基于uClinux的實時網(wǎng)絡監(jiān)控服務器開發(fā)與應用

摘要：介紹了一種基于uClinux的實時網(wǎng)絡監(jiān)控服務器開發(fā)方法，該服務器能對實時對遠程網(wǎng)絡終端、監(jiān)控攝像頭等進行控制管理和數(shù)據(jù)訪問。將其應用到大型網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)中，用戶可訪問由多臺服務器組成的分布式網(wǎng)絡監(jiān)控服務器集群，實時讀取數(shù)據(jù)然后將其存寫到大容量存儲設備中，增加并發(fā)式連接的用戶數(shù)量，提高遠程實時網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。

關鍵詞：uClinux;實時;網(wǎng)絡監(jiān)控;分布式;并發(fā)

網(wǎng)絡監(jiān)控服務器在網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)中負責數(shù)據(jù)的采集、壓縮及發(fā)送，是系統(tǒng)中不可或缺的后臺設備。常用的工作模式是將監(jiān)控服務器作為獨立設備，直接與終端用戶交互，用戶通過播放器直接從監(jiān)控服務器獲取數(shù)據(jù)及修改配置參數(shù)，每個服務器所能承的用戶數(shù)較少，不能滿足多用戶并發(fā)控制服務。而在大型網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)應用中，多個監(jiān)控服務器簡單疊加而成的服務器組，并將它們組成分布式網(wǎng)絡服務器集群，增加可以同時服務的用戶數(shù)，提高遠程實時網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性，并對用戶的訪問權限進行管理與控制。本用戶可以通過分布式網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)管理被監(jiān)控對象。獲取權限訪問網(wǎng)絡監(jiān)控服務器讀取數(shù)據(jù)，并將其存寫到大容量存儲設設備或系統(tǒng)中。

1 總體設計

網(wǎng)絡監(jiān)控服務器采用Motorola ColdFire5272作為核心微處理器，它具有66 MHz的時鐘速度，內(nèi)部集成了2個串口控制器和一個以太網(wǎng)控制器?？焖僖蕴W(wǎng)媒體存取控制(MA C)，支持100Mbps MII，10Mbps MII和10Mbps7線實際接口符合USB1.1標準，可操作內(nèi)外收發(fā)器的設備控制器(devicecontroller)。時分多工(TDM)控制器，可使產(chǎn)品以物理級水平與外部編碼、ISDN收發(fā)器以及其它使用GCI(General Circuit Interface)或IDLI(Inter Chip Digital Link)串行接口協(xié)議的外圍設備連接。多信道HDLC軟件模塊QSPI模塊，提供帶有序列傳輸性能的串行外圍接口用于控制應用的脈沖寬度調(diào)制(PWM) 單元。同時還提供許多嵌入式應用產(chǎn)品所共有的外圍產(chǎn)品，如SDRAM控制器、DMA、計時器、UART、芯片選擇、通用I/0、片上存儲以及 ColdFire除錯模塊，所有這些都采取高效節(jié)省的方式，減少系統(tǒng)成本、加速系統(tǒng)設計。Linux是一個免費開源、微內(nèi)核的操作系統(tǒng)，支持數(shù)十種MPU 及其硬件平臺，對TCP/IP協(xié)議支持最完備，可提供穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)處理與網(wǎng)絡通信服務。uCLinux是一種優(yōu)秀的嵌入式Linux版本，它專門針對微控制領域而設計，廣泛應用于服務器領域。本項目設計的多媒體服務器在嵌入式Linux操作系統(tǒng)上開發(fā)與運行，設計出來的程序代碼具有良好的可復用性。與其他操作系統(tǒng)平臺上的同類設備相比，在以后二次開發(fā)及成本價格上都極具競爭力。多媒體服務器的功能模塊結構，如圖1所示。

2 功能實現(xiàn)

