本發(fā)明涉及一種軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，尤其是涉及一種基于擁塞控制的非面向連接可靠冗余網(wǎng)絡(luò)傳輸方法。

背景技術(shù)：

軌道交通信號(hào)系統(tǒng)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)要求具有高穩(wěn)定性和高可靠性，目前通常采用基于Socket底層API維護(hù)的通訊方式，傳輸層一般采用傳輸控制協(xié)議TCP或者UDP，底層采用雙網(wǎng)冷備的方式組成冗余通信網(wǎng)，這些方法存在以下的不足：

1)雙網(wǎng)通訊采用冷備的方式，在網(wǎng)絡(luò)切換時(shí)會(huì)出現(xiàn)瞬間的閃斷和設(shè)備的重新初始化。

2)UDP是一種無連接的傳輸控制協(xié)議，無法保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

3)TCP協(xié)議是面向連接的傳輸協(xié)議，實(shí)時(shí)性比較差、效率低、占用系統(tǒng)資源高。

4)當(dāng)通信過程中發(fā)生故障，無法快速定位故障的問題所在。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種安全、冗余、高效的基于擁塞控制的非面向連接可靠冗余網(wǎng)絡(luò)傳輸方法。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

一種基于擁塞控制的非面向連接可靠冗余網(wǎng)絡(luò)傳輸方法，該方法將網(wǎng)絡(luò)通信模塊抽象為三層：RUDP層(可靠用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議層)、RMP層(冗余層)、UDP層(用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議層)，該方法包括以下步驟：

RUDP層負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)消息的可靠傳輸，增加RUDP層消息頭，通過滑動(dòng)窗口SWS發(fā)送，并校驗(yàn)接收包，回復(fù)確認(rèn)序列，實(shí)現(xiàn)超時(shí)重發(fā)機(jī)制；

RMP層負(fù)責(zé)接收RUDP層傳來的消息，并增加冗余層消息頭，實(shí)現(xiàn)了冗余層的管理協(xié)議，接收時(shí)負(fù)責(zé)過濾冗余消息；

UDP層配置紅藍(lán)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)，將每一包RMP消息分別通過紅藍(lán)網(wǎng)發(fā)送出去，并負(fù)責(zé)將收到的消息傳給RMP層。

所述的RUDP層的任務(wù)包括鏈接維護(hù)任務(wù)、發(fā)送任務(wù)和接收任務(wù)。

所述的鏈接維護(hù)任務(wù)具體為：

鏈接維護(hù)任務(wù)周期性判斷各鏈接的狀態(tài)，如果狀態(tài)為斷開則發(fā)送建立鏈接請(qǐng)求包，接收方收到后回復(fù)鏈接響應(yīng)包，發(fā)送方回復(fù)確認(rèn)包，通過三次握手建立通信鏈接；建立鏈接后定時(shí)發(fā)送心跳包消息維護(hù)鏈接，若不能收到對(duì)方的心跳回復(fù)包則斷開鏈接。

所述的發(fā)送任務(wù)具體為：

a1)遍歷所有鏈接狀態(tài)為良好的通道，看是否有消息等待發(fā)送，如果有則執(zhí)行步驟b1)，如果沒有則延時(shí)繼續(xù)執(zhí)行a1)；

b1)判斷是否已收到對(duì)方回復(fù)的ReplySN，如果沒有則執(zhí)行c1)，已收到則執(zhí)行d1)；

c1)判斷該通道等待時(shí)間是否已超時(shí)，如果已超時(shí)則判斷重發(fā)次數(shù)是否超過閾值，超過則斷開鏈接，如果未超過閾值則重發(fā)該分組消息；如果未超時(shí)，則繼續(xù)等待，并返回步驟a1)；

d1)根據(jù)回復(fù)的ReplySN更新發(fā)送隊(duì)列，執(zhí)行擁塞控制算法，更新發(fā)送窗口SWS；

e1)從發(fā)送隊(duì)列中讀取SWS包消息發(fā)送；

f1)等待信號(hào)量Cond_Send，該信號(hào)量由接收任務(wù)收到ReplySN時(shí)釋放。

所述的接收任務(wù)具體為：

a2)接收消息，判斷當(dāng)前收到消息對(duì)應(yīng)鏈接狀態(tài)是否為良好，若為是則執(zhí)行步驟b2)，否則丟棄該消息；

b2)判斷該消息是否為回復(fù)序列包，若為是則更新ReplySN＝SN，釋放信號(hào)量Cond_Send給發(fā)送任務(wù)，執(zhí)行步驟a2)；如果不是則執(zhí)行步驟c2)；

