CN113259268A

CN113259268A - 一种支持冗余架构的网口与串口数据转发网关及方法

Info

Publication number: CN113259268A
Application number: CN202110748610.XA
Authority: CN
Inventors: 张辉; 程明; 孙巍; 常海利
Original assignee: Beijing Urban Construction Intelligent Control Technology Co ltd
Current assignee: Beijing Urban Construction Intelligent Control Technology Co ltd
Priority date: 2021-07-02
Filing date: 2021-07-02
Publication date: 2021-08-13

Abstract

本发明涉及一种数据转发网关及方法，属于网络通信技术领域，具体是涉及一种支持冗余架构的网口与串口数据转发网关及方法。包括：在网关中维护一个用于存储经网络接口装置接收到的计算机发送的查询报文的查询队列；从所述查询队列中提取一条查询报文经串行接口装置发送至串口设备；通过所述串行接口装置接收所述串口设备响应于所述查询报文的回复报文；将所述回复报文与其对应的查询报文封装后经网络接口装置转发至与所述网络接口装置相连的所有计算机。该网关及方法利用原始查询报文以及带有优先级的存储队列转发手段提高了串口的利用率，解决了数据解析对特定计算机的依赖，并且可在多台计算机之间进行数据的相互校验。

Description

一种支持冗余架构的网口与串口数据转发网关及方法

技术领域

本发明涉及一种数据转发网关及方法，属于网络通信技术领域，具体是涉及一种支持冗余架构的网口与串口数据转发网关及方法。

背景技术

随着网络技术的发展，特别是云计算和大数据的普及，业界普遍使用以太网、光纤和无线等网络方式传递数据，但轨道交通、工业监控等传统领域，还有大量使用串行接口的设备，因此需要在串口与网络接口之间相互转发数据的网关（下文简称“网关”，特指此类在网络与串行总线之间转发数据的网关）。

追求高可靠性的场合往往部署至少两套相同的计算机***，以实现冗余架构。由于串口存在通信速率极低，不支持共享的固有特点,当有多个计算机***需要通过同一个串口与外设通信时，传统网关存在通信效率低等的问题。如附图1所示，为该场景下的一个示例。计算机1和计算机2分别与网关进行通信，争抢串口的使用权。由网关对所有的通信内容进行排队，依次通过串口发给外设，并将外设发回的数据返回给对应的计算机。

在很多场合，计算机1、计算机2发送相同的查询内容，外设返回相同的回复内容。串口线本身带宽不高，却传输了两份相同的数据，利用率只有50%，效率极低，很容易成为瓶颈。如果存在3个甚至更多的计算机都要使用一个串口，则情况更加恶化。

此外，由于计算机1、计算机2访问外设的时间不一致，可能得到的返回结果也不一致，两台计算机之间难以对数据进行比对。

该应用场景对网关的安全性也提出了高要求。网关需要记录数据的源头，并将串口线上收到的数据发给源头。如果误转发给其他源头，可能会产生错误，甚至导致严重后果。在高安全性场合，对网关的安全性要求极高，开发难度增大，成本增加。

附图2为另一现有技术的应用场景。在该场景下，指定计算机1通过串口对外设进行访问，并解析外设返回的数据，将解析结果同步给计算机2。在该场景下，所有的数据解析工作都由计算机1完成，其他计算机只能被动接受解析结果，几台计算机之间无法相互校验。不满足轨道交通等高安全性场合的要求。

本发明通过修改传统网关的设计方式，解决了在冗余计算机环境下，传统网关存在的上述问题。

发明内容

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

本发明主要的目的是解决现有技术中所存在的串口利用率低、数据解析的正确性依赖一台计算机，多个计算机之间无法进行数据的相互校验等技术问题，提出了一种支持冗余架构的网口与串口数据转发网关及方法，该网关及方法利用原始查询报文以及带有优先级的存储队列转发手段提高了串口的利用率，解决了数据解析对特定计算机的依赖，并且可在多台计算机之间进行数据的相互校验。

