嵌入式系統(tǒng)中UDP協(xié)議可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)*

方嬌莉，劉 明

(昆明理工大學(xué)計(jì)算中心，云南昆明650093)

一、概述

在嵌入式系統(tǒng)的通信中，一般采用232或485方式進(jìn)行通信。近年來(lái)，為了兼容性與擴(kuò)展性的考慮，多數(shù)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，已經(jīng)逐步開始采用了IP協(xié)議模塊進(jìn)行通信。一般在嵌入式系統(tǒng)中，通信的特點(diǎn)是：數(shù)據(jù)傳輸量少，而響應(yīng)速度要求高。傳輸層協(xié)議中的UDP協(xié)議使用盡最大努力交付的特性能夠滿足數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)囊螅荒鼙ＷC數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴Ｄ壳埃瑢?duì)UDP協(xié)議的可靠性應(yīng)用設(shè)計(jì)已有一些探討和論述，［1］大多卻設(shè)計(jì)過于復(fù)雜而不適合嵌入式系統(tǒng)。在嵌入式系統(tǒng)中，由于內(nèi)存小，處理性能有限，對(duì)實(shí)現(xiàn)的算法要求簡(jiǎn)捷、高效。這里主要針對(duì)嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出了一系列有效的算法，實(shí)現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

二、UDP協(xié)議分析

在Internet協(xié)議族的傳輸層中，有兩種協(xié)議：TCP和UDP。TCP協(xié)議是可靠的傳輸協(xié)議，但開銷較大，尤其在建立和釋放連接時(shí)需要多次應(yīng)答，會(huì)帶來(lái)較大的傳輸延時(shí)，很難滿足實(shí)時(shí)性要求較高的嵌入式系統(tǒng)的需求。UDP協(xié)議是一種無(wú)連接的協(xié)議，即發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)不需要建立連接，不保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。因此UDP協(xié)議傳輸速率高，同時(shí)無(wú)需像TCP協(xié)議那樣維護(hù)連接狀態(tài)表，而系統(tǒng)開銷較小，比較適合于在嵌入式系統(tǒng)中使用。在網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量比較高(如：局域網(wǎng)或光纖網(wǎng)絡(luò))的通信環(huán)境中，直接使用標(biāo)準(zhǔn)UDP協(xié)議進(jìn)行通信，可以保證數(shù)據(jù)的正常傳輸。而在通信質(zhì)量不太高的網(wǎng)絡(luò)(如：Internet因特網(wǎng))，大量的測(cè)試表明，丟包率往往會(huì)達(dá)到30%以上，而不能保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。因此，如果采用標(biāo)準(zhǔn)UDP協(xié)議進(jìn)行通信，必須加入可靠性控制，建立基于UDP協(xié)議的可靠傳輸協(xié)議(RUDP)。也可以說，在應(yīng)用層對(duì)UDP數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行可靠性控制。

三、可靠性設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

通常在傳輸協(xié)議實(shí)現(xiàn)要素上，［2］包括：連接管理、流量控制與緩沖、多路復(fù)用、確認(rèn)技術(shù)、出錯(cuò)重傳等。如果在RUDP的實(shí)現(xiàn)中，將流量控制、連接管理、確認(rèn)及出錯(cuò)重傳等機(jī)制全都考慮進(jìn)去的話似乎成了另外的一種TCP協(xié)議，［3］很難達(dá)到減少系統(tǒng)開銷，提高實(shí)時(shí)性而滿足嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的需求，也失去了RUDP設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的意義。考慮到嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)：實(shí)時(shí)性要求高和數(shù)據(jù)傳輸量小。在設(shè)計(jì)上不考慮連接管理，主要考慮數(shù)據(jù)確認(rèn)技術(shù)、出錯(cuò)重傳機(jī)制、緩沖區(qū)管理的實(shí)現(xiàn)以及簡(jiǎn)單的流量控制，以期提高可靠性的同時(shí)，能夠保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。在嵌入式系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，UDP可靠性應(yīng)用協(xié)議(RUDP)工作在應(yīng)用層(也可以看做是一個(gè)獨(dú)立的層次)。對(duì)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)分組形成嵌套層次。

