嵌入式通信系统中间件研究

卢远征

摘 要：嵌入式通信系统的广泛应用使得网络系统互连成为大势所趋。作为嵌入式通信系统的关键构件——中间件，其具有异构性、异质性、对等性等特征。嵌入式中间件即应用在嵌入式通信系统的中间件，但嵌入式中间件与传统的中间件相比，由于嵌入式环境的资源限制，嵌入式通信系统的中间件功能和结构要更为紧凑，实时性也更高。本文分析了嵌入式通信系统的中间件的架构，为解决嵌入式通信系统互连的通信问题提供可行性方案。

关键词：嵌入式通信；中间件；马尔可夫决策过程；路由算法

一、嵌入式通信系统中间件概述

1. 嵌入式通信系统中间件

中间件系一种独立的系统软件程序或者服务程序，其提供一个网络的化高层抽象集合。嵌入式通信系统的中间件的作用是将编程人员从复杂的联系中解脱出来，并提供安全的消息、目录、服务和文件等功能。嵌入式通信系统软件开发者需要屏蔽底层、繁琐、易错的细节，同时又起到互连、互动的作用，嵌入式通信系统借助中间件在不同的技术之间共享资源。因此，嵌入式通信系统下的中间件可以简化为中间件平台通信。

2. 嵌入式通信系统中间件的功能模块

研究嵌入式通信系统中间件，需先分析其功能模块。对实时编程、构件技术进行分析，可以提高信息协同能力。对消息传递、排队技术进行分析，建立网络通信通道。进行数据、文件发送设计，可以适应多种嵌入式操作系统环境，亦可运行于单任务或无操作系统支撑的环境。支持可扩充性的嵌入式通信系统技术，可以满足嵌入式通信系统的实时性。嵌入式通信系统中间件在上述过程中完成以下功能：自动发现通信设备；屏蔽配置通信设备异构性；消息的路由传递和排队；建立网络通信的通道；控制数据、文件传输。

二、嵌入式通信系统中间件的系统架构

1. 嵌入式通信系统中间件整体架构

嵌入式通信系统的中间件的核心安装在设备的物理层之上，位于需要进行消息传递的位置。向下游需要屏蔽不同设备系统、通信协议产生的异构性，向上游需要根据不同应用，建立逻辑通道，使消息从发送方传递到接收方，实现嵌入式异构对等异质网络的通信目的。

在嵌入式通信系统中间件层，面向应用程序的部分作为通信接口，对应用程序调用。该接口的运行与具体的操作系统无关，仅为用户使用的统一规范的调用接口。在编写应用程序时，毋需调用具体操作系统，亦毋需与具体硬件调用，所有通信功能皆由调用中间件接口完成。对用户端而言，该层完整地提供了虚拟的通信功能。

2. 嵌入式通信系统中间件设计层次

嵌入式通信系统的中间件处在物理层上，向下游需要屏蔽设备的异构性，向上游需要提供统一的接口，用以供应用程序或者供用户端直接使用。嵌入式通信系统一般采用层次设计的方式，把中间件分为既独立又互相调用的六个层次：驱动层；路由层；接口层；应用层；传输层和链路层。

驱动层包括所有与硬件相关或无关的设备驱动；接口层方便嵌入式通信系统的通信中间件能够在不同操作系统之间自由移植；链路层控制与之直接相连的设备之间的通信时序性、同步性和差错控制；路由层实现消息在多个设备组成的互连网络中的寻找最优路经，建立数据包排队机制；传输层为用户端提供端到端的传输；应用层根据不同应用，来选择不同传输控制级别和路由层协议。

三、嵌入式通信系统中间件的马尔可夫决策

1. 嵌入式通信系统中间件链路的因素

在嵌入式环境下进行转发，需要考虑如邻居节点的处理能力、能量供应、内存资源情况、连通度、链路的延时、物理移动性、设备对链路介质本身的偏好性传送速度和流量负载、等链路及与其相连的邻居节点的因素。嵌入式通信系统根据可否发生变化的性质，将这些因素分为时变性因素或确定性因素。

2. 嵌入式通信系统中间件的马尔可夫决策过程

马尔可夫决策过程即著名的马氏过程，作为系统序列决策的一种方法，系高效、低能耗的系统决策方式。序列决策即特定过程在系统中处于一定状态，根据其状态选择一个行动，被称为决策。马尔可夫决策过程对系统的运行有两个影响：一是产生即得费用；二是系统的状态会依此行动有关的规律在下一个阶段转移到新的状态。重复与开始时相同的问题，亦即为选取时刻的决策。往复循环，直至确定一个过程的决策序列——策略。归根结底，序列决策问题就是要在第一个决策之前已然选好一个策略，使决策序列相对应的报酬序列中效用函数值在此策略下达到最优。

四、嵌入式通信系统中间件协议

1. 嵌入式通信系统中间件单播路由过程

嵌入式通信系统中间件在通信时的单播路由工作过程是：首先，查找本地路由表，若查找到目的地的路由表项，下一步按照指示发送，否则继续查找；其次，寻找路径，在源节点广播路径选择请求，进而在各设备之间采用泛洪模式传递请求。整个决策过程由嵌入式通信系统目的设备节点发起，再计算初始试，将计算值传递给相邻设备节点。在后期各阶段，各设备之间分别计算。当阶段算法即将结束时，设备节点、源皆产生本地决策。在路由表中加入新的路由表项，作为目的地址，并继续加为下一跳。最后需要初始化此表项路由的超时定时器值，至此路由计算过程方结束。在各设备之间定期的广播消息中发现、保持邻居的信息，利用链路状态更新策略，在邻居节点之间传递费用向量，并将其记录在自己的邻居表中。

2. 嵌入式通信系统中间件的链路状态的更新

嵌入式通信系统中间件的链路状态的更新系基于发生事件，进而导致链路的时变性因素发生变化，此时必须进行的新链路状态通告。嵌入式通信系统的中间件链路状态更新不及时，将会导致信息错误。不精确的链路状态下的路由器，将会关注多种时变性因素的状态更新问题。根据各时变因素的性质，可以采取两种更新方法：一是阂值事件更新，二是外部事件更新。前者用于因传输数据而发生变化的因素，其处理器的处理能力、能量、内存、链路可用带宽更新，当变化幅度大于某阂值时，则自动更新；后者用于由于嵌入式通信系統设备本身的拆除、加入，因此而产生变化的因素节点的连通性或者移动概率。

参考文献

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