为解决上述问题，本发明的方案是：

一种支持冗余架构的网口与串口数据转发网关，包括：

网络接口装置，被配置为用于连接至少两个以上计算机；

串行接口装置，被配置为用于连接至少一个串口设备；

存储设备，被配置为用于存储并维护一个至少由所述计算机发送的查询报文构成的查询队列；

控制器，被配置为：

通过所述串行接口装置转发所述查询队列中的查询报文至串口设备；

通过所述串行接口装置接收所述串口设备响应于所述查询报文的回复报文；

封装所述回复报文以及与所述回复报文相关联的查询报文以形成网络回复报文；

将所述网络回复报文转发至与所述网络接口装置相连的至少两个以上计算机。

优选的，上述的一种支持冗余架构的网口与串口数据转发网关，所述查询报文包括优先级指定字段；所述控制器根据优先级指定字段所指定的优先级从所述查询队列中提取查询报文后经所述串行接口装置转发至串口设备。

优选的，上述的一种支持冗余架构的网口与串口数据转发网关，所述控制器按照优先级从高到低的顺序依次从所述查询队列中提取查询报文。

优选的，上述的一种支持冗余架构的网口与串口数据转发网关，所述回复报文中设置有查询报文指示字段，所述控制器根据所述查询报文指示字段关联所述回复报文对应的查询报文，并封装关联到的查询报文与所述回复报文。

优选的，上述的一种支持冗余架构的网口与串口数据转发网关，当所述查询队列中存在多条查询报文时，所述控制器对查询队列中下一条查询报文的转发与是否接收到上一条查询报文的回复是无关的。

一种支持冗余架构的网口与串口数据转发方法，包括：

在网关中维护一个用于存储经网络接口装置接收到的计算机发送的查询报文的查询队列；

从所述查询队列中提取一条查询报文经串行接口装置发送至串口设备；

将所述回复报文与其对应的查询报文封装后经网络接口装置转发至与所述网络接口装置相连的所有计算机。

优选的，上述的一种支持冗余架构的网口与串口数据转发方法，

依据发送查询报文的计算机所指定查询报文的优先级从所述查询队列中依次提取查询报文后经所述串行接口装置转发至串口设备。

按照优先级从高到低的顺序依次从所述查询队列中提取查询报文。

根据回复报文中设置的查询报文指示字段关联所述回复报文对应的查询报文，并封装关联到的查询报文与所述回复报文。

当所述查询队列中存在多条查询报文时，对查询队列中下一条查询报文的转发与是否接收到上一条查询报文的回复是无关的。

因此，相对于现有技术，本发明的优点是：

1．串口利用率高，同一数据只被采集一次，所有的计算机都能接收到，并且计算机可以不等串口返回数据，就给网关发送下一条查询数据，保证了串口的带宽可以得到最大限度的利用。

2．能够保证高优先级数据的时效性。本发明给串口转发数据时，通过带有优先级的存储队列转发，可以充分利用串口并且避免了高优先级的报文堵塞在队列中，保证了时效性。

3．安全性高。本发明中，每台计算机都收到了一份相同的数据，可以独立对数据进行解析，并对解析结果进行表决，保证了安全性。

4．一台计算机可以接多个网关，由于网关采用异步的通信方式，网关返回的报文带有原始查询报文作为参考，对解析过程不会造成影响，并且实现简单。

附图说明

并入本文并形成说明书的一部分的附图例示了本发明的实施例，并且附图与说明书一起进一步用于解释本发明的原理以及使得所属领域技术人员能够制作和使用本公开。

图1例示了计算机与串口设备连接的示意图；

图2例示了现有技术中的一种计算机与串口设备连接示意图；

图3例示了本发明实施例的数据转发流程图；

将参照附图描述本发明的实施例。

具体实施方式

实施例

本实施例的网络连接架构如图1所示。大多数场合下，计算机***通过串口给外部设备发送查询命令。外部设备接收到命令后，根据命令内容返回查询结果。本实施例也是基于这种使用场景设计，同时兼顾其他使用场景。

本实施例的支持冗余架构的网口与串口数据转发网关包括网络接口装置、串行接口装置、存储设备、控制器。

其中，网络接口装置被配置为用于连接至少两个以上计算机；串行接口装置被配置为用于连接至少一个串口设备。具体实施时，网络接口装置可以包括多个网口，串行接口装置可以包括多个串口，每个网口分别连接一个计算机，每个串口分别连接一个串口设备。当网口不够时，也可通过交换机相连，连接方式不影响本实施例的功能。

