隨著數采監(jiān)控系統(tǒng)SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition)業(yè)務集成的深入發(fā)展，敏捷、不受限制的采集數據的集成已成為關鍵的業(yè)務需求。企業(yè)的發(fā)展不僅需要引進一些新的應用數據服務器系統(tǒng)，而且要整合舊的數據應用服務器系統(tǒng)，以實現(xiàn)整個企業(yè)之間甚至不同企業(yè)之間的采集數據信息的共享和更新。為實現(xiàn)異構協(xié)議數據應用服務器之間的信息共享，需對其傳輸的數據信息進行變換，實現(xiàn)各傳輸協(xié)議之間的集成轉換。

    解決協(xié)議集成轉換的典型方法，主要有“ESB服務總線”、“Mule服務總線”、“基于JBI的ServiceMix服務總線”以及“CXF服務總線”[1]，但這些方法只支持標準的數據傳輸協(xié)議，不能集成各種異構數據應用服務器自定義的協(xié)議，無法滿足企業(yè)的各種采集數據信息共享與升級的實際需求。有鑒于此，對異構數據自定義協(xié)議集成的研究和分析，具有一定的現(xiàn)實意義。
1 系統(tǒng)設計
    針對目前市場上協(xié)議轉換方法的不足，本文構建一個能支持自定義協(xié)議集成的系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過用戶配置其自定義協(xié)議，不僅實現(xiàn)接收自定義應用傳輸協(xié)議的數據流并進行解析，而且能發(fā)送自定義應用協(xié)議的數據給其他異構通信應用服務器。此外，系統(tǒng)能支持用戶自定義協(xié)議解析規(guī)則，具有良好的擴展性，并具有穩(wěn)定可靠、處理能力強、管理方便等特點。
1.1 系統(tǒng)結構設計
    系統(tǒng)可分為應用層、業(yè)務層與資源層三個部分。應用層負責對異構數據協(xié)議的各種應用管理及動態(tài)展示實時數據等應用功能。業(yè)務層是整個系統(tǒng)的核心層，不僅負責監(jiān)聽計算機各不同端口，對接收的數據流進行識別、解析以及存儲、分發(fā)等各種處理，而且為整個系統(tǒng)提供數據支撐，及各種數據的增、刪、查、改等數據操作功能；資源層包括本系統(tǒng)所有的數據資源，即數據庫、系統(tǒng)臨時數據及外部采集系統(tǒng)發(fā)送的數據流。系統(tǒng)的結構如圖1所示。

1.2 異構數據協(xié)議解析規(guī)則分析及其管理設計
    協(xié)議解析規(guī)則是在解析協(xié)議時對協(xié)議數據流的處理手段。綜合分析各種標準應用協(xié)議及各用戶自定義協(xié)議，大致有三種不同的協(xié)議解析規(guī)則：(1)控制規(guī)則：協(xié)議解析時對整體數據流的處理手段，如協(xié)議是否需要回復、校驗和及協(xié)議序列號等；(2)數據前處理規(guī)則：對單個協(xié)議數據解析前的處理手段，如解析前對單個數據字節(jié)大小端進行的變換；(3)數據解析后處理規(guī)則：對已解析出來的單個數據進行處理的規(guī)則，如將解析出的數據乘以標定。
    規(guī)則管理設計原則是用戶能方便地加載自己定制的協(xié)議解析規(guī)則，使得系統(tǒng)具有更強的擴展性。本系統(tǒng)擬采取數據庫機制,在系統(tǒng)的應用層增加管理功能實現(xiàn)。
1.3 自定義異構數據協(xié)議模型設計
    協(xié)議格式模型的設計原則是保證協(xié)議格式能符合大部分用戶的需求，使得系統(tǒng)具有高度的靈活性和廣泛的適應性。
    異構協(xié)議的具體幀格式由用戶自由配置。協(xié)議格式由包頭、命令區(qū)、數據區(qū)以及包尾組成，格式配置模型如圖2所示。

