使用命名管道(NPFS)技术进行生产过程监控

维普资讯

机电工程２００２年第ｌ９卷第６期　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｍａｇａｚｉｎｅ　Ｖｏ１．１９　Ｎｏ．６　２００２　

使用命名管道（ＮＰＦＳ）技术进行生产过程监控　

艾欣，张光新，周泽魁　

（浙江大学工业控制技术国家重点实验室，浙江杭州　３１００２７）　

摘要：阐述了常见的几种实现远程监控的通信方法，着重介绍了命名管道这种方法，并结合实际　

应用证实了其可靠性。　

关键词：命名管道；网络通信；ＮＰＦＳ；多线程　

中图分类号：ＴＰ２９　文献标识码：Ａ　文章编号：１００１—４５５１（２００２）０６—００４３—０３　

Ａｐｐｆｉｃａｆｉｏｎ　ｏｆ　Ｎａｍｅｄ　Ｐｉｐｅｓ　ｉｎ　Ｒｅｍｏｔｅ　Ｐｒｏｃｅｓｓ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　

ＡＩ　Ｘｉｎ，ＺＨＡＮＧ　Ｇｕａｎｇ．ｘｉｎ，ＺＨＯＵ　Ｚｅ．ｋｕｉ　

（Ｎａｔｉｏｎａｌ　ｌａｂ．ｏｆＩｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ　３１００２７）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｓｅｖｅｒａｌ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ｍａｉｎｌｙ　ｅｘｐａｎｄｓ　ｓｏｍｅ　ｄｅｔａｉｌｓ　ｏｆ　ｎａｍｅｄ　ｐｉｐｅｓ　ｆｒｉｅｓ　ｓｙｓ—　

ｔｅｍ（ＮＰＦＳ），ｕｓｉｎｇ　ａ　ｅｘａｍｐｌｅ　ｔｏ　ｐｒｏｖｅｄ　ｔｈｅ　ｓｔａｂｉｈｔｙ　ｆ　ｏｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｎａｍｅｄ　ｐｉｐｅｓ；ＮＰＦＳ；ｎｅｔｗｏｒｋ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ；ｍｎｌｔｉｔｈｒｅａｄｉｇ　ｎ

