灵活的网关,用以实现这些网络之间的实时通讯,可以充分利用EtherCAT网络作为极高性能的下位1/0系统所提供的优点。
EK9300将来自PROFINET 10的报文转换为EtherCAT“E-bus”信号。一个站点由一个EK9300和任意数量的EtherCAT端子模块组成。该耦合器支持PROFINET RT协议规范,因此能够无缝集成到PROFINET 10网络中。
控制网关 篇3
本文所设计的数据通信网关主要目标是实现企业对生产现场的远程监控, 完成管理的控制化与信息化, 为企业生产计划、过程调度等提供辅助决策支持, 并实现工程师对设备的远程故障诊断分析、维护与软件更新等, 从而加强企业对生产现场的实时控制能力, 提高信息资源的共享和利用水平。
1.1 通信网关设计原则
为了满足企业应用的需求, 网关设计的主要原则有可拓展性、可靠性以及安全性等。其中可拓展性是指企业生产控制系统在新增各种设备、机械、仪器和仪表的情况下, 不能影响网关的正常运行;可靠性是指网关要满足工业生产环境各个方面的制约, 降低故障以及报错次数, 并能找出故障发生点;安全性是指在数据传输和接受过程中, 要能抵御各种网络和病毒攻击, 保持数据的有效和完整。
1.2 VPN技术和P2P网络
VPN是虚拟专用网的简称, 属于逻辑上的私有网络架构, 其主要目的是在Internet基础上实现各个用户与局域网进行数据通信和网络连接, 一般分为三个部分:客户端、传输介质以及服务器端。目前国内VPN的实现结构分为两个方向:一是广泛用于政府、企业与分支机构之间或ISP之间的网络与网络互连模式, 这种模式的技术原理是用户网络设备直接与ISP边缘路由进行连接, 并由ISP边缘路由进行IP骨干网中通信“隧道”的建立;二是个人用户以宽带连接VPN服务器, 并通过VPN服务器与企业主机进行连接。
P2P网络是取消传统的客户端和服务器的C/S架构模式, 采用网络环境中计算机充当服务器与客户端的双重身份模式。P2P网络的一个特性是通过NAT穿越技术实现私有IP和公共IP的地址转化, 解决IP地址短缺问题。P2P网络包括中心化、半分布式以及全分布式三种模式。中心化模式的主要特点是存在中心服务器, 负责储存共享目录和提供高级算法程序, 实现灵活高效的复杂查询;半分布式模式是将中心服务器的功能按照类型分配给多个节点, 由相应节点 (Supernode和Edgenode) 来实现各种操作;全分布式模式分为半结构化和结构化两类, 半结构化是基于随机图理论, 取消了节点类型的划分, 提高网络的动态调节能力和容错能力。结构化是DHT模式, 通过设定节点标识符以及资源标识符的方式, 来提高查询的准确性和动态性。
2 通信网关设计与实现
2.1 通信网关总体方案设计
通信网关总体方案设计是指数据通信网络拓扑结构的设计与实现。在网络拓扑结构方面, 需要在网关以及监控系统上安装VPN客户端, 并分配两张网卡, 通过这种VPN传输通道的构建, 在保证安全性和可靠性的前提下实现数据通信。其中, 网关一张网卡用于与外部网络进行无线连接, 另一张置于工业控制系统局域网内, 监控系统的一张网卡设置私有IP, 并与整个控制室搭建一个局域网环境, 另一张网卡则与网关连接。通过这种模式, 网关可以将生产现场数据加密发送给监控系统, 并在控制室局域网内共享使用, 同时, 网关也可以以相反的过程接收控制室的各种加密数据, 在经过解密之后, 完成生产控制工作。
另外, 由于传统VPN网络模式对大数据流支撑的程度不高, 企业在选择网络传输构建通道时, 可以结合P2P网络的特点, 构建一个P2P-VPN传输模式, 即各个VPN用户节点支持互相通信, 具备服务器和客户端双重功能, 并单独占有一个ID, 在发送MAC地址信息、注册时间等之后, 进行用户之间的数据通信往来。
2.2 通信网关框架设计
