跨网传输的实时试验指挥显示系统设计*

王华，张德华，伍辉华，周勇，施斌

(中国卫星海上测控部，江苏 江阴　214431)



指挥控制与通信

跨网传输的实时试验指挥显示系统设计*

王华，张德华，伍辉华，周勇，施斌

(中国卫星海上测控部，江苏 江阴214431)

摘要：根据测控任务的特点，设计了一种基于跨网传输的B/S模式的试验信息实时指挥显示系统，详细阐述了基于跨网数据传输的串口通信方法，解决了不同局域网之间数据通信的安全性和可靠性，通过Ajax技术和服务器端两级数据缓存技术应用，减少数据流量和服务器负荷，解决了试验任务信息的高实时性、无屏闪、局部刷新的浏览器页面的数据、曲线实时显示等关键技术，并对提出的架构和方法进行了系统验证。

关键词：实时显示；串口通信；Ajax技术；数据缓存；B/S模式；无屏闪

0引言

随着航天测控任务的发展，测量船承担了更多的长弧段测控任务和海上测控设备综合校飞任务，其特点是工作架次多、时间长；同时由于网络信息化技术的发展应用，信息自动化系统也已成为试验任务日常工作中必不可少的便捷工具和有效手段；如果能够将试验信息通过自动化系统实时发布，实现首长和相关技术人员足不出户获取第一手任务资讯，将大大提高试验任务的工作效率和问题协调能力，发挥辅助决策功能。

一般情况下试验网与办公网是物理隔绝的2个局域网，如果实现各级指挥员和技术人员在办公的同时实时关注试验情况，首先需要实现两网之间的数据通信，重点是保证双网通信的可靠性和安全性；其次将部分试验数据传输到办公网，基于办公网的安全管控策略，在办公网内部禁止使用“80”以外的其他端口，导致常用的安装于客户端的实时显示软件数据通信端口无法接收数据，在办公网内无法正常运行，因此本文开展了基于跨网传输的B/S模式的试验信息实时指挥显示系统的研究。

1系统设计

根据需求分析，跨网数据传输，首先考虑试验网的安全性，避免病毒入侵及试验网的数据可控传输至办公网；其次，考虑数据传输速率满足要求，试验网数据传输时延符合任务要求，实时到达在办公网。由于已有的计算机病毒，主要以攻击系统漏洞、电子邮件、不安全的下载、即时通信等模式传播[1]，串口通信病毒相对较少，相对安全，因此，在跨网传输上，拟采用串口点对点单向通信的模式进行数据传输，同时结合试验网的安防系统，可以有效保障试验网的安全。并且在通信速率上一般串口通信速率为300 bps～115.2 kbps，而实际的跨网数据传输数据不大于30 kbit/s，在理论上，串口通信可行；因此，根据以上分析对系统进行了设计，如图1所示。

根据需求，跨网传输的试验信息实时指挥显示系统设计为以下部分，试验网通信发子系统、办公网通信收子系统、数据处理与存储子系统、试验信息实时显示子系统及数据库子系统组成[2]，图1中的远程实时数据交换软件是试验网中固有的通信软件，试验数据均从该软件收发，跨网传输的试验信息就是从远程实时数据交换软件发送的数据中，获取数据源。

各子系统主要功能如下：

(1) 试验网通信发子系统

接收远程实时交换软件发送的试验信息，并将接收的实时原码数据包，通过串口进行点对点由试验网单向传输至办公网；同时数据转发子系统，能实时监控数据转发情况，并能够灵活地串行端口、波特率等参数进行配置。

(2) 办公网通信收子系统

通过串行端口实时接收数据转发子系统发送的试验信息，并同时将该数据转发给数据处理与存储子系统，并能实时监控数据收发情况；并能够灵活的对串行端口、波特率等参数进行配置。

(3) 数据处理与存储子系统

实时接收数据接收子系统转发的试验信息，并按照文件将原码数据包按照约定解析为要求的数据格式，并将解析后的数据进行记库；在该子系统界面上能实时监视各类数据接收情况和解析情况，并可对异常数据实时提醒和记录。