(一)數(shù)據(jù)分組。

數(shù)據(jù)分組分為兩種類型：數(shù)據(jù)報(bào)文和應(yīng)答報(bào)文。數(shù)據(jù)報(bào)文為上層業(yè)務(wù)功能模塊提供有效的數(shù)據(jù)，應(yīng)答報(bào)文僅用于接收到數(shù)據(jù)報(bào)文時(shí)進(jìn)行應(yīng)答。這兩種數(shù)據(jù)分組，從嵌套層次來(lái)看，都是UDP數(shù)據(jù)報(bào)的凈荷。格式如圖2所示，數(shù)據(jù)分組由首字節(jié)+數(shù)據(jù)構(gòu)成。首字節(jié)的首位為標(biāo)記位，標(biāo)記位為0表示數(shù)據(jù)報(bào)文;標(biāo)記位為1表示應(yīng)答報(bào)文。首字節(jié)的后7位為序號(hào)，序號(hào)僅取7位，取值范圍為0～127。序號(hào)主要是考慮到嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)存較小，不能緩存過多的數(shù)據(jù)。如果系統(tǒng)內(nèi)存開銷允許的情況下，可以適當(dāng)增加序號(hào)的位數(shù)，以便能緩存更大的數(shù)據(jù)。

(二)數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)管理。

確認(rèn)技術(shù)是提高可靠性的重要機(jī)制。在TCP協(xié)議中使用了多種確認(rèn)技術(shù)，但都會(huì)導(dǎo)致較大的系統(tǒng)開銷和延時(shí)而不適合于嵌入式系統(tǒng)中使用。停止等待協(xié)議比較簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，但執(zhí)行效率將會(huì)是很低，［3］延時(shí)較大。為提高實(shí)時(shí)性，提高傳輸速度，不必等待一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文發(fā)送成功后，再發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文，就需要設(shè)置緩沖區(qū)。在嵌入式系統(tǒng)中，為盡量節(jié)省內(nèi)存，緩沖區(qū)管理方面，只考慮發(fā)送緩沖區(qū)的管理。緩沖區(qū)管理是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)年P(guān)鍵。緩沖區(qū)的大小由數(shù)據(jù)分組的序號(hào)確定，這里使用首字節(jié)的的7位序號(hào)，緩沖區(qū)的最大值為128，即最大能緩存128個(gè)數(shù)據(jù)分組。使用循環(huán)數(shù)組結(jié)構(gòu)，形成一個(gè)環(huán)形隊(duì)列。數(shù)據(jù)分組的序號(hào)同時(shí)也對(duì)應(yīng)著數(shù)據(jù)在緩沖區(qū)中的位置，其基本結(jié)構(gòu)圖3所示。發(fā)送緩沖區(qū)管理的核心就是緩沖區(qū)釋放與分配，集中體現(xiàn)在序號(hào)的管理，接下來(lái)將詳細(xì)論述實(shí)現(xiàn)的流程。

(三)數(shù)據(jù)發(fā)送的實(shí)現(xiàn)。

如果有數(shù)據(jù)要發(fā)送，必須先獲得一個(gè)空閑的存儲(chǔ)空間的序號(hào)，將數(shù)據(jù)放入對(duì)應(yīng)的緩沖區(qū)隊(duì)列中。如圖4所示，定時(shí)器中斷后即檢查緩沖區(qū)中是否有待發(fā)數(shù)據(jù)。而在發(fā)送過程中，發(fā)送次數(shù)和發(fā)送計(jì)時(shí)器是發(fā)送設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵。發(fā)送計(jì)時(shí)器管理同一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)上次發(fā)送和當(dāng)次發(fā)送的時(shí)間間隔，這個(gè)時(shí)間間隔不能小于某一設(shè)定值。這樣做的目的是為了讓接收方來(lái)得及處理和接收，根據(jù)發(fā)送成功率動(dòng)態(tài)改變時(shí)間間隔的設(shè)定值在這種RUDP協(xié)議中可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的流量控制。其基本思想是：在發(fā)送成功率高的情況下適當(dāng)減少時(shí)間間隔;發(fā)送成功率降低的情況下，適當(dāng)加大時(shí)間間隔。發(fā)送次數(shù)管理，是為了避免數(shù)據(jù)無(wú)限制的發(fā)送下去，通過發(fā)送次數(shù)的管理可以及時(shí)判斷網(wǎng)絡(luò)物理連通性。

