【正文】 工作方式作為數(shù)據(jù)傳輸手段，對于較邊遠的、有線網(wǎng)絡無法布設的地區(qū)采用CDMA/GPRS/GSM/SMS[35] [36]混合的數(shù)據(jù)傳輸方式，對重點監(jiān)控設施采用多營運商或多接入手段冗余的方式工作，對大數(shù)據(jù)量場合采用多通信方式和多個通信信道[37]負載平衡的混合通信方式工作。 混合通信技術的設計思想分層設計由于監(jiān)控系統(tǒng)之間的通信過程十分復雜，開發(fā)混合通信技術并為其制定相應的協(xié)議有較大的困難。通常，為了設計和實現(xiàn)上的方便，把復雜的協(xié)議分解為一些較為簡單的部分，然后通過各部分之間的接口組合起來，構建分層的協(xié)議[38]。實際上，通信協(xié)議最適合的架構方式就是層次系統(tǒng)[39]，采用層次結構的協(xié)議有以下優(yōu)點：首先，各層之間是獨立的，某一層并不需要知道它的下一層是如何實現(xiàn)的，而僅需要知道該層通過層間的接口所提供的服務；其次，靈活性好，當任何一層發(fā)生變化時，只要接口關系保持不變則在這層以上和以下各層均不受影響；再者，結構上可分割，各層都可以采用最合適的實現(xiàn)技術；同時，易于實現(xiàn)和維護，分層結構使得實現(xiàn)和調(diào)試一個龐大而復雜的系統(tǒng)變得易于處理，整個系統(tǒng)已被分解為若干個易于處理的范圍更小的部分；最后，由于每一層的功能和所提供的服務都已有精確的說明，能促進標準化工作?；旌贤ㄐ偶夹g采用分層的設計思想，同時考慮到混合通信協(xié)議向下需要支持不同種類和數(shù)量的通信鏈路接口，向上需要對遠程監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集等不同功能應用提供可裁減的開放性支持。分層設計時需合理區(qū)分監(jiān)控相關的功能和通信相關的功能，并將其分離開來，分別在不同的層次實現(xiàn)之。其次，在通信相關之下，還需區(qū)分和融合通信信道通用的功能和各種通信信道各自的適用性處理。各層通過層次間的接口進行耦合，使其能夠構成一個有機的整體，在保障可靠性和安全性的同時能夠兼顧協(xié)議的高效性和開放性，且便于開發(fā)和維護?？鐚訉崿F(xiàn)混合通信技術的設計中還融合了跨層實現(xiàn)的思想，使任意兩層之間能夠互相提供和利用有用信息，實現(xiàn)自適應機制。例如可以調(diào)整速率、功率和編碼以滿足當前信道和網(wǎng)絡狀況下應用的需要，也可根據(jù)當前的鏈路、網(wǎng)絡和業(yè)務狀況來進行適當調(diào)整，或區(qū)分處理阻塞或非阻塞造成的數(shù)據(jù)包丟失等?？鐚訉崿F(xiàn)和優(yōu)化是一種嶄新的設計模式，其目的就是通過跨層信息的交互來改善網(wǎng)絡總的系統(tǒng)性能，諸如網(wǎng)絡容量，能效以及對大量業(yè)務的QoS的支持等，也可以采用跨層技術支持無線網(wǎng)絡和有線網(wǎng)絡的繼承和不同網(wǎng)絡的融合。無論是有線網(wǎng)絡還是無線網(wǎng)絡，都可用該技術來改善網(wǎng)絡的性能?？鐚釉O計的核心思想就是實現(xiàn)兩個或更多協(xié)議層之間的優(yōu)化和控制，以及相互間信息的交換，從而達到顯著的網(wǎng)絡系統(tǒng)性能改善的目的。傳統(tǒng)的、嚴格劃分層次的網(wǎng)絡結構缺乏靈活性，層次的設計目的是使之能在最壞的條件下工作，而不是為了適應條件的變化，這必然會降低頻譜和功率的效率。不斷發(fā)展的各種通信網(wǎng)絡要求支持多種業(yè)務類型以及服務質(zhì)量(QoS)要求，并且要支持網(wǎng)絡拓撲結構的復雜變化，這就需要打破傳統(tǒng)的模式更加關注各層之間網(wǎng)絡性能的協(xié)調(diào)配合。此外，混合通信技術還將為特殊的通信網(wǎng)絡和特殊的應用預留直通方案，例如視頻流的傳輸和射頻網(wǎng)絡的應用，使其實現(xiàn)內(nèi)部跨層傳遞。