適用于文字書寫教學教室系統的嵌入式局域網協議

喻世東,戴 永,王求真,李 璇,任 昆

(湘潭大學智能計算與信息處理教育部重點實驗室,湖南湘潭411105)

適用于文字書寫教學教室系統的嵌入式局域網協議

喻世東,戴 永,王求真,李 璇,任 昆

(湘潭大學智能計算與信息處理教育部重點實驗室,湖南湘潭411105)

針對以文字書寫教學裝置為終端的教室系統的數據傳輸要求和特性,分析已有協議處于該環境下所面臨的局限性,提出一種適合該類教室系統的嵌入式局域網協議CSELP。在以太網幀的基礎上擴展8個字節實現確認、超時重傳、流量控制等功能,提供面向連接的可靠傳輸服務,簡化數據處理和狀態機制;采用改進的帶寬預估算法估計可用帶寬大小,在擁塞避免階段根據預測的窗口大小變化調整擁塞窗口;設計重傳隊列實現面向組的確認機制,從而提高系統的實時性和傳輸效率。實驗結果表明,該協議能滿足文字書寫教學教室系統的應用需求,并且可推廣到非文字書寫教學的教室系統。

文字書寫教學裝置;教室系統;嵌入式;以太網;CSELP協議;數據傳輸

1 概述

隨著文字書寫教學系統單機技術的日臻成熟[1-3]與環境保護呼聲的增大,無紙化文字書寫教學、改革傳統文字書寫教學手段、普及信息技術的文字書寫教學教室系統的研究勢在必行。迄今為止,教室系統的研究較多地集中在虛擬教室[4]、多媒體[5]等上。文字書寫教學教室系統的學生終端多為嵌入式平臺,將已有的其他學習內容的教室系統方案直接套用于文字書寫教學教室系統,在硬件需求和教學方式等諸多方面存在重要局限性,最突出的是局域網協議不適用問題。TCP/IP協議[6-7]在跨網段傳輸方面有優勢,無線傳感網絡協議[8-9]在環境、醫療等無線應用領域中非常適用,工業總線協議[10]在串行傳輸方面傳輸速度快,但這些協議在嵌入式系統構成的局域網環境內,實時性、可靠性或適用性等方面存在一定局限性。文獻[11]關于局域網內部嵌入式設備通信協議解決了報文封裝的冗余并壓縮了協議的處理層次,但是對于針對性提高局域網內部通信速率和改進擁塞控制方法沒有提出有效的對策。本文針對局域網內部嵌入式設備實時通信鏈路狀態相對較好、硬件資源受限等特征,提出一種適合以文字書寫教學裝置為終端的教室系統局域網協議,即 CSELP(Classroom System Embedded LANProtocol)。該協議在以太網幀上擴展了8比特字段的包頭,使用本地和遠程的端口號和MAC地址來標識一個連接,使用窗口和速率相結合的流控機制,提供面向連接的可靠傳輸服務,參考UIP的實現方法并優化了狀態機制、重傳隊列機制、確認機制和擁塞控制算法。

2 體系結構

文字書寫教室系統旨在實現集中進行文字書寫教學,系統的體系結構如圖1所示。

圖1 教室系統體系結構

作為文字書寫教學教室系統的工作過程具備3個基本特征:(1)教師可通過教師服務器既可同時向所有,也可選擇性向學生終端傳授教學內容、布置書寫作業等;(2)學生終端只能單獨通過教師服務器向教師提問、請教等,而不能互傳作業內容等;(3)學生作業可隨時提交,同時提交作業的人數不受限制。據此,教室系統由M臺嵌入式文字書寫練習機和一臺教師端服務器按星型拓撲結構組網。本文系統文字書寫教學終端為本實驗室研制的文字書寫教學裝置,其核心功能是多文種、多格式兼容文字書寫教學,與聯網相關的功能包括接受老師統一布置作業、作業保存或提交,在線提問等;教師服務器具有作業布置、批改評閱、在線答疑等功能。教室系統協議為本文所研究的CSELP協議,文字書寫教學終端與教師服務器相互協作,構成文字書寫教學教室系統。