    考慮到實際應用中各自定義的數據協(xié)議格式因需而異，協(xié)議格式框架中的包頭、命令區(qū)以及包尾是協(xié)議的可選部分，在配置時可根據協(xié)議具體需求選擇。數據區(qū)是協(xié)議不可缺少的部分，協(xié)議的數據流包含的類型有數據類型與非數據類型。數據類型是字節(jié)型、短整型、整型、長整型、浮點型及雙精度型以及它們各自的數組類型組成；非數據類型為字符串類型。
　命令區(qū)存放的是協(xié)議的控制數據流，解析協(xié)議數據流時按命令區(qū)類型進行解析。當命令區(qū)參數不為空時，將解析結果與參數相比對，相等則調用對應的協(xié)議控制規(guī)則；當命令區(qū)參數為空時，可直接調用對應的協(xié)議控制規(guī)則進行校驗。
    數據區(qū)存放的是協(xié)議的消息數據，其類型為數據類型，用戶可對數據在解析前后進行必要的處理。
2 系統(tǒng)實現(xiàn)
    系統(tǒng)使用基于J2EE平臺設計，從而實現(xiàn)了跨平臺、可復用、易維護等特性。系統(tǒng)整體使用了Spring+Hibernate框架進行開發(fā)。系統(tǒng)依賴于Spring的IOC功能對各JavaBean進行管理，促進系統(tǒng)功能模塊間的松耦合。同時系統(tǒng)使用Spring對數據資源進行事務管理，保證系統(tǒng)數據的完整性和系統(tǒng)性能的高效性[2]。系統(tǒng)采用Hibernate框架，以完全面向對象的思想對數據進行管理與優(yōu)化，完全隔離了底層數據庫機制，使得系統(tǒng)適用于Mysql、Sql Server及Oracle等數據庫[3]。
   系統(tǒng)包括通信模塊、應用管理模塊和數據管理模塊三個部分。模塊之間有連接接口或者由數據池進行控制連接。通信模塊與應用管理模塊為本系統(tǒng)的核心部分，數據管理模塊為其他模塊提供數據支撐。
2.1 通信模塊
    系統(tǒng)采取NIO Socket通信技術以及多線程機制進行實現(xiàn)通信模塊，提高了系統(tǒng)的并發(fā)處理能力、優(yōu)化了系統(tǒng)的響應速度。通信模塊的組成如圖3所示。

2.1.1 數據接收及協(xié)議識別、解析模塊
    協(xié)議的識別與解析是系統(tǒng)的核心功能，正確、高效地進行協(xié)議的識別與解析是系統(tǒng)運行的保障。在此功能模塊中，系統(tǒng)基于Mina通信框架進行擴展、開發(fā)。Mina框架是由Java技術開發(fā)的一種用于開發(fā)高性能和高可用性的網絡應用程序的基礎框架，該框架具有多協(xié)議支持、多端口監(jiān)聽、異步通信等優(yōu)點[4]。利用Mina框架，不僅可在同一端口監(jiān)聽不同協(xié)議的數據流，而且可在多個端口監(jiān)聽獲取數據流。模塊解析數據時，考慮到網絡延遲及TCP/IP的數據采用的是分組傳輸方式,將上次解碼剩余的碼流存放起來，與下次同一Session接收的數據流合并進行整合解碼。 模塊解析數據工作流程如圖4所示。

