盧遠(yuǎn)征

摘 要：嵌入式通信系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用使得網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)互連成為大勢(shì)所趨。作為嵌入式通信系統(tǒng)的關(guān)鍵構(gòu)件——中間件，其具有異構(gòu)性、異質(zhì)性、對(duì)等性等特征。嵌入式中間件即應(yīng)用在嵌入式通信系統(tǒng)的中間件，但嵌入式中間件與傳統(tǒng)的中間件相比，由于嵌入式環(huán)境的資源限制，嵌入式通信系統(tǒng)的中間件功能和結(jié)構(gòu)要更為緊湊，實(shí)時(shí)性也更高。本文分析了嵌入式通信系統(tǒng)的中間件的架構(gòu)，為解決嵌入式通信系統(tǒng)互連的通信問題提供可行性方案。

關(guān)鍵詞：嵌入式通信；中間件；馬爾可夫決策過程；路由算法

一、嵌入式通信系統(tǒng)中間件概述

1. 嵌入式通信系統(tǒng)中間件

中間件系一種獨(dú)立的系統(tǒng)軟件程序或者服務(wù)程序，其提供一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的化高層抽象集合。嵌入式通信系統(tǒng)的中間件的作用是將編程人員從復(fù)雜的聯(lián)系中解脫出來(lái)，并提供安全的消息、目錄、服務(wù)和文件等功能。嵌入式通信系統(tǒng)軟件開發(fā)者需要屏蔽底層、繁瑣、易錯(cuò)的細(xì)節(jié)，同時(shí)又起到互連、互動(dòng)的作用，嵌入式通信系統(tǒng)借助中間件在不同的技術(shù)之間共享資源。因此，嵌入式通信系統(tǒng)下的中間件可以簡(jiǎn)化為中間件平臺(tái)通信。

2. 嵌入式通信系統(tǒng)中間件的功能模塊

研究嵌入式通信系統(tǒng)中間件，需先分析其功能模塊。對(duì)實(shí)時(shí)編程、構(gòu)件技術(shù)進(jìn)行分析，可以提高信息協(xié)同能力。對(duì)消息傳遞、排隊(duì)技術(shù)進(jìn)行分析，建立網(wǎng)絡(luò)通信通道。進(jìn)行數(shù)據(jù)、文件發(fā)送設(shè)計(jì)，可以適應(yīng)多種嵌入式操作系統(tǒng)環(huán)境，亦可運(yùn)行于單任務(wù)或無(wú)操作系統(tǒng)支撐的環(huán)境。支持可擴(kuò)充性的嵌入式通信系統(tǒng)技術(shù)，可以滿足嵌入式通信系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。嵌入式通信系統(tǒng)中間件在上述過程中完成以下功能：自動(dòng)發(fā)現(xiàn)通信設(shè)備；屏蔽配置通信設(shè)備異構(gòu)性；消息的路由傳遞和排隊(duì)；建立網(wǎng)絡(luò)通信的通道；控制數(shù)據(jù)、文件傳輸。

二、嵌入式通信系統(tǒng)中間件的系統(tǒng)架構(gòu)

1. 嵌入式通信系統(tǒng)中間件整體架構(gòu)

嵌入式通信系統(tǒng)的中間件的核心安裝在設(shè)備的物理層之上，位于需要進(jìn)行消息傳遞的位置。向下游需要屏蔽不同設(shè)備系統(tǒng)、通信協(xié)議產(chǎn)生的異構(gòu)性，向上游需要根據(jù)不同應(yīng)用，建立邏輯通道，使消息從發(fā)送方傳遞到接收方，實(shí)現(xiàn)嵌入式異構(gòu)對(duì)等異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的通信目的。

在嵌入式通信系統(tǒng)中間件層，面向應(yīng)用程序的部分作為通信接口，對(duì)應(yīng)用程序調(diào)用。該接口的運(yùn)行與具體的操作系統(tǒng)無(wú)關(guān)，僅為用戶使用的統(tǒng)一規(guī)范的調(diào)用接口。在編寫應(yīng)用程序時(shí)，毋需調(diào)用具體操作系統(tǒng)，亦毋需與具體硬件調(diào)用，所有通信功能皆由調(diào)用中間件接口完成。對(duì)用戶端而言，該層完整地提供了虛擬的通信功能。

2. 嵌入式通信系統(tǒng)中間件設(shè)計(jì)層次

嵌入式通信系統(tǒng)的中間件處在物理層上，向下游需要屏蔽設(shè)備的異構(gòu)性，向上游需要提供統(tǒng)一的接口，用以供應(yīng)用程序或者供用戶端直接使用。嵌入式通信系統(tǒng)一般采用層次設(shè)計(jì)的方式，把中間件分為既獨(dú)立又互相調(diào)用的六個(gè)層次：驅(qū)動(dòng)層；路由層；接口層；應(yīng)用層；傳輸層和鏈路層。