序號(hào)按順序獲取，往往在系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后，序號(hào)會(huì)變得不連續(xù)。序號(hào)是否連續(xù)在這一層并不重要。在嵌入式系統(tǒng)中，通常數(shù)據(jù)量小，一般情況下，一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)只需要一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)就能完成，不需要多個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行組合，而更重要的是實(shí)時(shí)性。在需要多個(gè)數(shù)據(jù)分組組合的情況下，相關(guān)的處理交于上一層的應(yīng)用來(lái)完成。當(dāng)接收方收到數(shù)據(jù)分組后，立即向發(fā)送方發(fā)送應(yīng)答分組;發(fā)送方根據(jù)應(yīng)答分組的序號(hào)，釋放相應(yīng)的緩沖區(qū)。

(四)數(shù)據(jù)接收的實(shí)現(xiàn)。

數(shù)據(jù)接收相對(duì)于發(fā)送管理較簡(jiǎn)單，如圖5所示。進(jìn)入定時(shí)中斷程序后，即檢查是否有有效數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)校驗(yàn)方面，為了避免過大的開銷，僅采用UDP協(xié)議中的簡(jiǎn)單的校驗(yàn)和方式進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)。如果需要較強(qiáng)的檢錯(cuò)能力，可以在應(yīng)用層來(lái)實(shí)現(xiàn)。接收數(shù)據(jù)流程的關(guān)鍵是判斷應(yīng)答數(shù)據(jù)報(bào)還是數(shù)據(jù)報(bào)，如果是應(yīng)答數(shù)據(jù)報(bào)，表明接收方已經(jīng)接收到了該序號(hào)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，則將對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)包從發(fā)送緩沖隊(duì)列中移除。如果是數(shù)據(jù)包則交由上層應(yīng)用來(lái)處理，同時(shí)向發(fā)送方發(fā)送應(yīng)答數(shù)據(jù)包。

四、性能測(cè)試

測(cè)試環(huán)境的建立，可以在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中，通過運(yùn)行多種通信軟件模擬一個(gè)擁塞的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進(jìn)行測(cè)試，通過ping測(cè)試在丟包率達(dá)到30%的情況下，若采用標(biāo)準(zhǔn)的UDP協(xié)議進(jìn)行傳送數(shù)據(jù)，其丟包率仍然在30%左右，也就是標(biāo)準(zhǔn)UDP協(xié)議的丟包率基本和ping測(cè)試的丟包率一致的。應(yīng)用這種可靠的UDP協(xié)議，重發(fā)次數(shù)設(shè)置為3，計(jì)時(shí)器重復(fù)時(shí)間間隔初始值設(shè)為300ms，可以保證數(shù)據(jù)正常的傳送，丟包率為0。這種方式較大程度上提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕c此同時(shí)由于減少了建立和釋放連接的應(yīng)答次數(shù)，較TCP協(xié)議實(shí)時(shí)性也有了較大的提高。

五、結(jié)束語(yǔ)

本文主要介紹了一種基于RUDP思想的可靠數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的實(shí)現(xiàn)。這種基于UDP協(xié)議的可靠傳輸方法很好的解決了嵌入式系統(tǒng)中實(shí)時(shí)性與可靠性的要求，實(shí)現(xiàn)的一系列算法簡(jiǎn)捷高效，能夠有效的滿足嵌入式系統(tǒng)的性能需求。

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［2］Andrew S．Tanenbaum．Computer Networks．北京:清華大學(xué)出版社，2008．

［3］謝希仁．計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2008．

［4］蘆東昕，張華強(qiáng)，王陳．基于UDP的可靠數(shù)據(jù)傳遞技術(shù)研究［J］．計(jì)算機(jī)工程，2003，(22):62－63．