【正文】 這是延時不確定性產(chǎn)生的主要原因。合理的解釋是負載的不確定性變化導致了網(wǎng)絡(luò)延時變化的不確定性。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。當網(wǎng)絡(luò)或處理機處于重載時，其傳輸速度、響應(yīng)處理速度會大大下降，此時若測量網(wǎng)絡(luò)傳輸延時，測量結(jié)果將比輕載時大。其二、測量報文的特定性能，相對因素一而言，這與網(wǎng)絡(luò)具體的測量方式密切相關(guān)，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(luò)的傳輸延時，往往要根據(jù)實際的情況(如對方防火墻設(shè)定的過濾協(xié)議)來選取合適的通信協(xié)議。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(luò)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。其一、網(wǎng)絡(luò)本身的性能，即完全獨立于網(wǎng)絡(luò)測量方法，僅與網(wǎng)絡(luò)本身的硬件特性相關(guān)，主要包括以下三個方面的因素：網(wǎng)絡(luò)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(luò)等，隨著底層物理信號實現(xiàn)、轉(zhuǎn)換的不同，導致網(wǎng)絡(luò)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。還有，雖然有數(shù)據(jù)包的大小限制，但在實際的監(jiān)控應(yīng)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。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。而在當前的軟硬件條件下，混合通信轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的速率非?？欤詫嶋H上兩種處理模式的實時特性差別并不明顯。所謂搶占式服務(wù)模式是指當系統(tǒng)正在為低優(yōu)先級數(shù)據(jù)提供服務(wù)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(wù)而轉(zhuǎn)向為新到達的高優(yōu)先級數(shù)據(jù)提供服務(wù)；所謂非搶占式服務(wù)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(wù)，而只是在當前對低優(yōu)先級數(shù)據(jù)的服務(wù)結(jié)束時再轉(zhuǎn)向為新到達的高優(yōu)先級數(shù)據(jù)服務(wù)。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)發(fā)一條信息，速率為定值μ；所有數(shù)據(jù)等概率地轉(zhuǎn)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。高優(yōu)先級隊列采用完全服務(wù)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(zhuǎn)去處理低優(yōu)先級隊列中的數(shù)據(jù)。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(luò)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(shè)計，因此在混合通信協(xié)議的設(shè)計中應(yīng)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。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)。傳統(tǒng)的、嚴格劃分層次的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)缺乏靈活性，層次的設(shè)計目的是使之能在最壞的條件下工作，而不是為了適應(yīng)條件的變化，這必然會降低頻譜和功率的效率。