本实施例中，与网络接口装置相连的计算机仅有特定数量的计算机可以发送查询报文。例如，可以仅有一台计算机发送查询报文。

存储设备被配置为用于存储并维护一个至少由所述计算机发送的查询报文构成的查询队列。存储器可以由RAM、FLASH存储器构成。

控制器，被配置为：

本实施例中，控制器可以由嵌入式处理构成。本实施例的网关也可以为一个嵌入式计算机。

本实施例的查询报文包括优先级指定字段；所述控制器根据优先级指定字段所指定的优先级从所述查询队列中提取查询报文后经所述串行接口装置转发至串口设备。

作为一种优选的实施方式，所述控制器按照优先级从高到低的顺序依次从所述查询队列中提取查询报文。

本实施例中，所述回复报文中设置有查询报文指示字段，所述控制器根据所述查询报文指示字段关联所述回复报文对应的查询报文，并封装关联到的查询报文与所述回复报文。

本实施例中，当所述查询队列中存在多条查询报文时，所述控制器对查询队列中下一条查询报文的转发与是否接收到上一条查询报文的回复是无关的。例如，计算机1可以不等串口返回数据，就给网关发送下一条查询。由于网络速度远高于串口，这种方式保证了串口的带宽可以得到最大限度的利用。而网关返回的报文带有原始查询报文作为参考，对解析过程不会造成影响。

本实施例的一种支持冗余架构的网口与串口数据转发方法，包括：

作为一种优选方式，本实施例根据回复报文中设置的查询报文指示字段关联所述回复报文对应的查询报文，并封装关联到的查询报文与所述回复报文。

作为一种优选方式，本实施例当所述查询队列中存在多条查询报文时，对查询队列中下一条查询报文的转发与是否接收到上一条查询报文的回复是无关的。

本实施例的网关将串口发来的报文转发给计算机时，带有原始查询报文。这样做一方面可以让其他计算机得到完整的会话，从中解析出有价值的信息；另一方面网关可以以异步的方式工作，也就是说计算机不用等前一条报文的回复，即可发送下一条报文。

作为一种优选方式，本实施例依据发送查询报文的计算机所指定查询报文的优先级从所述查询队列中依次提取查询报文后经所述串行接口装置转发至串口设备。例如，可以按照优先级从高到低的顺序依次从所述查询队列中提取查询报文。

采用上述方案后，本实施例给串口转发数据时，通过带有优先级的存储队列转发。这样做一方面可以充分利用串口，另一方面，优先级机制避免了高优先级的报文堵塞在队列中，保证了时效性。

下面结合际图3对本实施例的方法作进一步说明。

计算机1发送查询报文1，本发明的网关接收后，将其存放在自己的存储区队列中。计算机1可以不等外设返回，继续给网关发送查询报文2、3……直到队列的存储区占满。

与此同时，本发明的网关从自己的存储区队列中根据优先级取出一条报文，将其转发到串口上，通过串口发送给外部设备。待外部设备回复报文后，本发明的网关将计算机1发送的查询报文，连同外部设备返回的报文，采用特定格式封装后，同步发给所有的计算机。各计算机根据查询报文，可以知道回复报文是针对什么查询的回复，然后对回复报文进行解析。

网关的报文存储队列具有多个优先级，计算机1发送报文时可指定优先级。网关在通过串口给外部设备发送报文时，优先发送高优先级的报文。这样可以保证对外部设备发送的高优先级报文（比如控制命令）的时效性。

通过以上描述可知，本发明实施例具有以下优点：

串口利用率高。本实施例中，同一数据只被采集一次，所有的计算机都能接收到，解决了现有技术1中同一数据每台计算机都要采集一遍的不足。此外，计算机1可以不等串口返回数据，就给网关发送下一条查询。由于网络速度远高于串口，这种方式保证了串口的带宽可以得到最大限度的利用。而网关返回的报文带有原始查询报文作为参考，对解析过程不会造成影响。

安全性高。本实施例中，每台计算机都收到了一份相同的数据，可以独立对数据进行解析，并对解析结果进行表决，保证了安全性。

一台计算机可以接多个网关，由于网关采用异步的通信方式（即第2条报文不需要等收到第1条的回复后再发出），编程简单。

注意到，本发明的说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”、“一些实施例”等的引用指示所描述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但是每个实施例可以不必包括所述特定特征、结构或特性。而且，这样的短语不必指代同一实施例。此外，当结合实施例描述特定特征、结构或特性时，无论是否明确描述，结合其他实施例来实现这样的特征、结构或特性将在所属领域的技术人员的知识范围内。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

