陳 朋 李 智 胡 聰 牛軍浩

(桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動化學(xué)院，廣西 桂林 541004)

0 引言

為了解決遠距離測試應(yīng)用問題，構(gòu)建了一種復(fù)雜的分布式測試系統(tǒng)。Agilent公司和VXI科技公司等在2004年9月推出了新一代的測試總線即LXI(LAN extensions for instrumentation)總線。LXI總線是LAN技術(shù)在儀器領(lǐng)域的擴展，其通過將LAN作為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進行部署和擴展，具備LAN的大吞吐量和組網(wǎng)強大的優(yōu)勢。LXI總線構(gòu)建的自動測試系統(tǒng)具有可靠性高、成本低、靈活緊湊、性能優(yōu)異等諸多優(yōu)勢［1］。

LXI總線的關(guān)鍵技術(shù)主要是網(wǎng)絡(luò)服務(wù)發(fā)現(xiàn)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)接口技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)時鐘同步與觸發(fā)以及IVI-COM驅(qū)動程序等技術(shù)。其中，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)發(fā)現(xiàn)技術(shù)用于告知用戶當(dāng)前的自動測試系統(tǒng)有哪些可用設(shè)備，并把儀器的描述信息提供給用戶。它包括儀器發(fā)現(xiàn)和儀器識別。儀器發(fā)現(xiàn)是獲取系統(tǒng)中所有可用設(shè)備的主機名和IP地址;儀器識別是指在得到設(shè)備的主機名或IP地址后，進一步獲得設(shè)備的制造商、儀器類型、序列號等信息的過程［2－3］。

本文通過研究零配置網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(zero configuration networking，ZeroConf)儀器網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)機制實現(xiàn)的原理和方法，基于mDNS/DNS-SD協(xié)議，在嵌入式系統(tǒng) S3C2440/Linux平臺上設(shè)計實現(xiàn)建立TCP服務(wù)器，完成解析和響應(yīng)程控儀器標(biāo)準(zhǔn)命令集(standard commands for programmable instruments，SCPI)命令、IP地址自動分配、域名分配以及服務(wù)廣播等功能，從而設(shè)計實現(xiàn)了LXI儀器的零配置發(fā)現(xiàn)機制［4］。

1 基于VXI-11的儀器發(fā)現(xiàn)機制

1995年，VXI總線聯(lián)盟提出了 VXI-11規(guī)范。VXI-11規(guī)范是一個在廣域網(wǎng)或者局域網(wǎng)內(nèi)控制器和儀器相互進行通信的標(biāo)準(zhǔn)。由于VXIbus協(xié)議集中包括VXI-11協(xié)議，因此基于LAN的測試設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)儀器都是基于VXI-11協(xié)議。

LXI標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定LXI儀器必須支持基于VXI-11協(xié)議的儀器發(fā)現(xiàn)技術(shù)，以便能夠在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)現(xiàn)該LXI儀器。但VXI-11協(xié)議并不是LXI儀器專有的發(fā)現(xiàn)協(xié)議，協(xié)議中的很多內(nèi)容并不是LXI一致性所必需的，LXI儀器只支持VXI-11協(xié)議的部分功能;且這種基于ONC/RPC協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)機制是一種被動的查詢，使用VXI-11協(xié)議實現(xiàn)LXI儀器的發(fā)現(xiàn)機制存在如發(fā)現(xiàn)速度慢、設(shè)備數(shù)量受限、發(fā)現(xiàn)范圍窄等問題［5］。

由上文分析可知，基于ONC/RPC協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)機制存在諸多問題。對此，LXI規(guī)范引入基于mDNS/DNS-SD協(xié)議的新設(shè)備和服務(wù)發(fā)現(xiàn)技術(shù)，即ZeroConf儀器網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)技術(shù)。這種發(fā)現(xiàn)技術(shù)使得設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)配置完成后會主動通告自身的域名、IP地址及其所能提供的服務(wù)信息，這樣系統(tǒng)中的主控器和其他設(shè)備在設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)初始化時就能獲知它的存在。

