基于嵌入式的實(shí)時(shí)通信協(xié)議棧研究與設(shè)計(jì)

杜文鳳，王博文

（中國礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，江蘇 徐州 221008）

嵌入式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧是指通信網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)層與其他各層之間的協(xié)議。嵌入式通信網(wǎng)絡(luò)可看成是一系列功能層，最上面一層代表的是應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)軟件之間的接口，最下面一層表示網(wǎng)絡(luò)軟件與網(wǎng)絡(luò)物理設(shè)備之間的接口。為了進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)之間的通信，應(yīng)用程序需要從上到下，通過協(xié)議棧來進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過協(xié)議棧使信息自下而上傳輸來實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用程序之間的通信。

目前，嵌入式系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域中，把TCP/IP協(xié)議應(yīng)用到嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸共享的兼容性網(wǎng)絡(luò)有著很大的市場(chǎng)前景。本文對(duì)基于TCP/IP協(xié)議的嵌入式通信協(xié)議棧進(jìn)行了分析，主要針對(duì)通信中的TCP擁塞控制問題進(jìn)行了改進(jìn)。

1 嵌入式通信協(xié)議棧及實(shí)時(shí)性

對(duì)于嵌入式異構(gòu)型對(duì)等異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的通信和交互問題，一種有效的解決方法是設(shè)置層次式通信協(xié)議棧。協(xié)議棧是獨(dú)立的服務(wù)程序或系統(tǒng)軟件，應(yīng)用軟件可以通過協(xié)議棧共享不同系統(tǒng)的資源。嵌入式通信協(xié)議棧位于嵌入式設(shè)備中，向下可以屏蔽不同物理設(shè)備和通信協(xié)議，向上可以使不同設(shè)備實(shí)現(xiàn)信息的發(fā)送與傳輸。圖1為嵌入式TCP/IP協(xié)議棧框架結(jié)構(gòu)圖。

為了與外部設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，通常情況下，嵌入式設(shè)備都需要具有以太網(wǎng)口，同時(shí)還要有TCP/IP協(xié)議軟件的支持。然而，傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議在實(shí)時(shí)性方面并不完善，大量的精力被用在保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃约傲髁靠刂粕?。在?shí)時(shí)性要求相對(duì)較高的嵌入式領(lǐng)域，TCP/IP協(xié)議在實(shí)時(shí)性方面則顯得不足。并且傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)又比較復(fù)雜，通常要使用大量的系統(tǒng)資源，而嵌入式系統(tǒng)的資源一般情況下又很有限。此外，由于嵌入式系統(tǒng)的規(guī)模可定制、資源有限和實(shí)時(shí)性等原因，用于支持其聯(lián)網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議，其實(shí)時(shí)性要求較高，而且要進(jìn)行一定程度的裁切，代碼也要最大程度地精簡(jiǎn)[1]。

嵌入式實(shí)時(shí)性主要是指嵌入式系統(tǒng)可以快速響應(yīng)外界的突發(fā)事件，且響應(yīng)時(shí)間是確定的、可預(yù)測(cè)的。TCP/IP協(xié)議是嵌入式系統(tǒng)一個(gè)很重要的組成部分，在其管理控制下，嵌入式系統(tǒng)與外界通信的實(shí)時(shí)性的高低直接影響到整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的工作性能，甚至可能導(dǎo)致實(shí)際運(yùn)行中的事故發(fā)生。因此，高實(shí)時(shí)性是嵌入式TCP/IP協(xié)議棧最主要的特點(diǎn)。由于嵌入式網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)是平等的，沒有特定的路由器，可以在傳輸?shù)男畔⒅邪溌窊砣男畔?，所以?duì)于網(wǎng)絡(luò)輔助擁塞控制需要進(jìn)行相關(guān)研究。

