淺談嵌入式網(wǎng)絡(luò)終端報文收發(fā)機(jī)制的研究

1、 引言

21世紀(jì)已進(jìn)入計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)時代。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)極大普及，計(jì)算機(jī)應(yīng)用已進(jìn)入更高層次，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)成了計(jì)算機(jī)行業(yè)的一部分。新一代的計(jì)算機(jī)已將網(wǎng)絡(luò)接口集成到主板上，網(wǎng)絡(luò)功能已嵌入到操作系統(tǒng)之中，智能大樓的興建已經(jīng)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)布線同時、同地、同方案施工。隨著通信和計(jì)算機(jī)技術(shù)緊密結(jié)合和同步發(fā)展，我國計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛躍發(fā)展 .尤其在嵌入式網(wǎng)絡(luò)終端系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)報文的收發(fā)依靠協(xié)議棧完成，其功能集中在傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和鏈路層。通常的報文接收機(jī)制是在鏈路層以上建立接收任務(wù)，通過查詢物理層的通信狀態(tài)或者由物理層中斷觸發(fā)，來接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。這兩種方式都有一定的缺陷。查詢方式，就是接收任務(wù)按照某種規(guī)則檢查底層是否收到新數(shù)據(jù)，簡單可靠，但由于網(wǎng)絡(luò)通信是一種隨機(jī)的離散事件，查詢方式可能對處理器資源造成嚴(yán)重浪費(fèi)，加大通信延時。本文提出一種中斷與查詢結(jié)合使用的方法，通過實(shí)踐，表明這套收發(fā)機(jī)制具有高效、穩(wěn)定、可靠的優(yōu)點(diǎn)。

2、 收發(fā)機(jī)制

本文的目標(biāo)是充分利用嵌入式系統(tǒng)的處理器和存儲器資源，保證網(wǎng)絡(luò)終端報文收發(fā)的實(shí)時性和吞吐量。本系統(tǒng)按圖1的基本架構(gòu)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，由三層功能模塊和兩級緩存構(gòu)成一條接收通道和一條發(fā)送通道。上層是系統(tǒng)應(yīng)用程序。底層負(fù)責(zé)物理鏈路上的數(shù)據(jù)收發(fā)。中層由協(xié)議棧和網(wǎng)絡(luò)接口適配器驅(qū)動負(fù)責(zé)上層和底層的數(shù)據(jù)交互。有兩級緩存，上層與中層之間的二級緩存用于網(wǎng)絡(luò)報文的封裝和解析；中層與底層之間的一級緩存分為接收緩存和發(fā)送緩存，采用環(huán)行結(jié)構(gòu)，作用是解決終端與網(wǎng)絡(luò)之間異步問題。接收過程分為三個階段，主要工作在RX2階段；發(fā)送過程分為兩個階段，上層和中層屬于同一階段（TX2）。原因是發(fā)送過程是主動過程，由高層發(fā)起并控制低層完成，而接收過程中低層先得到數(shù)據(jù)，但只能等待而不能控制高層的響應(yīng)。通常物理層、媒體訪問控制（MAC）和一級緩存可以使用網(wǎng)絡(luò)接口控制器 （Network Interface Controller: NIC） 實(shí)現(xiàn)，NIC能獨(dú)立完成物理鏈路上的報文收發(fā)。

網(wǎng)絡(luò)適配器又稱網(wǎng)卡或NIC（網(wǎng)絡(luò)接口控制器），是一塊被設(shè)計(jì)用來允許計(jì)算機(jī)在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行通訊的計(jì)算機(jī)硬件。由于其擁有MAC地址，因此屬于OSI模型的第2層。它使得用戶可以透過電纜或無線相互連接。 每一個網(wǎng)卡都有一個被稱為MAC地址的獨(dú)一無二的48位串行號，它被寫在卡上的一塊ROM中。在網(wǎng)絡(luò)上的每一個計(jì)算機(jī)都必須擁有一個獨(dú)一無二的MAC地址。沒有任何兩塊被生產(chǎn)出來的網(wǎng)卡擁有同樣的地址。這是因?yàn)殡姎怆娮庸こ處焻f(xié)會（IEEE）負(fù)責(zé)為網(wǎng)絡(luò)接口控制器銷售商分配唯一的MAC地址。