通信网关的主要功能模块包括系统管理、节点管理以及数据捕获和发送这三个部分。系统管理主要是指对整个系统的参数进行设定, 并部署运行机制和运行环境, 提供友好的交互方式以及用户权限管理、密码管理等;节点管理是指节点的新建、修改和删除, 以及对节点的各个属性进行实时监控, 包括运行状态、信任状态、数据传输水平、故障次数等;数据包的捕获与发送是指在设定数据包的捕获、传输方式及传输速率, 对不可信任数据进行阻断与来源分析等。
三个模块之间的逻辑关系可以表述为:系统管理模块通过数据、参数和节点初始化, 形成P2P-VPN传输通道和节点组织结构和状态列表, 并将IP和MAC地址等信息发送到各个节点处, 从而修正节点状态属性。之后, 节点管理模块通过多线程技术将数据包经过过滤器发送至其他模块, 并检测各个节点的运行状态, 实时刷新节点状态列表, 数据捕获与发送模块根据各个节点状态设置过滤器数值, 并进行数据的捕获和发送工作, 其过程分为捕获、分析过滤、二次封装以及发送。
特别指出的是, 整个通信网关系统的主要功能是实现数据的互相传输, 所以, 在数据包捕获以及发送方面, 应采用Winpcap方式来实现, 其主要操作步骤为:
获取用户节点组织结构和状态列表, 分析并选择所需监控的网卡;
修改网卡运行状态, 设置网卡模式为混杂模式;
设置过滤器, 捕获数据包, 并实现基于协议、IP和MAC地址、端口等条件的数据过滤。
调用抓捕函数进行数据包捕获, 并进行二次封装和发送。
2.3 通信网关工作流程
在整个P2P-VPN传输通道搭建完成以及模块功能明确之后, 通信网关系统需要进行工作流程的划分和确认。在流程设计方面, 首先, 由系统管理模块进行传输通道、节点组织结构以及状态列表的初始化;其次, 节点管理模块在接收到上述信息之后实施监控各个节点运行状态, 并不间断的对节点状态列表进行更新;最后, 在数据包捕获与发送模块在接到系统管理模块信息、节点管理模块通知后, 初始化或修正过滤器数值, 并进行捕获和二次封装数据包, 然后将数据包发送至节点管理模块以及系统模块。
3 通信网关测试
通信网关测试包括性能测试和压力测试两个方面。性能测试是指在任意选定的物理环境和软硬件环境下, 对网关系统远程设备监控的状态, 阻断其他入侵攻击的能力, 以及数据流的安全和完整进行的系统测试工作。压力测试是指对通信网关系统进行延时和负载两个方面进行测试, 主要考虑系统的传输时间、大数据流的丢包率等指标。企业可以结合实际需求设定相关指标, 并对通信网关系统进行测试, 在多次测试结果全部合格后, 开始启用基于TCP/IP协议的工业控制网络远程数据通信网关系统, 以完成数据流的实时共享和远程控制等功能。
摘要：计算机技术的迅速发展大大提高了企业信息的沟通和交流水平, 也推动了工业控制技术的不断进步与革新, 而与外部网络相对隔离的传统工业控制系统已经难以满足企业日常的管理需求。为了解决这一问题, 实现企业对设备进行远程监控与通信, 及时掌握生产现场情况和提高控制能力, 本文在结合工业企业自身实际的基础上, 基于TCP/IP协议、VPN技术、P2P网络技术、Winpcap方法等, 对远程数据通信网关这一技术工具进行研究, 并尝试为企业实现远程监控系统与生产现场之间的数据和信息交流提供实施策略和建议。
关键词：TCP/IP协议,工业控制网络,远程数据通信网关
参考文献
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控制网关 篇4
因特网和3C(电脑,通信,消费电子)技术的发展带来数字家庭的概念,目前在国内已经由发展初期进入成长期,其核心部件包括网关,机顶盒,各类信息家电等[1,2]。
网关作为数字家庭的中枢主要满足如广播、安全、娱乐、通信、家庭自动化控制等日益增长的用户需求。概括为两部分:连接不同数字设备组成家庭网络,将家庭网络连接到公共接入网。俗称“最后一米”的宽带接入问题,家庭内外网络带宽的协调也是网关着重解决的对象[3]。在本文中,我们摒弃常用的PC机,宽带调制解调器等实现方法,采用更智能化的机顶盒来实现网关,讨论和研究其实现方案和技术难点。