图1　系统组成Fig.1　System composition

(4) 试验信息实时显示子系统

提供B/S模式的试验信息实时指挥显示WEB服务，用户通过客户端浏览器访问该子系统，实现对试验信息的实时和历史数据信息进行浏览等应用。实时试验数据采用准实时的数据交互方式对各类任务数据信息以曲线、图表及数据字段等多种表现形式显示任务情况；另外，试验信息实时显示子系统为了保证其安全性，具备用户授权和IP地址授权访问的功能，对访问用户进行合法身份验证。主要功能模块包括：

用户管理模块，该模块对用户进行维护管理、身份验证，不同级别的用户其权限不同，信息量显示不同；

试验信息管理模块，该模块对试验信息的基础信息进行添加、删除、更新及备份的维护管理，并提供试验信息的总体信息发布功能；

试验信息显示模块，该模块可根据试验型号的不同，自动从数据库中读取相关基础信息，提供该次试验任务的实时数据显示；

试验信息数据导出及打印模块，该模块根据用户需求，对选择的数据进行数据导出及打印功能。

(5) 数据库子系统

提供数据库服务，存储记录对应的试验信息。为跨网传输的试验信息实时指挥显示系统提供实时和历史数据服务。

2主要技术验证与应用

2.1串口通信设计

为了提高串口通信的可靠性、完整性及安全性，在串口单向通信中，设计了多线程、数据帧类型校验、数据帧CRC校验和数据帧帧长校验等，试验网通信发送子系统其数据发送过程如图2所示。

图2　数据发送示意图Fig.2　Sketch map of data sending

首先，系统启动后，进行串口和UDP端口的初始化，接收从远程实时数据交换软件组播发送的试验信息；将数据帧进行数据类型校验，如果不是允许发送的数据直接丢弃；否则进行数据帧的CRC校验，循环冗余码CRC(cyclical redundancy check)，CRC校验是一种常用的数据完整性校验方法，由于实现简单，检错能力强，被广泛使用在各种数据校验应用中，是进行数据传输差错检测的一种有效手段[3]。在串口通信中，系统设置有奇偶校验，奇偶校验是CRC校验的一种特殊情况，由于其漏检率高，在可靠性和完整性要求高的情况下，CRC校验更安全可靠[4]。实际应用中采用CRC-16校验方法实现。最后进行数据帧帧长校验，由于串口通信发送的是不定长的数据包，在发送端是一帧一帧发送，但在接收端就存在一帧数据多次接收或者多帧数据一次性接收的情况，这样通过数据帧帧长校验可将数据帧正确、完整的解析。在串口通信的接收端同样设计，顺序反之。

2.2试验信息实时显示子系统设计

B/S模式的试验信息实时显示子系统，主要在浏览器上以图表、曲线及数据的方式实时显示各类试验信息，是用户直接交互的终端显示，难点是任务的实时数据曲线显示的准实时性，主要解决页面实时高频率刷新的屏闪问题、高清底图的分层显示、多种数据实时比对及数据曲线的缩放等等。为满足以上需求，B/S模式的数据显示采用而ASP.NET中的Ajax技术实现，其采用了DOM模型来交互和动态显示[5-6]，并且结合了Java，XML，以及JavaScript 的编程技术，这门技术能与服务器之间通过XMLHttpRequest 对象来进行异步通信，打破了传统使用整体页面刷新的显示模式[7-8]。

B/S模式的试验信息实时显示工作模式，如图3所示。

图3　B/S模式的试验信息实时显示机制Fig.3　Data real time display mechanism based on brower/server model

在客户端，Ajax是富客户端的工作模式，其在浏览器与Web 服务器之间加入了一个Ajax 引擎，通过调用JavaScript 对象的XMLHttpRequest 请求与后台服务器利用固定接口进行动态通信[9-10]；在后台服务器进行逻辑运算后再通过异步传输机制将已经部分更新HTML 的页面内容发送给用户浏览器，这样浏览器所得到的响应文件中包含了最新且最必要的数据[11]。网页中包含JavaScript代码不必刷新整个页面，实现页面的无屏闪局部刷新。Ajax 技术平衡了客户端与服务端的负载，优化了浏览器和服务器端之间的沟通，降低了数据传输量，提高了Web 应用的响应速度，服务器端的后台数据库的逻辑处理将不会影响到客户端浏览器的变化[12]。由于JavaScript 是解释型的语言，在数据流量大的初始页面打开时运行效率受限，初始化完成后，运行效率高，用户基本感受不到页面实时刷新[13]。