2 ZeroConf儀器網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)技術(shù)

2005年12月，IETF零配置網(wǎng)絡(luò)工作組發(fā)布了零配置網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(ZeroConf)，目標(biāo)是為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在小型網(wǎng)絡(luò)下建立便捷的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，即不需任何手工以及其他服務(wù)，如動態(tài)主機設(shè)置協(xié)議(dynamic host configuration protocol，DHCP)等的支持，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能自動配置、組網(wǎng)并正常工作。零配置網(wǎng)絡(luò)協(xié)議主要包括自動獲取 IP地址、IP地址到域名的自動轉(zhuǎn)換、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能發(fā)現(xiàn)這三個功能。其中，本文通過mDNS(multicast DNS，mDNS)來完成IP地址到域名的自動轉(zhuǎn)換以及服務(wù)的廣播，通過 DNS-SD 實現(xiàn)服務(wù)的發(fā)現(xiàn)［3，6］。

按照LXI 1.3標(biāo)準(zhǔn)，LXI設(shè)備應(yīng)該通過支持組播mDNS協(xié)議來實現(xiàn)儀器發(fā)現(xiàn)機制。mDNS使用5353端口，在內(nèi)網(wǎng)沒有DNS服務(wù)器時，就會出現(xiàn)組播信息。在一個沒有常規(guī)DNS服務(wù)器的局域網(wǎng)內(nèi)，可以使用mDNS來實現(xiàn)類似DNS的編程接口、操作語義和包格式。mDNS主要實現(xiàn)在無傳統(tǒng)DNS服務(wù)器的情況下局域網(wǎng)內(nèi)設(shè)備相互發(fā)現(xiàn)和通信的功能［3］。

3 LXI的ZeroConf發(fā)現(xiàn)機制的實現(xiàn)

根據(jù)LXI規(guī)范設(shè)計通信結(jié)構(gòu)，選用客戶端/服務(wù)器模型。服務(wù)器端是在ARM平臺下建立的嵌入式Linux平臺，客戶端PC選用Microsoft Windows XP操作系統(tǒng)。該操作系統(tǒng)安裝了用于發(fā)現(xiàn)LXI儀器的工具Agilent IO Libraries Suite 16.1.14931.0 版本，安捷倫發(fā)現(xiàn)工具作為客戶端的應(yīng)用程序。

實現(xiàn)LXI儀器ZeroConf發(fā)現(xiàn)機制的主要工作包括TCP服務(wù)器的建立、儀器IP地址的自動分配、域名的分配和服務(wù)的廣播。

3.1 TCP服務(wù)器的建立

按照標(biāo)準(zhǔn)要求，LXI設(shè)備最少應(yīng)該能夠響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 488.2的“*IDN?”命令。為了能對客戶端的程控儀器標(biāo)準(zhǔn)命令集(SCPI)命令進行解析和響應(yīng)，需要建立TCP服務(wù)器。在嵌入式系統(tǒng)S3C2440/Linux中，項目利用Socket編程建立了TCP服務(wù)器。該服務(wù)器是多線程服務(wù)器，能夠同時對多個SCPI命令進行解析響應(yīng)。LXI儀器服務(wù)器端的流程圖如圖1所示。

服務(wù)器端的程序設(shè)計如下。

①用函數(shù)socket()創(chuàng)建一個套接字，獲取本機主機名，并將域名解析為IP地址，實例化服務(wù)器的IP和端口。

②用函數(shù)bind()綁定IP地址、端口等信息到套接字上。

③設(shè)置允許的最大連接數(shù)，用函數(shù)listen()創(chuàng)建Listen對象監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)請求。

④等待來自客戶端的連接請求，利用函數(shù)accept()，通過調(diào)用Listen對象的accept方法處理接入連接請求的Socket實例。

⑤ 用函數(shù) send()和 recv()，或者 read()和write()收發(fā)數(shù)據(jù)，即接收客戶端的查詢，回復(fù)查詢的應(yīng)答信息。

⑥關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)連接，停止偵聽網(wǎng)絡(luò)。

在服務(wù)器程序中，服務(wù)器端創(chuàng)建Socket對象后綁定5025端口到該套接字上，以供客戶端連接實現(xiàn)通信?？蛻舳嗽谂c服務(wù)器端連接成功后，發(fā)送“*IDN?”命令查詢LXI儀器信息，服務(wù)器接收到命令后發(fā)送一個包含IDN String信息字符串的應(yīng)答數(shù)據(jù)包給客戶端，客戶端正確顯示LXI儀器屬性信息，則查詢結(jié)束。