    系統(tǒng)根據動態(tài)注冊的協(xié)議判別監(jiān)聽不同的端口，接收各采集系統(tǒng)發(fā)送的數據流,利用Mina框架的數據過濾機制和數據緩沖機制，對數據流實現(xiàn)“收”慢—“解析”快的策略。合并數據流之后，模塊聯(lián)合協(xié)議端口匹配、特征匹配等多種協(xié)議匹配方式對數據進行協(xié)議匹配，確保協(xié)議匹配的精準性。
2.1.2 對外數據接口模塊
    系統(tǒng)采用一個線程實現(xiàn)此功能模塊。線程在系統(tǒng)啟動時初始化運行，用于維護解析成功數據的哈希表并分發(fā)數據。當有解析成功的數據放入表中時，此線程從休眠狀態(tài)被喚醒，取出哈希表中的數據，進行三方面的分發(fā)：(1)如果此協(xié)議正在被用戶查看實時數據，則線程向界面推送協(xié)議的實時數據進行顯示； (2)發(fā)送給數據存儲模塊，進行協(xié)議數據的存儲；(3)查詢系統(tǒng)與外部數據請求系統(tǒng)進行通信的(協(xié)議,Session)哈希表，根據條件將數據發(fā)送給對外數據接口模塊,使其向外部請求數據系統(tǒng)發(fā)送實時數據。如此輪詢分發(fā)完畢解析成功的數據后，線程進入休眠狀態(tài)。線程采取“休眠—喚醒”機制，減少了系統(tǒng)占用的內存資源，優(yōu)化了系統(tǒng)的性能。
2.1.3 對外數據接口功能
    外部系統(tǒng)的數據請求分為兩種：實時數據請求與歷史數據請求。系統(tǒng)與外部系統(tǒng)建立連接，根據外部系統(tǒng)的請求類型進行不同的處理：(1)實時數據請求：維護系統(tǒng)的通信(協(xié)議,Session)哈希表，發(fā)送所請求協(xié)議的實時數據;(2)歷史數據請求：根據所請求的協(xié)議時間范圍查詢數據庫，返回相應的數據。
2.2 數據管理模塊
    數據管理模塊充分利用Hibernate框架出色的對象/關系數據庫映射、靈活的數據庫數據池管理、面向對象的HQL語言等優(yōu)點，為其他模塊提供數據存儲、數據更新、數據查詢等功能。
2.3 應用管理模塊
    應用管理模塊負責系統(tǒng)應用層的功能管理，包括協(xié)議編輯管理、協(xié)議解析規(guī)則管理、協(xié)議生命周期管理及實時數據顯示四個應用功能模塊。協(xié)議編輯管理與協(xié)議解析規(guī)則管理主要以數據管理模塊為支撐，而協(xié)議生命周期管理和實時數據顯示模塊是與通信模塊進行交互實現(xiàn)。
2.3.1 協(xié)議編輯管理功能模塊
    協(xié)議編輯管理功能模塊包括對數據協(xié)議的增、刪、查、改四個應用功能。系統(tǒng)以異構數據協(xié)議模型為原型，建立數據協(xié)議格式的配置界面。協(xié)議的新增、修改與查看功能通過協(xié)議格式配置界面進行相應操作。
2.3.2 自定義協(xié)議規(guī)則管理功能模塊
    系統(tǒng)將自定義的協(xié)議控制規(guī)則和數據處理策略存儲在數據庫中。用戶可以采用Java語言開發(fā)實現(xiàn)系統(tǒng)定義的規(guī)則接口，開發(fā)自己的協(xié)議規(guī)則，將生成的.class文件導入系統(tǒng)數據庫。用戶也可以通過界面刪除相應的協(xié)議控制規(guī)則或者數據處理策略。
2.3.3 協(xié)議生命周期管理功能模塊
     協(xié)議的生命周期是協(xié)議在系統(tǒng)中動態(tài)注冊至撤銷的時間周期，其管理功能模塊包括協(xié)議動態(tài)注冊與撤消兩個功能。此功能模塊與通信模塊進行交互，利用通信模塊中Mina框架的動態(tài)多端口監(jiān)聽的特性，向框架實例進行動態(tài)注冊與撤消，從而維護系統(tǒng)協(xié)議哈希表中的協(xié)議。
2.3.4 實時數據顯示功能
    系統(tǒng)利用Java的Swing庫為每個注冊協(xié)議動態(tài)生成一個JPanel，通過單例模式管理每個JPanel的句柄。當通信模塊分發(fā)解析出協(xié)議數據時，系統(tǒng)通過句柄調用相應的JPanel并向其增添實時數據。當用戶查看相應協(xié)議的實時數據時，系統(tǒng)將該協(xié)議的JPanel設置為可視狀態(tài)，從而向用戶展示實時接收到的整體數據。
    本文設計并實現(xiàn)了一種基于Java語言開發(fā)的異構數據協(xié)議集成通信系統(tǒng)，介紹了異構數據協(xié)議格式模型以及該系統(tǒng)的各功能模塊。系統(tǒng)核心部分采用NIO Socket技術以及多線程機制實現(xiàn)，使系統(tǒng)的性能得以極大提高，同時具有良好的靈活性、平臺無關性及高擴展性。本系統(tǒng)為采集數據的轉換集成提供了一種新的實現(xiàn)途徑，具有一定的創(chuàng)新和實用價值。
參考文獻
[1] 梁愛虎. SOA思想、技術與系統(tǒng)集成應用詳解[M].北京：電子工業(yè)出版社,2007.
[2] WALLS C, BREIDENBACH R. Spring in Action[M].America: Manning Publications, 2005.
[3] BAUER C, KING G. Hibernate in action[M]. Ameircn: Manning Publications,2004.
[4] The Apache Software Foundation. Apache Mina[EB/OL].[2011-06-16]. http://mina.apache.org.