１引言　

之间或在跨越整个网络的不同进程之间，协助进行　

随着计算机广泛应用，许多企业都在其内部构　

建了属于自己的厂域网络系统，并且对控制软件提　

出了远程监控实时生产数据的要求，这就要求提供　

一

消息的传输。邮槽不要求对Ｔ℃Ｐ／ＩＰ或者ＩＰＣ这样　

的基层网络传送协议有着非常深入的了解。由于邮　

槽是围绕一个广播通信体系设计出来的，所以当然　

不能指望能通过它实现数据的“可靠”传输。然而，　

在某些特殊类型的网络构成环境中，假如对数据传　

个简单可靠的服务器／客户模型，以现场的工控机　

为服务器，其他网络内的计算机可以有选择的对其　

感兴趣的数据进行监控，例如温度／压力曲线、实时　

流量等等。许多客户不仅仅需要实时读取的数据，　

还需要从硬盘上读取一些存盘数据。另外由于工厂　

在不断发展，故可能有更多的客户机要求得到数据　

访问，即在服务器／客户系统构建好之后仍然会有客　

户不断加入，而这些客户的ＩＰ地址是未知的。这需　

要使用对ＩＰ硬件地址不敏感的通信方法来建立局　

域网系统。　

输的可靠性要求不高，那么邮槽忍让是一种非常有　

价值的技术。但是需要注意的是，在Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＮＴ以　

及Ｗｉｎｄｏｗｓ　２０００中数据报的格式不能超过４２４字　

节，故如果在发送或者接受方的主机中任何一方使　

用了以上操作系统，只能获得所有字节中的前４２４　

个，该技术的另外一个缺点是数据报发送是一种非　

面向连接的，故其可靠性并不能满足较高的要求。　

２．２使用Ｗｉｎｓｏｃｋ　ＡＰＩ函数进行通信　

２常见网络通信方法　

目前常采用邮槽、Ｓｏｃｋｅｔ、命名管道和ＮｅｔＢＩＯＳ　

协议以及其他协议和网络硬件等多种编程方法实现　

网络的数据传输，其中最受人们欢迎的方法是采用　

Ｓｏｃｋｅｔ、命名管道和ＮｅｔＢＩＯＳ协议进行编程。　

Ｗｉｎｓｏｃｋ是一种广泛应用的通信编程接口，它可　

以通过参数的设置选择可靠的面向连接或无连接的　

网络通信模式。常用的编程模式分别为：客户／服务　

器模式；点对点连接；远程过程调用（ＲＰＣ）等３种，　

也可以有选择的进行ＩＰ、ＡＴＭ地址多播，实现多点　

２．１邮槽方法（Ｍａｉｌｓｌｏｔ）　

通过邮槽，客户机进程可将消息传送或广播给　

一

通信。其缺点是编程较其他方法复杂，另外要实现　

多播时如果远程计算机地址更改或者增加播放为原　

有多播地址范围之外的，就要修改ＩＰ地址或者更改　

个或多个服务器进程。在同一计算机的不同进程　

收稿日期：２００２—０９—１８　

作者简介：艾欣（１９７９一），男，重庆人，浙江大学信息学院控制系硕士研究生，主要研究方向为：检测技术和自动化装置。　

维普资讯

Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆Ｅｌｃｔｅｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｌＭａ￣ｚｉｎｅ　Ｖｏ１．１９　Ｎｏ．６　２００２　机电工程２００２年第ｌ９卷第６期　