網(wǎng)絡監(jiān)控服務器根據(jù)用戶的配置以Pull和Push兩種方式發(fā)布數(shù)據(jù)。用戶在數(shù)據(jù)發(fā)送過程中修改參數(shù)，需要和配置服務通信來獲取參數(shù)修改的標志。網(wǎng)絡監(jiān)控服務器與客戶端每次建立多個會話連接。為了增加程序的可讀性、可移植性，根據(jù)數(shù)據(jù)的流向將整個軟件分為3層，分別是驅動層、數(shù)據(jù)封裝層和網(wǎng)絡發(fā)送層。

2. 1 驅動層

驅動層負責管理壓縮電路，配置壓縮參數(shù)，啟停壓縮，包括用戶層和底層硬件的通信。驅動層的數(shù)據(jù)管理使用循環(huán)隊列，重復使用相同的空間，隊列的長度是可以改變的，初始讀寫指針都指在0位置，當隊列長度改變時，放棄所有未用數(shù)據(jù)，指針重新指向0。當讀指針遇上寫指針時，說明隊列空，此時，掛起讀進程，直到有數(shù)據(jù)時再在中斷的低半層喚醒它。內(nèi)核數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)之間的傳送通過mmap系統(tǒng)調(diào)用，由用戶層申請內(nèi)存空間映射到內(nèi)核中。驅動層主要有4個重要的子模塊：初始模塊，命令處理模塊，中斷響應模塊，數(shù)據(jù)傳輸模塊。

1)初始模塊注冊字符設備;映射IME6400地址空間，設置相應的片選寄存器的數(shù)值，時序;注冊中斷響應函數(shù);初始化數(shù)據(jù)結構。

2)命令處理模塊置位IME6400設備，在程序第一次使用設備的時候使用，或者需要更新firmware的時候先置位一下。實現(xiàn)以下主要命令：

3)中斷響應模塊從IME6400的FIFO寄存器中讀取1024字節(jié)的流數(shù)據(jù)。依次填入循環(huán)緩沖隊列，移動寫指針;管理緩沖隊列，如果有足夠的數(shù)據(jù)，喚醒讀進程。

4)數(shù)據(jù)傳輸模塊如果有足夠的數(shù)據(jù)則讀取數(shù)據(jù)，移動讀指針。否則讀進程掛起，等待喚醒。

為了增加驅動程序的可用性，在底層驅動的基礎上增加一個用戶驅動層，把對驅動程序的調(diào)用封裝成一個個獨立的函數(shù)，這樣可以增加程序的可讀性和獨立性。用戶層驅動還有一個重要的功能就是管理用戶數(shù)據(jù)緩存區(qū)，從內(nèi)存出來的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理按幀為單位形成一個數(shù)據(jù)幀隊列，每個通道一個隊列。數(shù)據(jù)幀隊列的長度是可配置，數(shù)據(jù)發(fā)送太慢的時候，應該有相應的刪除多余幀的方法。包括刪除一個序列的p幀、刪除最早的I幀和相應的p幀序列、只保留音頻幀。所采用的方法由網(wǎng)絡發(fā)送情況決定，當網(wǎng)絡狀況差的時候，只發(fā)送音頻數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)封裝層

數(shù)據(jù)封裝層負責將從驅動層采集到的數(shù)據(jù)進行格式封裝，管理等待數(shù)據(jù)隊列，填充數(shù)據(jù)包頭，根據(jù)網(wǎng)絡情況丟棄部分數(shù)據(jù)。實現(xiàn)的方法有單線程和多線程兩種。

1)單線程的方法

單線程實現(xiàn)比較簡單。主體的過程是一樣的，可以把數(shù)據(jù)采集和分析封裝都放在一個循環(huán)中，每一次循環(huán)都做一次數(shù)據(jù)采集、封裝和發(fā)送，這樣任何一個層都應該是不阻塞的。但是這種方式的缺點是，任何一步都不能阻塞，實際上封裝發(fā)送都是需要一定時間的，這樣采集數(shù)據(jù)就不會很及時，效率不夠高。程序模塊劃不清晰，一個小改動都會導致其他部分的較大修改，不利于模塊化設計、修改和移植。

