嵌入式系統(tǒng)中RUDP協(xié)議的研究與設計

尹然然

（安徽交通職業(yè)技術學院，安徽 合肥 230051）

嵌入式系統(tǒng)中RUDP協(xié)議的研究與設計

尹然然

（安徽交通職業(yè)技術學院，安徽 合肥 230051）

嵌入式系統(tǒng)設備之間通常使用傳統(tǒng)傳輸協(xié)議TCP或UDP進行數(shù)據(jù)通信，然而TCP傳輸延遲較大，UDP可靠性較低.本文研究設計了一種更適合嵌入式可靠傳輸?shù)膮f(xié)議——可靠用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議RUDP，并對基于RUDP的嵌入式系統(tǒng)中可靠數(shù)據(jù)傳遞的實現(xiàn)原理和實現(xiàn)方法進行了分析和介紹.

嵌入式系統(tǒng)；RUDP協(xié)議；TCP協(xié)議；UDP協(xié)議

嵌入式系統(tǒng)是以計算機技術為基礎，實際應用為中心，軟硬件可裁剪，適應應用系統(tǒng)對成本、功能、功耗、可靠性有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)[1].在嵌入式系統(tǒng)中，通常包含多種設備，怎樣能夠實現(xiàn)設備之間可靠、高效的數(shù)據(jù)通信，成為大家研究的熱點問題.傳統(tǒng)的傳輸協(xié)議都無法同時滿足嵌入式系統(tǒng)實時性和可靠性的要求.本文在傳統(tǒng)傳輸協(xié)議UDP的基礎上，針對嵌入式系統(tǒng)設備特點設計了一種協(xié)議——可靠用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議RUDP.RUDP協(xié)議彌補了UDP可靠性方面的不足，又吸取了TCP的部分優(yōu)點.RUDP的設計相對靈活，便于它在多種系統(tǒng)中使用.

1 研究背景

近年來，以太網(wǎng)/互聯(lián)網(wǎng)架構成為嵌入式系統(tǒng)通信的主流，取代了傳統(tǒng)的通信方式.隨著嵌入式終端的大量應用和控制節(jié)點的不斷增多，網(wǎng)絡的負荷不斷增大.如何解決基于網(wǎng)絡通信的嵌入式分布系統(tǒng)中設備間可靠、高效的通信問題，就顯得尤為重要.

傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)傳輸層一般采用傳輸控制協(xié)議TCP或者UDP[2].TCP協(xié)議是面向連接的傳輸協(xié)議，實時性比較差；UDP協(xié)議是非面向連接的協(xié)議，無法保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸.因此，要實現(xiàn)可靠、實時的嵌入式系統(tǒng)通信用它們是不合適的.

為解決上述嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)絡通信中的問題，一種可行的方法就是在傳輸層以上改進當前已有協(xié)議.在嵌入式系統(tǒng)中，既能實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)募磿r性又能保證可靠性.

2 嵌入式系統(tǒng)概述

2.1 嵌入式系統(tǒng)概念

北京航空航天大學何立民教授對嵌入式系統(tǒng)這樣定義：“嵌入到對象體系中的專用計算機系統(tǒng)”.

2.2 嵌入式系統(tǒng)組成

嵌入式系統(tǒng)一般由嵌入式計算機系統(tǒng)和執(zhí)行裝置組成.

2.3 嵌入式系統(tǒng)應用領域

嵌入式系統(tǒng)具有非常廣闊的應用前景，其應用領域主要包括：工業(yè)控制、信息家電、交通管理、家庭智能管理系統(tǒng)、POS網(wǎng)絡及電子商務等.

3 嵌入式系統(tǒng)中RUDP協(xié)議

嵌入式系統(tǒng)通常使用的以太網(wǎng)協(xié)議是IEEE 802.3標準.從硬件角度看來，以太網(wǎng)接口電路主要由MAC控制器和物理層接口(Physical Layer,PHY)兩部分組成.網(wǎng)絡通信模型層間結構如圖1所示.

圖1 網(wǎng)絡通信模型層間結構

雖然以太網(wǎng)的傳輸速率在不斷提高，但網(wǎng)絡負荷也在不斷增大，傳統(tǒng)的通信方式也會越來越吃力.嵌入式系統(tǒng)中如果采用TCP協(xié)議，當設備間建立TCP連接并發(fā)送數(shù)據(jù)后，出錯后大量的重傳數(shù)據(jù)必定大大增加了網(wǎng)絡的擁塞程度，進而影響數(shù)據(jù)的實時傳輸[3].嵌入式設備之間數(shù)據(jù)通信的信息量較小，使用UDP協(xié)議雖然能夠提高信息的傳輸速率，但傳輸中往往會造成數(shù)據(jù)包的丟失.