2、1接收流程

本系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)報文接收過程RX2階段如圖2.初始狀態(tài)下，打開接收中斷A和一級緩沖溢出中斷B.若物理層收到一幀或多幀數(shù)據(jù)，就存入一級接收緩存，并向處理器發(fā)出中斷請求。中斷請求即緊急事件須向處理器提出申請（發(fā)一個電脈沖信號），要求中斷,即要求處理器先停下自己手頭的工作先去處理我的急件,這一申請過程。系統(tǒng)將會執(zhí)行相應(yīng)中斷程序，檢查一級接收緩存是否溢出。如果溢出，就對其復(fù)位，并回到初始狀態(tài)。否則，關(guān)閉中斷A、B,向協(xié)議棧的接收任務(wù)發(fā)出一次接收通知。接收任務(wù)每次收到該通知，就從一級緩存取出一幀數(shù)據(jù)，保存到二級緩存，并按照網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行處理后轉(zhuǎn)交上層，之后，檢查一級緩存內(nèi)是否仍有新數(shù)據(jù)。如果沒有，就清除中斷A的有效狀態(tài)，然后重新打開中斷A、B.如果有，就直接進(jìn)入下輪接收過程。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是用來描述進(jìn)程之間信息交換數(shù)據(jù)時的規(guī)則術(shù)語。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，兩個相互通信的實(shí)體處在不同的地理位置，其上的兩個進(jìn)程相互通信，需要通過交換信息來協(xié)調(diào)它們的動作和達(dá)到同步，而信息的交換必須按照預(yù)先共同約定好的過程進(jìn)行。

2、2發(fā)送流程

本系統(tǒng)報文發(fā)送過程TX2階段如圖3,實(shí)現(xiàn)方式與接收不同，無專門任務(wù)負(fù)責(zé)發(fā)送功能，而是由協(xié)議棧提供一套統(tǒng)一接口，上層應(yīng)用程序借此發(fā)送數(shù)據(jù)。首先在二級緩存中形成網(wǎng)絡(luò)報文，然后檢查一級緩存中發(fā)送緩存，待其可用，將數(shù)據(jù)從二級緩存復(fù)制到一級緩存，啟動發(fā)送。之后，NIC通常能夠自動完成余下的物理層發(fā)送工作。此刻，系統(tǒng)主動查詢接收通道的工作狀態(tài)。如果發(fā)生中斷A或B,就觸發(fā)軟中斷。于是，構(gòu)成一種多點(diǎn)隨機(jī)查詢機(jī)制。NIC指網(wǎng)絡(luò)適配器,英文全稱為Network Interface Card,簡稱NIC,網(wǎng)卡是局域網(wǎng)中最基本的部件之一，它是連接計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)備。無論是雙絞線連接、同軸電纜連接還是光纖連接，都必須借助于網(wǎng)卡才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信。它的主要技術(shù)參數(shù)為帶寬、總線方式、電氣接口方式等。

本系統(tǒng)中，報文接收流程本是一種被動方式，相對查詢方式，軟硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜度高，實(shí)用中很可能由于軟硬件缺陷導(dǎo)致可靠性問題。采用這種中斷結(jié)合多點(diǎn)隨機(jī)查詢的辦法，既克服了周期性查詢的效率低、實(shí)時性差的缺點(diǎn)，又消除了完全被動接收的不可靠性。

3實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上文提出的收發(fā)機(jī)制，建立一個實(shí)驗(yàn)終端系統(tǒng)，檢查實(shí)際性能。

3、1系統(tǒng)硬件平臺

LSI403LP是DSP芯片。它可提供4路Rj11接口供傳統(tǒng)電話機(jī)接入，1路RJ-45接口連接internet,還有一個RS-232接口供系統(tǒng)程序維護(hù)與升級。使用這種VOIP網(wǎng)關(guān)后，可使小型企業(yè)或家庭用戶方便快捷地接入internet直接進(jìn)行語音通信，不但便捷而且經(jīng)濟(jì)。給出了硬件和軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

