５６ 基于独立协议的数据通讯与采集功能实现 Ｒｅａｌｉｚｉｎｇ Ｄａｔａ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ Ｗｉｔｈ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ Ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ 王理冬 汪光阳 （安徽工业大学计算机学院，安徽马鞍山２４３００２） 摘 要 通过对某冷轧生产过程实绩数据采集的实例讲解，详细介绍了利用Ｐｃａｐ工具通过分组进行独立于协议的数据通讯。 对开放系统五联参考模型和ＴＣＰ／ＩＰ协议分层体系结构进行了分析，论证了所采用方法的可行性。 关键词：数据采集，数据通讯，协议，报文 Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｒｏｕｇｈ ｅｘｐｌａｉｎｉｎｇ ｔｈｅ ｉｎｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ ａｃｔｕａｌ ｄａｔａ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ ａｔ ａ ｃｏｌｄ ｓｔｒｉｐ ｒｏｉｌｉｎｇ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏ— ｄｕｃｅｓ ｈｏｗ ｔｏ ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔｌｙ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｅ ｗｉｔｈ ｐａｃｋｅｔ ｕｓｉｎｇ Ｐｃａｐ ｔｏｏｌ Ｔｈｅ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ＭｏｄｅＩ ｏｆ Ｏｐｅｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｉｎ— ｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ＴＣＰ／ＩＰ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ａｌｓｏ ａｎａｌｙｚｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．ｗｈｉｃｈ ｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄａｔａ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ，ｄａｔａ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ｐｒｏｔｏｃｏｌ，ｐａｃｋｅｔ 某冷轧机组的计算机系统的设计根据酸轧连续生产的特点 Ｍｉｃｒｏｓｏｆｌ也已经放弃了对Ｗｉｎ９ｘ的开发。因此本文相关的程序 进行，主要生产镀锡板与汽车板两种产品 ．随着产品以技工艺的 也是面向Ｗｉｎｄｏｗｓ ＮＴ／２０００／ＸＰ用厂１的。其实ＷｉｎＰｃａｐ中的 发展以及用户要求的不断提高，特别是对板形质 要求也越来 面向９ｘ系统的概念和ＮＴ系统的非常相似，只是在某些实现．卜 越高，这就需要在实际的牛产控制过程ｒ｛１结合现场设备能力，尽 点差异，比如说９Ｘ只支持ＡＮＳＩ编码，而ＮＴ系统则提倡使用 可能地提高板彤的控制精度。 Ｕｎｉｃｏｄｅ编码。 为ｒ提高板形控制精度，技术人员需要对现有的板形控制 为了配合Ｐｃａｐ的使用，开发语占使用的是标准Ｃ，其同样 系统进行分析，找出有效的改进方法。