SCADA系统基于TCP IP的实时通信

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SCADA 系统 基于TCP IP实时通信论文,详细讲解TCP IP通讯原理
《现代电子技术》2003年第8期总第151期 网络与通信1 百(<1kb)字节的数据 假设 SCADA通信机需要在一次会话中,传输 5利用TCP传输小数据段 10000条消息给 SCADA工作站。每条消息的长度20 ~100b不等。通信机和工作站都采用阻塞套接字调 如果选用TCP为 SCADA进行数据传输服务,那用。通信机通过 setsockopt()调用,将发送套接字的 么在TCP上传输小数据包时,服务器和客户端程序的缓冲( SO SNDBUF)设置为0,这样,每条消息都会 设计必须考虑以下3个因素对数据传输效率的影响。作为一个单独的数据段被打包。工作站在接收这些消 5.1 Nagle算法的影响 息时,使用了一个200b的缓冲,因此每个阻塞recv TCP对传输的数据进行拥塞控制( Congestion ()调用都会接收到一个完整的消息 control)。如果要传输较小的数据段,那么TCP协议 在测试上述数据传输的设计时,我们会发现,其 栈并不会立即将这些很小的数据段打包发送出去,而数据传输效率非常慢。发送的10000条消息最多有 会根据 Nagle算法,在TCP协议栈的核心缓冲里将通976kb,但是却用了10min才发送完毕。因为并没有 过send()函数传来的需要发送的小数据段组合,等禁用 Nagle算法,所以在每次调用send()发送数据 待上一个发出的包的ACK(确认)到达后,再发送。如时, Nagle算法都会起作用,要求上一个发送出的包的 果组合起来的缓冲超过最大传输单元(Max确认(ACK)返回后再进行本次发送。但是发送套接 Transport Unit,MTU),数据包将被立即发送出去。字的缓冲被设置为0,以形成消息边界,所以,每条消 这样做是为了防止大量很小的数据包拥塞网络,从而息都需要被依次发送和确认 从总体上减小因为T(P报头等所带来的协议开销 在工作站的接收端,每接收到一条消息,都会启 5.2套接字缓冲区的影响 动一个?0ms的定时器因为接收端并不需要往回发 为了提高应用层程序的性能, Winsock具有一个送数据,所以无法利用 piggyback机制回送ACK确 核心复存应用层遙过调用()函数发送数在 认。同时,发送端在没有收到ACK前,不会发送下 阻塞套接字情况下,函数调用返回并不表示TCP协议条消息,200ms的定时器只会等到超时后,才会回送 栈已经将数据发送到了网络媒质上。除非我们通过函ACK确认 数 setsockopt()设置 SO SNDBUF为0,否则应用 通过分析,可以做出如下改进: 层认为的发送完成只是表示需要发送的数据已经拷贝 (1)通过设置发送端套接字缓冲为0来取得消息 到了 Winsock的核心缓存中。因此,当需要发送较多边界的做法是不妥当的。在默认 Nagle算法起作用的 的小数据段时,可以将多个数据段组合,然后再调用情况下,我们可以使用默认的套接字缓冲区大小。当 send()函数来将多个数据段一次拷贝到 Winsock核发送send()调用传来的数据超过最大传输单元 心缓存中,减少函数调用消耗。 (MTU)时,就会立即发送数据,而不需要等待接收方 5.3滞后ACK的影响 的200ms定时超时后的ACK确认。 TCP协议栈的另一个特性,滞后确认( Delayed (2)每次send()调用发送这么短而不定长的消 Acknowledgement),也会对应用程序的设计有很大影息时,效率也是非常低的。所以设计定长的消息,如 响。在TCP协议的一端成功接收到一个数据包后,并100b,并且在send()调用时,可以将几十条消息连 不会立即回送确认,而是会启动一个延迟定时器。微接后发送 软的TCP实现中,这个定时器是200ms。如果下一个 通过上述改进,可以在数十秒内将所有消息发送 数据包在定时器超时前就到达,那么立即发送ACK完毕 并重置定时器。如果在定时器超时前有数据需要回送 6结论 给对方,那么TCP就会将ACK与需要发送的数据段 一起发送( piggy back)。最后一种情况则是定时器超 采用UDP通信时,不需要建立连接,也没有应答 时,发送ACK。在 SCADA系统的数据传输设计中,需帧,实时性较高,但不保证通信数据的正确到达。因 要对单向的数据流十分注意,因为这可能引起一些效此,UDP适用于在LAN上发送实时性要求非常高,具 率上的问题。如果在某个数据通道上只做单向的数据有一定容错性的数据。如果 SCADA系统要求非常高 传输,那么就无法利用 piggyback机制。 的实时性,则可以利用UDP发送诸如开关量、模拟量 下面结合一个实例,来讨论一下在设计 SCADA系等。他们每隔数秒钟上发一次最新数据,即使某个数 统的数据俦铆毅糖卧时,上述要素对系统实时性的影响 (下转第8页) 董杰等:一种基于DSP的并行信号处理系统的设计 距离上的单元平均恒虚警检测。