基于uClinux的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控服務(wù)器開發(fā)與應(yīng)用

摘要：介紹了一種基于uClinux的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控服務(wù)器開發(fā)方法，該服務(wù)器能對實(shí)時(shí)對遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)終端、監(jiān)控?cái)z像頭等進(jìn)行控制管理和數(shù)據(jù)訪問。將其應(yīng)用到大型網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)中，用戶可訪問由多臺服務(wù)器組成的分布式網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控服務(wù)器集群，實(shí)時(shí)讀取數(shù)據(jù)然后將其存寫到大容量存儲設(shè)備中，增加并發(fā)式連接的用戶數(shù)量，提高遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。

關(guān)鍵詞：uClinux;實(shí)時(shí);網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控;分布式;并發(fā)

網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控服務(wù)器在網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)中負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、壓縮及發(fā)送，是系統(tǒng)中不可或缺的后臺設(shè)備。常用的工作模式是將監(jiān)控服務(wù)器作為獨(dú)立設(shè)備，直接與終端用戶交互，用戶通過播放器直接從監(jiān)控服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)及修改配置參數(shù)，每個(gè)服務(wù)器所能承的用戶數(shù)較少，不能滿足多用戶并發(fā)控制服務(wù)。而在大型網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用中，多個(gè)監(jiān)控服務(wù)器簡單疊加而成的服務(wù)器組，并將它們組成分布式網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器集群，增加可以同時(shí)服務(wù)的用戶數(shù)，提高遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性，并對用戶的訪問權(quán)限進(jìn)行管理與控制。本用戶可以通過分布式網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)管理被監(jiān)控對象。獲取權(quán)限訪問網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控服務(wù)器讀取數(shù)據(jù)，并將其存寫到大容量存儲設(shè)設(shè)備或系統(tǒng)中。

1 總體設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控服務(wù)器采用Motorola ColdFire5272作為核心微處理器，它具有66 MHz的時(shí)鐘速度，內(nèi)部集成了2個(gè)串口控制器和一個(gè)以太網(wǎng)控制器?？焖僖蕴W(wǎng)媒體存取控制(MA C)，支持100Mbps MII，10Mbps MII和10Mbps7線實(shí)際接口符合USB1.1標(biāo)準(zhǔn)，可操作內(nèi)外收發(fā)器的設(shè)備控制器(devicecontroller)。時(shí)分多工(TDM)控制器，可使產(chǎn)品以物理級水平與外部編碼、ISDN收發(fā)器以及其它使用GCI(General Circuit Interface)或IDLI(Inter Chip Digital Link)串行接口協(xié)議的外圍設(shè)備連接。多信道HDLC軟件模塊QSPI模塊，提供帶有序列傳輸性能的串行外圍接口用于控制應(yīng)用的脈沖寬度調(diào)制(PWM) 單元。同時(shí)還提供許多嵌入式應(yīng)用產(chǎn)品所共有的外圍產(chǎn)品，如SDRAM控制器、DMA、計(jì)時(shí)器、UART、芯片選擇、通用I/0、片上存儲以及 ColdFire除錯(cuò)模塊，所有這些都采取高效節(jié)省的方式，減少系統(tǒng)成本、加速系統(tǒng)設(shè)計(jì)。Linux是一個(gè)免費(fèi)開源、微內(nèi)核的操作系統(tǒng)，支持?jǐn)?shù)十種MPU 及其硬件平臺，對TCP/IP協(xié)議支持最完備，可提供穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)處理與網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)。uCLinux是一種優(yōu)秀的嵌入式Linux版本，它專門針對微控制領(lǐng)域而設(shè)計(jì)，廣泛應(yīng)用于服務(wù)器領(lǐng)域。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的多媒體服務(wù)器在嵌入式Linux操作系統(tǒng)上開發(fā)與運(yùn)行，設(shè)計(jì)出來的程序代碼具有良好的可復(fù)用性。與其他操作系統(tǒng)平臺上的同類設(shè)備相比，在以后二次開發(fā)及成本價(jià)格上都極具競爭力。多媒體服務(wù)器的功能模塊結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

2 功能實(shí)現(xiàn)

網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控服務(wù)器根據(jù)用戶的配置以Pull和Push兩種方式發(fā)布數(shù)據(jù)。用戶在數(shù)據(jù)發(fā)送過程中修改參數(shù)，需要和配置服務(wù)通信來獲取參數(shù)修改的標(biāo)志。網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控服務(wù)器與客戶端每次建立多個(gè)會(huì)話連接。為了增加程序的可讀性、可移植性，根據(jù)數(shù)據(jù)的流向?qū)⒄麄€(gè)軟件分為3層，分別是驅(qū)動(dòng)層、數(shù)據(jù)封裝層和網(wǎng)絡(luò)發(fā)送層。