最有效最常用的 法使川 具有很强的町移植性和高效的功能，两者是最好的搭配选择。 些统计上具，对生产过程实绩数据进行数理分析。由于以前生 ２．２可行性分析 产过程实绩数据只用于生产中的设定调节，并不保存，很难进行 ２＿２，１ ＷｉｎＰｃａｐ 数据分析。因此，必须丌发收集ｌ牛产过程实绩数据的功能，为板 ＷｉｎＰｃａｐ的主要功能在于独 于主机协泌（如ＴＣＰ／ＩＰ）而发 形数据统计与分析提供数据基础。 送和接ｌ恢原始的Ｐａｃｋｅｔ。也就是说，ＷｉｎＰｃａｐ不会阻塞，过滤或 １ 现状分析 控制其他应用程序Ｐａｃｋｅｔ的发收，它仅仅只是监听共享网络上 在该板形控制系统中，首先根据模型汁箅设定值，在生产过 传送的数据报。冈此，它不能用于ＱｏＳ凋度程序或个人防火墙。 程中测量过程实绩，以此进行自学爿及白适应，调节设定值。其 而ＷｉｎＰｃａｐ的这个特性 是本文所论及的基于一般工业 中，测量所得的过程数据是在电气ｒ］动化（Ｌ１）Ｌｊ计算机过程控 以太网的通讯所需要并ｔ１．ｎｆ以应用的。将网卡设置为混杂模式， 制（Ｌ２）之间的网络中传送的，其中有部分通讯使用的是西¨子 其就＿白Ｊ以捕状到所有流经其网卡的Ｐａｃｋｅｔ和帧，也就是说可以 Ｔｌ业以太网，它是基于０ＳＩ／ＲＭ模型的，另一部分使用ＴＣＰ／ｔＰ 实时监听网络中的通讯，得到所需要Ｐａｃｋｅｔ的一份拷贝，并且 协议通讯。由于这两个协议无法进行直接转换通讯，为了收集实 小影响其 常收发通讯，保汪生产的使用和正常进行 ．换句话 绩数据，只能往更底层的通讯方式寻求解决方案。根据０ＳＩ／ＲＭ 说，通过住ＷｉｎＰｃａｐ开发的数据收集模块可以在不影响当前网 模 与ＴＣＰ／ＩＰ协议。侄他们相对 的ｌ圳络层可能存在解决方 络砸荷以及网络＝ 点机系统配置的情况下实现网络豁昕和数据 法。由于两者的通讯传输单位都足分组（Ｐａｃｋｅｔ），通 方式电较 收集 这一优点 是本文所涉及的生产现场所需要的，并Ｅ－町以 类似，由此得 一个实验方案，即使用分组的方式进行通 ，实 得到应用的。 现数据收集以及统计的目标。 ２ ２ ２ ０ＳＩ／ＲＭ ２实施步骤 “ 放系统瓦联参考模 ”（Ｔｈｅ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｍｏｄｅｌ ０ｆ ２ １开发环境设定 ０ｐｅｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｌｎｆｅｒｃｏｎｎｅｃｌｉｏｎ，简称为ＯＳＩ／ＲＭ）嘲采用分层 针对分组通讯模式。Ｐｃａｐ足１Ｆ常有效且实用的上具，主要 化设 技术，其中包括：物理层、数姑铸路层、网络层、传送层、会 原因为：Ｐｃａｐ可以直接访『廿］网络，具有很强的独立性，不依赖于 务层、表示层、应』｝Ｊ层，下『向按自下而卜的顺序对０ＳＩ／ＲＭ各个 网络配适器所使用的协议；Ｐｃａｐ可以处理较底层的网络通讯， 次的功能作简要说明。 进行监视，接收发送数据；Ｐｃａｐ有Ｗｉｎｄｏｗｓ版奉和ＵＮＩＸ版 物坪层（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｌａｙｅｒ）为它的上一层对等宴体问提供建 本，主要的功能接几都相同，其仃很强的 移棺 ，耷迎选择的 立、维持和拆除物理链路所必 的特性，｝Ｉ的 于保证可靠的比 是Ｗｉｎｄｏｗｓ版本， ＷｉｎＰｃａｐ。 特信 传输。 ＷｉｎＰｃａｐ（ｗｉｎｄｏｗｓ ｐａｃｋｅｔ ｃａｐｔｕｒｅ）Ｉ 足Ｗｉｎｄｏｗｓ平台下 数据链路 （Ｄａｔａ Ｌｉｎｋ Ｌａｙｅｒ）是 …条物理链路 础Ｌ 个免费。公』￡的网络访问系统．