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(luò)狀況下應(yīng)用的需要，也可根據(jù)當前的鏈路、網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)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。分層設(shè)計時需合理區(qū)分監(jiān)控相關(guān)的功能和通信相關(guān)的功能，并將其分離開來，分別在不同的層次實現(xiàn)之。 混合通信技術(shù)的設(shè)計思想分層設(shè)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(shù)并為其制定相應(yīng)的協(xié)議有較大的困難?？紤]到大型建筑結(jié)構(gòu)安全遠程監(jiān)控系統(tǒng)的實用性和可擴展性、可維護性，在取得這三方面平衡后，這種可用于大型建筑結(jié)構(gòu)安全遠程監(jiān)控系統(tǒng)的通用數(shù)據(jù)傳輸方法的設(shè)計目標可分解為：經(jīng)濟性：可使用現(xiàn)有的通信技術(shù)，具有合理的開發(fā)和實施、維護成本；開放性：可適用于不同監(jiān)控應(yīng)用要求，具備通用的監(jiān)控數(shù)據(jù)交換功能；適應(yīng)性：可以適用于不同的通信條件、通信環(huán)境和應(yīng)用要求；組合性：可以組合和配置使用不同的通信技術(shù)或多個通信信道；可靠性：可以避免數(shù)據(jù)丟失、錯誤和重復等傳輸錯誤和問題；安全性：可以防竊聽、偽造、 干擾和重放攻擊；有效性：可以避免由于單一數(shù)據(jù)傳輸鏈路失效帶來的系統(tǒng)中斷等。 大型建筑結(jié)構(gòu)安全遠程監(jiān)控混合通信技術(shù)的提出 混合通信技術(shù)的提出原因各種數(shù)據(jù)傳輸方式應(yīng)用于不同的大型建筑結(jié)構(gòu)安全遠程監(jiān)控系統(tǒng)中，各有其優(yōu)越性，但同時也有其局限性。在IPv4下這兩種通信協(xié)議均不能保證安全性，容易受到人為的竊聽、偽造、重放和破壞。UDP與TCP位于同一層，但對于數(shù)據(jù)包的順序錯誤或重發(fā)處理是不同的。IP數(shù)據(jù)包是不可靠的，因為IP層并不確保數(shù)據(jù)包是否按順序發(fā)送或者是否有被破壞。確切地說，TCP/IP[30]協(xié)議是一組包括TCP協(xié)議、UDP[31]（User Datagram Protocol）協(xié)議和IP協(xié)議、ICMP（Internet Control Message Protocol）協(xié)議和其他一些協(xié)議的協(xié)議組。GSM移動公網(wǎng)利用頻率復用技術(shù)實現(xiàn)頻率資源的有效利用，采用數(shù)字制式，網(wǎng)絡(luò)基本已經(jīng)覆蓋全國范圍，特別是大中城市和主要道路均有很好的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。GSM可以用于低速率要求的遠程監(jiān)控系統(tǒng)，由于其無線和移動的特點可以適應(yīng)移動監(jiān)控的需要，也能解決ADSL、LAN的覆蓋和接入距離的問題。采用ADSL作為網(wǎng)絡(luò)接入手段構(gòu)建的遠程監(jiān)控系統(tǒng)其實是基于Internet架構(gòu)實現(xiàn)的，一般其帶寬和速率能滿足大多數(shù)應(yīng)用的要求，但ADSL的傳輸距離和營運商的網(wǎng)絡(luò)覆蓋限制了其應(yīng)用領(lǐng)域。一般基于窄帶調(diào)制解調(diào)器通過電話網(wǎng)絡(luò)進行遠程監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)可以采用上/下位機結(jié)構(gòu)，也即主叫/被叫結(jié)構(gòu)，可利用單片機、Modem 芯片或模塊和現(xiàn)成的電話網(wǎng)絡(luò)即可實現(xiàn)遠程雙向通信。遠程數(shù)據(jù)傳輸方式靈活多樣，針對不同的監(jiān)控系統(tǒng)對采集的數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)密度、傳輸?shù)囊?