本系統(tǒng)核心采用LSI403LP定點(diǎn)數(shù)字信號處理器，時鐘頻率150MHz,最高速率600MIPS.具有外部指令和數(shù)據(jù)存儲器接口，類存儲器外設(shè)接口，三種接口共享地址、數(shù)據(jù)總線和讀寫等控制信號，但具有各自的片選信號，而且可以單獨(dú)配置，兼容不同訪問時序。

本系統(tǒng)的NIC選用RTL8019AS[4].該NIC支持ISA總線，可直接按存儲器方式訪問，支持10BASE-T,有16KBytes片內(nèi)SRAM,可作為一級緩存，其中14KB作為接收緩存，2KB作為發(fā)送緩存。ISA總線： （Industry Standard Architecture:工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)）是IBM公司為PC/AT電腦而制定的總線標(biāo)準(zhǔn)，為16位體系結(jié)構(gòu)，只能支持16位的I/O設(shè)備，數(shù)據(jù)傳輸率大約是16MB/S.也稱為AT標(biāo)準(zhǔn)。開始時PC機(jī)面向個人及辦公室，定義了8位的ISA總線結(jié)構(gòu)，對外公開，成為標(biāo)準(zhǔn)（ISO ISA標(biāo)準(zhǔn)）。

本系統(tǒng)的以太網(wǎng)接口模塊電路如圖4.8019的JP引腳接高電平，將8019設(shè)置在jumper工作模式。此模式下，8019的部分功能由跳線開關(guān)來設(shè)定，軟件控制使用NE2000寄存器組。LSI403LP對8019的一個訪問周期即PCS0N的一個有效周期，可通過403的寄存器設(shè)置為403時鐘周期的整數(shù)倍。以太網(wǎng)（Ethernet）指的是由Xerox公司創(chuàng)建并由Xerox,Intel和DEC公司聯(lián)合開發(fā)的基帶局域網(wǎng)規(guī)范。是當(dāng)今現(xiàn)有局域網(wǎng)采用的最通用的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。 以太網(wǎng)絡(luò)使用CSMA/CD（載波監(jiān)聽多路訪問及沖突檢測技術(shù)）技術(shù)，并以10M/S的速率運(yùn)行在多種類型的電纜上。以太網(wǎng)與IEEE802·3系列標(biāo)準(zhǔn)相類似。

3、2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖5,網(wǎng)絡(luò)通信流程按照上文描述設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)基于單DSP,采用uC/OS-II 嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)。uC/OS-II采用基于優(yōu)先級的搶占式多任務(wù)內(nèi)核，最高優(yōu)先級任務(wù)一旦就緒就必須搶占處理器，任務(wù)級響應(yīng)時間可預(yù)知，對實(shí)時通信應(yīng)用非常重要。

本系統(tǒng)中存在一個網(wǎng)絡(luò)接收任務(wù)和多個網(wǎng)絡(luò)發(fā)送任務(wù)，NIC作為它們的共享資源，利用一個信號量來進(jìn)行資源分配，以確保這幾個任務(wù)不會同時訪問NIC,導(dǎo)致NIC故障。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將一臺PC作為主機(jī)與一臺實(shí)驗(yàn)終端通過10Base-T以太網(wǎng)直接連通，不通過任何中間節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行以下測試，考察本系統(tǒng)以太網(wǎng)接口的性能。

4、1中斷頻率

主機(jī)向?qū)嶒?yàn)終端發(fā)送100字節(jié)的ICMP回傳請求報文，發(fā)送10萬次，發(fā)送速率約8330次/秒，占用帶寬約7.0Mbps.實(shí)驗(yàn)終端收到ICMP報文并且解析正確則是一次成功接收，但并不響應(yīng)。LSI403與8019采用不同通信帶寬，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1.

