物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中TCP重傳隊列的設(shè)計與實現(xiàn)

陳憲超 王 輝，張興海，鄭達標，石海濤 趙先進

(徐工集團徐州建機工程機械有限公司，江蘇 徐州 221001) (徐州赫思曼電子有限公司，江蘇 徐州 221001) (徐州長航科技有限公司，江蘇 徐州 221001)

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中TCP重傳隊列的設(shè)計與實現(xiàn)

陳憲超 王 輝，張興海，鄭達標，石海濤 趙先進

(徐工集團徐州建機工程機械有限公司，江蘇 徐州 221001) (徐州赫思曼電子有限公司，江蘇 徐州 221001) (徐州長航科技有限公司，江蘇 徐州 221001)

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一就是要實現(xiàn)嵌入式設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化，其中一種思路就是在嵌入式設(shè)備中集成簡化后的TCP/IP協(xié)議棧。然而在精簡TCP/IP協(xié)議棧中的TCP協(xié)議時會面臨一個技術(shù)難題：如何根據(jù)實際應(yīng)用設(shè)計合適的重傳隊列。以嵌入式Web服務(wù)為例，緊緊圍繞嵌入式Web服務(wù)器應(yīng)用的具體要求，詳細分析了如何設(shè)計并實現(xiàn)TCP重傳隊列。測試結(jié)果表明，該設(shè)計思路可行。

物聯(lián)網(wǎng)；TCP/IP；嵌入式Web服務(wù)器；嵌入式TCP；TCP重傳隊列

如何將嵌入式設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，進而實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，是當(dāng)前一個研究熱點[1]。其中，比較常見的一種實現(xiàn)方案是在嵌入式設(shè)備中實現(xiàn)精簡的TCP/IP協(xié)議棧后再將該設(shè)備接入Internet[2-3]。在此過程中，如果需要實現(xiàn)基于TCP協(xié)議的高層應(yīng)用，就必須要根據(jù)嵌入式設(shè)備的具體功能來簡化實現(xiàn)TCP協(xié)議，而設(shè)計實現(xiàn)TCP協(xié)議就必須要實現(xiàn)TCP重傳隊列。因此，如何有針對性地實現(xiàn)TCP重傳隊列就是一個技術(shù)難點。

1 標準TCP重傳隊列的功能及作用

TCP(Transmission Control Protocol，傳輸控制協(xié)議)是TCP/IP協(xié)議簇的核心協(xié)議, 也是TCP/IP協(xié)議簇中最復(fù)雜的協(xié)議。它是一種面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的運輸層通信協(xié)議[4]。TCP之所以是一種可靠的協(xié)議，就在于它有一種完善的重傳機制。在一般標準的TCP協(xié)議實現(xiàn)中，重傳機制的關(guān)鍵問題是要計算RTO(Retransmission Time Out)，花費的代價較大[4-7]。一旦得到RTO之后，剩下的操作就是當(dāng)某個重傳計時器超時后重發(fā)對應(yīng)的TCP包，有多種方式可以完成該重發(fā)操作。在很多的TCP重傳實現(xiàn)中，都需要借助一個重傳隊列來記錄已經(jīng)發(fā)送的TCP報文，并在超時后進行重傳操作。