，可采用各種有線寬帶網(wǎng)絡(luò)、射頻通信、無線信道、衛(wèi)星通信等多種通信手段，尤其對無線網(wǎng)絡(luò)的利用為大型建筑結(jié)構(gòu)遠程監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)提供了很多便利。CDMA(Code division multiple access )，又稱為碼分多址，為現(xiàn)代移動通信網(wǎng)所要求的大容量、高質(zhì)量、綜合業(yè)務(wù)、軟切換、國際漫游等要求而設(shè)計的一種移動通訊技術(shù)，CDMA基于擴頻技術(shù)實現(xiàn)，傳輸速度可達到153Kbps。GSM采用頻率—時間分隔的蜂窩結(jié)構(gòu)，具有較高的頻譜效率，其安全性、穩(wěn)定性好，而且集成度高、容量大、接口開放、抗噪聲性能強、覆蓋范圍廣等優(yōu)點。而基于光纖的以太網(wǎng)技術(shù)可以進一步提升LAN的傳輸速度、數(shù)據(jù)抗干擾能力和擴大接入范圍，達到公里級的覆蓋。LAN (Local Area Network)，即以太局域網(wǎng)。ADSL采用的是專線的連接方式，ADSL調(diào)制解調(diào)器與網(wǎng)絡(luò)總是處于連接的狀態(tài)，免去了撥號上網(wǎng)的麻煩。目前國內(nèi)主要的常規(guī)商用數(shù)據(jù)通信手段有：Modem，即窄帶調(diào)制解調(diào)器，用于模擬信號和數(shù)字信號之間的轉(zhuǎn)換，可以在公用電話網(wǎng)上實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)傳輸。衛(wèi)星通信方式，衛(wèi)星通信是利用通信衛(wèi)星提供的轉(zhuǎn)發(fā)功能，可以實現(xiàn)遠距離、大范圍的通信。 現(xiàn)有數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)分析 一般性數(shù)據(jù)通信方式常規(guī)商用通信方式，可以用于民用的商用通信網(wǎng)絡(luò)，一般由電信營運商提供服務(wù)，具有性能穩(wěn)定、成本低廉、技術(shù)成熟等特點，包括多種有線和無線通信技術(shù)，如窄帶調(diào)制解調(diào)技術(shù)、寬帶調(diào)制解調(diào)技術(shù)、LAN和ADSL技術(shù)、無線GSM和GPRS、CDMA技術(shù)等，是目前一般性遠程監(jiān)控系統(tǒng)可以使用的主要通信手段。因此為防止非法入侵，惡意破壞，就要做好數(shù)據(jù)加密傳輸和監(jiān)控點認證等一系列安全性處理。為了達到萬無一失的可靠性，甚至需要采用多條鏈路并行或冗余的收發(fā)監(jiān)控數(shù)據(jù)和監(jiān)控指令。數(shù)據(jù)傳輸頻度：以水庫大壩為例，其低頻震動信號一般只需一天采集一次數(shù)據(jù)并傳輸即可，要允許系統(tǒng)工作在較低的數(shù)據(jù)交互頻度下，以降低通信成本和節(jié)約遠程系統(tǒng)的電源消耗；而對于重要的、實時監(jiān)控性能和安全性要求較高的大型建筑需要提高結(jié)構(gòu)監(jiān)控數(shù)據(jù)的傳輸頻度，如結(jié)構(gòu)損傷的監(jiān)控閾值報警數(shù)據(jù)、遠程監(jiān)控系統(tǒng)中需要下達的緊急指令，其數(shù)據(jù)交換的頻度和實時性要求就比較高，在數(shù)據(jù)傳輸時需要體現(xiàn)數(shù)據(jù)的優(yōu)先等級。本文組織結(jié)構(gòu)如下：第一章介紹了課題背景和研究現(xiàn)狀，確定了研究內(nèi)容；第二章對大型建筑結(jié)構(gòu)安全遠程監(jiān)控的數(shù)據(jù)交換要求和現(xiàn)有的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)進行了分析和對比研究后，提出了混合通信技術(shù)，并討論和分析了混合通信中的數(shù)據(jù)交換隊列模型及性能、各種通信信道傳輸時延；第三章提出了混合通信協(xié)議的層次架構(gòu)，設(shè)計了各層的主要功能和層間接口；第四章，介紹了用JAVA技術(shù)開發(fā)實現(xiàn)的混合通信協(xié)議，對數(shù)據(jù)交換、可靠性和安全性處理等核心功能的實現(xiàn)進行了分析；第五章，對協(xié)議的功能和性能進行了測試、分析，并介紹其在一個示范性工程中的應(yīng)用；最后一章，對全文進行了總結(jié)，展望了本文提出的混合通信技術(shù)未來的完善工作和進一步研究的方向。 