多功能的整合已成为电子产品的发展趋势。人们普遍认为机顶盒是一种将数字电视信号转换为模拟信号的过渡产品,在本文中,提取网关和机顶盒的共性,机顶盒不仅仅被动地接收服务,而是更多地扮演主动发布服务的提供者角色。通过将两者的功能整合到一个设备中,使用更少资源、提供更快的响应速度、容错性和兼容性等指标[4]。
1 挑战与解决方案
家庭网关主要协助网络终端用户从电信或服务提供商处获取服务,机顶盒用来转换电视信号格式,但它们功能上存在交叉点,如何提取看似不相关的两个设备间共同功能特性是本章的讨论重点。
1.1 功能需求
网络电话(IP电话)是必不可少的服务之一,在此过程中,网关机顶盒扩展成一个声音适配器,根据服务商类别作出不同反应[5]。通过获取在线服务商的信息,在通话服务开始前就提前配置如SIP(会话初始化协议)等通话控制协议(如图1所示)。
视频分发服务有两种:一是基于单播通信的视频点播,可以让用户随时获取所需视频节目;二是基于多播通信的IP电视广播。网关机顶盒必须支持IGMP(因特网组播管理协议)协议等以保证机顶盒和多播路由之间的通信(如图2所示),需要对支持视频功能提前配置。家庭安全监控和远程访问控制也是网关机顶盒必须提供的服务(如图3所示)。综上所述,网关机顶盒其实是将数字家庭中的视频流、音频流、数据流汇聚一起,做到真正的“三流合一”。
1.2 用户体验
数字家庭中繁多的电子设备给使用者带来操作的不便,不同的设备配备不同的控制板、显示屏、指示灯,让人无法轻松管理,更阻碍了数字家庭的普及。网关机顶盒可以很好地解决这个问题:通过将众多的信息设备自动地组成家庭网络;将家庭网络与使用总线技术的家庭控制网络连接起来;如有需要再将他们与外部因特网连接。最终,用户通过易操作的遥控器或者简易的网上页面远程控制连接在网络中的任何一个设备,体验真正的数字家庭。
1.3 成本与消耗
家庭网关需要长时间稳定地工作,而PC架构的网关不仅配置和维护费用高,稳定性也不够,因此基于实时操作系统的嵌入式设备是实现网关的最佳解决方案。网关机顶盒采用双处理器(CPU+DSP)的架构,在完成机顶盒编解码功能的基础上,剩余足够的计算能力完成网关的功能,降低了成本和消耗,提高了稳定性。
2 设计和关键技术
网关机顶盒采用DSP专门处理H.264与MPEG-4 AAC格式的音视频信号解码,采用低耗高效的ARM9微处理器完成剩余的任务。外部集成多种标准接口比如红外、USB接口、100/10 M以太网口、IEEE 1394接口等。硬件层之上采用嵌入式Linux实时操作系统和UPnP等中间件,屏蔽掉底层硬件差异,提供API给上层应用软件。
图4给出使用网关机顶盒的数字家庭网络蓝图所示,网关机顶盒将IEEE 1394连接的多媒体网络和总线连接的控制网络汇聚在本身,并连接到外部因特网。
2.1 系统架构
图5是网关机顶盒的系统和硬件架构图,并采用模块化思想进行划分,主要包括以下几个模块:中间的核心处理模块包括两个处理器,它们分工不同并通过SPI相互协调,CPU处理操作系统、中间件、网络计算、图形界面、浏览器等应用,DSP处理音视频解码算法;虚线框中的音视频处理模块完成传统机顶盒的功能部分;在此基础上集成无线网络模块、IEEE1394 模块、以太网交换模块和语音电话模块。值得注意的是,音视频处理模块和语音电话模块通过系统总线与核心处理模块交互,而无线网络模块和IEEE1394 模块通过PCI总线跟与核心处理模块交互。以太网交换模块一端以MII接口与CPU相连,另一端连接不同的宽带接入网,另外包含两个以太网端口用来连接以太网。例如使用EPON ONT(光纤网络终端)接口的接入方式就是通过GMII(吉兆介质无关接口)。
2.2 软件层次