2 嵌入式TCP重傳隊列的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1設(shè)計思路

圖1 順序鏈表結(jié)構(gòu)示意圖

筆者的設(shè)計思路是利用順序鏈表記錄每個已發(fā)送的TCP數(shù)據(jù)包，而當(dāng)收到TCP確認報文時就從該順序鏈表中刪除相應(yīng)的TCP數(shù)據(jù)包。同時，每隔一定的時間就觸發(fā)一個TCP重傳事件，以發(fā)送那些隊列中已經(jīng)超時所有TCP數(shù)據(jù)包。順序鏈表的結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可知，每個連接g_Conn[i]都單獨維護一個TCP重傳隊列，該隊列的長度用字段MemPkgNum記錄，隊首部地址由字段MemPoolHeader記錄。該重傳隊列采用一個如圖1所示的雙層順序鏈表來存儲：第1層為一個_MEM_CELL型的結(jié)構(gòu)體，用于存儲可能需要重傳(即已發(fā)送但沒有確認)數(shù)據(jù)包的相關(guān)信息，以便維護該連接所有可能需要重傳的TCP報文。字段Next的作用是將該連接中所有可能需要重傳的TCP報文都連接在一個順序鏈表上，字段RetryTimer是該包的定時器，字段RetryNum記錄的該包重傳的次數(shù)。字段ExpectAck是該結(jié)點中的關(guān)鍵字，在收到對方的確認后會通過該字段值來刪除重傳隊列中相對于的包。BuffPtr和TotalPkgLen字段定義了該數(shù)據(jù)包實體的首地址和總長度。這種設(shè)計結(jié)構(gòu)有如下方便：能在TCP發(fā)送模塊在調(diào)用地層發(fā)送驅(qū)動發(fā)送數(shù)據(jù)包后直接將該包掛到此重傳隊列后面，也便于在ARP解析失敗后直接進行ARP重傳操作的處理。

2.2具體實現(xiàn)

設(shè)計完該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)后，剩下的工作就是要設(shè)計對應(yīng)鏈表的相關(guān)維護操作，如構(gòu)造操作、插入操作、查找操作和刪除操作等。

1)鏈表結(jié)點的構(gòu)造操作 構(gòu)造鏈表結(jié)點的操作由Get_Mem()函數(shù)負責(zé)，在TCP發(fā)送模塊中調(diào)用。每當(dāng)系統(tǒng)需要發(fā)送TCP報文時，就會調(diào)用Get_Mem()以動態(tài)分配2個區(qū)塊：其中一個區(qū)塊用于構(gòu)造_MEM_CELL型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以順利完成順序鏈表的相關(guān)操作；另外一個區(qū)塊用于構(gòu)造一個緩存，以裝載要發(fā)送的TCP報文。該函數(shù)的實現(xiàn)流程如圖2所示。

圖2 Get_Mem()函數(shù)和Insert_Mem()函數(shù)的流程圖

2)鏈表結(jié)點的插入操作 當(dāng)Get_Mem()函數(shù)被成功調(diào)用后，系統(tǒng)就會調(diào)用Insert_Mem()函數(shù)將TCP報文插入到對應(yīng)連接的順序鏈表中。該函數(shù)的定義形式如下：void Insert_Mem(p_Conn，p_MemPtr，p_Ack)。該函數(shù)各參數(shù)的意義分別如下：p_Conn指明某個連接號、p_MemPtr指示了該結(jié)點對應(yīng)的首地址指針，p_Ack說明了該TCP報文的期望號，它的實現(xiàn)流程如圖2所示。

3)鏈表結(jié)點的查找操作 Search_Mem()函數(shù)用來查找某個TCP報文，該報文由指定的ACK號確定。

4)鏈表結(jié)點的刪除操作 TCP模塊在接收ACK型的TCP數(shù)據(jù)包后，會對該數(shù)據(jù)包進行合法性檢查，如果認為該數(shù)據(jù)包是合法的，則會根據(jù)收到的ACK號調(diào)用Delete_BeforSeqMem()函數(shù)以刪除那些已經(jīng)成功發(fā)送的TCP報文?？紤]到客戶端有可能會對服務(wù)器發(fā)出的TCP數(shù)據(jù)包進行批量確認，因此凡是ACK字段小于或等于收到的ACK號的那些TCP數(shù)據(jù)包都應(yīng)該被刪除掉。Delete_BeforSeqMem()函數(shù)的作用是刪除對應(yīng)的結(jié)點，并釋放該結(jié)點的內(nèi)存區(qū)塊，需要注意的是應(yīng)先釋放其BuffPtr所指的內(nèi)存區(qū)塊，再釋放_MEM_CELL型結(jié)點所占的內(nèi)存區(qū)塊。

3 嵌入式TCP測試結(jié)果

筆者采用的測試方法是將嵌入式Web服務(wù)與PC機在RJ-45口及串口分別對接[8]。利用串口精靈接收嵌入式Web服務(wù)器的輸出并顯示，利用Sniffer Pro抓取PC機發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)包。