c2)判斷該消息SN是否大于已接收成功ReceivedSN，如果否則丟棄該消息，執(zhí)行步驟a2)；如果大于，則執(zhí)行步驟d2)；

d2)判斷臨時(shí)接收隊(duì)列是否已滿，若為是則執(zhí)行e2)，未滿則執(zhí)行a2)；

e2)處理臨時(shí)接收隊(duì)列，校驗(yàn)有序包，將接收成功的消息傳給應(yīng)用層；

f2)更新接收成功的ReceivedSN，并回復(fù)給發(fā)送方，清空臨時(shí)接收隊(duì)列，執(zhí)行a2)。

所述的擁塞控制算法具體為：

a3)初始化發(fā)送滑動(dòng)窗口SWS為設(shè)定值SWS_init,SWS_total＝0,count＝0；

b3)更新SWS_total,count,計(jì)算平均SWS_aver；

c3)判斷當(dāng)前回復(fù)序列號(hào)ReplySN是否大于已發(fā)送的序列號(hào)SendedSN，若為是則執(zhí)行e3)，否則執(zhí)行d3)；

d3)更新SWS＝SWS/2，若SWS<1，則SWS＝1，執(zhí)行步驟b3)；

e3)判斷若ReplySN>SendedSN+SWS，則重置SWS，執(zhí)行步驟a3)，否則執(zhí)行步驟f3)；

f3)判斷若ReplySN＝SendedSN+SWS，執(zhí)行步驟g3)，否則更新SWS＝ReplySN-SendedSN，執(zhí)行步驟b3)；

g3)判斷若SWS>SWS_aver，SWS＝SWS+1；否則SWS＝SWS_aver，執(zhí)行步驟b3)。

所述的RMP層處理消息的具體過程如下：

1)初始化；

2)等待調(diào)用接口，判斷是發(fā)送消息還是接收消息，若為發(fā)送消息，執(zhí)行步驟3)，若為接收消息，執(zhí)行步驟4)；

3)接收應(yīng)用層消息組包成RMP消息，并復(fù)制為紅藍(lán)網(wǎng)兩包消息，兩包消息包含的應(yīng)用數(shù)據(jù)、序列號(hào)SeqID完全一致，更新序列號(hào)SeqID＝SeqID+1，調(diào)用發(fā)送回調(diào)函數(shù)傳給RUDP層；

4)解包RMP消息，并判斷是否為重復(fù)的消息，若是則丟棄，若不是則將該消息SeqID寫入接收記錄表，并調(diào)用接收回調(diào)函數(shù)傳給應(yīng)用。

所述的UDP層負(fù)責(zé)將消息發(fā)送到遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)和接收遠(yuǎn)端發(fā)來的消息，包括發(fā)送接口和接收任務(wù)：

1)發(fā)送消息時(shí)根據(jù)消息的冗余層消息頭判斷屬于紅網(wǎng)還是藍(lán)網(wǎng)，然后通過對(duì)應(yīng)的發(fā)送接口將其發(fā)送到遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)；

2)接收任務(wù)循環(huán)偵聽是否有消息到來，收到消息后調(diào)用接收回調(diào)函數(shù)，將該消息傳給RUDP層。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)本發(fā)明是一種安全、冗余、高效的通用網(wǎng)絡(luò)通信模塊，通過抽象分層實(shí)現(xiàn)，降低了各層之間的耦合性，同時(shí)也提高了靈活性和實(shí)用性。

2)本發(fā)明的冗余層實(shí)現(xiàn)紅藍(lán)網(wǎng)熱備冗余，兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)同時(shí)工作，當(dāng)出現(xiàn)單網(wǎng)故障不會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生任何影響，提高了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性。

3)本發(fā)明的RUDP層通過引入三次握手建立鏈接，接收校驗(yàn)、超時(shí)重發(fā)、鏈接維護(hù)等機(jī)制，使面向無連接的UDP具有可靠數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)采用擁塞控制算法動(dòng)態(tài)調(diào)整滑動(dòng)窗口，能夠明顯提高通信的效率和速度。

4)本發(fā)明提供錯(cuò)誤日志追蹤功能，在初始化、發(fā)送、接收消息時(shí)，若發(fā)生錯(cuò)誤，會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤日志故障樹，同時(shí)清晰的層次結(jié)構(gòu)也有助于問題快速定位，使用本發(fā)明可以提高軟件調(diào)試的效率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的通信網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明RUDP三次握手建立鏈接示意圖；

圖3為本發(fā)明RUDP發(fā)送任務(wù)處理流程圖圖；

圖4為本發(fā)明RUDP接收任務(wù)處理流程圖；

圖5為本發(fā)明RUDP擁塞控制算法流程圖；

圖6為本發(fā)明RMP消息處理流程圖；

圖7為本發(fā)明UDP層消息處理流程圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都應(yīng)屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