按照實(shí)時(shí)系統(tǒng)對(duì)于實(shí)時(shí)性要求的特點(diǎn)，實(shí)時(shí)性可以分為軟實(shí)時(shí)和硬實(shí)時(shí)兩類。硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)主要是指系統(tǒng)要能保證在發(fā)生最壞情況時(shí)的響應(yīng)時(shí)間，即在任何情況下，事件的響應(yīng)時(shí)間的截止期限一定要得到保障?，F(xiàn)實(shí)中類似的系統(tǒng)比較多，如宇宙飛船配備、戰(zhàn)斗機(jī)等應(yīng)用方面的控制系統(tǒng)。除此之外，其他的有實(shí)時(shí)特性的系統(tǒng)都叫做軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)。簡(jiǎn)單地說，是一種超過截止期限并不會(huì)帶來重大的不可挽回?fù)p失的系統(tǒng)，如實(shí)時(shí)多媒體系統(tǒng)就是一種軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)。

2 擁塞控制算法的改進(jìn)及性能分析

本文對(duì)嵌入式通信系統(tǒng)擁塞控制算法做了基于數(shù)據(jù)包大小和緊迫度的優(yōu)先級(jí)調(diào)度機(jī)制以及以動(dòng)態(tài)形式對(duì)緩沖區(qū)的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)等兩方面的改進(jìn)。其算法的主要思路是：若TCP連接的緩沖區(qū)大小固定，則一旦緩沖區(qū)數(shù)量變多，將引起系統(tǒng)性能下降，最后消耗完系統(tǒng)資源，引起系統(tǒng)崩潰。而如果系統(tǒng)中緩沖區(qū)比較小的TCP連接特別多，系統(tǒng)將對(duì)緩沖區(qū)進(jìn)行重新分配，從而使系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸能力得到提高；如果比較少，則剩下的資源會(huì)被分配給緩沖區(qū)中比較大的TCP連接，使TCP流量也可以得到提升[2]。改進(jìn)措施：采取以動(dòng)態(tài)形式對(duì)緩沖區(qū)窗口大小進(jìn)行調(diào)節(jié)的方式，并改進(jìn)其中的數(shù)據(jù)包調(diào)度機(jī)制，按照數(shù)據(jù)包的大小和緊迫度予以調(diào)度。先調(diào)度緊迫度高、體積小的數(shù)據(jù)包，即使此連接的緩沖區(qū)變小時(shí)仍然可以確保緊迫度高的信息能夠及時(shí)被發(fā)送出去。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，通過這兩個(gè)方面的改進(jìn)，能夠明顯提升嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)通信能力。具體方法介紹如下。

2.1 TCP緩沖區(qū)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)模塊

每一個(gè)TCP連接的收發(fā)端各有一個(gè)Buffer，緩沖區(qū)當(dāng)中存有準(zhǔn)備發(fā)送或接收的信息，所以其又可以分為發(fā)送緩沖區(qū)與接收緩沖區(qū)。接收端廣播窗口的大小由接收緩沖區(qū)的最大可用內(nèi)存大小決定，同時(shí)允許發(fā)送端發(fā)送超過之前確認(rèn)的信息量也是由接收緩沖區(qū)當(dāng)中的最大可用內(nèi)存大小決定。若發(fā)送端的擁塞窗口內(nèi)存空間大于接收端接收窗口的內(nèi)存空間大小，則此連接的窗口內(nèi)存空間就會(huì)被接收端窗口空間所限制；若接收窗口空間較大，則允許大批量數(shù)據(jù)由發(fā)送端不間斷發(fā)送，發(fā)送端應(yīng)用程序傳輸給TCP層的信息在沒有被接收端確認(rèn)之前，暫由發(fā)送緩沖區(qū)存放。如果發(fā)送緩沖區(qū)內(nèi)存空間比傳輸鏈路上的帶寬大，則會(huì)出現(xiàn)一部分信息始終將緩沖區(qū)占據(jù)的情況，從而出現(xiàn)浪費(fèi)內(nèi)存和鏈路傳輸受限的現(xiàn)象；如果發(fā)送緩沖區(qū)內(nèi)存空間太小，當(dāng)出現(xiàn)傳輸信息量較大時(shí)，則會(huì)引起傳輸流量變小，影響通信速率和通信系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