為解決上述問題，一種可行的方法就是在傳輸層以上選擇和改進現(xiàn)有的協(xié)議.因此，本文在UDP協(xié)議基礎上增加了保證數(shù)據(jù)可靠傳遞的必要功能，設計了一個基于簡單分組的可靠傳輸協(xié)議RUDP.RUDP以RFCll.1和RFC 908為理論基礎，結合了TCP和UDP的優(yōu)點，是一種新型的傳輸層協(xié)議.

如圖2所示為遠程控制終端和嵌入式系統(tǒng)通信模式，描述了嵌入式Web服務器和遠程控制終端Web瀏覽器之間的數(shù)據(jù)通信.兩者之間通過遠控 ternet通信，采用基于RUDP的數(shù)據(jù)傳輸可以同時實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)對實時性和可靠性的要求，克服了傳統(tǒng)傳輸協(xié)議的諸多弊端.

圖2 遠程控制終端和嵌入式系統(tǒng)通信模式

3.1 RUDP的體系結構

RUDP協(xié)議軟件模塊采用UDP協(xié)議承載，提供可靠的通信功能.按照計算機網(wǎng)絡層次體系的概念，RUDP協(xié)議的層次模型是在UDP/IP協(xié)議的傳輸層和應用層之間加入了RUDP子層.層次結構如圖3所示：

圖3 層次結構

RUDP層的主要功能是保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸.嵌入式設備通過網(wǎng)絡進行消息的傳輸，在這樣一個公共的環(huán)境中，大量無用的信息被接收，對這些數(shù)據(jù)的解析將極大地增加設備的負擔.針對這一問題，我們在RUDP層增加了一個標志位，可以讓設備迅速判斷出所接收的數(shù)據(jù)包是否有效.該層中還增加了一系列其他控制位以保證嵌入式設備之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?

3.2 RUDP的功能

嵌入式可靠傳輸模型RUDP主要功能有：

(1)基于消息的收發(fā)功能：RUDP的傳輸層利用基于消息的傳輸協(xié)議，所以只需知道接收端能否接收數(shù)據(jù)而不必考慮可以接收多少.

(2)校驗和：采用UDP的校驗功能，保證數(shù)據(jù)包的正確和順序到達.

(3)丟棄重復包和保存失序包的功能：對收到的數(shù)據(jù)包進行確認，丟棄確認過的重復包，保存未確認的數(shù)據(jù)包[4].

(4)超時重發(fā)功能：RUDP中借鑒TCP中的超時重發(fā)機制來保證數(shù)據(jù)包的可靠傳遞.

3.3 RUDP協(xié)議報頭設計

由于RUDP是承載在UDP之上的，因此它的數(shù)據(jù)傳輸仍然是通過UDP的套接字進行的.RUDP數(shù)據(jù)報的封裝如圖4所示：

圖4 RUP數(shù)據(jù)報的封裝

表1給出了RUDP的報文格式，主要包括了用于標記消息類型的控制字段、序號字段、確認號字段等.

表1 RUDP報文頭設計

3.4 RUDP協(xié)議工作過程

RUDP協(xié)議的工作過程是：

3.4.1 )建立虛連接

RUDP包被封裝在UDP包里發(fā)送.RUDP協(xié)議的連接過程和TCP很相似，但它們有本質區(qū)別.這里的連接叫做“虛連接”.所謂虛連接就是這條連接并不用來傳輸數(shù)據(jù)而只用來表明數(shù)據(jù)傳輸是否可達.

通過三次握手的方式，發(fā)送方和接收方建立虛連接（過程如圖5所示）.

需要說明的是：如果雙方同時發(fā)起連接請求，則比較雙方IP地址大小，允許IP地址大的一方發(fā)起的連接請求.通信雙方連接一旦建立，將不接受任何的連接請求.