其运算量主要集中在单也采用了这种存储方式,有效地节省了内存资源 元平均恒虚警中,这里除了第1个距离单元两端各项需 CFAR一级包括单元平均恒虚警检测和幅相计算 经L个数据平均外,在第2个距离门后的其余距离单元2部分,运算量主要集中在前一部分,占90%左右,到 检测时,前后各L个数平均只需加上1个新移进的值,后面的数据量已经大大减少了。汇总一级的运算量主 减去移出的值即可,这样对每个距离门检测来说只需约要集中在M/N检测部分,但总的运算量不大 8条指令。汇总部分运算量不大。由于汇总要处理前 级众多DSP芯片数据,因此此处数据通信充分利用互5结语 连网络的各通讯支路进行数据转发,其前一级运算部分 本文讨论了一种恒虚警检测的并行处理系统的设 在缓存及时间上要给此部分留有一定余量。 计,选取通用并行DSP作为核心处理单元,通过高速 CFAR一级在32点MTD模式下存储压力较大,数据通信口构成了松耦合的分布式并行系统,在处理 因此采取了以下措施:输入/输岀以及中间结果都是短单元数目较多的情况下获得了很高的性能。结合雷达 字定点格式,在开始αFAR检测前要先转换成长字的信号处理的特点对任务进行分配,运用数据流驱动方 浮点格式进行各种运算,最后把∝FAR结果经过定浮式增强了信号处理系统的通用性和易维护性,整个系 点转换作为16B定点格式保存下来,其余部分的运算统具有良好的可编程、可扩展和升级能力 也需要先把CFAR结果转换成32B浮点格式,不过是 参考文献 在所调用的子程序內部完成的。作为运算的中间结果, 目标单元幅值的存储使用了循环寻址方式,因为一批数1丁鹭飞,耿富录.雷达原理[M].西安:西安 据在一边被进行处理的同时一边会被新来的数据覆盖 电子科技大学出版社,1995 掉,这一过程是以距离门的顺序进行的而CFAR检测、2丁鹭飞,张平.雷达系统M]西安:西安电 也是沿着距离门滑动的,在对第18号距离门检测时,第 子科技大学出版社,1984 0号距离门的数据就没有任何用途了,这样就可以把第3]何友,等.雷达自动检测与恒虚警处理[M 18号距离门的幅值存到第0号距离门的位置。同样地 北京:清华大学出版社,1999 第19号距离门的幅值也可以存到第1号距离门的位[4]苏涛,等,高性能DSP与高速实时信号处理 置,从而构成了循环寻址存储方式。其他一些中间结果 M].西安:西安电子科技大学出版社,2002 (上接第3页) 据报没有正确到达目的地也关系不大,因为很快有新 通过以上分析发现,针对 SCADA系统需要传输 数据被上发。而且,UDP可以广播方式发送,一次发数据的特征,把握好TCP,UDP传输服务的若干特 送所有工作站都能收到,这能大大提高系统的实时性,性,特别是利用TCP发送小数据段需要注意的方面 而TCP方式不能发送广播。 确实能提高网络化 SCADA系统的实时性 采用TCP通信时,通信双方首先建立连接,通信 参考文献 结束后断开连接;通信过程中有应答和重发机制来保 证所有通信数据都正确到达。当然,建立连接和应答1] Douglas comer e, David stevens i. Internet 重发机制都需要消耗时间,在一定程度上对系统的实 working with TCP/IP Vol 时性有影响。因此,TCP适用于需要保证正确到达但2] Design, Implementation, and internals. 对实时性要求不是非常高的数据。如事件信息、故障 2nded[M].北京:清华大学出版社,1998 滤波这类数据,不需要非常高的实时性,但必须正确[3] John Snader c.高级TCP/P编程[M].刘江 上发到工作站并保存到数据库中。也可以用UDP来 林译.北京:中国电力出版社,2001 传送此类信息,但必须自行设计应用层协议来确保数4] Microsoft corp. The microsoft developers 据正确到达目的地。 network. Microsoft Corp 2001 作者简介陈劲松男,1977年岀生,现为西安交通大学控制理论与工程硕士硏究生。从事工业控制软件系统硏究 陈刚男,现为西安交通大学电气工程学院副教授。从事继电保护系统的研究。 周小丽女,1979年岀生,现为西安交通大学控制理论与工程硕士硏究生。从事继电保护系统的研究。 万方数据 论文写作,论文降重 论文格式排版,论文发表 方站H 专业硕博团队,十年论文服务经验 SCI期刊发表,论文润色, 《签之家 英文翻译,提供全流程发表支持 官方网站 全程美籍资深编辑顾问贴心服务 免费论文查重:htp/free.paperyy.com 3亿免费文献下载:htp:/www.ixueshu.com 超值论文自动降重:htp:/www.paperyy.com/reducerepetition PPT免费模版下载:hp:/ppt.ixueshu.com

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