本發(fā)明的結(jié)構(gòu)如圖1所示，網(wǎng)絡(luò)通信模塊可以抽象為三層：RUDP層、冗余層(RMP)、UDP層。RUDP層負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)消息的可靠傳輸，增加RUDP層消息頭，通過滑動(dòng)窗口(SWS)發(fā)送，并校驗(yàn)接收包，回復(fù)確認(rèn)序列，實(shí)現(xiàn)超時(shí)重發(fā)機(jī)制；RMP層負(fù)責(zé)接收RUDP層傳來的消息，并增加冗余層消息頭，實(shí)現(xiàn)了冗余層的管理協(xié)議，接收時(shí)負(fù)責(zé)過濾冗余消息；UDP層配置紅藍(lán)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)，將每一包RMP消息分別通過紅藍(lán)網(wǎng)發(fā)送出去，并負(fù)責(zé)將收到的消息傳給RMP層。

一、RUDP層主要由鏈接維護(hù)任務(wù)、發(fā)送任務(wù)和接收任務(wù)組成，具體過程如下：

1)鏈接維護(hù)任務(wù)周期性判斷各鏈接的狀態(tài)，如果狀態(tài)為斷開則發(fā)送建立鏈接請(qǐng)求包，接收方收到后回復(fù)鏈接響應(yīng)包，發(fā)送方回復(fù)確認(rèn)包，通過三次握手建立通信鏈接；建立鏈接后定時(shí)發(fā)送心跳包消息維護(hù)鏈接，若不能收到對(duì)方的心跳回復(fù)包則斷開鏈接。如圖2所示。

2)發(fā)送任務(wù)的處理流程如圖3所示：

a1)遍歷所有鏈接狀態(tài)為良好的通道，看是否有消息等待發(fā)送，如果有則執(zhí)行步驟b1)，如果沒有則延時(shí)繼續(xù)執(zhí)行a1)；

b1)判斷是否已收到對(duì)方回復(fù)的ReplySN，如果沒有則執(zhí)行c1)，已收到則執(zhí)行d1)；

c1)判斷該通道等待時(shí)間是否已超時(shí)，如果已超時(shí)則判斷重發(fā)次數(shù)是否超過閾值，超過則斷開鏈接，如果未超過閾值則重發(fā)該分組消息；如果未超時(shí)，則繼續(xù)等待，并返回步驟a1)；

d1)根據(jù)回復(fù)的ReplySN更新發(fā)送隊(duì)列，執(zhí)行擁塞控制算法，更新發(fā)送窗口SWS；

e1)從發(fā)送隊(duì)列中讀取SWS包消息發(fā)送；

f1)等待信號(hào)量Cond_Send，該信號(hào)量由接收任務(wù)收到ReplySN時(shí)釋放。

3)接收任務(wù)的處理流程如圖4所示：

a2)接收消息，判斷當(dāng)前收到消息對(duì)應(yīng)鏈接狀態(tài)是否為良好，若為是則執(zhí)行步驟b2)，否則丟棄該消息；

b2)判斷該消息是否為回復(fù)序列包，若為是則更新ReplySN＝SN，釋放信號(hào)量Cond_Send給發(fā)送任務(wù)，執(zhí)行步驟a2)；如果不是則執(zhí)行步驟c2)；

c2)判斷該消息SN是否大于已接收成功ReceivedSN，如果否則丟棄該消息，執(zhí)行步驟a2)；如果大于，則執(zhí)行步驟d2)；

d2)判斷臨時(shí)接收隊(duì)列是否已滿，若為是則執(zhí)行e2)，未滿則執(zhí)行a2)；

e2)處理臨時(shí)接收隊(duì)列，校驗(yàn)有序包，將接收成功的消息傳給應(yīng)用層；

f2)更新接收成功的ReceivedSN，并回復(fù)給發(fā)送方，清空臨時(shí)接收隊(duì)列，執(zhí)行a2)。

4)RUDP擁塞控制算法流程如圖5所示：

a3)初始化發(fā)送滑動(dòng)窗口SWS為設(shè)定值SWS_init,SWS_total＝0,count＝0；

b3)更新SWS_total,count,計(jì)算平均SWS_aver；

c3)判斷當(dāng)前回復(fù)序列號(hào)ReplySN是否大于已發(fā)送的序列號(hào)SendedSN，若為是則執(zhí)行e3)，否則執(zhí)行d3)；