3.4.2 數(shù)據(jù)發(fā)送

發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)，接收方接收數(shù)據(jù)并處理.接收方從序號緩存中刪除正確接收到的報文序號，并發(fā)回確認信息.其工作過程如圖6所示：

圖5 RUDP三次握手

圖6 數(shù)據(jù)報傳輸過程

3.4.3 拆除連接

當接收方成功接收所有數(shù)據(jù)之后，發(fā)送方將發(fā)出一個連接拆除請求.拆除連接的過程如圖7所示：

圖7 連接拆除過程

3.5 RUDP協(xié)議的實現(xiàn)

3.5.1 UDP層實現(xiàn)

利用winsock的配置，將網(wǎng)絡類型設置為AF_Ik配 T，將傳輸方式設置為SOCK_DCKAM，即為UDP傳輸協(xié)議.將winsock綁定到如上設置，用sendto和d ceivefe m函數(shù)發(fā)送和獲取數(shù)據(jù)包，實現(xiàn)了UDP包的發(fā)送和接收.

3.5.2 RUDP層實現(xiàn)

RUDP編程模型如圖8所示：

圖8 編程模型結構圖

圖8中方法具體說明如下：

定義RUDP類，私有成員為socket號，提供方法：

(1)rudp_odpn(),封裝winsock的socket函數(shù)，綁定網(wǎng)絡類型為AF_I 數(shù)綁 T和數(shù)據(jù)傳輸類型，SOCK_DCKAM，即指定了最后為UDP傳輸；

(2)rud p_bdpd(),將socket綁定到某一端口；

(3)rud p_sdpd(char*,int,sockaddr_in*,_ ort*, short*)，發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)；

(4)rud p_rdpeive(char*,int,sockaddr_in*,_ ort, short)，接收端接收數(shù)據(jù)；

(5)rud p_cdpse(),關閉socket.

在圖8所示的編程模型結構圖中，Sending()只是發(fā)送連接請求的特殊報文沒有實際數(shù)據(jù)的發(fā)送.Send()才是實際數(shù)據(jù)的發(fā)送.Receive()前一次是響應發(fā)送方的連接請求，傳輸?shù)膱笪囊彩沁M行連接的特殊報文.后一次用來接收發(fā)送方發(fā)來的實際.由于RUDP封裝在UDP內(nèi)部，因此這些報文從表面上看來仍然是UDP報文.

3.5.3 應用層實現(xiàn)

(1)發(fā)送端

定義滑動窗口大小為固定值.

發(fā)送線程：

步驟一：當滑動窗口大小大于0，調用rudp_sdpd()發(fā)送遞增的順序號的包，并將包緩存.每發(fā)送一個包，窗口大小減一；

步驟二：當滑動窗口為0時，停等一個時間間隔，如果接收線程沒有改變窗口大小，則重置順序號為緩存中最小的順序號，窗口大小增一，重復步驟一.

接收線程：

獲取接收端的響應ACK包，檢查順序號，如果順序號為發(fā)送緩存中最小的順序號，則表示最前面的包被服務器收到，則將緩存中該序號的包丟棄，窗口大小增一.

(2)接收端

不停的監(jiān)聽某一端口上的數(shù)據(jù)包，收到數(shù)據(jù)包后，調用rudp_rdpeive()解包并打印數(shù)據(jù)包的內(nèi)容，獲取順序號.然后按順序號傳入rudp_sdpd()，打包發(fā)送確認包給發(fā)送端某一固定端口；

4 結論

本文描述了嵌入式系統(tǒng)的概念及特點，針對嵌入式系統(tǒng)的特殊要求引入了RUDP協(xié)議.介紹了RUDP協(xié)議的體系結構、工作原理和基本功能.用C#設計實現(xiàn)了RUDP通信軟件.它是承載在UDP協(xié)議之上的，相對于UDP協(xié)議增加了相關機制提高傳輸?shù)目煽啃?RUDP協(xié)議采用類似TCP的技術在數(shù)據(jù)傳輸之前建立好連接，并增加相應控制機制進行流量控制，實現(xiàn)通信雙方的可靠數(shù)據(jù)交互.

〔1〕許海燕,付炎.嵌入式系統(tǒng)技術與應用[M].機械工業(yè)出版社，2002.

〔2〕[美]W.Richard Stevens.TCP/IP詳解[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.1～200.

〔3〕James F.Kurose Keith W.Ross，等.計算機網(wǎng)絡自頂向下方法.北京：機械工業(yè)出版社，2008.12,149～154.

〔4〕蘆東昕,張華強,王陳.基于UDP的可靠數(shù)據(jù)傳遞技術研究[J].計算機工程，2003,29(22):62～63.

TP 316

A

1673-260X（2013）02-0032-03

《基于支持智能交通系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡技術的研究》（2011SQRL184）