驅(qū)動(dòng)層包括所有與硬件相關(guān)或無(wú)關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)；接口層方便嵌入式通信系統(tǒng)的通信中間件能夠在不同操作系統(tǒng)之間自由移植；鏈路層控制與之直接相連的設(shè)備之間的通信時(shí)序性、同步性和差錯(cuò)控制；路由層實(shí)現(xiàn)消息在多個(gè)設(shè)備組成的互連網(wǎng)絡(luò)中的尋找最優(yōu)路經(jīng)，建立數(shù)據(jù)包排隊(duì)機(jī)制；傳輸層為用戶端提供端到端的傳輸；應(yīng)用層根據(jù)不同應(yīng)用，來(lái)選擇不同傳輸控制級(jí)別和路由層協(xié)議。

三、嵌入式通信系統(tǒng)中間件的馬爾可夫決策

1. 嵌入式通信系統(tǒng)中間件鏈路的因素

在嵌入式環(huán)境下進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，需要考慮如鄰居節(jié)點(diǎn)的處理能力、能量供應(yīng)、內(nèi)存資源情況、連通度、鏈路的延時(shí)、物理移動(dòng)性、設(shè)備對(duì)鏈路介質(zhì)本身的偏好性傳送速度和流量負(fù)載、等鏈路及與其相連的鄰居節(jié)點(diǎn)的因素。嵌入式通信系統(tǒng)根據(jù)可否發(fā)生變化的性質(zhì)，將這些因素分為時(shí)變性因素或確定性因素。

2. 嵌入式通信系統(tǒng)中間件的馬爾可夫決策過程

馬爾可夫決策過程即著名的馬氏過程，作為系統(tǒng)序列決策的一種方法，系高效、低能耗的系統(tǒng)決策方式。序列決策即特定過程在系統(tǒng)中處于一定狀態(tài)，根據(jù)其狀態(tài)選擇一個(gè)行動(dòng)，被稱為決策。馬爾可夫決策過程對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行有兩個(gè)影響：一是產(chǎn)生即得費(fèi)用；二是系統(tǒng)的狀態(tài)會(huì)依此行動(dòng)有關(guān)的規(guī)律在下一個(gè)階段轉(zhuǎn)移到新的狀態(tài)。重復(fù)與開始時(shí)相同的問題，亦即為選取時(shí)刻的決策。往復(fù)循環(huán)，直至確定一個(gè)過程的決策序列——策略。歸根結(jié)底，序列決策問題就是要在第一個(gè)決策之前已然選好一個(gè)策略，使決策序列相對(duì)應(yīng)的報(bào)酬序列中效用函數(shù)值在此策略下達(dá)到最優(yōu)。

四、嵌入式通信系統(tǒng)中間件協(xié)議

1. 嵌入式通信系統(tǒng)中間件單播路由過程

嵌入式通信系統(tǒng)中間件在通信時(shí)的單播路由工作過程是：首先，查找本地路由表，若查找到目的地的路由表項(xiàng)，下一步按照指示發(fā)送，否則繼續(xù)查找；其次，尋找路徑，在源節(jié)點(diǎn)廣播路徑選擇請(qǐng)求，進(jìn)而在各設(shè)備之間采用泛洪模式傳遞請(qǐng)求。整個(gè)決策過程由嵌入式通信系統(tǒng)目的設(shè)備節(jié)點(diǎn)發(fā)起，再計(jì)算初始試，將計(jì)算值傳遞給相鄰設(shè)備節(jié)點(diǎn)。在后期各階段，各設(shè)備之間分別計(jì)算。當(dāng)階段算法即將結(jié)束時(shí)，設(shè)備節(jié)點(diǎn)、源皆產(chǎn)生本地決策。在路由表中加入新的路由表項(xiàng)，作為目的地址，并繼續(xù)加為下一跳。最后需要初始化此表項(xiàng)路由的超時(shí)定時(shí)器值，至此路由計(jì)算過程方結(jié)束。在各設(shè)備之間定期的廣播消息中發(fā)現(xiàn)、保持鄰居的信息，利用鏈路狀態(tài)更新策略，在鄰居節(jié)點(diǎn)之間傳遞費(fèi)用向量，并將其記錄在自己的鄰居表中。

2. 嵌入式通信系統(tǒng)中間件的鏈路狀態(tài)的更新

嵌入式通信系統(tǒng)中間件的鏈路狀態(tài)的更新系基于發(fā)生事件，進(jìn)而導(dǎo)致鏈路的時(shí)變性因素發(fā)生變化，此時(shí)必須進(jìn)行的新鏈路狀態(tài)通告。嵌入式通信系統(tǒng)的中間件鏈路狀態(tài)更新不及時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致信息錯(cuò)誤。不精確的鏈路狀態(tài)下的路由器，將會(huì)關(guān)注多種時(shí)變性因素的狀態(tài)更新問題。根據(jù)各時(shí)變因素的性質(zhì)，可以采取兩種更新方法：一是閡值事件更新，二是外部事件更新。前者用于因傳輸數(shù)據(jù)而發(fā)生變化的因素，其處理器的處理能力、能量、內(nèi)存、鏈路可用帶寬更新，當(dāng)變化幅度大于某閡值時(shí)，則自動(dòng)更新；后者用于由于嵌入式通信系統(tǒng)設(shè)備本身的拆除、加入，因此而產(chǎn)生變化的因素節(jié)點(diǎn)的連通性或者移動(dòng)概率。

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