设置。最后，在不同的协议之下的定址方法是不相　

同的，增加了编程的复杂性。　

２．３使用ＮｅｔＢＩＯＳ接口编程　

（１）使用ＷａｉｔＮａｍｅｄＰｉｐｅ等候一个命名管道可供　

自己使用；　

（２）使用ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ函数建立同服务器的连接；　

（３）若连接成功，调用ＲｅａｄＦｉｌｅ，ＷｒｉｔｅＦｉｌｅ函数进　

行管道读与写操作；　

（４）调用ＣｌｏｓｅＨａｎｄｌｅ函数关闭管道句柄。　

当服务器进程调用ＣｒｅａｔｅＮａｍｅｄＰｉｐｅ函数创建　

一

ＮｅｔＢＩＯＳ同时提供了面向连接和无连接两种模　

式。与Ｗｉｎｓｏｃｋ接口相比，ＮｅｔＢＩＯＳ接口的一项重要　

优点在于：它提供了一种统一的名字解析及注册方　

法。对一个ＮｅｔＢＩＯＳ来说，它只需要一个ＮｅｔＢＩＯＳ名　

字便可工作，Ｗｉｎｓｏｃｋ则不同，假如它利用了不同的　

条命名管道时，服务器进程为所建立的命名管道　

协议，那么每种协议的定址方案都要考虑到。尽管　

ＮｅｔＢＩＯＳ接口功能非常强大，但可惜的是，由于问世　

提供一个名字，其他进程无论是本地的还是远程的，　

均可以使用该管道与那些建立管道的进程通信。一　

较早，它在功能上存在着诸多限制，已不适合现在的　

需要，除了少数点对点的通信还在使用外，一般都不　

太使用。　

２．４命名管道（ＮＰＦＳ）方法　

ＮＰＦＳ是首先在ＵＮＩＸ　ＳＹＳＴＥＭ上实现的一种进　

程间通信机制。因为采用先进先出的方式来写／读　

数据，又被称之为ＦＩＦＯ。这种进程间通信机制在　

Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ　Ｗｉｎｄｏｗｓ系列操作系统中被称为命名管道，　

因为其编程简捷，操作简单，而且不依附于具体协　

议，支持可靠的、单向或者双向数据通信。其通信程　

序适用范围更广、通用性更强，便于移植且能适应于　

网络升级。因此，利用命名管道，结合Ｗｉｎ３２中多线　

程编程实现Ｗｉｎ３２组网环境下的实时数据通信，是　

当前网络通信应用的热门课题，它还有一个突出的　

优点就是能直接使用Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＮＴ或Ｗｉｎｄｏｗｓ２０００的　

安全机制，这是其他网络技术均不具备的一项好处。　

３使用命名管道进行网络通信　

３．１创建服务器及客户机　

命名管道是由应用程序指定的唯一名字的单向　

或双向管道进程通过名字而不是句柄访问命名管　

道。在使用命名管道的应用程序中，设计两类进程：　

服务器进程和客户进程。命名管道操作，如图１所　

示。其操作步骤说明如下：　

服务方：　

（１）使用ＣｒｅａｔｅＮａｍｅｄＰｉｐｅ函数创建命名管道；　

（２）调用ＣｏｎｎｅｃｔＮａｍｅｄＰｉＰｅ函数等待客户连接，　

服务方在等待连接时，可以阻塞方式或查询方式；　

（３）若连接成功，调用ＲｅａｄＦｉｌｅ，ＷｒｉｔｅＦｉｌｅ函数进　

行管道读／写操作；　

（４）使用ＤｉｓｃｏｎｎｅｃｔＮａｍｅｄＰｉｐｅ函数关闭命名管　

道连接；　

（５）调用ＣｌｏｓｅＨａｎｄｌｅ函数关闭管道句柄。　

客户方：　

个服务器进程能为同样的命名管道建立任意数量的　

实例，一个命名管道所有的实例共享同样的管道名　

字。但每个实例有自己的命名管道缓冲区和句柄，　

且每个实例为客户服务器通信提供了一个分离的管　

道线。当一个客户进程调用ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ或Ｃａｌ１．　

ＮａｍｅＰｉｐｅ并提供存在的命名管道的名字时，Ｗｉｎ３２　

系统建立客户进程与管道实例的连接。这样，在　

Ｗｉｎ３２系统中，由于多线程的支持，使上面的操作和　

编程应用于网络实时数据通信成为可能。由于实时　

数据往往被网上多个客户进程所共享，服务器进程　

必须为每个管道的实例使用单独的线程，服务于各　

个管道实例的线程读取各自管道的请求，使每个线　

程为一个客户服务，实现多个客户进程与服务器进　

程之间的实时数据传输通信。　

服务器方　客户方　

图１命名管道操作过程　

３．２模式问题　

它提供了两种基本通信模式：字节模式和消息　

模式。在字节模式中，消息以一个连续的字节流的　

形式，在服务器与客户机之间流动。这意味着，对客　

户机应用和服务器应用来说，在任何一个特定的时　

间段内，它们不能准确知道有多少字节从管道中读　

入或者写入。在一方写入某个数量的字节，并不表　

示在另一方会读出等量数据。这样一来，客户机和　

服务器在传输数据的时候，便不必关心数据的内容。　

而在消息模式中，客户机和服务器泽通过一系列不　

连续的数据单位，进行数据的收发。每次在管道上　

维普资讯

机电工程２００２年第１９卷第６期　Ｍｅｃｈａｒ　ｃａｌ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｍａｇａｚｉｎｅ　Ｖｏ１．１９　Ｎｏ．６　２ＯＯ２　