本系統(tǒng)基于S3C2440/Linux平臺，在程序設(shè)計和移植的過程中應(yīng)注意以下幾點。

①使用相應(yīng)嵌入式ARM平臺的交叉編譯工具。

②服務(wù)器端程序設(shè)計為多線程服務(wù)器，能夠同時對多個SCPI命令進行解析響應(yīng)，防止服務(wù)器端發(fā)生阻塞。另外，程序除了要包含頭文件pthread.h外，編譯時還必須要指定線程的庫。

③根據(jù)LXI標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，服務(wù)器發(fā)送返回識別信息時，應(yīng)符合LXI標(biāo)準(zhǔn)要求，否則LXI儀器的發(fā)現(xiàn)工具無法正常識別。

3.2 儀器IP地址的自動分配

IP地址的自動配置可以通過DHCP獲得，但是該方法需要建立DHCP服務(wù)器。在沒有DHCP服務(wù)器的情況下，常用Auto-IP技術(shù)對小型局域網(wǎng)機型IP進行自動配置。Auto-IP即 Dynamic Configuration of IPv4 Link-Local Addresses，是一種常用于小型局域網(wǎng)的、無需用戶進行干預(yù)的自動IP配置技術(shù)，非常適用于小型的、沒有架設(shè)DHCP服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)中。LXI儀器組成的自動測試系統(tǒng)正是這種網(wǎng)絡(luò)［7－8］。

根據(jù)零配置網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的規(guī)定，首先在169.254/16(255.255.0.0)網(wǎng)段內(nèi)隨機生成一個 IP 地址，然后對該IP地址發(fā)送地址解析協(xié)議(address resolution protocol，ARP)數(shù)據(jù)包。如果網(wǎng)絡(luò)中有占用該IP地址的設(shè)備，則對該ARP數(shù)據(jù)包作出響應(yīng)，且儀器隨機生成另外一個IP地址。重復(fù)之前的步驟，直到網(wǎng)絡(luò)中沒有設(shè)備對指定IP地址的ARP數(shù)據(jù)包作出響應(yīng)，則該IP地址可用。

采用Auto-IP技術(shù)的軟件具體實現(xiàn)流程如下［2］。

① 在169.254/16(255.255.0.0)網(wǎng)段內(nèi)隨機選擇一個IP地址作為檢測對象。

②在本地網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送已選定IP地址的ARP查詢數(shù)據(jù)包。

③檢測是否收到ARP應(yīng)答包，判斷是否發(fā)生IP沖突。

④重復(fù)發(fā)送ARP查詢數(shù)據(jù)包三次。

⑤如果沒有發(fā)生IP沖突，則使用該IP地址;否則重復(fù)以上步驟，直到選定的IP地址在本地網(wǎng)絡(luò)中未被使用為止。

在主機名為EmbedSky的嵌入式系統(tǒng)中運行IP自動配置程序，通過上述步驟隨機選擇一個IP地址如169.254.49.209，經(jīng)查詢沒有沖突，則最后設(shè)定 IP 地址為169.254.49.209。從超級終端截取的LXI儀器運行Auto-IP程序的界面如圖2所示，運行結(jié)果顯示IP設(shè)定成功。同時，通過命令ifconfig查詢到的IP地址也是新的隨機設(shè)定的IP地址。

圖2 程序運行界面載圖Fig.2 Screenshots of program interface

3.3 域名分配和服務(wù)廣播

對于動態(tài)分配IP地址的儀器，客戶端不便于通過IP地址來直接訪問儀器。因此，需要實現(xiàn)儀器IP地址與域名的映射，使客戶端輸入域名即能訪問儀器。同時，為了在儀器接入網(wǎng)絡(luò)后主控機能得到儀器所能提供的服務(wù)，需要將儀器的服務(wù)消息進行廣播。