服务器端，为优化服务器的访问性能、减少数据流量和服务器负荷，采用ASP.NET中的2种缓存机制来提高性能[14]。第1种应用程序缓存，缓存频繁访问的数据，即试验网实时发送过来存储在数据库中的新数据；第2种机制是页输出缓存，它保存页处理输出，并在用户再次请求该页时，不用再次处理该页，只需重用所保存的输出页。同时通过.Net 2.0 引入自定义缓存依赖项，基于MS-SQL Server 的SqlCacheDependency特性，可以避免“数据过期”的问题，它能够根据设置的数据库中相应数据的变化，通知缓存，并移除那些过期的数据[15]。

3系统验证

3.1验证平台构成

在软件开发机房部署对应的软硬件，采用仿真数据，模拟试验网向办公网发送测试数据，验证跨网传输的试验信息实时查询系统原型及其实现关键技术的可行性、可靠性、准确性及安全性。重点测试试验IP网与办公网实时数据传输速率的可靠性和安全性，测试B/S模式的试验信息实时指挥显示系统的显示准确性、实时性和可靠性，以及对访问量及性能测试等等。

系统硬件设备主要包括：

(1) 试验网通信发微机(试验网通信子系统)+ RS232串口通信卡；

(2) 办公网通信收微机(办公网通信子系统)+ RS232串口通信卡；

(3) 数据处理与记库微机(数据处理与存储子系统)；

(4) IIS服务微机(试验信息实时显示子系统)；

(5) 数据库服务器 (数据库子系统)。

2个RS232串口通信卡之间通过1.25 m RS-232连接线点对点连接。

如图4所示，在该验证平台中，将办公网通信子系统、数据处理与存储子系统及数据库子系统部属在一台微机上，这样部署有利于保证数据的完整性和安全性，避免链路问题导致数据丢失。将试验信息实时显示子系统部署在一台微机上， 发布其IIS服务，以供用户访问。

3.2验证结果

通过软硬件部属，数据仿真发送以往任务的记盘数据，按照200帧/s的频率发送各类遥外测数据，串口通信的数据收发均正常，无丢帧、错帧，误码率为零，数据库记库数据的帧数与发送的各类数据帧数一致，在运行过程中，通过客户端浏览器访问各类任务数据，均显示正常，且实时数据曲线以每秒局部刷新且无屏闪。具体实现界面，如图5、图6所示。数据仿真、串口通信以及B/S实时显示之间的数据一致。

图4　系统部署图Fig.4　System deployment diagram

图5　串口通信数据发送界面Fig.5　Serial communication data sending interface

图6　实时数据曲线显示页面Fig.6　Real time data curve display Webpage

4结束语

本文研究的跨网传输的B/S模式的试验信息实时指挥显示系统，通过串口通信方法解决了不同局域网之间数据通信的安全性和可靠性，通过Ajax技术和服务器端两级缓存的应用，实现了试验任务信息的浏览器页面高实时性、无屏闪局部刷新，减少数据流量和服务器负荷，保证了高效的服务器访问性能。

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Design of Real Time Task Data Command and Display System Based on Cross Network Transmission

WANG Hua, ZHANG De-hua, WU Hui-hua, ZHOU Yong, SHI Bin

(Satellite Maritime Tracking and Control Departmen of China,Jiangsu Jiangyin 214431, China)

Abstract:According to the characteristics of the maritime tracking and control missions, a kind of task data real time command and display system, brower/server model based on the cross network transmission, is designed. Firstly, the serial port data communication method based on across a network data transmission is introduced. It settles the security and reliability of data communication. Secondly, the Ajax technology and server two layers data caches technology reduces the data flow of the internet and server load, and some key technology are resolved, such as the high real time of data display, data and curve display way of local refresh and so on. Finally, the system architecture and realization method are tested and verified.

Key words:real time display; serial port communication; Ajax technology; data caches; browse/server model; no screen flash

*收稿日期：2015-05-05；修回日期：2015-07-16

作者简介：王华(1977-)，女，河南汝南人。高工，硕士，研究方向指挥显示及软件系统架构等。

通信地址：214431江苏省江阴市103信箱505号E-mail：whwindcolor@126.com

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2016.03.013

中图分类号：TP391

文献标志码：A

文章编号：1009-086X(2016)-03-0078-06