本文的研究工作與內(nèi)容結(jié)構(gòu)本課題來自浙江省自然科學基金資助項目—※※※※※※※※※※※※方法研究(編號※※※※※※※)，主要研究大型建筑結(jié)構(gòu)安全遠程監(jiān)控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸方法。當采用internet作為數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的架構(gòu)時，基于IPv4的TCP/IP協(xié)議沒有對鏈路進行保護，網(wǎng)絡(luò)上存在大量的安全漏洞和惡意攻擊，很容易使數(shù)據(jù)通信在最薄弱的環(huán)節(jié)泄密或被破壞。同時，目前可用于測量監(jiān)控的儀器設(shè)備其功能、型號及生產(chǎn)廠家很難統(tǒng)一，支持網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)遠程采集通信協(xié)議也無法統(tǒng)一規(guī)范, 系統(tǒng)的兼容性和可擴充性很難保障。由于大型建筑結(jié)構(gòu)安全關(guān)系到國家、人民的利益，因此監(jiān)控數(shù)據(jù)的傳輸對實時性、可靠性、安全性要求較高，而通信鏈路是整個系統(tǒng)容量和性能的決定性因素，因此在選擇通信方案時必須考慮以下幾方面的因素和指標：性能指標，包括數(shù)據(jù)傳輸帶寬、數(shù)據(jù)傳輸延時等指標；容量指標，包括主要信道覆蓋范圍、接入節(jié)點密度、可移動性等指標；可靠性指標，包括接通率、數(shù)據(jù)丟失率、誤碼率等指標；安全性指標，數(shù)據(jù)通信安全的能力，要求數(shù)據(jù)能保密、不易被破壞、篡改和竊聽，并可防重發(fā)攻擊；成本指標，包括通信網(wǎng)接入成本，設(shè)備、功耗和通信鏈路使用費用、通信設(shè)備維護費用等指標。比特率，在數(shù)字信道中，比特率是數(shù)字信號的傳輸速率，它用單位時間內(nèi)傳輸?shù)亩M制代碼的有效位(bit)數(shù)來表示，其單位為每秒比特數(shù)bit/s(bps)、每秒千比特數(shù)(Kbps)或每秒兆比特數(shù)(Mbps)來表示。衛(wèi)星遠程通信方式因其覆蓋范圍廣，可在全球范圍內(nèi)提供連續(xù)準確的結(jié)構(gòu)信息，給通信技術(shù)帶來了革命性的變化。2000可以通過網(wǎng)絡(luò)動態(tài)數(shù)據(jù)交換(NetJAVA和Bayesian1997年1月，首屆基于Internet的遠程監(jiān)控診斷工作會議由斯坦福大學和麻省理工學院聯(lián)合主辦，會議主要討論了有關(guān)遠程監(jiān)控系統(tǒng)開放式體系、診斷信息規(guī)程、傳輸協(xié)議及對用戶的合法限制。數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)[16]是決定大型建筑結(jié)構(gòu)安全遠程監(jiān)控系統(tǒng)性能的一個關(guān)鍵因素，在大型建筑結(jié)構(gòu)安全遠程監(jiān)控中如果監(jiān)控數(shù)據(jù)無法及時傳送到監(jiān)控中心，都無法達到實時監(jiān)控、預警和調(diào)度的目的。通過綜合傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等，能夠?qū)⒏黝惣苫奈⑿蛡鞲衅鲄f(xié)作地進行實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，通過嵌入式系統(tǒng)對信息進行處理，并通過隨機自組織無線通信網(wǎng)絡(luò)[15]以多跳中繼方式將所感知信息傳送到用戶終端，構(gòu)建出一個功能強、效率高、成本低的分布式傳感器系統(tǒng)。而且作為傳感元件，它有一個最為突出的優(yōu)點是感應(yīng)的信息用波長編碼，而波長這個絕對參量不受光源功率的波動及連接或耦合損耗的影響。目前，常用的傳感器材料主要有壓電材料、形狀記憶合金材料和光導纖維材料。 