图6是网关机顶盒的软件结构图,主要包括三部分:启动程序,实时操作系统嵌入式Linux,设备驱动等系统软件;IPv4/IPv6(因特网协议),ICMP(因特网控制报文协议),ARP/RARP(地址解析/反地址解析协议)DHCP(动态主机分配协议)等网络软件;语音电话,嵌入式浏览器等应用软件。
下面重点说明网关机顶盒如何实现IPTV服务,这个是网关与机顶盒两者联系的关键。为支持IPTV服务,网关机顶盒必须接收包含IPTV广播流的IP数据包,并转交音视频处理模块处理。IP数据包被直接转发到目标端口,而不是通过传统的网络地址解析操作。 值得强调的是,这些包在以太网交换模块中被允许穿行在接入网与家庭网络之间。这种直接转发是基于介质访问控制表实现的,而这些表则由ARM处理器操控的IGMP(因特网组播协议)探寻管理器和IGMP代理来管理[6]。
首先,作为一个网关,网关机顶盒提供IGMP代理功能使它成为最近接入路由和机顶盒之间的多播路由。其次,作为一个机顶盒,它实现IGMP协议来接收IPTV。IGMP代理功能主要包括:
· IGMP 路由功能
· IGMP 主机功能
· 对多播成员数据库的管理功能
· 对管理多播主机成员管理的记时功能
IGMP探寻管理器主要用于以太网交换模块。尽管以太网交换模块是网关机顶盒的枢纽部件,但因为它属于下层设备不能访问到数据包上层的信息,所以它不能直接支持IP多播。这里我们使用IGMP探寻管理器来代替直接的IP多播处理。此时ARM处理器管理为操作系统开辟出MFC(多播转发缓冲区)来存放介质访问控制表[7]。具体如图7所示。
由图7可知,在网关机顶盒内部,来自外部接入网的IP数据流被直接转发到连接在以太网交换模块的多播组的客户端。这样外部进入的IPTV数据流可以最低延迟地到达机顶盒音视频处理模块。通过无线网络或IEEE1394接口接入的客户端则接收经过操作系统缓冲过的IP多播数据流。总之,这种直接转发机制大大减低了处理器的负荷,在转发和保存内容上节省了处理能力。
2.3 设备互连中间件
诸如UPnP(通用即插即用),HAVI等家庭网络中间件日趋成熟,它们提供家庭网络设备间的互相连接和操作。UPnP论坛根据UPnP技术公布了UPnP AV体系结构作为多媒体标准[8],并定义多媒体服务的具体功能。
下面详细阐述UPnP AV体系结构在网关机顶盒中的使用。它由媒体服务器、媒体接收者、音视频控制点组成,如图8所示。
媒体服务器是一个UPnP设备,包含内容目录服务、连接管理服务、音视频传送服务三个部分。媒体接收者则由接收控制服务、连接管理服务、音视频传送服务三个部分组成。音视频控制点则通过SOAP协议(简单对象访问协议)来控制协调服务器和接收者之间的操作。控制点通过调用内容目录服务的标准行为来展示多媒体内容,当用户选择了具体内容,控制点通过调用连接管理服务在服务器和接收者之间建立连接,然后通过调用音视频传送服务的标准行为发送被选中的内容。多媒体内容的实际传输并不是用UPnP协议,控制点仅仅控制传输的操作,改正传输协议中的错误,调整文件格式等。传输过程可以是同步或异步,或采取拉或推的方式。
2.4 丰富的外部接口
作为数字家庭的中枢,网关机顶盒集成丰富的外部接口来满足不同的需求,主要包括以下几类:
· 调制解调接口:这部分实际是以太网交换模块的扩展,来适应不同的宽带接入方式,包括PSTN、ADSL、CM 等。
· 高速多媒体接口:IEEE 1394、RS232、USB 2.0等,尤其通过IEEE 1394家用设备可以高速高质量地连接起来。
· 无线连接接口:红外、蓝牙、WiFi、802.11系列等无线连接方式也得到支持,并逐步取代有线连接方式。
· 存储接口:这部分包括IDE 硬盘接口来支持外部存储,个人视频录像、视频点播、回放功能等。随着家用数码产品的增多,这部分接口越来越必不可少。
3 新型服务
3.1 数字设备互连和控制