表1說明，在終端內(nèi)部，隨著上層與一級緩存通信速率的降低，接收中斷次數(shù)大大減少，報文丟失數(shù)有一定增加，但收到的報文數(shù)遠(yuǎn)高于中斷次數(shù)。說明本系統(tǒng)的接收機(jī)制，能夠有效減少中斷和任務(wù)切換對處理器資源的消耗，彌補(bǔ)上層與一級緩存通信速率的不足。表1中第6種配置下，有大量數(shù)據(jù)包丟失，原因是403外部總線通信速率略高，數(shù)據(jù)傳輸出錯。

總線通信速率低，與處理器速度慢或者協(xié)議棧效率低對網(wǎng)絡(luò)報文接收性能的影響是一致的，因此，這些都能夠采用本系統(tǒng)的接收機(jī)制來獲得較大的改善。

4、2帶寬

帶寬（band width）又叫頻寬，是指在固定的的時間可傳輸?shù)馁Y料數(shù)量，亦即在傳輸管道中可以傳遞數(shù)據(jù)的能力。在數(shù)字設(shè)備中，頻寬通常以bps表示，即每秒可傳輸之位數(shù)。在模擬設(shè)備中，頻寬通常以每秒傳送周期或赫茲 （Hz）來表示。

采用表1中第5種配置，測試環(huán)境與中斷頻率測試相同，ICMP回傳請求報文長度分別為60和1514字節(jié)。主機(jī)配置是2.4GHz奔4處理器，256MDDR內(nèi)存，RTL8139快速網(wǎng)卡，按0ms間隔（即最高速度）發(fā)送數(shù)據(jù)。測試結(jié)果如表2.本系統(tǒng)兩種情況下的吞吐量分別可以達(dá)到5.77Mbps和9.55Mbps,說明本系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)帶寬具有很高的使用效率。

4、3沖擊測試

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，各個節(jié)點(diǎn)都可能遭到大量數(shù)據(jù)沖擊，導(dǎo)致發(fā)生故障，甚至無法自動恢復(fù)。為檢測本系統(tǒng)抗沖擊能力，主機(jī)向?qū)嶒?yàn)終端連續(xù)地發(fā)送長度74字節(jié)的ICMP回送請求報文。相同帶寬下，數(shù)據(jù)包長度越小，收發(fā)頻率越高，通信節(jié)點(diǎn)負(fù)擔(dān)也就越大。測試過程中，實(shí)驗(yàn)終端只運(yùn)行uC/OS-II操作系統(tǒng)和協(xié)議棧相關(guān)任務(wù)，以及一個用戶任務(wù)。主機(jī)發(fā)送報文頻率約每毫秒10次，占用帶寬約786KBytes/s.經(jīng)過3000萬次沖擊，終端仍在按1秒間隔發(fā)送報文，并且主機(jī)仍能收到終端的ICMP回送。測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)能夠?yàn)閷?shí)際應(yīng)用提供很好的穩(wěn)定性保障。

ICMP回送請求報文的方法，用于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，其特征在于，包括：步驟一，接收ICMP回送請求報文，并對所述ICMP回送請求報文進(jìn)行分片分類；步驟二，根據(jù)不同的分片類型對所述ICMP回送請求報文進(jìn)行分別處理，以獲得相應(yīng)的出接口信息和封裝信息；及步驟三，根據(jù)所述出接口信息和所述封裝信息封裝ICMP回送應(yīng)答報文并發(fā)送。采用本發(fā)明方法對不需分片的ICMP回送請求報文可以直接應(yīng)答，對每個分片直接處理并封裝發(fā)送，從而達(dá)到節(jié)約CPU資源，快速響應(yīng)的目的，本發(fā)明方法還可以在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的線卡上對ICMP回送請求報文直接進(jìn)行分布式響應(yīng)，快速處理本線卡收到的ICMP回送請求報文。

5、結(jié)束語

本文針對嵌入式網(wǎng)絡(luò)終端，提出了一種中斷結(jié)合多點(diǎn)隨機(jī)查詢的網(wǎng)絡(luò)報文收發(fā)機(jī)制并進(jìn)行實(shí)踐。通過這種機(jī)制既獲得了很高的報文接收速率，同時大大降低了系統(tǒng)的中斷切換、查詢、任務(wù)切換等負(fù)擔(dān)，而且具有很好的穩(wěn)定性和可靠性。本文的成果已經(jīng)在一種基于LSI403LP的單DSP網(wǎng)絡(luò)電話終端方案中運(yùn)用，在通信速度、丟報率、穩(wěn)定性各方面收到令人滿意的效果。在中國嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域，比較認(rèn)同的嵌入式系統(tǒng)概念是：嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。