目前，ＷｉｎＰｃａｐ开发的主要划 建 起ｌ求的具有它由 的数据传输格式（帧）干“传输控制功能的 象是Ｗｉｎｄｏｗｓ ＮＴ／２０００／ＸＰ，这上 足 为在使ｆｔ１ ＷｉｎＰｃａｐ 点一节点州“逻辑连接” 的』Ｈ ｔｌ１只有一小部分是仪使川Ｗｉｎｄｏｗｓ ９５／９８／Ｍｅ，并且 网络层（Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｌａｙｅｒ）电称为“通信于ｌ救ｊ层”，为进入通信 《工业控制计算Ｅ｝２００６年１９卷第５期 子网的报文提供具体的数据通路，并控制子网有效地运行。 传送层（Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｌａｙｅｒ）的主要功能是为两个会话实体提 供透明的“端到端”数据传输连接。 会话层（Ｓｅｓｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ）的主要任务是为两应用进程Ｉ白．Ｊ建 立起进行一次“对话”的逻辑连接关系。 表示层为应用层提供对数据的表示、格式、处理等方面的 “语法”变换服务。 应用层是ＯＳＩ／ＲＭ最高的一层，其功能与系统应用所要求 的网络服务Ｆ｛的有ｌ芙。 ２ ２ ３ ＴＣ Ｐ／ＩＰ ＴＣＰ／ＩＰ协议分层体系结构只包含４个功能层，即：网络接 口层、网际互联层、传送层和应用层。 网络接ｉ－－Ｉ层是没有经过严格定义且末指定协议的一个层 次．它负责主机与其体物理网络的子网接ＦＩ，并从网络接收和向 网络发送数据单元。 网际互联层是实现异构网络 联最关键的一个协议层，又 称为ＩＰ层。它使用网际 议ＩＰ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ＰｒｏｔｏｃａＩ）使不同物理 网络在逻辑上互联起来，从而完成主机一主机之间的“端到端”ｌＰ 数据报传输的连通性。 传输层是实现主机进程之间的“端到端”可靠数据传输的协 议层，又称为ＴＣＰ层．ｔｊ ＯＳｌ／ＲＭ中定义的传送层基本相同。 凼特网的应川层与ＯＳＩ／ＲＭ中的应用层差别很大，它不仅 包括＿ｒ从会话层以上三层可能有的所有功能，而且还延伸到包 括ｌ本地应用进程奉身在内。 ２．２．４分析论证 仔细比较ＴｃＰ／ＩＰ和ＯＳｌ／ＲＭ两者不难得出结论，前者使 用的是一１、既简 很实际的分层方法。它把网络层以下的部 分 给了各个物理网络自己，这里只需要考虑对这种子网的接 ｆ］ｊ皂系Ｈ口可，简化ｒ高层部分而形成单一的应用层，并将应Ｈ】层 功能一直延伸ＨｉＪ主机的啦用进程（即包括完整的应用程序），而 不像ＯＳＩ／ＲＭ那样应用层只涉及应用服务接【Ｉ。 所以，存ＴＣＰ／ＩＰ和ＯＳＩ／ＲＭ相对啦的底层数据链路 磋一对报文进行处理，就能够实现同时与两种协议的通讯。 ２．３功能实现 前屯， 了，实现通讯功能，必须先满足下列条件，主要操作 步骤盘¨下、、 ２ ３ １网络适配器的获得 为了寅观网络监听，首允要获得系统 ｆＩ可用的网络适酉亡器。 可以通过蛹数捌ＪＨ获得系统中町刚的通讯接口列表，其中包括 网络适 器的名称千口说叫，但不是所有的设备邯会被列 ，Ｉ：Ｌ￣Ｈ 进程没有足够的权 去打丌某没备用于捕捉，那么它就不会 现侄列丧中，雠留门己所需要的一个或多个设备的名称，然后释 放其余资源＿ｌｌｌ』以采用和用户交互的疗式来选择特定的设备。也 可以采用参数或配置文件方式进行指定 ２ ３ ２网络适配嚣的歼肩 抉得Ｉ删络适配器名称以后，口Ｊ＿以凭此扦肩网络适配器进行 监 ，”往其ｌｌｆｊ设定所需的参数，得到自己需要的报文，比如：没 宅所扶取的 戈Ｋ 最＿人优，这个数值廊小大于６５５３６，如ｌ粜设 定为６５５３６，邯幺ＭＡＣ ｊ Ｈ｝＝＿的所订报文部会被捕获；混杂模 式 设定为１，可以临听Ｈ络 所有的通汛，包括那些并不是发 送争本饥的报文；陵取超时以毫秒～单ｆ ，设定后允许没备不必 茂到报义就返回， 是等待－段时间查看足 有其他报文到 达，然 ，次叮谴取多个报ｌ迁，如 系统不支持这个功能的话， 这个参数会傲忽略 ５７ ２．