對(duì)于單個(gè)的TCP連接，可以通過增大緩沖區(qū)內(nèi)存空間的方法提高傳輸速率。但當(dāng)發(fā)生同一時(shí)間多個(gè)連接存在的情況時(shí)，此方法不但會(huì)在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時(shí)有內(nèi)存資源被浪費(fèi)的現(xiàn)象出現(xiàn)，而且即使當(dāng)網(wǎng)絡(luò)沒有出現(xiàn)擁塞的情況下，每個(gè)連接的發(fā)送端由于擁塞窗口無限變大的原因，會(huì)將內(nèi)存資源最后消耗完，甚至引起系統(tǒng)死鎖。對(duì)于此問題，本文以緩沖區(qū)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)為出發(fā)點(diǎn)的擁塞控制算法進(jìn)行了研究，得出該算法不但能夠滿足自動(dòng)調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)擁塞的要求，還可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化利用緩沖區(qū)。只需對(duì)緩沖區(qū)進(jìn)行合理公平與高效率的利用，就是緩沖區(qū)調(diào)節(jié)算法的最終目的。

TCP傳輸信息的具體過程由一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)維護(hù)和管理，所有應(yīng)用程序進(jìn)程都可以共享這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)稱作傳輸控制塊(TCB)。每個(gè)TCP連接都有一個(gè)傳輸控制塊，其含有相關(guān)TCP連接的一切信息，包含連接端點(diǎn)的地址與端口號(hào)、發(fā)送與接收的數(shù)據(jù)、平均往返時(shí)間以及對(duì)是否需要確認(rèn)或者是重發(fā)進(jìn)行判斷等。

2.2 基于數(shù)據(jù)包大小和緊迫度的調(diào)度模塊

每一個(gè)TCP連接均有一個(gè)接收緩沖區(qū)與一個(gè)發(fā)送緩沖區(qū)，每個(gè)緩沖區(qū)中都含有許多隊(duì)列。TCP以報(bào)文段為單位進(jìn)行傳輸，報(bào)文段的大小不固定。而以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸中，數(shù)據(jù)包大小不一，且相差很大。在這種情況下公平排隊(duì)算法就不適用，使信息傳輸受影響[3]。因?yàn)楣脚抨?duì)算法只是將數(shù)據(jù)包依據(jù)先進(jìn)先出原則按次序向數(shù)據(jù)包輪詢調(diào)度器進(jìn)行提交，結(jié)果導(dǎo)致下列情況的發(fā)生：(1)數(shù)據(jù)包處于隊(duì)列當(dāng)中的等待時(shí)間不夠合理；(2)在輪詢調(diào)度器輪詢于各隊(duì)列時(shí)，會(huì)造成數(shù)據(jù)包大的傳輸分配到很大的帶寬資源，出現(xiàn)帶寬分配不合理的情況。

為了使該問題得到有效解決，以提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，可以采用優(yōu)先傳輸緊迫度要求比較高而本身又較小的數(shù)據(jù)包的方法。如何根據(jù)數(shù)據(jù)包的大小與緊迫度這兩個(gè)因素來對(duì)數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級(jí)別進(jìn)行界定，這里采用數(shù)據(jù)包體積和緊迫度形成的二維優(yōu)先級(jí)表來對(duì)數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級(jí)別進(jìn)行界定的方法[4]。

數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級(jí)別主要決定于包的體積與緊迫度，為此構(gòu)建二維優(yōu)先級(jí)表：橫坐標(biāo)是數(shù)據(jù)包的體積，縱坐標(biāo)是其緊迫度，則優(yōu)先級(jí)別計(jì)算如下：