发出一条消息后，它必须作为一条完整的消息读出。　

３．３安全问题　

证，故在客户机上必须以分配的帐号登陆才能进行　

数据访问，并且只能访问已经建立的管道中的数据　

（如果是“安全模拟”则可以访问到服务器的所有资　

源），较好的实现了对数据的保护和安全的分级。不　

ＮＰＦＳ的一个突出优点就是能够使用Ｗｉｎｄｏｗｓ　

ＮＴ（２０００）自带的安全机制，从而能更好的保障数据　

的安全，这就需要操作系统赋予应用程序设置访问　

控制列表的权利，通过ＡＰＩ函数ＩｎｉｔｉａｌｉｚｅＳｅ—　

用像使用其他方法要自定义安全模式。　

（２）由于采用命名管道，管道名直接写入服务　

器／客户机程序中，故无需像Ｗｉｎｓｏｃｋ所组建的网络　

ｃｕｒｉｔｙＤｅｓｃｒｉｐｔｏｒ设置一个安全描述，然后把它的值赋　

给一个空的授权访问控制列表，并在创建管道时使　

用这个列表，就可以达到保证服务器端数据安全的　

作用。相应的在客户机上就必须使用对应的帐号才　

能得到访问许可。　

３．４平台和性能问题　

（１）ＣｒｅａｔｅＮａｍｅｄＰｉｐｅ函数中管道名不能作为子　

通信那样要根据客户机的　地址更改设置。　

（３）系统构成简单可靠，减轻了维护及升级的　

负担。　

质量管理ｆ　Ｉ生产报表ｆ　ｆ优化数据库ｆ客户移　

｛　

｛　

工控机（服务器）　

｛　

｛　

｛　一　ｔｅｍ。　

目录使用，如果已经创建了“＼．Ｐｉｐｅ＼ＭｙＰｉｐｅｓ”管　

道，就不能再创建诸如“＼．Ｐｉｐｅ＼ＭｙＰｉｅｓ＼Ｐｉｐｅ１”这　ｐ

工控机（服务器）　

｛　｛　

ｌ　ＰＬＣ２　Ｉ　

ＭＰＩ　

样一个管道；　

（２）命名管道的写操作限制在６４ｋｂ之内，如果　

试图用一个大于６４｜ｄ）的缓冲区写入，则函数会返回　

ＦＡＬＳＥ，而ＧｅｔＬａｓｔＥｒｒｏｒ调用则会返回ＥＲＲＯＲ—　

ＭＯＲＥ—ＤＡＴＡ；　

回｝　

ｌ　

｛　

｝　

ｌ　ＰＬＣ３　Ｉ　

｝　

｝　

ｌ　被控对象（检测仪表、执行器等）　

图２远程监控系统　

５结论　

（３）单台工作站最多只能建立４９个命名管道，　

如果服务器应用创建了４９个以上的直接命名管道，　

那么在远程计算机上，一个客户机最多只能建立前　

在Ｗｉｎ３２环境下编程实现网络通信的方法很　

多，各有自身的特点，相对于别的编程方法来说，命　

名管道编程简单、灵活，方便。而且可以使用Ｗｉｎ．　

ｄｏｗ　ＮＴ以及Ｗｉｎｄｏｗｓ２０００自带的安全机制，保证了　

数据的安全性。可广泛应用于Ｗｉｎｄｏｗｓ系列组网环　

面的４９个命名管道连接，多余的只好忽略；　

（４）如果一台客户机是使用本地系统帐号运行　

而不是网络帐号，则无法打开在Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＮＴ或Ｗｉｎ．　

ｄｏｗｓ２０００上创建的命名管道，返回错误“拒绝访问”。　

境下的网络通信，是通信协议中不可少的一种方法，　

其实现实时数据通信的方案已经在啤酒生产自动化　

中得到了验证。　

参考文献　

［１］Ａｎｔｈｏｎｙ　Ｊｏｎｅｓ，Ｊｉｍ　Ｏｈｌｕｎｄ［关］．Ｗｉｎｄｏｗｓ网络编程技术　

［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９９９．１１．　

［２］Ｋｒｉｓ　Ｊａｍｅｓａ　Ｋｅｎ　ｃｏｐｅ．Ｉｎｔｅｍｅｔ　Ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ［Ｍ］．北京：电　

子工业出版社，１９９６．　

４实际应用　

目前，命名管道技术已在浙江某酒厂发酵车间　

成功构建远程监控系统，系统构成，如图２所示。监　

控系统以现场的２台工控机作为服务器（Ｗｉｎｄｏｗｓ　

ＮＴ），局域网上任选计算机作为客户机对实时生产　

数据进行监控和远程查询温度曲线、操作／报警记录　

等历史数据。可以满足质量管理、生产报表和其他　

统计等功能。并且还为今后建立生产过程全局优化　

所需的数据库系统奠定了基础，经实践证明使用命　

名管道方法完全可以满足用户要求。系统的主要特　

点可以归纳为：　

［３］Ｈｅｄｂｏｍ　Ｌｉｎｄｓｋｏｇ．Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｓｅｃｕｒｉｔｙ　ｏｆ　Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＮＴ，　

１９９９．　

［４］　范春晓，等．在ＷＩＮＤＯＷＳ　ＮＴ上实现远程进程间同步的　

一

种方法［Ｊ］．北方工业大学学报，１９９８，（３）：６８—７３．　

（１）因为服务器指定了“验证”级别的安全验