中國船舶重工集團公司第七一○研究所 朱玲羚

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基于嵌入式系統(tǒng)的心跳檢測技術研究

中國船舶重工集團公司第七一○研究所 朱玲羚

【摘要】介紹了一種基于嵌入式的心跳檢測系統(tǒng)，主要由兩部分組成，基于ARM的Linux操作環(huán)境和Windows開發(fā)環(huán)境。該系統(tǒng)遵循TCP/UDP協(xié)議，通過在Linux和Windows環(huán)境下分別搭建服務器和客戶端，實現(xiàn)對系統(tǒng)的資源管理。該系統(tǒng)具有高可用性及較強的推廣應用價值。

【關鍵詞】心跳檢測；嵌入式；網絡通信

0 引言

隨著電子信息工程及網絡技術的發(fā)展，遠程控制與檢測技術也隨之被運用于不同領域。在無法確保網絡的可靠性前提下，需要通過軟件的方法進行網絡通信狀態(tài)的檢測和判斷，心跳包機制就是在這種背景下產生的。心跳包機制實際就是一個自定義協(xié)議的、特定的、循環(huán)發(fā)送的數據包，主要用于判斷網絡節(jié)點是否還在鏈接［1］。目前這種方法已經廣泛應用于網絡通信服務、網絡平臺的故障檢測等相關領域。

在工程應用中，心跳檢測系統(tǒng)能對集群系統(tǒng)進行管理和檢測，通過高可用性設計減少系統(tǒng)的出錯概率，并在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時及時響應，結合具體情況設計應急處理方案實現(xiàn)系統(tǒng)恢復或替代。以保障關鍵數據和業(yè)務系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性和可持續(xù)訪問性。

1 工作原理

心跳檢測機制是檢測系統(tǒng)中各個節(jié)點是否正常運行的有效機制，通過心跳機制可以檢測在任一時間內是否有節(jié)點發(fā)生故障，并確定哪些節(jié)點發(fā)生故障。當前比較流行的心跳網絡有兩種方式，第一種為串行心跳線方式，它采用串行心跳線，直接進行心跳包的點對點傳輸。另一種心跳網絡為以太網方式，此種方式的心跳包在以太網的基礎上進行傳輸［2］。本設計心跳包的傳輸量并不是很大，且以太網方式價格比較低廉，易于在實際環(huán)境中進行推廣，故采用以太網方式來實現(xiàn)。

具體實現(xiàn)方法為：系統(tǒng)通過心跳網絡進行周期性的信息發(fā)送，即節(jié)點周期性服務器發(fā)送心跳包，表明當前系統(tǒng)狀態(tài)，心跳包中可包括節(jié)點名稱、節(jié)點IP、附加信息及節(jié)點傳感器采集到的數據，例如溫度、濕度等。若服務器沒有在規(guī)定的時間段內收到某個節(jié)點的心跳包，則可判斷此節(jié)點出現(xiàn)系統(tǒng)故障。客戶端可在不同地點訪問系統(tǒng)信息。

本文利用ARM的豐富資源搭建Linux系統(tǒng)。在心跳檢測實現(xiàn)過程中，主要使用基于TCP/IP協(xié)議棧Socket編程，多進程與進程間通信，多線程與線程間通信等技術。

2 系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)框圖與機制

本系統(tǒng)是基于TCP網絡通信模式，在這種模式下，一般有兩種架構可供選擇：C/S和B/S架構。由于本文選用C/S架構的Socket服務器端，設計了單服務器-多客戶端模型。如圖1所示。

在本系統(tǒng)框圖中，服務器的主要功能如下：

1）檢測連接本服務器的節(jié)點，接收獲得的數據報文，包括該節(jié)點的類型，是Linux操作系統(tǒng)還是Windows操作系統(tǒng)或其他。

2）分析節(jié)點發(fā)來的數據，包括對該報文的類型識別，解密處理和校驗處理，并顯示該節(jié)點的配置信息及附加數據。

圖1 系統(tǒng)框圖

客戶端的主要功能如下：

1）登陸訪問服務器，可在不同地點的嵌入式設備上登陸訪問，檢測服務器工作狀態(tài)。

2）獲取服務器上的節(jié)點數據，了解節(jié)點設備的運行情況。

節(jié)點的主要功能如下：

1）獲取本節(jié)點的配置數據和附加數據，包括本節(jié)點的主機名和IP地址、心跳包數據、傳感器數據等。

2）通過Socket向服務器IP發(fā)送本節(jié)點的數據包信息，證節(jié)點的數據傳輸安全可靠，與服務器采用相同的加解密算法和校驗算法。

2.2 服務器設計

由以上設計模式，本服務器是基于Win32環(huán)境下的MFC進行開發(fā)，使用Windows提供的Socket結構建立網絡通信。Socket套接字來源于Unix系統(tǒng)，可以認為是一種特殊的I/O接口，還可以當作一種文件描述符，常用于進程間通信。通過Socket套接字不僅能實現(xiàn)本地計算機上進程之間的通信，使用網絡之后，還能夠和遠端不同計算機上的進程進行通信。

1）設計流程

首先，服務器使用Socket前需要設置Socket的配置參數，這些配置參數主要包括Socket的版本和本地地址信息。成功配置好Socket參數后，服務器端即開始等待監(jiān)聽。

