來源：單片機(jī)及嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用  作者：國家數(shù)字交換系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心 何贊園 宋華偉 吉立新

摘要 電信網(wǎng)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)的融合是一種趨勢。在實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)VxWorks環(huán)境下，使用以太網(wǎng)上的UDP協(xié)議，高效傳輸電信業(yè)務(wù)的信令與數(shù)據(jù)。描述在此情況下，根據(jù)實(shí)際需求對(duì)以太網(wǎng)傳輸中網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與UDP協(xié)議棧進(jìn)行改進(jìn)的研究與探索。

關(guān)鍵詞 VxWorks UDP 協(xié)議棧效率 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)

1 使用VxWorks標(biāo)準(zhǔn)UDP協(xié)議棧存在的問題
在VxWorks標(biāo)準(zhǔn)的IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)的前提下，其UDP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)存在于IP層。在VxWorks中有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)任務(wù)(亦即進(jìn)程)，用于完成以太網(wǎng)包的收發(fā)處理及與各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的接口，其名為tNetTask，優(yōu)先級(jí)低于一般的系統(tǒng)任務(wù)而高于應(yīng)用程序任務(wù)。系統(tǒng)的上層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，如Telnet、FTP等，在服務(wù)器端有一個(gè)相應(yīng)的任務(wù)，處理網(wǎng)絡(luò)任務(wù)轉(zhuǎn)交過來的數(shù)據(jù)報(bào)。

應(yīng)用程序想要實(shí)現(xiàn)UDP數(shù)據(jù)報(bào)的收發(fā)，就要使用操作系統(tǒng)提供的socket編程接口，主要包括創(chuàng)建socket，綁定socket和源IP與端口號(hào)，發(fā)送UDP數(shù)據(jù)報(bào)和接收socket中收到的內(nèi)容。在VxWorks中有4個(gè)函數(shù)與之相對(duì)應(yīng)，分別是：socket()、bind()、sendto()和recvfrom()。在VxWorks操作系統(tǒng)中，socket號(hào)是與文件打開描述符(fd)同樣管理的，一個(gè)socket與源IP和一個(gè)源端口相對(duì)應(yīng)。Sendto()函數(shù)調(diào)甩時(shí)指明目的的IP地址和服務(wù)端口號(hào)。

本文描述的UDP協(xié)議棧使用背景可簡要描述如下：該系統(tǒng)使用的主要硬件CPU平臺(tái)是摩托羅拉公司的MPC860的CPU，主頻為50 MHz；操作系統(tǒng)使用美國WindRiver公司的VxWorks。系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備(均有以太網(wǎng)接口)之間要在以太網(wǎng)上進(jìn)行信令與語音、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸，各種數(shù)據(jù)包采用統(tǒng)一的消息頭編碼格式。

使用標(biāo)準(zhǔn)UDP協(xié)議棧最大的問題是效率。在該系統(tǒng)平臺(tái)上，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)乃俾食蔀樽畲蟮钠款i，并由此影響了系統(tǒng)的容量。根據(jù)測試的極限速率，使用10M以太網(wǎng)的實(shí)際有效傳輸速率僅有1.8 Mb／s，使用100M以太網(wǎng)口電沒有明顯的提高。另外，還有一個(gè)問題，網(wǎng)絡(luò)任務(wù)經(jīng)常會(huì)掛起，在開機(jī)運(yùn)行較長時(shí)間后此現(xiàn)象尤為明顯，這對(duì)系統(tǒng)的可用性和無故障工作時(shí)間構(gòu)成威脅。而項(xiàng)目的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定的以太網(wǎng)包處理。