网关机顶盒通过不同的连接机制将家庭电子设备无缝连接成网络,可以控制在线的任何设备甚至电子窗帘、灯具、防盗门、摄像头等。这里采用了三种连接方式:有线连接(IEEE 1394, 以太网, USB),总线连接,无线连接(IEEE 802.11, 红外,蓝牙)。
另外,不同的因特网接入机制采用不同的网络协议,通过TCP/IP 协议或总线连接的家庭网络需要在有IP和无IP协议之间的转换,以及私有IP(家庭内部)和公有IP(家庭外部)之间的解析。网关机顶盒屏蔽掉这些差异,使用户操作简单化。
3.2 内容流通与格式转换
数字家庭中的网关机顶盒收集、存储、发布、解压缩并处理各种格式的图片、视频、音频及其他多媒体内容,并通过控制面板、遥控等不同的终端与用户交互,因此不同的文件格式阻碍了它们在不同设备间的流通与共享。通过IEEE 1394或SD存储卡,多媒体内容可以在高清电视,DVD录放机、数码相机、打印机、家庭服务器等之间流通,另外通过提供专门的转换软件可以将MPEG2格式的音视频转换为MPEG4格式,或将DV格式转换为 MPEG4。
3.3 友好的用户界面与易配置
采用简易的GUI界面和嵌入式浏览器技术,用户可以轻松跟网关机顶盒交互,远程用户登录到网关的主页即可控制接入家庭网络的设备,室内用户通过特别的红外遥控器也可以完成同样的操作。
为了整合更多的功能只需要更少的人工干预,通过保存在SRAM中的预先设置好的配置信息,每次启动会自动配置,减少人工设置,需要改动时,通过页面的配置操作也很简易。
3.4 服务质量
数字家庭的环境很复杂,不同类别的信息流在网络中传输,而且不同的用户需求决定了操作的优先级,增加了冲突和干扰的机率。服务质量监控对于网关机顶盒必不可少,根据用途区分出流的类别并标记,并合理安排数据进入队列的顺序,保证网络设备间的高质量互连[9]。
4 总结与展望
“处处计算,处处连接”是数字家庭最终目标,而家庭网关的实现是关键。随着机顶盒的普及,性能提高而成本下降,用机顶盒来实现网关的时机已经成熟。本文所讨论的网关机顶盒正是将两者功能合二为一,并增加新的服务,不仅满足用户IPTV需求,还将数字家庭内部数字设备连接并统一管理。在功能设计和实现上采用众多新的技术,采用双核心的架构并集成众多外部接口来满足计算,网络和扩展能力,通过裁减实时操作系统并引入中间件,为上层丰富的应用软件提供接口。它的实现比传统技术实现的网关功能更强、更可靠、且节约资源。经过模拟实验证明此解决方案可行,随着数字化的进程,相信网关机顶盒的成熟产品在数字家庭中定有好的市场前景。
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家庭网关发展模式探讨 篇5
家庭网关 (HG, HomeGateway) 是家庭网络通向外部信息网络的大门, 具体表现为各种形态的宽带猫 (wide-band Modem) , 如早些年的普通ADSL (非对称数字用户线) 猫到当前的光猫 (FM, Fiber Modem) 等。这些形态的猫出现基本上伴随着互联网的发展过程, 尤其是迎合了“三网融合”、“光进铜退”等相关概念与行为推出的需要。在众说纷纭的背景下, 运营商如何寻求一套合适自身的家庭网关发展模式显得尤为重要。
2 家庭网关发展模式探讨
2.1 家庭网关组网形式
家庭网关的组网形式如图1所示。图中, 家庭客户的电话、电脑、电视、家居安防等广泛存在的实际需求均通过家庭网关这一关口得到实现, 而不同的家庭客户对这些实际需求的程度是不同的, 因此, 市场和技术的共同驱动催生出形态各异的家庭网关。
2.2 家庭网关比较
普通猫 (OM, Ordinary Modem) :主要采用xDSL (数字用户线) 技术实现家庭客户的宽带上网业务。
光猫 (FM) :是PON (无源光网络) 中的FTTH (光纤到户) ONU (光网络单元) , 主要面向于高端的家庭客户。