2)多線程的方法

在主程序中建立兩個線程：User Driver Thread和DataPactct Thread。UserDriverThread運行在用戶驅動層，負責收集數(shù)據(jù)，管理等待隊列。DataPactctThread運行在數(shù)據(jù)封裝層，從等待隊列中取出的數(shù)據(jù)經(jīng)過解析以后封裝后發(fā)送出去。這2個相鄰上下層線程之間相互通信過程，如圖2所示。在線程DataPactctThread中，數(shù)據(jù)分析器對象主要處理兩個對象，一個是屬于用戶驅動層的數(shù)據(jù)隊列，另外一個是發(fā)送層的發(fā)送器對象。實際上封裝層的任務就是把隊列中的數(shù)據(jù)去出來，分析以后填充包頭信息，交給下一層的發(fā)送層，數(shù)據(jù)根據(jù)不同對象分開發(fā)送，在發(fā)送層中采用不同的發(fā)送策略。

2.3 數(shù)據(jù)發(fā)送層

網(wǎng)絡數(shù)據(jù)發(fā)送層根據(jù)用戶的設置將封裝層的數(shù)據(jù)包發(fā)送到中心服務器，其發(fā)送過程，如圖3所示。在這層解決3個問題：用戶隊列管理、非阻塞發(fā)送、鏈路狀態(tài)監(jiān)測。

1)用戶隊列管理對于PULL方式，需要有對用戶等待隊列的管理。這種方式相對簡單，只需根據(jù)配置將數(shù)據(jù)發(fā)送到中心服務器或者發(fā)給本地瀏覽的用戶。在PULL發(fā)布方式時，同時支持多個用戶的在線瀏覽，這樣必須對用戶隊列進行管理，在播放器中有一個KEEP ALIVE機制，當5秒鐘沒有受到播放器的保持數(shù)據(jù)包，就認為用戶已經(jīng)離開，為了實現(xiàn)這樣一個機制，在等待隊列中的每一個用戶設置一個Count屬性，當達到一定數(shù)值的時候，將用戶刪除。

2)非阻塞發(fā)送在單線程中任何一個操作阻塞都會對其他操作造成問題，特別是在網(wǎng)絡發(fā)送時，無論是使用TCP還是UDP都要使用非阻塞的操作。特別是使用TCP傳送的時

候，除了設置套接字的非延遲屬性之外，還要實現(xiàn)非阻塞連接。

3)鏈路狀態(tài)監(jiān)測為了適應比較惡劣的網(wǎng)絡狀況，在用戶驅動層應該實現(xiàn)一定的丟包策略，發(fā)送層必須把統(tǒng)計的網(wǎng)絡狀況傳遞給用戶驅動層。網(wǎng)絡鏈路出現(xiàn)輕度阻塞時，要丟棄最近的P幀序列，網(wǎng)絡狀況正常的時候再恢復;嚴重阻塞時只發(fā)送音頻幀。

3 系統(tǒng)應用構建

將網(wǎng)絡監(jiān)控服務器部署在分布式網(wǎng)絡監(jiān)控應用系統(tǒng)中，如圖4所示，用戶通過分布式網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)實時訪問被監(jiān)測對象，對數(shù)據(jù)進行分發(fā)和控制管理，獲取實時數(shù)據(jù)，并存寫進存儲服務器。經(jīng)實驗測試，在此多用戶分布式網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)應用測試環(huán)境中，該服務器能實現(xiàn)7×24小時穩(wěn)定可靠運行，相比以往使用非實時非并發(fā)的網(wǎng)絡監(jiān)控服務器，提高了網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)整體性能。

4 結束語

將本設計網(wǎng)絡監(jiān)控服務器應用于分布式網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)，網(wǎng)絡攝像頭通過該系統(tǒng)監(jiān)控被管對象，對數(shù)據(jù)進行分發(fā)和控制管理，還可將這些數(shù)據(jù)寫入存儲服務器，供用戶以后調(diào)取。將設備部署于擁有用龐大分支機構的機關事業(yè)單位及大中型企業(yè)的網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)中運行測試，在多用戶網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)中，該設備在分布式實時網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)中運行穩(wěn)定可靠，提高了網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)整體性能。