3 CSELP設計與實現

3.1 協議分析

教室系統運行在一個相對較小的空間,它的數據流量都在本局域網內部產生的。鑒于CSELP應用的空間局限性,CSELP不采用網絡層協議提供路由,直接在數據鏈路層實現,相比基于TCP/IP的協議棧極大的縮減了協議層次,減少了協議開銷。CSELP協議使用本地和遠程的端口號和MAC地址來標識一個連接。提供面向連接的可靠傳輸服務,使用窗口和速率相結合的流控機制實現數據的高效傳輸。相比傳統的TCP/IP協議,可優化狀態處理、重傳隊列機制、確認機制和擁塞控制算法。

3.2 CSELP協議幀格式

以太網是目前局域網最通用的通信協議標準,提供在局域網中設備間數據通信的功能,但是由于沒有窗口、確認序列號、控制等字段,而無法提供確認、超時重傳、流量控制等功能。鑒于教室系統網絡通信實時性和可靠性的需要,CSELP結構如圖2所示。與通用Ethernet協議相比,本文協議幀結構在數據字段的包頭增加2 Byte的發送、確認序列號、1 Byte窗口、2 Byte的目的/源端口、1 Byte的控制字段和2 Byte的校驗字段,壓縮TCP/IP協議棧結構里的傳輸層和網絡層形成一個擴展的協議棧,稱為CSELP協議棧,每一幀的封裝長度最大值為MAC+ ELP僅有22 Byte。

圖2 CSELP幀結構

3.3 數據處理及狀態轉換

協議棧系統緩沖區采用靜態分配的方式,參考UIP協議,定義一個發送緩沖區和一個接收緩沖區,協議層之間的數據傳輸采用零拷貝技術,數據在入棧以后只處理并封裝一次,由以太網驅動發送,提高協議性能,同時也提高系統是實時性。數據包到達指定設備后通過逆向解析送達用戶進程。

CSELP協議的數據傳輸分為3個階段:連接建立,數據傳輸和連接斷開。它的實現可以用狀態機來描述,在新的格式定義下,CSELP協議服務端和客戶端的狀態轉換如圖3所示。

協議采用了和TCP/IP相似的3次握手和4次關閉的信息交互結構,不同之處是它省略了連接超時狀態,連接的每次狀態變換都基于當前狀態和收到的數據包的標志位來決定,狀態機循環在建立連接、傳輸數據、斷開連接等狀態間進行轉化。

圖3 CSELP服務端和客戶端狀態機

3.4 流量控制和確認機制

針對教室系統“瘦客戶端”、局域網內部傳輸和數據主要為作業文件表現出連接數目很少變化、鏈路狀態相對較好和數據量大等方面的特點,CSELP采用窗口和速率控制相結合的方法,改善鏈路流量穩定性、文件傳輸速率等性能,提高帶寬利用率和減少擁塞。在收到確認信號之前最多可以發送的包的數目由接收方的窗口大小W確定,每發送一個包,窗口大小W減1,如果W為0,那么停止發送數據包,直到W重新變為非0。

在文獻[12-13]的基礎上,采用改進的帶寬預估算法,根據收到ACK數據包速率也即數據包往返時(RTT)延估計可用帶寬大小,調整擁塞窗口值的大小。假設時間區間[t,t+Δt]內,ACK回應的數據字節數為[SeqNum(t),SeqNum(t+Δt)],則可用網絡帶寬ABW(t)為:

若 Δt→0,ABW(t)可看作SeqNum(t)的導數,即:

其中,WinNum表示窗口數量也即發送端數量,對于小學課堂教學,學生數目即連接的終端數目在同一節課中一般不會變化,且Δt→0,所以WinNum為常數;WinSize(t)表示窗口大小,為了充分利用網絡而又避免擁塞,使ABW(t)與SBW(t)取值相同,則:

式(4)可轉化為:

為了預測窗口大小變化趨勢,對式(5)兩邊求導,得:

離散化可得:

其中,ΔWinSize為窗口大小變化量;RTT(t+Δt)為當前時刻RTT采樣值;RTT(t)為前一次采樣值;SeqNum′(t+Δt)表示當前網絡帶寬。此擁塞控制算法中,RTT的采樣值非常重要,取值不當會影響帶寬估計的準確性,招致錯誤判斷。在網絡傳輸過程中,偶然因素會導致少數網絡延遲或丟包,并不代表實際擁塞狀況,采樣RTT時應對此進行區別,采用3次采樣取最小值的機制消除偶然因素的影響。發送端的擁塞窗口為cwnd,接收端窗口為rwnd,發送窗口大小為min(cwnd,rwnd),rwnd為接收端決定,網絡環境對其沒有影響,所以擁塞控制的方法就是調整cwnd的大小。擁塞控制算法的主要步驟如下:

(1)慢啟動階段:采用式(7)里的3次最小RTT采樣值得到往返時延RTTmin;設置與RTTmin對應的超時時間,慢啟動閥值ssthresh初始化為rwnd;cwnd初始化為1;并根據AIMD算法(和式增加,積式減少)調整cwnd大小:每經過一個RTT時間,cwnd(t+RTT)←2×cwnd(t),當cwnd=ssthresh,轉步驟(2)。

(2)擁塞避免階段:采用式(7)中的ΔWinSize調整cwnd大小;cwnd(t+Δt)←cwnd(t)+ΔWinSize。

(3)發送數據包cselps后,如果RTTmin時間內沒有收到cselps的ack確認,表明發生網絡擁塞導致丟包,重傳丟失的數據包cselps,同時采用AIMD算法調整cwnd大小:cwnd←cwnd/2,然后跳轉到步驟(1)。

針對局域網鏈路狀態相對較好的情況,采用面向組的確認機制,接收方收到數據包后,以組為單位發送確認,每發送一個數據包,包頭的序列號加1,發送方收到確認包后,在重傳隊列刪除對應的數據包組,另外發送方也需要更新發送窗口。發起連接和結束連接的命令幀都占用一個序列號,通過檢查校驗碼來確定數據包是否完整。使用反向確認,如果接收方檢測到包丟失或者損壞,接收方將發回一個反向確認,請求對方重發。

3.5 錯誤檢測與恢復

每個數據包的包頭都有一個序列號,每發送一個數據包序列號加1,接收方按序列號對數據包進行排序,根據序列號來判斷是否有亂序與重復發生,并根據CRC校驗來檢測錯誤,對丟失或者出錯的包進行重傳。

CSELP重傳隊列的設計:發送端利用鏈表記錄每組已發出的CSELP數據包,而收到CSELP確認報文時從該鏈表中刪除相應的CSELP數據包組。同時設定一個定時器,每隔一段時間響應一次,發送隊列中已經超時的所有CSELP數據包。鏈表結構如圖4所示,每個連接Con[i]單獨維護一個ELP重傳隊列cselp_resend。該重傳隊列采用一個如圖4所示的雙層鏈表來存儲,第一層為一個cselp_remxit結構體,存儲可能需要重傳的數據包的相關信息,字段m_timer是該包的定時器,字段renum記錄該包重傳的次數,字段cselpdata是一個結構體包含數據包的具體內容。m個cselp_remxit結構體組成一個數據包組,放在一個vector容器中作為重傳鏈表的一個節點,這種設計結構能在發送數據包后直接將該包連接到此重傳隊列后面,便于接收到確認后刪除數據包組也便于重傳操作。

圖4 CSELP的重傳隊列結構

3.6 CSELP主要算法

CSELP的實現涉及數據頭定義、封裝格式和擁塞控制、確認機制、超時重傳等功能模塊,確認機制和超時重傳關乎系統能否實現可靠的數據傳輸服務以及作業文件傳輸的速率大小。

設組大小為m,連接con的接收隊列為recvbuf,則con的ack確認方法如下:

算法1 面向組的確認實現

輸入 m,con

輸出 ack

每個連接con[i]都有一個如圖4所示的重傳隊列cselp_ resend,則con[i]的重傳數據包cselps由如下算法獲得。

算法2 超時重傳的實現

輸入 con[i]

輸出 cselps

3.7 CSELP的協議效率分析

協議效率即信道(鏈路)利用率用E表示,成功發送一幀平均所需時間為Ts,發送每幀數據平均所需時間為Tt,E=Ts/Tt。

以L表示數據幀的比特長度,ACK或NAK信息幀的長度為ta比特;一個數據幀的傳輸時間為ta(稱一幀時),ACK幀或NAK幀的傳輸時間為ta;幀經過鏈路的傳播時延為TF=tp+tf,即物理鏈路距離d除以傳播速率v,而傳播速率和光速是同一數量級的,因此傳播時延對于數據幀和ACK(NAK)幀在兩個方向上是相同的,但是傳輸一幀的時間與幀的長度有關,對于數據幀和ACK幀是不相同的。

(1)理想線路上的信道利用率

定義λ=tp/tf,按幀傳輸時間歸一化,則:

考慮到滑動窗口的存在,令窗口大小為W,根據式(10),可以得到鏈路的利用率為:

(2)有差錯線路的信道利用率

在有錯誤的情況下,一個組可能要經過多次傳輸才能成功,式(10)的分母乘以傳輸的次數就得到有差錯線路上的效率Ee,有:

其中,Nr表示一個組重傳的次數,假設P為任何一幀出錯的概率,且不同幀的差錯是相互獨立的,則一個組m幀數據不出錯誤的概率為(1-P)m,出錯的概率為(1-(1-P)m),則當某一組傳輸成功時,需要j次傳輸的概率為(j-1)次不成功的概率乘以最后一次成功的概率,為(1-(1-P)m)j-1(1-P)m。由此表明傳輸次數存在一種幾何概率分布,為簡化計算,假設應答信號不會出錯,有:

式(13)變為:

同理,考慮到滑動窗口的存在,協議的最大效率為:

4 CSELP的實時性能分析

教室系統用于課堂教學,課堂時間有限,教學內容的傳輸必須滿足實時性要求,即教師布置作業以及、學生的作業提交等的數據傳輸速度越快越好。

4.1 數據一次傳輸最大時延

如果數據一次傳輸成功,則一個數據從封裝到傳輸至主機的時間,由數據成幀時間TF、路由轉發時間Tt與線路傳輸時延Td之和組成。

數據幀中封裝的數據量決定成幀時間。根據教育部有關規定[14],小學班級人數在45人～55人之間,本系統選擇60個客戶節點,數據幀傳輸時選取最大幀長1 518 Byte,其中攜帶的有效數據長度1 492 Byte,成幀時間為ns級,可以忽略。

系統的數據通道建立以后,傳輸至主機的數據率為 12.5 MB/s,即數據在節點的發送時間為121.44 μs;由于擁塞控制采用隊列策略,因此最大累記轉發時間Tt=1 518×60/12.5=7.286 4 ms。

根據文獻[15],小學教室最大前后間距一般為10 m,左右間距為6 m,則教室內服務端和終端最大距離為10+6/2=13 m,則Td=s×ts=13×2× 0.006=0.156 μs(s為距離,ts為電信號在雙絞線中的單位傳輸時延0.006 μs/m),以上三部分構成數據一次傳輸的最大時延T0=TF+Tt+Td= 7.286 5 ms。

4.2 數據一次重傳最大時延T1

數據幀在傳送過程中任1位出現誤碼將導致整幀重傳,本系統使用的命令幀長為22 Byte。重傳命令從主機到出錯節點所需時間包括命令幀送出時間Ts及線路傳輸時延。按100 Mb/s計算,命令幀送出時間Ts=22×60/12.5=0.105 6 ms,而最大傳輸時延仍為Td=0.12 μs,因此,總計一個命令幀從主機到節點的最大時延是Ts+Td=7.286 5 ms。誤碼重傳一次情況下,最終的最大時延為:T1=T0+Ts+Td+Tt+Td=14.678 8 ms。

4.3 每幀誤碼率q和平均重傳次數Rk

客戶節點每個節點(由物理層硬件保證)的誤碼率為2×10-12,假設每個節點數據幀中每一位誤碼率相同,由于每個數據幀有1 518比特,數據幀的正確率為p=(1-2×10-12)1518≈1-1 518×2×10-12≈0.999 999 996 9,從而該數據幀整體誤碼率q=1-p=3.1×10-9。

假設某幀重傳了ξ次才傳送正確,則:

此時平均重傳次數:

如發現錯誤需要重傳,平均重傳1.000 000 003次可保證正確。

5 實驗測試

文字書寫教學裝置為前文所述嵌入式多功能、多文種兼容、多書寫格式練習的文字書寫教學系統,嵌入式終端主要硬件模塊為 S3C2440,32 bit ARM920T內核,7英寸觸摸屏,標準配置64 MB_ NAND_FLASH,標準配置64MB SDRAM以及DM9000A 100Mbps以太網控制器。實驗教室按擺放60臺學生終端設計,離教師終端服務器最遠的終端距離為13 m,最近的終端距離為2 m,平均終端距離為6 m。教師終端服務器為一臺4核CPU、4 GB內存、1 Gb/s網卡的聯想PC機。服務器端軟件環境為Windows,學生端軟件環境為WINCE。實驗使用文字書寫教學終端為3個,分別布置在具有代表意義的節點及距離位置,13 m一個終端,2 m一個終端,6 m一個終端。通過多次文件傳輸測試,窗口大小W取200,數據包組大小m取40時能明顯的減少文件傳輸所花時間,同時又不占用太多內存。教師終端布置作業測試和學生終端提交作業實驗部分實驗截圖如圖5所示,圖5(a)所示是上位機選取向學生終端布置的內容,經過點擊布置按鈕操作后,圖5(b)為學生終端接收后的界面截圖,圖5(c)為學生終端提交作業時的界面截圖,圖5(d)為教師端服務器接收作業文件時的工作界面,顯示了作業文件名稱、文件大小、存放路徑和接收進度,圖5(e)為教師端發送作業文件時的工作界面,顯示了連接服務端的學生端信息、作業文件信息和發送進度。