隊列緩沖由于各遠程監(jiān)控子系統(tǒng)之間交換的監(jiān)控數(shù)據(jù)和監(jiān)控指令可以從本質(zhì)上抽象為消息形態(tài)進行表達和傳輸，而把大型建筑遠程監(jiān)控的遠程數(shù)據(jù)傳輸任務確定為進行安全、可靠、有效的遠程消息交換，因此對混合通信數(shù)據(jù)收發(fā)核心功能的實現(xiàn)可以采用數(shù)據(jù)發(fā)送隊列緩存模式進行設計。采用數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖隊列可有效降低各子系統(tǒng)之間的耦合度，在發(fā)送進程的執(zhí)行過程中引進一個異步環(huán)節(jié)，可以降低發(fā)送環(huán)節(jié)的資源消耗和出錯概率，并有助于分布式數(shù)據(jù)采集、集中式數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆植际竭h程監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)實現(xiàn)?？紤]到大型建筑結構安全遠程監(jiān)控系統(tǒng)中常常有不同重要程度的數(shù)據(jù)發(fā)送，尤其對于報警數(shù)據(jù)和調(diào)度指令的傳輸需要確保其優(yōu)先級，因此在數(shù)據(jù)輸入緩存隊列時可能需要區(qū)分優(yōu)先級別，所以本文實際上采用的是一個多優(yōu)先級先入先出FIFO的發(fā)送數(shù)據(jù)緩存隊列。而這個多優(yōu)先級發(fā)送數(shù)據(jù)緩存隊列的輸出則是系統(tǒng)預先配置好的多個或多種輸出信道，信道的特性不同則隊列的數(shù)據(jù)輸出效率也不同。實際上緩存隊列的設置也降低了產(chǎn)生數(shù)據(jù)的應用進程和信道間的耦合度，提高了系統(tǒng)的開發(fā)和運行效率。內(nèi)置安全性和可靠傳輸機制由于不同接入信道的安全性和可靠性不同，不同通信環(huán)境和不同網(wǎng)絡狀況下通信協(xié)議的表現(xiàn)也差異較大，在開發(fā)混合通信協(xié)議時要考慮最壞的情況，并按正常情況進行優(yōu)化設計，因此在混合通信協(xié)議的設計中應內(nèi)置安全性和可靠傳輸機制，以降低對信道特性的依賴性。同時，要考慮到不同監(jiān)控應用對數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院涂煽啃缘囊蟛煌?，混合通信協(xié)議的安全性和可靠性實現(xiàn)應該可用戶化配置，要允許對不同通信信道的接入方式和工作參數(shù)進行獨立的配置或裁減。 混合通信技術的數(shù)據(jù)傳輸能力分析 混合通信交換隊列性能分析混合通信中實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的核心是一個具有多優(yōu)先級的發(fā)送數(shù)據(jù)緩存隊列機制，由輸入和輸出兩種隊列[40]組成，均采用先到先服務(FCFS)的信息處理方式。 數(shù)據(jù)交換層的緩沖排隊模型輸入隊列用于緩存從監(jiān)控相關的功能應用層到達的監(jiān)控數(shù)據(jù)，假設分高、低兩個優(yōu)先級分別排入兩個隊列。高優(yōu)先級隊列采用完全服務規(guī)則，即如果該隊列有數(shù)據(jù)，則系統(tǒng)只有在處理完這些數(shù)據(jù)后才轉去處理低優(yōu)先級隊列中的數(shù)據(jù)。低優(yōu)先級隊列采用限定服務規(guī)則，即系統(tǒng)每處理完本隊列一條信息后要檢查高優(yōu)先級隊列，只有當高優(yōu)先級隊列為空時，才處理下一條。輸出緩沖隊列緩存發(fā)往信道相關的通信接口層的數(shù)據(jù)，每個信道連接設一個輸出隊列，兩種優(yōu)先級的數(shù)據(jù)共享同一隊列。