集成猫 (IM, Integrated Modem) :是普通猫和光猫之集大成者, 兼容普通猫和光猫的优点, 尤其注入了业务级及设备级可管控的功能, 是未来融合型家庭网关的雏形。
电力猫 (PM, Power Modem) :采用PLC (电力线通信) 技术, 利用配电网电力线路传输多媒体信号, 目前主要的应用场景是实现家庭客户的室内互联。电力猫不需要对家庭现有的综合布线系统进行任何改动, 就能有效地配合上述3类猫的使用。
普通猫、光猫、集成猫的基本比较参见表1。
2.3 集成猫的管控形式
集成猫的组件如图2所示, 主要组件包括语音模块、数据模块、业务和设备管控模块、QoS (服务质量) 模块、WLAN (无线局域网) 模块、接口模块 (由网络侧接口和POTS电话、LAN以太网等用户侧接口) 等。其中的“业务和设备管控模块”是集成猫最显著的特点, 它与“营运管控系统”进行了对接, “营运管控系统”对集成猫的使用状态进行了日常监测, 对家庭客户所采用的业务或业务套餐进行集中下发, 再考虑到集成猫现行价格、家庭客户的实际业务需求、家庭客户现阶段每月可支付能力等市场因素, 使得集成猫成为家庭客户和运营商都较愿意接受的方式。
2.4 家庭网关的发展模式
综合考虑家庭用户的需求、业务消费习惯、资费承受水平、家庭收入水平等市场因素, 每类猫的技术特点, 以及运营商大规模运营业务的要求, 当前及今后一个时期 (2010～2014年) , 家庭网关的发展格局如下:
(1) 2010年:普通猫为主导, 光猫、集成猫为辅, 电力猫为补充;
(2) 2011～2012年:集成猫为主导, 普通猫、光猫为辅, 电力猫为补充;
(3) 2013～2014年:集成猫和光猫并重, 普通猫、电力猫为补充。
因此, 对于运营商来说, 作为家庭网关主要形式的集成猫是一个切实有效的选择。
3 结束语
事实上, 每类家庭网关从推出到正式商用均凝聚了无数人的辛勤劳动, 对于运营商来说, 选择适用面广、综合成本相对低廉、实用效果好且乐于为用户所接受的商用模式本身就是一项较大的挑战。
通用网关程序开发 篇6
现在假定有这样的需求。一个局域网中有一台电脑, 安装一至两块网卡, 可以访问一个或两个不同的网络, 就可以将该电脑设置成网关。该局域网中其他的电脑要进行网络访问, 可以将默认网关和DNS都指向这台网关电脑, 只要这台网关电脑真正能够实现网关的功能, 则客户机访问外网络的数据包都会发给该网关机, 网关机读取到客户机发来的数据包后, 进行必要的转换, 然后将转换后数据包发给适当的网卡, 网关机读到返回的数据包后, 也要进行一系列转换, 并判定该数据包应该发给哪台客户机, 并且将数据包返回给相应的客户机。这样, 客户机的网络请求就能及时得到回应, 从而完成客户机的网络操作。
应该承认, 要完成上述网关的功能, 不是一件简单的事情。一般来说, 要进行网关开发, 最好在NDIS中间层进行。而NDIS中间层, 正好提供了一个例子程序passthru。这个例程提供了基本的网络中间层驱动开发框架, 但其本身并未提供任何有用的功能。可以在这个例程基础上, 增加相关的代码, 以实现网关程序的功能。
1 程序实现原理和开发思路
用户程序主要是向驱动程序传递一些参数。
用户端程序目录下有配置文件commongate.ini。
其中:
excludeip默认情况下同网段数据包都将由网关进行转发, 可以设置不进行数据包转发的IP, 最多可设置10个。
如果网卡上运行的是PPPOE协议, 则本配置文件不起作用, 所有配置都自动获得。
网关程序的功能由passthru这个中间层驱动完成。要完成网关的功能, 包括数据包的读取、转换、发送3个必要的环节。
1.1 数据包的读取
