劉亞軍

摘 要：文中簡要介紹了以太網(wǎng)在音頻領(lǐng)域的通信特點。提出了一種簡單、可靠的數(shù)據(jù)收發(fā)設(shè)計方案，該方案能夠?qū)崿F(xiàn)無中心通信，解決傳輸抖動問題，提供溢出最優(yōu)處理機制。

關(guān)鍵詞：以太網(wǎng)；無中心通信；傳輸抖動；溢出最優(yōu)處理機制

中圖分類號：TP393.03 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）04-00-02

0 引 言

以太網(wǎng)總線是國際上應用最廣泛的通信總線之一[1]，在音頻通信領(lǐng)域得到了廣泛應用。相比其他通信領(lǐng)域，音頻通信自身的特點決定了其需解決以下三方面的問題：

（1）因音頻實時性較強，需要周期性地進行數(shù)據(jù)收發(fā)，為提高各終端設(shè)備的靈活性和系統(tǒng)的可靠性，需要采用分布式無中心通信機制，使各終端設(shè)備不依賴某個中心節(jié)點設(shè)備的同步控制，可自主完成數(shù)據(jù)收發(fā)；

（2）為保證音頻的連續(xù)性，需要采用一種防抖動機制，解決以太網(wǎng)交換機在數(shù)據(jù)交換時引起的數(shù)據(jù)抖動問題；

（3）當出現(xiàn)異常情況導致接收緩沖區(qū)溢出時，對需丟棄數(shù)據(jù)的位置和長度需有合理的設(shè)計，使損失降到最小。

1 無中心通信機制

無中心通信機制設(shè)備連接示意如圖1所示。

無中心通信機制是相對有中心通信機制而言的，有中心通信機制指在一個通信系統(tǒng)中須有一個終端設(shè)備作為整個通信系統(tǒng)的中心控制設(shè)備，對其他各終端設(shè)備的通信（即數(shù)據(jù)收、發(fā)）時隙進行控制，使整個通信系統(tǒng)處于同步通信方式。該方式在半雙工總線型通信總線（如RS 485）下[2]，可解決多個終端同時進行數(shù)據(jù)發(fā)送引起的碰撞沖突問題。但在以太網(wǎng)全雙工星型通信總線下會失去其原有意義，并且還會因為整個系統(tǒng)通信依賴一個特定的中心設(shè)備而降低可靠性和靈活性。

為解決有中心通信機制在以太網(wǎng)總線通信下的弊端，文中設(shè)計了一種無中心分布式通信機制[3]，該通信機制是在以太網(wǎng)全雙工通信的基礎(chǔ)上建立的一種無中心異步收發(fā)機制。發(fā)送時，不依賴其他中心設(shè)備，以自身運行時鐘為基準，定時周期性發(fā)送數(shù)據(jù)包；接收時，建立首尾連接的環(huán)形接收緩沖區(qū)，如圖2所示。接收到數(shù)據(jù)包后，會按照存入指針位置存入緩沖區(qū)，同時存入指針將移位至下一個位置[4]。

需要對接收到的數(shù)據(jù)包進行處理時，按照取出指針的位置取出緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)包，同時取出指針移位至下一個位置。

存入指針與取出指針處于同一位置時，表示緩沖區(qū)為空，沒有接收到數(shù)據(jù)包，存入指針與取出指針之間的間隔數(shù)表示緩沖區(qū)中已接收到的數(shù)據(jù)包數(shù)量。

基于上述方案實現(xiàn)的無中心異步收發(fā)機制可保證在通信系統(tǒng)內(nèi)任意一個終端設(shè)備發(fā)生故障時其他設(shè)備的正常通信，提高了系統(tǒng)的可靠性。同時，無需特定的中心設(shè)備，可任意連接兩個或多個終端設(shè)備，實現(xiàn)相互之間的通信，提高了系統(tǒng)的靈活性。

2 防抖動設(shè)計

以太網(wǎng)交換機自身的特性決定了其在傳輸數(shù)據(jù)，尤其在多路以太網(wǎng)接口同時頻繁傳輸數(shù)據(jù)時，很難保證數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的平穩(wěn)性，易出現(xiàn)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)周期不均勻的現(xiàn)象，即抖動現(xiàn)象[5]。為防止抖動引起的音頻斷續(xù)問題，文中設(shè)計一定長度的cache，如圖3所示。