根據(jù)大型建筑結構安全遠程監(jiān)控系統(tǒng)中數(shù)據(jù)通信的實際情況，結合隊列模型[41]所需的條件，對混合通信中的數(shù)據(jù)交換作如下假設：每條信息長度相等，且不作復用，到達概率服從泊松分布，速率為λ(高、低優(yōu)先級分別為λ1和λ2)，其中高優(yōu)先級所占比率為α。數(shù)據(jù)轉發(fā)時間與數(shù)據(jù)到達時間相互獨立，且每一個時刻只能轉發(fā)一條信息，速率為定值μ；所有數(shù)據(jù)等概率地轉發(fā)到各輸出隊列，各輸出隊列數(shù)據(jù)到達率為λ0，其數(shù)據(jù)的傳輸速率為μ0。各輸出信道每個時刻只能分別傳輸一條信息，且每個信道同時可被使用數(shù)為1；當輸入隊列的頭部數(shù)據(jù)所對應的目標網(wǎng)絡的輸出隊列已滿時，發(fā)生輸入隊列頭阻塞。這意味著在數(shù)據(jù)交換的層內(nèi)部不會發(fā)生數(shù)據(jù)丟失。在具有優(yōu)先級的網(wǎng)絡排隊模型中，對信息的處理模式有兩種：搶占式服務模式和非搶占式服務模式。所謂搶占式服務模式是指當系統(tǒng)正在為低優(yōu)先級數(shù)據(jù)提供服務時，如果有高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)信息到達，系統(tǒng)會中止對當前低優(yōu)先級信息的服務而轉向為新到達的高優(yōu)先級數(shù)據(jù)提供服務；所謂非搶占式服務模式則是指當上述情況發(fā)生時，系統(tǒng)并不中止當前服務，而只是在當前對低優(yōu)先級數(shù)據(jù)的服務結束時再轉向為新到達的高優(yōu)先級數(shù)據(jù)服務?；旌贤ㄐ胖械臄?shù)據(jù)交換選用了非搶占式的信息處理模式，主要是考慮以下三個原因：首先，混合通信中的數(shù)據(jù)交換不容易實現(xiàn)搶占式服務。要實現(xiàn)搶占式處理，必須能夠實時地獲得高優(yōu)先級數(shù)據(jù)的到達信息，而目前的操作系統(tǒng)一般都是消息驅動的分時系統(tǒng)，無法保證在運行信息處理程序時，一定會馬上對新到達的高優(yōu)先級數(shù)據(jù)的消息進行處理，所以實現(xiàn)起來難度較大。其次，兩種信息處理模式的性能差別主要是由單個數(shù)據(jù)的平均處理速率決定的。而在當前的軟硬件條件下，混合通信轉發(fā)數(shù)據(jù)的速率非?？?，所以實際上兩種處理模式的實時特性差別并不明顯。另外，在衡量混合通信中數(shù)據(jù)交換的整體性能時，除了考慮高優(yōu)先級數(shù)據(jù)的實時性外，低優(yōu)先級數(shù)據(jù)的實時性也是監(jiān)控系統(tǒng)所要求的。而搶占式的服務模式盡管提高了高優(yōu)先級的實時性，但效果不明顯，卻降低了低優(yōu)先級數(shù)據(jù)的實時性，犧牲了數(shù)據(jù)交換的整體性能，同時增加了系統(tǒng)的復雜度。從以上的假設條件和信息處理方式可以看出，輸入隊列符合具有兩個優(yōu)先級的簡單(非搶占)優(yōu)先級的M/D/1模型，而輸出隊列則符合隊列長度為k的M/D/1/k模型。因此，： ()： ()對系統(tǒng)平均總時延詳細的計算分析參見附錄A所述。在緩沖排隊模型中輸入隊列的優(yōu)先級為高低兩級，在實際使用中可根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的需要將輸入隊列設為更多優(yōu)先級別，如本文中設計的協(xié)議最多允許發(fā)送數(shù)據(jù)的優(yōu)先級為八個級別。模型中已假設各網(wǎng)絡信道的時延對網(wǎng)絡阻塞的影響是一樣的，而實際上不同時延的網(wǎng)絡信道將有不同程度的影響。