圖5 實驗效果

通過CSELP協議讓1臺、2臺、3臺練習機同時提交一個1.09 MB的作業文件,然后服務端同時下發作業文件,分別統計所花時間,測試結果如表1所示。

表1 學生端發送和接收作業時間 ms

對比實驗:分別編寫PC端和WINCE端的MFC測試程序,功能主要包括可配置協議類型收發文件、計時。關閉上位機和嵌入式終端的其他應用程序,在實驗教室中用一臺距離上位機13 m的嵌入式終端通過測試程序用CSELP和TCP/IP向上位機發送不同大小的文件,分別統計發送這些文件所需時間,測試結果如圖6所示。現有以太網由于不具備連接標識功能以及數據傳輸可靠性保證,和CSELP在文件傳輸方面無法直接比較。

圖6 CSELP和TCP/IP協議性能對比

從表1中嵌入式終端發送作業和接收作業的平均時間來看,客戶終端的增加對文件傳輸所需時間影響很小,由此可以推斷60臺嵌入式終端同時傳輸文件服務器也能很快的接收完畢,服務端通過CSELP協議可以很好的完成教室系統的數據通信任務。

從圖6可以看出,由于從封裝長度、流量控制和確認機制都經過針對性的設計,CSELP協議在文件傳輸速率方面具有優勢,文件越大優勢越明顯。而且由于采用面向組的確認機制,減少了上位機接收文件時確認數據包的發送數目,縮小了上位機的網絡利用率,減少了多學生端同時發送文件時上位機出現擁塞的概率。

6 結束語

隨著信息技術的普及與數字化校園的建設,需要對可以節約大量書寫用紙與提高教學效率的文字書寫教學教室系統進行研究。本文就單間標準學生數目教室實現文字書寫教學終端局域聯網開展探討,設計了與以文字書寫教學裝置為終端相適用的CSELP,主要有以下特點:(1)提出改進的帶寬預估方法解決擁塞控制的問題;(2)利用重傳隊列實現了面向數據包組的確認以及超時重傳,提高了通信效率。

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[15] 中國標準委員會.GB-50099-2011中小學建筑設計規范[S].2011.

編輯 索書志

Embedded LAN Protocol for Text Writing Teaching Classroom System

YU Shi-dong,DAI Yong,WANG Qiu-zhen,LI Xuan,REN Kun
(Key Laboratory of Intelligent Computing and Information Processing,Ministry of Education, Xiangtan University,Xiangtan 411105,China)

According to the requirements and features of data transmission in a classroom system with writing teaching equipment for terminal,across analyzing the limitations of other protocols under this situation,an embedded LAN protocol is proposed based on Ethernet,which is suitable for the classroom system CSELP.Both the real-time performance and transmission efficiency are improved.Data frame expansion of 8 Byte achieves recognition,retransmission,flow control and other functions to provide connection-oriented reliable transmission service,and the data processing and sates method are simplified.The size of available bandwidth with improved bandwidth estimate algorithm is estimated and the congestion window by the prediction window size change in congestion avoidance is adjusted.The new design retransmission queue is used to implement the package-based ACK mechanism.Example application result shows that the protocol can satisfy the application requirements of the writing teaching classroom system,and can spread to other nonwriting teaching classroom system.

text writing teaching device;classroom system;embedded;Ethernet;CSELP protocol;data transmission

1000-3428(2014)09-0284-07

A

TP393

10.3969/j.issn.1000-3428.2014.09.057

湖南省教育廳基金資助項目(13C914);湖南省“十二五”重點學科建設基金資助項目。

喻世東(1989-),男,碩士研究生,主研方向:知識處理,智能系統;戴 永,教授;王求真,講師;李 璇、任 昆,碩士研究生。

2013-09-10

2013-10-31E-mail:yushidong@foxmail.com