数据包的读取在protocol.c中的PtReceive和PtReceivePack et函数中完成。这两个函数都可能读到数据包, 系统会根据不同情况而决定调用两个函数中的哪一个。PtReceivePacket函数中直接得到完整的数据包, 可以从此包中读取收到的数据。PtReceive使用一个缓冲区存放收到的数据, 但缓冲区中可能不是完整的数据。如果收到完整的数据包, 则可从缓冲区中直接读取数据, 否则需调用NdisTransferData函数传输剩余数据, 如NdisTransferData返回值为NDIS_STATUS_SUCCESS, 则可以将剩余数据追加到缓冲区之后, 以构成完成的数据包。如NdisTransferData返回NDIS_STATUS_PENDING, 则需要在PtTransferDataComplete函数中才能完成数据包的读取。
1.2 数据包转换
收到数据包后, 要进行数据包转换。经过转换后的数据包才能进行转发。
需要修改的内容有目标MAC、源MAC、源IP、目标IP、源端口、目的端口, 以及IP校验和、TCP/UDP校验和。另外对于TCP包, 可能还要修改包生存时间和最大数据包长度。
本网关支持IP包, 包括UDP/TCP, 用于传递数据。PPPOE包, 如果是通过虚拟拨号连接网络, 会涉及到此类数据包。ICMP包, 传递控制信息。其中IP包是最为重要的。
网络中数据包基本结构如表1所示。
以太头之后是IP头如表2所示。
如为PPPOE包, 则IP头之前还有一个PPPOE头, 如表3所示。
IP头之后是UDP头或TCP头, 如表4和表5所示。
UDP或TCP头之后是实际的数据。
对于客户机发来的数据包, 需修改目的MAC为网卡的远程路由器MAC。源MAC修改为本地网卡MAC。源IP修改为本地网卡IP。对于DNS请求包, 需修改目的IP地址为DNS服务器IP地址。修改源端口为某一选定端口。包生存时间通过一个网关, 值要减一。对于TCP连接建立包, 要修改最大包长度。相应需修改IP校验和和TCP/UDP校验和。
对于返回的数据包, 先要根据目的端口号, 找到原始数据包记录。修改目的MAC为对应客户机MAC, 修改源MAC为本地网卡MAC。修改目的IP为客户机IP。如为DNS应答包, 需修改源IP地址为网关机IP地址。修改目的端口为对应客户机原始端口号。相应修改IP校验和和TCP/UDP校验和。
对于网关机只有一块网卡的情况, 则发送网卡只能是这一块网卡。对于网关机有两块网卡的情况, 则需要根据IP地址确定应该将数据包交给哪块网卡。
对于涉及到PPPOE包时, 还要增加或去掉PPPOE头。
使用一个结构数组, 用于保存收到的客户机数据包。返回数据包也要使用此结构数组, 从中找到匹配的数据包记录。此结构数组中有源MAC, 目的MAC, 源IP, 目的IP, 源端口号, 目的端口号, 另外还要记录收到包时间, 以判断返回包是否超时。
1.3 数据包的写入
要向网卡写数据包, 首先要构造一个数据包, 然后挂接数据缓冲区, 调用NdisSend函数进行数据包发送。如NdisSend返回值不为NDIS_STATUS_PENDING, 说明发送立即完成, 此时可执行撤销数据包, 释放内存等操作, 否则要在PtSendComplete中进行包的撤销和释放内存等操作。应该为自定义数据包设置标记, 以区别系统数据包。对于自定义数据包, 要自行完成包的撤销, 撤销完成立即返回。
2 代码解析
在protocol.c中定义如下函数:
在PtReceivePacket函数中, 增加如下代码:
PtReceive和PtTransferDataComplete函数中代码和PtReceivePacket中代码类似, 在此不再重复。其他代码全部略去。
用户程序主要就是向passthru传递参数, 代码略。
3 结语
程序全部开发完成后, 经过大量测试, 实现了既定的网关程序的功能。程序可在实际环境中进行应用, 具有较高实用价值。
参考文献
[1]王艳平.Windows网络与通信程序设计.人民邮电出版社, 2009.