另外，本文還提出了隊列數(shù)據(jù)發(fā)送失敗和換信道直接重發(fā)的機制，可以看作是一種帶有反饋的多優(yōu)先級隊列[42]，會增加系統(tǒng)平均總延時；而如果允許發(fā)往同一目的地的數(shù)據(jù)包進行復用處理，則會將降低系統(tǒng)平均總延時。還有，雖然有數(shù)據(jù)包的大小限制，但在實際的監(jiān)控應用中監(jiān)控指令和數(shù)據(jù)的大小是各不相同的，就單個數(shù)據(jù)包而言，數(shù)據(jù)包的大小越大傳輸?shù)难訒r越大。 Internet傳輸?shù)臅r延影響上一小節(jié)的隊列模型中假設了各網(wǎng)絡信道的時延對網(wǎng)絡阻塞的影響是一樣的，而實際上不同網(wǎng)絡信道的傳輸時延各不相同，對網(wǎng)絡阻塞產(chǎn)生的影響也不同。網(wǎng)絡傳輸時延[43]總是隨著網(wǎng)絡的運行狀況而不斷地變化，在因特網(wǎng)信息的傳遞過程中將產(chǎn)生較大的延時并有一定的延時不確定性，使得信息傳遞的連續(xù)性遭到破壞，因此需要找出影響時延的各因素并改進之。一般而言，傳輸時延主要與兩類因素密切相關。其一、網(wǎng)絡本身的性能，即完全獨立于網(wǎng)絡測量方法，僅與網(wǎng)絡本身的硬件特性相關，主要包括以下三個方面的因素：網(wǎng)絡的物理介質(zhì)：不同的物理介質(zhì)，例如光纖、以太網(wǎng)、無線網(wǎng)絡等，隨著底層物理信號實現(xiàn)、轉換的不同，導致網(wǎng)絡本身帶寬各不相同，因此對于具有一定長度的數(shù)據(jù)報文而言，其傳輸速度也各不相同。并且，在某些介質(zhì)中，還需要對數(shù)字信號進行調(diào)制和解調(diào)，以實現(xiàn)數(shù)字信號與模擬信號甚至是光信號的相互轉變，因此相對而言額外的時間開銷較大；當前傳輸所需經(jīng)過的路由、轉發(fā)次數(shù)、過濾次數(shù)：路由器的路由、轉發(fā)實現(xiàn)需要時間，而在路由上等待轉發(fā)也同樣需要時間。因此經(jīng)過的路由器個數(shù)越多，轉發(fā)的次數(shù)越多，帶來延時也就越大。同時，網(wǎng)絡中的交換機或路由器均有輸入和輸出緩沖隊列，當路由器負荷越重，等待隊列越長，延時也就越大。同樣，在經(jīng)過防火墻時，防火墻會對報文進行掃描、過濾，不同效率的防火墻、不同的過濾次數(shù)(經(jīng)過防火墻的個數(shù))等，都會對報文的傳輸延時產(chǎn)生影響；網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的不同實現(xiàn)方式：數(shù)據(jù)鏈路層對數(shù)據(jù)報文的傳輸存在多種實現(xiàn)方式，在完全相同的上層協(xié)議和底層的物理鏈路上，不同傳輸機制的實現(xiàn)對傳輸延時會產(chǎn)生不同的影響。早期的鏈路層協(xié)議，只有當發(fā)送(接收)緩沖區(qū)滿時，才開始進行“丟尾”操作，即直接將溢出的數(shù)據(jù)丟失，這樣的處理，使網(wǎng)絡在抗報文的猝發(fā)情況時性能極差，使傳輸延時呈現(xiàn)較大的波動。而相比之下，現(xiàn)在新的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，采用RED (Random Early Detection)機制，在緩存區(qū)沒有達到滿時，就開始有選擇，例如可以根據(jù)報文的QoS請求級別進行報文丟棄，這樣使得網(wǎng)絡抗猝發(fā)的性能大為增強，也使得傳輸延時比較穩(wěn)定?？傊讓訑?shù)據(jù)鏈路層不同的實現(xiàn)方式，會對傳輸延時產(chǎn)生極大的影響。其二、測量報文的特定性能，相對因素一而言，這與網(wǎng)絡具體的測量方式密切相關，主要可以分成如下兩個方面：承載測量報文的協(xié)議類型：網(wǎng)絡的傳輸延時，往往要根據(jù)實際的情況(如對方防火墻設定的過濾協(xié)議)來選取合適的通信協(xié)議。