2）數據處理

服務器每次接收完一次數據后，需要對該數據進行分析。為了數據傳輸的安全性和完整性，本設計使用嵌套數據包的方法規(guī)定數據的結構。如圖2、圖3所示。

圖2 數據包結構

2.3 客戶端設計

設計客戶端的目的，在于能在不同的地點訪問當前整個系統(tǒng)的信息，如各連接節(jié)點的狀態(tài)，節(jié)點的報文數據，服務器的運行狀態(tài)等等，這些都能通過登錄客戶端來實現(xiàn)。客戶端也可以在多種嵌入式系統(tǒng)上登陸，且可以實現(xiàn)多個IP地址同時登陸。

圖3 客戶端顯示窗口

在圖3中，登錄客戶端后，可以顯示當前連接節(jié)點的數目和狀態(tài)，還包括該節(jié)點所附帶的信息。狀態(tài)包括該節(jié)點所屬IP和連接狀態(tài)，點開該圖標后，表示該節(jié)點不僅有心跳報文，而且還攜帶一些附加信息。

圖4 節(jié)點信息

在節(jié)點信息中，可以包含該節(jié)點的傳感器數據，如溫度、濕度等等。

2.4 節(jié)點設計

由于本設計基于嵌入式系統(tǒng)，節(jié)點可以是Windows操作系統(tǒng)、Linux操作系統(tǒng)或者其他環(huán)境。雖然節(jié)點類型多樣化，但是服務器與節(jié)點之間所規(guī)定的數據個數與協(xié)議相同，只有按照完全相同的通信協(xié)議和數據格式，節(jié)點才可以成功連接至服務器，服務器才可能成功獲取節(jié)點的數據報文。

對于Windows操作系統(tǒng)節(jié)點端，與服務器一樣，通過使用Socket套接字來操作網口，在發(fā)送數據時按照服務器所規(guī)定的數據格式發(fā)送即可；對于Linux操作系統(tǒng)節(jié)點端，只是所操作的Socket庫有所不同，通信協(xié)議不變，只需按照服務器所規(guī)定的數據格式發(fā)送就能將本節(jié)點的數據發(fā)送至服務器；對于未來可能開發(fā)的安卓節(jié)點，iOS節(jié)點，都是基于此思想來設計的。在此，就不將各節(jié)點分別展開，只介紹其核心思想和數據包的組成結構。

1）設計流程

首先，服務器需要使用Socket前需要設置Socket的配置參數，這些配置參數主要包括Socket的版本和服務器地址信息。配置好Socket參數后，需要配置本地地址信息，地址信息包括地址家族，端口號和IP地址，這里配置的IP地址是服務器的IP地址，在發(fā)送數據前，要先與服務器連接成功，然后再發(fā)送數據。

2）數據組成

在節(jié)點中，為區(qū)別不同的節(jié)點，在節(jié)點向服務器發(fā)送數據時需要將此節(jié)點類型發(fā)送至服務器，即在數據中至少有一位定義節(jié)點類型。本設計中，該位是在節(jié)點配置信息的標識符后面的段數據，在組成數據最開始時，首先要進行該段數據的類型定義，確定是加密數據段還是透明數據段。如果是透明數據，則直接將數據段與包頭一起發(fā)送；如果是加密數據，則需要將加密包頭與加密后的數據一起發(fā)送。

為了讓服務器知道該節(jié)點的類型和基本信息，節(jié)點的配置數據包括該節(jié)點的類型，Windows操作系統(tǒng)或Linux操作系統(tǒng)、節(jié)點主機名、節(jié)點IP地址、成功連接時間，附加數據包括該節(jié)點采集的傳感器數據等。

3 系統(tǒng)調試、測試

3.1 調試

為保證在Windows操作系統(tǒng)和Linux操作系統(tǒng)下運行的節(jié)點，在數據收發(fā)過程不會出現(xiàn)亂碼，兩端都默認不使用Unicode字符集。故在VS2010的server端中，設置如下圖5配置。

圖5 字符集設置

在處理透明和加密報文時，為判斷該報文包頭是否已正確識別，在MFC中，可以直接利用AfxMessageBox（加密報文）來打印出所要測試的點。如圖6所示。

3.2 測試

在服務器和節(jié)點都能正常工作后，接下來測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性。首先運行服務器，啟動該服務器，開始監(jiān)聽該服務器的網絡端口。

登陸客戶端，可成功獲取多個節(jié)點的信息，包括節(jié)點個數、節(jié)點IP地址、連接狀態(tài)以及傳感器數據等。

圖6 調試點打印

4 結束語

本文在以ARM為核心處理器的實驗平臺上，搭建功能完善、資源豐富的嵌入式Linux操作系統(tǒng)，在Linux環(huán)境下，編寫源程序和makefile，搭建客戶端。在Windows操作系統(tǒng)下，使用MFC編寫服務器與客戶端應用程序，為保證通信高效率和安全性，使用了Socket網絡編程技術，AES數據加密算法。滿足客戶端可在嵌入式設備上運行的條件，實現(xiàn)了通過網絡發(fā)送加密的心跳報文信息并在服務器上對進程的運行狀態(tài)進行遠程監(jiān)控。該心跳檢測機制增加了集群系統(tǒng)的智能化程度，可擴展到工業(yè)控制、環(huán)境檢測、軍事應用等領域。

參考文獻

［1］胡志坤，何多昌，桂衛(wèi)華等.基于改進心跳包機制的整流遠程監(jiān)控系統(tǒng)［J］.計算機應用，2008，28（2）﹕363-366.

［2］王海龍.基于實時以太網的心跳協(xié)議［D］.大連﹕大連理工大學，2009.