2. 1 驅(qū)動(dòng)層

驅(qū)動(dòng)層負(fù)責(zé)管理壓縮電路，配置壓縮參數(shù)，啟停壓縮，包括用戶層和底層硬件的通信。驅(qū)動(dòng)層的數(shù)據(jù)管理使用循環(huán)隊(duì)列，重復(fù)使用相同的空間，隊(duì)列的長度是可以改變的，初始讀寫指針都指在0位置，當(dāng)隊(duì)列長度改變時(shí)，放棄所有未用數(shù)據(jù)，指針重新指向0。當(dāng)讀指針遇上寫指針時(shí)，說明隊(duì)列空，此時(shí)，掛起讀進(jìn)程，直到有數(shù)據(jù)時(shí)再在中斷的低半層喚醒它。內(nèi)核數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)之間的傳送通過mmap系統(tǒng)調(diào)用，由用戶層申請內(nèi)存空間映射到內(nèi)核中。驅(qū)動(dòng)層主要有4個(gè)重要的子模塊：初始模塊，命令處理模塊，中斷響應(yīng)模塊，數(shù)據(jù)傳輸模塊。

1)初始模塊注冊字符設(shè)備;映射IME6400地址空間，設(shè)置相應(yīng)的片選寄存器的數(shù)值，時(shí)序;注冊中斷響應(yīng)函數(shù);初始化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

2)命令處理模塊置位IME6400設(shè)備，在程序第一次使用設(shè)備的時(shí)候使用，或者需要更新firmware的時(shí)候先置位一下。實(shí)現(xiàn)以下主要命令：

3)中斷響應(yīng)模塊從IME6400的FIFO寄存器中讀取1024字節(jié)的流數(shù)據(jù)。依次填入循環(huán)緩沖隊(duì)列，移動(dòng)寫指針;管理緩沖隊(duì)列，如果有足夠的數(shù)據(jù)，喚醒讀進(jìn)程。

4)數(shù)據(jù)傳輸模塊如果有足夠的數(shù)據(jù)則讀取數(shù)據(jù)，移動(dòng)讀指針。否則讀進(jìn)程掛起，等待喚醒。

為了增加驅(qū)動(dòng)程序的可用性，在底層驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)上增加一個(gè)用戶驅(qū)動(dòng)層，把對驅(qū)動(dòng)程序的調(diào)用封裝成一個(gè)個(gè)獨(dú)立的函數(shù)，這樣可以增加程序的可讀性和獨(dú)立性。用戶層驅(qū)動(dòng)還有一個(gè)重要的功能就是管理用戶數(shù)據(jù)緩存區(qū)，從內(nèi)存出來的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理按幀為單位形成一個(gè)數(shù)據(jù)幀隊(duì)列，每個(gè)通道一個(gè)隊(duì)列。數(shù)據(jù)幀隊(duì)列的長度是可配置，數(shù)據(jù)發(fā)送太慢的時(shí)候，應(yīng)該有相應(yīng)的刪除多余幀的方法。包括刪除一個(gè)序列的p幀、刪除最早的I幀和相應(yīng)的p幀序列、只保留音頻幀。所采用的方法由網(wǎng)絡(luò)發(fā)送情況決定，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)狀況差的時(shí)候，只發(fā)送音頻數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)封裝層

數(shù)據(jù)封裝層負(fù)責(zé)將從驅(qū)動(dòng)層采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行格式封裝，管理等待數(shù)據(jù)隊(duì)列，填充數(shù)據(jù)包頭，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)情況丟棄部分?jǐn)?shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)的方法有單線程和多線程兩種。

1)單線程的方法

單線程實(shí)現(xiàn)比較簡單。主體的過程是一樣的，可以把數(shù)據(jù)采集和分析封裝都放在一個(gè)循環(huán)中，每一次循環(huán)都做一次數(shù)據(jù)采集、封裝和發(fā)送，這樣任何一個(gè)層都應(yīng)該是不阻塞的。但是這種方式的缺點(diǎn)是，任何一步都不能阻塞，實(shí)際上封裝發(fā)送都是需要一定時(shí)間的，這樣采集數(shù)據(jù)就不會(huì)很及時(shí)，效率不夠高。程序模塊劃不清晰，一個(gè)小改動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致其他部分的較大修改，不利于模塊化設(shè)計(jì)、修改和移植。