d3)更新SWS＝SWS/2，若SWS<1，則SWS＝1，執(zhí)行步驟b3)；

e3)判斷若ReplySN>SendedSN+SWS，則重置SWS，執(zhí)行步驟a3)，否則執(zhí)行步驟f3)；

f3)判斷若ReplySN＝SendedSN+SWS，執(zhí)行步驟g3)，否則更新SWS＝ReplySN-SendedSN，執(zhí)行步驟b3)；

g3)判斷若SWS>SWS_aver，SWS＝SWS+1；否則SWS＝SWS_aver，執(zhí)行步驟b3)。

二、RMP處理消息如圖6所示，具體過程如下：

1)初始化；

2)等待調(diào)用接口，判斷是發(fā)送消息還是接收消息，若為發(fā)送消息，執(zhí)行步驟3)，若為接收消息，執(zhí)行步驟4)；

3)接收應(yīng)用層消息組包成RMP消息，并復(fù)制為紅藍(lán)網(wǎng)兩包消息，兩包消息包含的應(yīng)用數(shù)據(jù)、序列號(hào)SeqID完全一致，更新序列號(hào)SeqID＝SeqID+1，調(diào)用發(fā)送回調(diào)函數(shù)傳給RUDP層；

4)解包RMP消息，并判斷是否為重復(fù)的消息，若是則丟棄，若不是則將該消息SeqID寫入接收記錄表，并調(diào)用接收回調(diào)函數(shù)傳給應(yīng)用。

三、UDP層負(fù)責(zé)將消息發(fā)送到遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)和接收遠(yuǎn)端發(fā)來的消息，如圖7所示，主要由發(fā)送接口和接收任務(wù)組成：

1)發(fā)送消息時(shí)根據(jù)消息的冗余層消息頭判斷屬于紅網(wǎng)還是藍(lán)網(wǎng)，然后通過對(duì)應(yīng)的發(fā)送接口將其發(fā)送到遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)。

2)接收任務(wù)循環(huán)偵聽是否有消息到來，收到消息后調(diào)用接收回調(diào)函數(shù)，將該消息傳給RUDP層。

具體實(shí)施例

1)配置：本地節(jié)點(diǎn)A(RUDP層msgType＝0x01，滑動(dòng)窗口SWS_init＝5，RMP層msgType＝0x01，紅網(wǎng)IP＝192.168.1.11，PORT＝20000，藍(lán)網(wǎng)IP＝192.168.2.11，PORT＝30000)。遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)B(RUDP層msgType＝0x01，滑動(dòng)窗口SWS_init＝5，RMP層msgType＝0x01，紅網(wǎng)IP＝192.168.1.12，PORT＝20001，藍(lán)網(wǎng)IP＝192.168.2.12，PORT＝30001)。

2)初始化：調(diào)用RUDP層、RMP層、UDP層初始化接口完成初始化，如果失敗則生成故障樹日志。

3)發(fā)送消息：

a)應(yīng)用A將msgType＝0x01的10包消息寫入RUDP發(fā)送隊(duì)列。鏈接維護(hù)任務(wù)判斷msgType＝0x01的鏈接狀態(tài)是否為良好，如果為斷開則發(fā)起三次握手建立鏈接。從發(fā)送隊(duì)列中取出SWS_init＝5包消息，SN＝1,2,3,4,5，傳給RMP層發(fā)送。若收到對(duì)方回復(fù)的ReplySN為5，則更新SWS＝5，繼續(xù)發(fā)送SN＝6,7,8,9,10。超時(shí)未收到回復(fù)繼續(xù)發(fā)送該分組消息。

b)RMP組包消息并將每包消息復(fù)制成2包(SeqID相同)，共10包消息，調(diào)用發(fā)送回調(diào)函數(shù)將消息傳給UDP層。

c)UDP層首先判斷RMP消息所屬網(wǎng)絡(luò)，再調(diào)用UDP發(fā)送函數(shù)將消息發(fā)出。

d)發(fā)送過程中若出現(xiàn)錯(cuò)誤，則生成故障樹日志，能很快定位問題。

4)接收消息：

a)應(yīng)用B的UDP層任務(wù)收到10包消息，將消息通過接收回調(diào)函數(shù)傳給RMP層。

b)RMP依次判斷這10包消息的SeqID號(hào)，過濾冗余消息后將5包傳給RUDP層。

c)RUDP依次解析并處理5包消息。判斷msgType＝0x01的鏈接狀態(tài)為正常，且該通道ReceivedSN＝0,5包消息的SN＝1,2,3,4，5均為有效消息，寫入臨時(shí)接收隊(duì)列并處理，將這5包消息送到應(yīng)用層?；貜?fù)ReplySN＝5給A。

d)接收過程中若出現(xiàn)錯(cuò)誤，則生成故障樹日志，快速定位問題。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到各種等效的修改或替換，這些修改或替換都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。