圖3所示的是筆者在測試順序鏈表時系統(tǒng)輸出的信息。圖3中的第4行信息，即“Insert_Mem():firstly insert PkgNum=2”，表達的意義如下：系統(tǒng)將第2個TCP發(fā)送報文插入到重傳隊列的首部。從后續(xù)類似的信息也可以看出，每當(dāng)系統(tǒng)發(fā)送了一個非RST型的TCP報文后，都會將該報文插入到重傳隊列中，以方便后續(xù)的重傳操作；圖3中的第6行信息，即“Search_Mem(): find PkgNum=2 Pkg”，說明系統(tǒng)在收到ACK型報文后，會利用該ACK號(即“576002”)在發(fā)送隊列里查找那些ACK號小于等于的該ACK號的所有TCP報文；圖3中的第24行和第26行信息，即“Delete_Mem():the first Pkg of PkgNum=5 deleted”和“Delete_Mem():the first Pkg of PkgNum=6 deleted”，說明系統(tǒng)在接收到ACK型的TCP報文9后，利用該ACK號刪掉了重傳隊列中對應(yīng)的報文5和報文6，圖3中的第24行信息“Delete_BeforSeqMem(): total 2 pkgs are deleted”也說明了在函數(shù)Delete_BeforSeqMem()中刪除了2個TCP包；圖3中的第25行信息，即“Free_Mem(): free the PkgNum=5 success”，說明系統(tǒng)成功釋放了該TCP包所占的內(nèi)存區(qū)塊。

圖3 測試TCP順序鏈表時的輸出信息 圖4 測試TCP重傳計時器時的輸出信息

由于將系統(tǒng)直接接到PC上時，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境比較穩(wěn)定，為了迫使TCP啟動重傳模塊，可以在服務(wù)器TCP層發(fā)送數(shù)據(jù)時人為將系統(tǒng)與PC機的網(wǎng)絡(luò)斷開一會兒后迅速連上。調(diào)試信息如圖4所示。由圖4可以看出，由于沒有及時收到客戶端的ACK而導(dǎo)致重發(fā)了報文5和報文6，并且在收到的報文9后刪掉了順序鏈表中對應(yīng)的報文5和報文6。

為測試筆者實現(xiàn)的TCP重傳模塊是否能正常工作。筆者采用如下思路進行驗證：分別在2個傳輸方向上進行驗證，首先驗證服務(wù)器是否能正常傳輸數(shù)據(jù)到客戶端。試驗過程中采用人工物理方式(如火燒)對嵌入式Web服務(wù)器系統(tǒng)中的傳感器進行升溫，并查看客戶端PC機的Web瀏覽器是否能實時刷新顯示該傳感器的溫度數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖5所示。該結(jié)果顯示服務(wù)器能正常傳輸數(shù)據(jù)到客戶端；接著驗證客戶端是否能正常上傳數(shù)據(jù)到服務(wù)器，在客戶端PC機上利用鼠標點擊LED的“亮”或者“滅”控制開關(guān)，同時查看嵌入式Web服務(wù)器系統(tǒng)中的LED燈是否能同步亮/滅，結(jié)果顯示，用戶完全可以通過Web瀏覽器來控制Web服務(wù)器系統(tǒng)中的LED燈。該結(jié)果顯示客戶端能正常上傳數(shù)據(jù)到服務(wù)器。因此，通過上述TCP重傳隊列實現(xiàn)的TCP重傳機制能完成既定的嵌入式TCP服務(wù)。

圖5 客戶端動態(tài)獲取服務(wù)器系統(tǒng)中的傳感器溫度數(shù)據(jù)

[1]黃文力,馬禮, 王玉超.嵌入式Internet中TCP/IP協(xié)議棧的研究與設(shè)計[J].電腦開發(fā)與應(yīng)用，2008，21(1)：46-49.

[2] 馮翠麗，劉波濤.一種嵌入式TCP/IP協(xié)議棧的設(shè)計與實現(xiàn)[J].長江大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2008，5(4)：N331-333.

[3] 李金梁，景博.嵌入式Internet中TCP協(xié)議的設(shè)計與實現(xiàn)[J].微計算機信息，2005，21(7)：40-138.

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[編輯] 洪云飛

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.06.036

TN915.04

A

1673-1409(2012)06-N108-04