2)多線程的方法

在主程序中建立兩個(gè)線程：User Driver Thread和DataPactct Thread。UserDriverThread運(yùn)行在用戶驅(qū)動(dòng)層，負(fù)責(zé)收集數(shù)據(jù)，管理等待隊(duì)列。DataPactctThread運(yùn)行在數(shù)據(jù)封裝層，從等待隊(duì)列中取出的數(shù)據(jù)經(jīng)過解析以后封裝后發(fā)送出去。這2個(gè)相鄰上下層線程之間相互通信過程，如圖2所示。在線程DataPactctThread中，數(shù)據(jù)分析器對象主要處理兩個(gè)對象，一個(gè)是屬于用戶驅(qū)動(dòng)層的數(shù)據(jù)隊(duì)列，另外一個(gè)是發(fā)送層的發(fā)送器對象。實(shí)際上封裝層的任務(wù)就是把隊(duì)列中的數(shù)據(jù)去出來，分析以后填充包頭信息，交給下一層的發(fā)送層，數(shù)據(jù)根據(jù)不同對象分開發(fā)送，在發(fā)送層中采用不同的發(fā)送策略。

2.3 數(shù)據(jù)發(fā)送層

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)送層根據(jù)用戶的設(shè)置將封裝層的數(shù)據(jù)包發(fā)送到中心服務(wù)器，其發(fā)送過程，如圖3所示。在這層解決3個(gè)問題：用戶隊(duì)列管理、非阻塞發(fā)送、鏈路狀態(tài)監(jiān)測。

1)用戶隊(duì)列管理對于PULL方式，需要有對用戶等待隊(duì)列的管理。這種方式相對簡單，只需根據(jù)配置將數(shù)據(jù)發(fā)送到中心服務(wù)器或者發(fā)給本地瀏覽的用戶。在PULL發(fā)布方式時(shí)，同時(shí)支持多個(gè)用戶的在線瀏覽，這樣必須對用戶隊(duì)列進(jìn)行管理，在播放器中有一個(gè)KEEP ALIVE機(jī)制，當(dāng)5秒鐘沒有受到播放器的保持?jǐn)?shù)據(jù)包，就認(rèn)為用戶已經(jīng)離開，為了實(shí)現(xiàn)這樣一個(gè)機(jī)制，在等待隊(duì)列中的每一個(gè)用戶設(shè)置一個(gè)Count屬性，當(dāng)達(dá)到一定數(shù)值的時(shí)候，將用戶刪除。

2)非阻塞發(fā)送在單線程中任何一個(gè)操作阻塞都會(huì)對其他操作造成問題，特別是在網(wǎng)絡(luò)發(fā)送時(shí)，無論是使用TCP還是UDP都要使用非阻塞的操作。特別是使用TCP傳送的時(shí)

候，除了設(shè)置套接字的非延遲屬性之外，還要實(shí)現(xiàn)非阻塞連接。

3)鏈路狀態(tài)監(jiān)測為了適應(yīng)比較惡劣的網(wǎng)絡(luò)狀況，在用戶驅(qū)動(dòng)層應(yīng)該實(shí)現(xiàn)一定的丟包策略，發(fā)送層必須把統(tǒng)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)狀況傳遞給用戶驅(qū)動(dòng)層。網(wǎng)絡(luò)鏈路出現(xiàn)輕度阻塞時(shí)，要丟棄最近的P幀序列，網(wǎng)絡(luò)狀況正常的時(shí)候再恢復(fù);嚴(yán)重阻塞時(shí)只發(fā)送音頻幀。

3 系統(tǒng)應(yīng)用構(gòu)建

將網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控服務(wù)器部署在分布式網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控應(yīng)用系統(tǒng)中，如圖4所示，用戶通過分布式網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)訪問被監(jiān)測對象，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分發(fā)和控制管理，獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并存寫進(jìn)存儲服務(wù)器。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，在此多用戶分布式網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用測試環(huán)境中，該服務(wù)器能實(shí)現(xiàn)7×24小時(shí)穩(wěn)定可靠運(yùn)行，相比以往使用非實(shí)時(shí)非并發(fā)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控服務(wù)器，提高了網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)整體性能。

4 結(jié)束語

將本設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控服務(wù)器應(yīng)用于分布式網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)攝像頭通過該系統(tǒng)監(jiān)控被管對象，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分發(fā)和控制管理，還可將這些數(shù)據(jù)寫入存儲服務(wù)器，供用戶以后調(diào)取。將設(shè)備部署于擁有用龐大分支機(jī)構(gòu)的機(jī)關(guān)事業(yè)單位及大中型企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)中運(yùn)行測試，在多用戶網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)中，該設(shè)備在分布式實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)中運(yùn)行穩(wěn)定可靠，提高了網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)整體性能。