本实施例中，尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。

本领域技术人员将进一步领会，结合本文中所公开的实施例来描述的各种解说性逻辑板块、模块、电路、和算法步骤可实现为电子硬件、计算机软件、或这两者的组合。为清楚地解说硬件与软件的这一可互换性，各种解说性组件、框、模块、电路、和步骤在上面是以其功能性的形式作一般化描述的。此类功能性是被实现为硬件还是软件取决于具体应用和施加于整体***的设计约束。技术人员对于每种特定应用可用不同的方式来实现所描述的功能性，但这样的实现决策不应被解读成导致脱离了本发明的范围。

结合本文中公开的实施例描述的方法或算法的步骤可直接在硬件中、在由处理器执行的软件模块中、或在这两者的组合中体现。软件模块可驻留在RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动盘、CD-ROM、或本领域中所知的任何其他形式的存储介质中。示例性存储介质耦合到处理器以使得该处理器能从/向该存储介质读取和写入信息。在替换方案中，存储介质可以被整合到处理器。处理器和存储介质可驻留在ASIC中。ASIC可驻留在用户终端中。在替换方案中，处理器和存储介质可作为分立组件驻留在用户终端中。

在一个或多个示例性实施例中，所描述的功能可在硬件、软件、固件或其任何组合中实现。如果在软件中实现为计算机程序产品，则各功能可以作为一条或更多条指令或代码存储在计算机可读介质上或藉其进行传送。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质两者，其包括促成计算机程序从一地向另一地转移的任何介质。存储介质可以是能被计算机访问的任何可用介质。作为示例而非限定，这样的计算机可读介质可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁存储设备、或能被用来携带或存储指令或数据结构形式的合意程序代码且能被计算机访问的任何其它介质。任何连接也被正当地称为计算机可读介质。例如，如果软件是使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字订户线(DSL)、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术从web网站、服务器、或其它远程源传送而来，则该同轴电缆、光纤电缆、双绞线、DSL、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术就被包括在介质的定义之中。如本文中所使用的盘(disk)和碟(disc)包括压缩碟(CD)、激光碟、光碟、数字多用碟(DVD)、软盘和蓝光碟，其中盘(disk)往往以磁的方式再现数据，而碟(disc)用激光以光学方式再现数据。上述的组合也应被包括在计算机可读介质的范围内。

Claims

1.一种支持冗余架构的网口与串口数据转发网关，其特征在于，包括：

网络接口装置，被配置为用于连接至少两个以上计算机；

串行接口装置，被配置为用于连接至少一个串口设备；

控制器，被配置为：

2.根据权利要求1所述的一种支持冗余架构的网口与串口数据转发网关，其特征在于，所述查询报文包括优先级指定字段；所述控制器根据优先级指定字段所指定的优先级从所述查询队列中提取查询报文后经所述串行接口装置转发至串口设备。

3.根据权利要求2所述的一种支持冗余架构的网口与串口数据转发网关，其特征在于，所述控制器按照优先级从高到低的顺序依次从所述查询队列中提取查询报文。

4.根据权利要求1所述的一种支持冗余架构的网口与串口数据转发网关，其特征在于，所述回复报文中设置有查询报文指示字段，所述控制器根据所述查询报文指示字段关联所述回复报文对应的查询报文，并封装关联到的查询报文与所述回复报文。

5.根据权利要求1所述的一种支持冗余架构的网口与串口数据转发网关，其特征在于，当所述查询队列中存在多条查询报文时，所述控制器对查询队列中下一条查询报文的转发与是否接收到上一条查询报文的回复是无关的。

6.一种支持冗余架构的网口与串口数据转发方法，其特征在于，包括：

7.根据权利要求6所述的一种支持冗余架构的网口与串口数据转发方法，其特征在于，

8.根据权利要求7所述的一种支持冗余架构的网口与串口数据转发方法，其特征在于，按照优先级从高到低的顺序依次从所述查询队列中提取查询报文。

9.根据权利要求6所述的一种支持冗余架构的网口与串口数据转发方法，其特征在于，根据回复报文中设置的查询报文指示字段关联所述回复报文对应的查询报文，并封装关联到的查询报文与所述回复报文。

10.根据权利要求6所述的一种支持冗余架构的网口与串口数据转发方法，其特征在于，当所述查询队列中存在多条查询报文时，对查询队列中下一条查询报文的转发与是否接收到上一条查询报文的回复是无关的。