開源的 mDNSd(multicast DNS daemon)是 mDNS協(xié)議實現(xiàn)的一種版本。它便于嵌入式平臺移植，具有運行空間占用小、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。本系統(tǒng)通過對mDNSd源代碼的分析與研究，按照LXI標(biāo)準(zhǔn)修改源碼，將 mDNSd 移植到 S3C2440/Linux 平臺上［9－10］。

移植mDNSd后的儀器是一個mDNS服務(wù)器。在分配域名之前，mDNS服務(wù)器會查詢網(wǎng)絡(luò)中是否有占用該域名的儀器。如果有，則在沖突的域名中增加一個數(shù)字來避免域名沖突的問題;如果沒有，即可分配域名。為了區(qū)別于傳統(tǒng)DNS分配的域名，所分配的域名以.local結(jié)尾，表示其服務(wù)域為local。

mDNS 服務(wù)器能廣播 http、lxi、scpi-raw、scpi-telnet服務(wù)，這里用PiZeroconfBrowser工具來捕獲儀器所提供的lxi服務(wù)。該服務(wù)包含制造商、模型、序列號、版本等信息，這些信息存儲在編寫的程序的TXT記錄鍵中。

通過建立客戶端與LXI儀器之間的TCP通信，以及IP自動分配、域名自動分配、服務(wù)廣播等功能的完成，系統(tǒng)實現(xiàn)了LXI儀器的零配置發(fā)現(xiàn)機制。將該部分程序設(shè)置成開機自啟動的形式，就可以在打開儀器后，通過安捷倫發(fā)現(xiàn)工具發(fā)現(xiàn)目標(biāo)儀器，同時實現(xiàn)發(fā)現(xiàn)機制的各項功能，完成儀器的發(fā)現(xiàn)和識別。

4 系統(tǒng)功能驗證

系統(tǒng)通過發(fā)現(xiàn)工具Agilent IO Libraries Suite 16.1.14931.0來發(fā)現(xiàn)和識別LXI儀器。從安捷倫發(fā)現(xiàn)工具軟件截取的界面如圖3所示。圖3中，安捷倫發(fā)現(xiàn)工具成功地在局域網(wǎng)中發(fā)現(xiàn)了服務(wù)器端的LXI儀器，其域名為“l(fā)xi-LXI.local.”，服務(wù)名為“l(fā)xi”，IP 地址為“169.254.49.177”。

圖3 LXI儀器的發(fā)現(xiàn)界面Fig.3 The discovery interface of LXI instrument

對“*IDN?”命令的解析過程及結(jié)果如下。從超級終端截取的LXI儀器服務(wù)器端運行狀態(tài)的界面如圖4所示。從圖4可以看出，服務(wù)器端LXI儀器通過超級終端顯示服務(wù)器成功接收了客戶端發(fā)送的命令請求，即“*IDN?”。

圖4 服務(wù)器端運行狀態(tài)界面Fig.4 Interface of server operation state

Agilent Interactive IO工具作為客戶端成功接收了服務(wù)器端的LXI儀器的應(yīng)答數(shù)據(jù)“LXI，1137AXXXXX，2011，3.1”。這說明服務(wù)器端與客戶端成功進行了TCP通信，完成了交互的數(shù)據(jù)讀寫操作?？蛻舳孙@示界面如圖5所示。

圖5 客戶端顯示界面Fig.5 Client display interface

5 結(jié)束語

以LXI總線為標(biāo)志的新一代網(wǎng)絡(luò)化測控技術(shù)是未來測控技術(shù)發(fā)展的趨勢。本文基于ARM平臺，建立了嵌入式Linux平臺，并在該平臺上設(shè)計實現(xiàn)了零配置發(fā)現(xiàn)機制。

零配置機制符合LXI 1.3標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，支持mDNS協(xié)議進行儀器發(fā)現(xiàn)，實現(xiàn)了零配置網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的要求;解決了基于ONC-RPC協(xié)議的VXI-11發(fā)現(xiàn)機制中發(fā)現(xiàn)速度慢、設(shè)備數(shù)量受限等問題;將以往LXI儀器發(fā)現(xiàn)機制由被動變?yōu)橹鲃?，為組建網(wǎng)絡(luò)化的LXI總線的自動測試系統(tǒng)提供了更大的靈活性。

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