嵌入式通信中间件的研究与实现

论文摘要

嵌入式系统地广泛应用使得嵌入式系统互连网络成为一种必然。但是由于嵌入式网络的异构性、异质性和对等性等特点,嵌入式的互连不能直接使用传统的网络协议。因此构建一种能够屏蔽嵌入式系统的异构和异质性,平等均衡合理地利用嵌入式资源的互连平台就有了迫在眉睫的需求。本文首先分析了嵌入式系统的两个应用环境:数字家庭网络和工业控制网络中现有互连平台的标准和技术,针对这些技术的标准不统一、兼容性不好、无法无缝连接和知识产权保护等问题和不足,解析了嵌入式通信中间件的概念和架构,用以解决嵌入式系统互连的通信问题。该中间件系统通过与硬件无关的驱动层和OS接口层来屏蔽底层不同的硬件和操作系统;通过向上的内部回调函数来为上层提供应用接口,从而具有跨平台和支持多种通信方式和应用的优点。在嵌入式通信中间件的基本架构基础上,本文主要研究了其路由层的算法和协议。针对嵌入式资源有限和对等网络的特点,结合马尔可夫决策过程,采取分布式和本地决策的路由算法,分别构建了基于马尔可夫有限阶段决策模型的解决嵌入式系统互连的单播、动态单播、组播和QoS路由问题的改进模型,并提出了相应的算法MFHDR、DMFHDR、MMFHDR和MQoSR,从而解决了嵌入式网络对简单的命令传递、组播和QoS媒体流等信息传输的问题。通过复杂度分析和仿真实验证明:上述算法都具有分布并行计算的特点,能够将路由工作和存储需求分布到各个设备之上,从而平衡各个设备的工作负载,不增加单个系统的工作量;同时算法都考虑了嵌入式多种动态因素,计算得到更加可靠有效的路由,降低了丢包率和链路忙时。本文还对嵌入式通信中间件的另一个关键问题:数据包的排队与调度问题进行了研究。提出了一种划分数据包优先级的方法和基于此优先级的M/G/l排队算法,分析了模型的理论性能指标,给出了排队调度的系统流程和策略。实验结果表明:这种基于多优先级的非抢占排队调度算法能够有效地保证高优先级数据的实时性和低优先级数据的公平性,减少队列长度,且该算法控制逻辑简单,占用内存和缓冲区小。最后,本文在实现层次对嵌入式通信中间件进行了一定探讨和实践。设计并编写了部分层次代码和关键函数,提出了一种精简的多线程模型,并对应用中需要注意的问题进行了探讨。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 论文的选题背景和研究意义
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 问题的提出
• 1.2 国内外研究与发展概况
• 1.2.1 数字家庭网络互连平台的标准
• 1.2.2 工业控制网络互连平台的标准
• 1.2.3 现行标准存在的问题
• 1.3 论文的主要工作
• 第2章 嵌入式通信中间件的网络特点和系统架构
• 2.1 嵌入式网络特点和约束
• 2.2 嵌入式中间件
• 2.2.1 嵌入式中间件的特点
• 2.2.2 嵌入式中间件的功能模块
• 2.3 整体架构
• 2.4 设计层次
• 2.5 小结
• 第3章 嵌入式通信中间件的单播路由算法与协议
• 3.1 链路的多因素和多约束
• 3.2 马尔可夫决策过程
• 3.3 单播路由算法MFHDR
• 3.3.1 算法模型
• 3.3.2 算法描述
• 3.3.3 复杂度分析
• 3.4 动态单播路由算法DMFHDR
• 3.4.1 算法模型
• 3.4.2 算法描述
• 3.4.3 复杂度分析
• 3.5 路由协议
• 3.5.1 单播路由过程
• 3.5.2 链路状态的更新
• 3.6 实验结果
• 3.7 小结
• 第4章 嵌入式通信中间件的组播和QoS路由算法
• 4.1 组播路由算法MMFHDR
• 4.1.1 算法推导
• 4.1.2 算法描述和证明
• 4.1.3 复杂度分析
• 4.1.4 路由协议
• 4.1.5 实验结果
• 4.2 QoS路由算法MQoSR
• 4.2.1 QoS路由的问题描述
• 4.2.2 算法模型
• 4.2.3 算法描述
• 4.2.4 复杂度分析
• 4.2.5 实例比较
• 4.3 小结
• 第5章 嵌入式通信中间件的数据排队调度与控制
• 5.1 排队理论和排队模型
• 5.2 基于优先级的非抢占式M/G/1排队调度算法
• 5.2.1 优先级的划分
• 5.2.2 基于优先级的非抢占式M/G/1排队模型
• 5.2.3 排队调度策略
• 5.3 排队算法实验
• 5.4 传输层控制算法探讨
• 5.5 小结
• 第6章 嵌入式通信中间件的实现探讨
• 6.1 实现代码
• 6.2 多线程模型
• 6.2.1 线程模型比较
• 6.2.2 精简的多线程模型
• 6.3 应用探讨
• 6.4 小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 课题展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录
• 攻读学位期间参与科研项目及获奖情况
• 学位论文评阅及答辩情况表