式中，p為數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級(jí)，Xi為數(shù)據(jù)包大小，Yj為數(shù)據(jù)包緊迫度。優(yōu)先級(jí)計(jì)算方法示意圖如圖2所示[5]，假如存在一些數(shù)據(jù)包其橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)之和相等(即其對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)位于坐標(biāo)系的一條斜線之上)，則由圖2能夠得到優(yōu)先調(diào)度體積較小的數(shù)據(jù)包。優(yōu)先級(jí)別的判斷十分重要，預(yù)先定制完成數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級(jí)，再按照緊迫度和包的體積經(jīng)綜合考慮以后將優(yōu)先級(jí)確定下來。緊迫度與數(shù)據(jù)包體積之和相等時(shí)，優(yōu)先調(diào)度體積較小的數(shù)據(jù)包。

2.3 實(shí)例驗(yàn)證

本文主要研究了對(duì)嵌入式通信協(xié)議棧的設(shè)計(jì)和對(duì)TCP擁塞控制算法進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)的問題?？紤]到所測(cè)試數(shù)據(jù)要有足夠的準(zhǔn)確性，將10次實(shí)驗(yàn)結(jié)果都求均值后才得到測(cè)試中的所有數(shù)據(jù)。ICMP和IP都是網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，在這里只對(duì)ICMP模塊進(jìn)行測(cè)試。

（1）試驗(yàn)方法

Ping是一個(gè)通信協(xié)議，是IP協(xié)議的一部分，可以用于檢查網(wǎng)絡(luò)是否能夠連通。在命令提示符下輸入：PING(IP地址)，就會(huì)返回相應(yīng)的測(cè)試結(jié)果。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，就可以判斷本機(jī)與遠(yuǎn)程主機(jī)之間的連通性。其原理是：利用網(wǎng)絡(luò)上機(jī)器IP地址的唯一性，給目標(biāo)IP地址發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，再要求對(duì)方返回一個(gè)同樣大小的數(shù)據(jù)包來確定兩臺(tái)網(wǎng)絡(luò)機(jī)器是否連接相通以及時(shí)延是多少。

當(dāng)PC機(jī)通過Ping向開發(fā)板發(fā)送ICMP請(qǐng)求數(shù)據(jù)包時(shí)，主機(jī)觀察返回ICMP請(qǐng)求數(shù)據(jù)包的響應(yīng)時(shí)間、大小、以及丟失率等信息，若這些信息正確，則說明目的站點(diǎn)收到ICMP請(qǐng)求報(bào)文。

（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3、圖4所示。由圖中可以看到，數(shù)據(jù)包較小時(shí)，協(xié)議棧的移植對(duì)系統(tǒng)的通信性能影響不大；一旦數(shù)據(jù)包超過800 B，移植協(xié)議棧之后系統(tǒng)通信時(shí)，ICMP報(bào)文的包丟失率就開始下降，同時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間也更快，即實(shí)時(shí)性得到了提高。這表明對(duì)實(shí)時(shí)通信協(xié)議棧和擁塞算法改進(jìn)之后，明顯地改善了嵌入式系統(tǒng)的通信性能。

本文主要對(duì)嵌入式實(shí)時(shí)通信協(xié)議棧和擁塞控制算法進(jìn)行了分析與改進(jìn)，提出動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)緩沖區(qū)大小的方法實(shí)現(xiàn)了緩沖區(qū)的優(yōu)化；基于數(shù)據(jù)包大小和緊迫度的優(yōu)先級(jí)調(diào)度機(jī)制，提高了TCP傳輸流量。對(duì)移植改進(jìn)后的嵌入式實(shí)時(shí)通信協(xié)議棧和擁塞控制算法的數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行了測(cè)試，通過PC機(jī)利用Ping命令向開發(fā)板發(fā)送數(shù)據(jù)，測(cè)試了ICMP模塊。結(jié)果顯示，當(dāng)傳輸數(shù)據(jù)超過800 B時(shí)，數(shù)據(jù)包響應(yīng)時(shí)間更短，包丟失率也有所下降，通信實(shí)時(shí)性得到明顯提高。

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