３，３报文的获取 打开网络适配器并设为混杂模式后，便可以实施网络监听， 为了持续获得报文，通常采用以下两种方式： 使川ｐｃａｐ—ｌｏｏｐ 函数，它本身具有循环功能，每捕捉到一个报文都会返回一个 值，用户可以自己编写一个函数来处理每个捕捉到的报文，并把 这个函数名作为参数传递给ｐｃａｐ—ｌｏｏｐ；②使用ｐｃａｐ—ｎｅｘｔ＿ｅｘ 函数，其本身没有循环功能，可以自行使用循环语句，作为循环 条件，报文捕捉正常时，ｐｃａｐ—ｎｅｘＬｅｘ函数的返回值应不小于 Ｏ，用户自已的处理过程可以写在循环体内。两种方式实现的功 能并没有太大差异，都返回报文的头部和数据指针，只是前者模 块结构清晰，方便灵活调用；后者的处理过程在循环体内，变量 的凋用处理会更直接方便，但程序结构则会 得相对冗长。 ２．３．４报文的处理 接收到报文以后，用户可以自行处理和解包。对此要首先了 解电文结构，包括报文头部和其中的内容结构。ｌＰ数据报头部的 结构主要包括版本号、协议、标头长度、总长度、服务类型、分片标 志、片偏移、重装标识、生存期、标头检验、源ＩＰ地址、日的ｌＰ地址 等，其中，我们最关心的是ｌＰ地址、端口和长度。通过对ｌＰ地址的 检验可以只留下所需要的报文，这个操作可以在网络配适器开启 时加设过滤器来实现，也可以自行通过程序榆验，前者效率较高 也方便实现，但后者更灵活且功能更强。然后部分解包，解析出电 文号，由此得知电文中数据对应的结构并进行解包。对于两门子 工业以太网的报文，也可以使用相似的处理步骤，但是由于不适 用ｌＰ地址，地址检测时需自行通过程序检验，且所使用的是 ＭＡＣ地址，它也同样具有唯一性，可以作为检验的条件。 ３结果对照 经过一段时间实际生产的检验，通讯质量稳定，监听所获得 的报文与实际生产中发送的电文节奏相一致，解包所采集的生 产灾绩数据也与生产数据相符，能做到及时准确，达到ｒ预期的 效果 所采集的数据经数据库处理后，经统计分析并制成图表， 结果清晰明了，为改进板形控制系统提供＿ｒ数据基础 在实现了两台主机问通讯的基础上，迩想再进一步进行多 台主机阃的通讯，保证数据收集的完整。有别于一对一通汛的 足：多台主机间通讯的网络数据流碹成倍增长，已开发的程序将 无法及时处理，造成数据堆积。为此，我们对程序结构进行了改 进，首先开辟了一块缓冲池，当报义被采集到时，并不直接进行 处理，而是放人缓冲池中，这样就提高了处理速度，然后开启多 个线程对采集到的报文分别进行处理解包 通过这样的分工，处 理效率成倍提高，效果相 令人满意 ４结束语 利用Ｐｃａｐ＿Ｔ具实现了独立于协议的数据通讯，避免ｒ审 复的开发，也提高了系统资源的利川率。但由于是荩丁报义本身 进行开发的，需要对报文的结构 常了解，而且々 性比较强， 需要对程序进行修改 能寅现移植。以这样的＾式进行独立于 协议的数据交换开肩了ｌ诎】络调讯的另一帛窗。 参考文献 【１］Ｌｏｒｉｓ Ｄｅｇｉｏａｎｎｉ，ＮｅｔＧｒｏｕｐ．Ｐｏｌｉｔｅｃｎｉｃｏ ｄｉ Ｔｏｒｉｎｏ．ＷｉｎＰｃａｐ Ｄｏｃ— ｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ ３ ０ 【２ｊ林生计算机通讯与网络教稗［Ｍ Ｊ北京：清华人学出版利，１９９９ ［３］休俊杰Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋程序设汁经典『Ｍ］北柬：科学出版社，１９９９ Ｉ ４］Ｒｏｂｉｎ Ｂｕｒｋ，Ｄａｖｉｄ Ｂ Ｈｏｒｖａｔｈ ＵＮＩＸ技术大 ｝１Ｍ Ｊ Ｊ匕康：机械工业 出版社，１９９９ ｉ收稿日期：２００５ １２ ２７］