2 改進(jìn)UDP協(xié)議棧的思想與理由
根據(jù)對(duì)VxWorks操作系統(tǒng)的研究，發(fā)現(xiàn)它對(duì)以太網(wǎng)包的處理與一般的IP協(xié)議棧有所不同。MAC層的控制由硬件寄存器來實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了發(fā)送方以太網(wǎng)幀的成幀和接收的以太網(wǎng)幀頭確認(rèn)以后，通過DMA方式實(shí)現(xiàn)內(nèi)存與網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)間的通信，網(wǎng)絡(luò)任務(wù)與硬件之間通過設(shè)備中斷進(jìn)行通信。在該操作系統(tǒng)中，有一個(gè)MUX層，它提供統(tǒng)一的發(fā)送函數(shù)，其參數(shù)為發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備管理表指針和發(fā)送的數(shù)據(jù)報(bào)指針。我們知道，在一個(gè)有多個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備同時(shí)工作的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，標(biāo)準(zhǔn)的IP協(xié)議棧要完成選取從哪個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備端口(gate way)發(fā)送和判斷ARP的Cache中是否有對(duì)端的MAC地址，從而決定是否啟動(dòng)ARP進(jìn)行解析。在VxWorks中。是通過查Route表和ARP表來完成以上兩項(xiàng)工作的。Route表中儲(chǔ)存的是與每一個(gè)通信的子網(wǎng)的gart way，ARP表中儲(chǔ)存的是已知的IP地址與MAC地址的對(duì)應(yīng)關(guān)系。另外，數(shù)據(jù)報(bào)接收的處理過程中是在IP數(shù)據(jù)報(bào)存入內(nèi)存后申請MUX層的隊(duì)列緩沖區(qū)，然后依次調(diào)用各上層協(xié)議的處理函數(shù)。

根據(jù)以上情況，考慮在MUX層修改UDP協(xié)議棧，在發(fā)送過程中，跳過socket接口，直接使用MUX層的發(fā)送函數(shù)。這樣，可以減少從UDP層網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)報(bào)緩沖區(qū)到MUX層緩沖區(qū)之間的復(fù)制工作，從而提高發(fā)送效率。在接收數(shù)據(jù)包的處理過程中，在MUX層收到數(shù)據(jù)報(bào)后鉤掛(hook)一個(gè)處理函數(shù)，對(duì)UDP協(xié)議的數(shù)據(jù)包進(jìn)行分檢，優(yōu)先于其他協(xié)議的處理。這樣可減少從MUX層緩沖區(qū)到UDP層網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)報(bào)緩沖區(qū)之間的復(fù)制，而且可以不再要求上層使用輪誨的方法檢查socket的緩沖區(qū)中的內(nèi)容，提高了處理的實(shí)時(shí)性。

3 改進(jìn)UDP協(xié)議棧出現(xiàn)的新問題
VxWorks的muxLib類庫中允許用戶自己定義一個(gè)協(xié)議棧，將協(xié)議棧綁定到一個(gè)具體的網(wǎng)絡(luò)端口上，同時(shí)要有一個(gè)處理函數(shù)對(duì)該網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上收到的包進(jìn)行處理。加載改進(jìn)后的協(xié)議棧要先創(chuàng)建一組緩沖區(qū)，每種緩沖區(qū)對(duì)應(yīng)不同的數(shù)據(jù)報(bào)長。預(yù)先分配一大塊內(nèi)存，可避免發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)再去分配內(nèi)存，并可根據(jù)各種長度的數(shù)據(jù)報(bào)的使用頻度申請不同個(gè)數(shù)的緩沖區(qū)。發(fā)送過程中，要填寫IP首部的其他內(nèi)容，如協(xié)議版本號(hào)、UDP協(xié)議編號(hào)、idenfication域、IP首部校驗(yàn)和等等。在填寫的過程中，可以有意識(shí)地按照CPU的作業(yè)寬度和整數(shù)邊界進(jìn)行內(nèi)存賦值，提高發(fā)送效率。在接收過程中，要先判斷是否為UDP協(xié)議的數(shù)據(jù)報(bào)(根據(jù)第24字節(jié)為Oxll)，然后做合法檢驗(yàn)。對(duì)本協(xié)議棧處理的數(shù)據(jù)報(bào)，處理后要將其從MUX層的緩沖區(qū)隊(duì)列中刪除，未刪除的數(shù)據(jù)報(bào)由其他協(xié)議的處理函數(shù)處理。

經(jīng)過對(duì)協(xié)議棧的改進(jìn)發(fā)現(xiàn)，在單向收發(fā)的環(huán)境下，發(fā)送效率提高了3倍左右；但是接收方效率的提高很