圖中cache長度設(shè)為m，當存入指針和取出指針之間的數(shù)據(jù)大于等于m時，開始處理接收到的數(shù)據(jù)包，并按照取出指針的位置取出緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)包，同時取出指針移位至下一個位置。由此可保證接收緩沖區(qū)有m個數(shù)據(jù)包的緩沖，而當抖動小于m個周期時，接收緩沖區(qū)仍有數(shù)據(jù)可供處理，不會導致音頻出現(xiàn)斷續(xù)。

m值的選定由具體產(chǎn)品的抖動時間和產(chǎn)品對音頻傳輸延時的要求綜合決定。m值過大，會引起音頻傳輸延時增大。m值過?。ㄐ∮诙秳訒r間），則無法達到防抖動的目的，導致音頻出現(xiàn)傳輸斷續(xù)。因此需要在音頻傳輸連續(xù)和延時兩個指標之間進行平衡，一般原則是在保證m值周期時間大于抖動時間的前提下，越小越好。

3 異常溢出處理

在異常情況下，當存入指針加1后與取出指針位置相同時，表示接收緩沖區(qū)已滿，為避免繼續(xù)接收數(shù)據(jù)導致接收緩沖區(qū)溢出[6]，同時防止最新接收的數(shù)據(jù)先被處理，較早接收的數(shù)據(jù)后被處理，導致音頻前后顛倒。在接收緩沖區(qū)已滿時，取出指針跳至加m后的位置，將最早接收的m個數(shù)據(jù)丟棄，使損失降到最小，并保證數(shù)據(jù)按照正常的順序處理。接收緩沖區(qū)溢出示意圖如4所示，溢出處理后示意如圖5所示。

該處理方案僅用于異常溢出時的特殊處理，將不良后果的危害降到最小，避免出現(xiàn)音頻前后顛倒而無法保證音頻的連續(xù)性。為保證后續(xù)正常通信，必須丟掉若干音頻數(shù)據(jù)。

要避免異常狀況發(fā)生，還需從整個緩沖區(qū)大小和各終端設(shè)備的時鐘精確度兩個方面考慮。根據(jù)具體產(chǎn)品的硬件特性，在設(shè)計初期盡量減小各終端設(shè)備之間的時鐘偏差，擴大接收緩沖區(qū)容量。

4 結(jié) 語

該以太網(wǎng)數(shù)據(jù)收發(fā)設(shè)計方案原理簡單，易于理解和實現(xiàn)，解決了無中心通信、傳輸抖動、異常溢出處理等三個問題。并對避免異常溢出的發(fā)生提出了設(shè)計建議。在以太網(wǎng)總線的通信系統(tǒng)中，尤其是需要周期性地進行數(shù)據(jù)收發(fā)的音頻通信系統(tǒng)中，應用該方案可保證音頻傳輸?shù)倪B續(xù)性并有效提高各終端設(shè)備的靈活性和系統(tǒng)的可靠性。

參考文獻

[1]郭其一，黃世澤.現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)應用[M].北京：科學出版社，2016.

[2]王苒，湯冬誼.基于RS 485總線主從通信協(xié)議及其實現(xiàn)[M].北京：清華大學出版社，2002.

[3] [德]厄茲敘 Valduriez.P.分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)原理[M].周立柱，譯.北京：清華大學出版社，2014.

[4] [美]Kenneth A.ReeK.C和指針[M].徐波，譯.北京：人民郵電出版社，2008.

[5]王龍水，李勇.光傳輸網(wǎng)的抖動和漂移[M].北京：北京郵電大學出版社，2002.

[6] [美]福斯特.緩沖區(qū)溢出攻擊——檢測、剖析與預防[M].蔡勉，譯.北京：清華大學出版社，2006.

[7]霍群松.基于以太網(wǎng)技術(shù)的通信數(shù)據(jù)采集分析[J].信息通信，2014（10）：259-260.

[8]劉龍啟，李銀.基于LabVIEW的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)聽與通信[J].國外電子測量技術(shù)，2012，31（7）：62-65.