而不同的協(xié)議，有著不同的發(fā)送機制和速率控制模式，其實現(xiàn)方式也各不相同。對接收方而言，從收到承載報文到給出反饋報文的實現(xiàn)過程，也隨著協(xié)議的不同而各不相同，響應的時間、處理的時間都不一樣，因此選用不同協(xié)議測試的結果可能會存在一定的差異；報文長度、發(fā)送頻率：在一段具體的鏈路上，帶寬一定的情況下，報文的長度、發(fā)送頻率與傳輸延時成正比。因此，報文越長，頻率越高，其傳輸時延也就越大；此外，當前的網(wǎng)絡流量、處理機性能(包括其接收、處理數(shù)據(jù)報文的速度)和其當前的作業(yè)量等，也對網(wǎng)絡傳輸時延產(chǎn)生影響。當網(wǎng)絡或處理機處于重載時，其傳輸速度、響應處理速度會大大下降，此時若測量網(wǎng)絡傳輸延時，測量結果將比輕載時大。而TCP/IP是Internet的通信標準，其網(wǎng)絡延時T可表示為四部分延時之和：本地主機數(shù)據(jù)處理延時[44]：當應用程序向協(xié)議軟件傳遞數(shù)據(jù)信元時，協(xié)議軟件將由應用層至網(wǎng)絡層逐層地對數(shù)據(jù)進行封裝處理，而后進行發(fā)送；物理線路上信號傳輸延時：如上分析的因素一之中的第一因素，但由于這一延時與整體延時相比不在一個數(shù)量級上，因此通信節(jié)點之間的地理距離并不是決定延時大小的主要因素；中間路由器數(shù)據(jù)處理延時：如上分析的因素一之中的第二因素，它是網(wǎng)絡延時的主要組成部分；遠程主機數(shù)據(jù)處理延時：遠程主機需要對收到的數(shù)據(jù)報進行解釋并對其進行校驗和重新排序等，再送于應用層的程序進行處理。因此，網(wǎng)絡延時及其不確定性主要決定于數(shù)據(jù)所經(jīng)過的跳數(shù)以及在每一跳上所花費的時間。因特網(wǎng)是采用動態(tài)路由機制來傳輸數(shù)據(jù)業(yè)務的，但這種動態(tài)并不等于隨機路由，只有當互聯(lián)網(wǎng)的情況發(fā)生嚴重變化時，例如路由失效、嚴重擁塞等，轉發(fā)數(shù)據(jù)報的路由路徑才會改變。對因特網(wǎng)路由行為的研究表明通信雙方或多方在會話期間路由很少改變，大部分的數(shù)據(jù)流沿同一條物理路徑傳輸，也被稱為路由的持久性。但由于路由持久性的存在，動態(tài)路由機制并不能使信息傳遞路由跳數(shù)不斷產(chǎn)生變化。而數(shù)據(jù)傳輸過程中數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡延時則是不斷地發(fā)生著變化，即使相鄰的兩個數(shù)據(jù)報其延時也不盡相同，即有著不確定性。因此，動態(tài)路由機制并不是延時不確定性產(chǎn)生的根本原因。合理的解釋是負載的不確定性變化導致了網(wǎng)絡延時變化的不確定性。目前基于TCP/IP協(xié)議的Internet在網(wǎng)絡接口層普遍采用隨機競爭類的媒體訪問控制協(xié)議，多個通信節(jié)點共享通信信道資源。而網(wǎng)上的數(shù)據(jù)傳輸有一種突發(fā)性的特點，由于共享帶寬的原因，當網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)流量突然增大時，將造成其經(jīng)過的路由器的負載增大，從而等待路由器進行處理的數(shù)據(jù)增多，這樣數(shù)據(jù)排隊等待處理的時間增長，使得數(shù)據(jù)報的延時增大，即造成了整體時延的增大。另外，當路由器的負載超過其處理能力時，將對隨后到達的數(shù)據(jù)包進行丟棄處理，這樣對以TCP協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包來講，將造成數(shù)據(jù)報的重發(fā)以及發(fā)送主機TCP滑動窗口的減小，這些最終都將造成數(shù)據(jù)報延時的瞬間增大。這是延時不確定性產(chǎn)生的主要原因。 接入