傳感器和傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)大型建筑的監(jiān)測對象以結(jié)構(gòu)安全的狀態(tài)信息為主，需要依靠鋪設(shè)或安置在大型建筑物各個部位的各種傳感器系統(tǒng)以及所使用的傳感技術(shù)，及時準確地將所收集到的各類結(jié)構(gòu)參數(shù)信息傳送到采集下位機[13]進行監(jiān)控數(shù)據(jù)分析處理。OPC在工業(yè)控制設(shè)備與應(yīng)用軟件之間建立了統(tǒng)一的軟件接口標準，主要解決監(jiān)控程序與其數(shù)據(jù)源的交互問題。通過將遠程通信和Web技術(shù)運用于監(jiān)控系統(tǒng)中，使地理上分散的監(jiān)控現(xiàn)場得以統(tǒng)一的管理，同時還運用了數(shù)據(jù)庫技術(shù)極大地方便了監(jiān)控數(shù)據(jù)的存儲和處理。目前的遠程監(jiān)控系統(tǒng)大多基于客戶機/服務(wù)器C/S體系結(jié)構(gòu)(或其擴展結(jié)構(gòu))開發(fā)的，早期的2層C/S結(jié)構(gòu)比較適合于在小規(guī)模、用戶較少、單一數(shù)據(jù)庫且有安全性和快速性保障的局域網(wǎng)環(huán)境中運行。監(jiān)控中心系統(tǒng)需要提供相應(yīng)的中心支持和服務(wù)，當監(jiān)測點子系統(tǒng)上傳監(jiān)測數(shù)據(jù)后，在監(jiān)控中心系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)的匯總分析和處理，更新對應(yīng)監(jiān)測點的當前狀態(tài)和數(shù)值、追加歷史記錄，并根據(jù)預設(shè)的閾值信息進行報警或進行相應(yīng)的控制響應(yīng)和處理，還需要為監(jiān)控查詢子系統(tǒng)的各種監(jiān)視和控制功能提供服務(wù)。這些數(shù)據(jù)均集中存儲在監(jiān)控中心系統(tǒng)，并通過電子地圖數(shù)據(jù)庫將這些傳感器監(jiān)控點和電子地圖相關(guān)聯(lián)，監(jiān)測點子系統(tǒng)初始化時從監(jiān)控中心系統(tǒng)下載這些配置參數(shù)。其中，監(jiān)控中心系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)分析處理和存儲功能并可以通過數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)向監(jiān)測點子系統(tǒng)發(fā)出監(jiān)控指令，監(jiān)測點子系統(tǒng)處理監(jiān)控指令并讀取傳感監(jiān)測數(shù)據(jù)，監(jiān)控查詢子系統(tǒng)則可以在任何遠程位置查詢各監(jiān)控點的狀態(tài)，數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)主要負責各類監(jiān)控指令和數(shù)據(jù)的有效傳輸。工程應(yīng)用的需求和大量的實踐使得大型建筑結(jié)構(gòu)安全遠程監(jiān)控取得了長足的進步，但是目前世界上尚沒有建立一個完全滿足結(jié)構(gòu)安全需要的長期監(jiān)控系統(tǒng)[7]，究其原因主要歸于以下幾點：其一，大型建筑結(jié)構(gòu)遠程監(jiān)控一般基于各種軟件架構(gòu)技術(shù)開發(fā)，但是由于體系架構(gòu)標準化和開放性不足，不容易擴充和推廣、運行維護成本較高；其二，所使用的通信技術(shù)依賴于單一的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和單一鏈路的通信網(wǎng)絡(luò)，無法為不同遠程監(jiān)控系統(tǒng)提供更多、更靈活的通信鏈路選擇，而且傳輸可靠性和安全性無法完全得到保障，或者需要很高的成本代價；其三，大型建筑結(jié)構(gòu)體積大、跨度長、分布面廣、使用期限長，傳統(tǒng)的傳感設(shè)備組成的監(jiān)測系統(tǒng)的性能穩(wěn)定性、耐久性和分布范圍都不能很好地滿足實際工程的需要；其四，大型建筑結(jié)構(gòu)多樣、環(huán)境復雜，很難采用統(tǒng)一的模型或標準進行監(jiān)測