气象短信接口网关设计 篇7
CMPP (China Mobile Peer to Peer) 协议即中国移动点对点协议, 是中国移动通信互联短信网关接口协议。
CMPP主要提供两类操作:短信发送和短信接收。对于短信发送功能需要前转的MO操作主要可分为八步: (1) 源ISMG接受手机发出的数据请求; (2) 源ISMG返回响应; (3) 源ISMG在本地无法查询到要连接的SP, 向GNS即汇接网关发送路由请求信息; (4) GNS返回路由信息; (5) 源ISMG根据GNS返回的路由信息将请求前转给目的ISMG; (6) 目的ISMG返回响应; (7) 目的ISMG将请求信息送往SP; (8) SP返回响应。随后, SP返回响应被目的ISMG接收到后会生成MO状态报告发送至源ISMG。而以上所述八个步骤中三至八步骤皆使用CMPP协议。
短信接收与短信发送是逆向的, 也可分为八个步骤: (1) 源ISMG接收SP发出的数据请求; (2) 源ISMG返回响应; (3) 源ISMG在本地数据库中无法找到目标手机号段对应的网关代码便向GNS发送路由请求信息; (4) 汇接网关返回路由信息; (5) 根据路由信息, 源ISMG将请求前转给目的ISMG; (6) 目的ISMG返回响应; (7) 目的ISMG将请求信息发送给SMC; (8) SMC返回响应给目的ISMG。而对于以上短信接收的八个步骤, 步骤一至六皆使用CMPP协议。
二、网关接口系统
一系列逻辑通信机组成了网关接口层, 接口层接入各地市的移动短信网关, 建立一条各移动的短信网关与短信平台之间的信息传输通道, 实现短信的流量控制和存储转发。通信接口层接收到业务层群发服务器提交的需要下发的短信, 并将短信发送至移动的短信网关, 再经由移动短信网关向用户发送短信。通信接口层接收移动的省短信网关汇集的全省移动用户发送的短信, 再转发到业务逻辑层应用服务器进行逻辑处理。
2.1流量控制算法
网关发送的流量控制直接影响到发送的成功率和发送速率, SP的发送流量会受到运营商网关一端资源、处理能力以及短信中心承载能力等因素的限制。若要使资源得到充分利用, 以最快速度完成发送任务, 则SP一端需要保持发送速率小于等于运营商分配的流量。控制方法可分为三步:①在每个连接上设立发送计数器, 按照设定好的时间粒度在间隔时间内统计短信条数, 计数器达到分配的流量则暂停发送, 下一个时间间隔开始后重新启动发送过程。②在发送失败率提高时将发送速率适当向下微调。③发送速率低于下限值关闭当前连接重新建立新连接。
2.2网关发送加速过程
本文采用以下三种措施解决网关发送速度慢的问题:①动态配置协议模块。每个协议处理模块皆可根据网关分配的流量来工作, 一个运营商网关可以承载多个协议处理模块, 在协议处理模块的TCP连接上有一个滑动窗口来控制底层的通讯流量, 一般设定为16, 根据端处理能力和网络条件判断, 来对这个值进行调节。②配置发送任务生成模块。某些时刻发送任务生成会受到数据库和计算机任务调度的限制, 无法满足发送速度所需。所以系统对模块的个数会依据发送和生成速度来动态增加和减少, 及时将发送短信放入缓冲池。③缓冲池管理。采用最近、最少使用法管理发送接收缓冲池, 有效提高发送性能和缓冲池利用率。
2.3协议处理和协议跟踪实现
协议处理, 首先将需要发送的气象短信发送到缓冲池, 等待系统调度, 当网关成功接收到短信并建立长连接, 缓冲池中的有关信息与系统业务代码建立对应关系, 然后将气象短信通过网关发送给用户。同时为了保证完整性, 系统会依据用户接收状态判断是否重发。
协议跟踪, 协议跟踪功能使得用户可以监视系统运行情况, 在系统异常和用户反映时可以利用消息跟踪对错误原因进行分析, 同时重要错误信息可产生告警记录, 根据用户号码、业务接口号和服务类型进行统计可使用户明确掌握系统日常运行情况。
三、总结
目前, 手机用户发送接收短信已经非常自由, 信息技术不断发展, 用户需求不断提高, 对于气象的动向掌握越来越重视。本文应用中国移动点对点协议CMPP, 基于气象实时数据库, 讨论并设计了气象短信网关接口系统, 为气象移动互联网形成了“一点接入、全省服务”的服务体系。
摘要：在标准协议的支持下, 接口系统接入各地市的移动短信网关, 从而建立了一条各移动的短信网关与短信平台之间的信息传输通道, 该通道的建立实现了短信的流量控制和存储转发, 除此之外, 接口系统要保证与移动短信网关之间建立的通信联接稳定可靠, 遇到错误能够实现重建联接, 并且在联接终端情况发生时停止提交短信。
关键词：气象,短信,网关接口,CMPP协议
参考文献
[1]李廷兰.基于CMPP协议的短信接口程序开发设计.电子科技大学.2010 (10)
[2]李旭.四川省气象短信服务系统的设计与实现.电子科技大学.2009 (10)