基于8位單片機(jī)的TCP通信速度研究

0 引 言

長(zhǎng)久以來，串行RS 232和RS 485通信技術(shù)一直是自動(dòng)化儀器、儀表中常用的通信標(biāo)準(zhǔn)。但近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展及其在工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用，使得工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)和儀器、儀表領(lǐng)域加速了向智能化、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展的進(jìn)程。出現(xiàn)了電力線通信技術(shù)、無線紅外和藍(lán)牙通信技術(shù)、基于USB接口的通信技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)以及嵌入式Internet接入技術(shù)等新技術(shù)。其中基于嵌入式Internet接入技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化儀器是近年提出的全新概念，它是儀器檢測(cè)技術(shù)與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、微電子技術(shù)深度融合的產(chǎn)物口。檢測(cè)儀器接入Internet，成為執(zhí)行測(cè)量和控制任務(wù)的儀器Web站點(diǎn)，這種網(wǎng)絡(luò)化儀器可以像普通儀器那樣按設(shè)定程序?qū)ο嚓P(guān)物理量進(jìn)行自動(dòng)測(cè)控、存儲(chǔ)和顯示等，同時(shí)允許已授權(quán)的用戶通過Internet遠(yuǎn)程對(duì)儀器進(jìn)行操作、監(jiān)控、故障診斷等。在具體的應(yīng)用中，出現(xiàn)了不少問題，其中之一就是傳輸率和系統(tǒng)利用率不高，本文正是在這種背景下產(chǎn)生的。

1 TCP通信硬件接口

典型的8位機(jī)采用TCP協(xié)議接入Internet的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口如圖1所示。RTL8019AS以其優(yōu)異的性價(jià)比，成為目前單片機(jī)以太網(wǎng)系統(tǒng)的首選以太網(wǎng)接口芯片。該芯片符合IEEE802.3 10Base2和10BaseT標(biāo)準(zhǔn)，具有自動(dòng)奇偶檢測(cè)和糾錯(cuò)功能，支持全雙工工作模式。如圖1中，RTL8019AS工作于8位跳線模式，數(shù)據(jù)線SD0～SD7與8位單片機(jī)(51系列)的數(shù)據(jù)線(AD0～AD7)相連，地址線A0～A4與8位單片機(jī)的地址線(A0～A4)相連。讀寫信號(hào)經(jīng)74S04產(chǎn)生。RTL8019AS的基地址(配合引腳34(AEN))為 0x8000H，對(duì)應(yīng)RTL8019AS內(nèi)部地址0x300H。RTL8019AS通過網(wǎng)絡(luò)變壓器HR901170A和RJ45接口與以太網(wǎng)相連接入internet，隔離網(wǎng)絡(luò)上的干擾信號(hào)。

2 單片機(jī)系統(tǒng)中TCP通信問題分析

TCP協(xié)議是TCP/IP協(xié)議簇的核心，也是最復(fù)雜的協(xié)議。但由于其獨(dú)特的自動(dòng)檢錯(cuò)和重發(fā)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的可靠通信，但也正是由于其復(fù)雜性，在8 位機(jī)上實(shí)現(xiàn)TCP協(xié)議通信耗時(shí)就比較多，傳輸速率低下。TCP協(xié)議的數(shù)據(jù)通信過程，以客戶機(jī)為例進(jìn)行分析。圖2是典型的采集系統(tǒng)TCP數(shù)據(jù)通信的時(shí)間序列圖。在建立連接后，由客戶機(jī)向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)。假設(shè)此時(shí)客戶機(jī)的啟始序列號(hào)為100，每次固定發(fā)送100字的樣數(shù)據(jù)。服務(wù)器負(fù)責(zé)接受該數(shù)據(jù)，但不下發(fā)任何送數(shù)據(jù)，只確認(rèn)所接收的數(shù)據(jù)，其啟始序列號(hào)為50。對(duì)于單片機(jī)系統(tǒng)，由于其處理速度和內(nèi)存資源的局限，通常的處理流程如圖3。

由于服務(wù)器(一般為裝有windows系統(tǒng)的微機(jī)或工業(yè)計(jì)算機(jī))并不是收到數(shù)據(jù)就直接發(fā)送確認(rèn)，而是繼續(xù)等待接受序列中的其他數(shù)據(jù)。這就會(huì)經(jīng)常觸發(fā)服務(wù)器的接受延時(shí)的確認(rèn)算法，這將導(dǎo)致剩下的數(shù)據(jù)不能在200 ms內(nèi)發(fā)送。對(duì)于高速交互的采樣系統(tǒng)而言，這將產(chǎn)生明顯的時(shí)延。Host Requirements RFC申明TCP必須實(shí)現(xiàn)Nagle算法，但必須為用戶提供一種方法來關(guān)閉該算法在某個(gè)連接上的執(zhí)行。該算法要求TCP連接上最多只能有一個(gè)未被確認(rèn)的未完成的小分組，在該分組的確認(rèn)到達(dá)之前不能發(fā)送其他的小分組。實(shí)際使用Sniffer監(jiān)聽軟件也得到同樣的結(jié)果，在接收到下位機(jī)的數(shù)據(jù)包后，上位機(jī)延時(shí) 200 ms后，發(fā)送確認(rèn)包，其傳輸速度為10 packet/s，實(shí)際網(wǎng)絡(luò)利用率不足1%。由圖3可見，只要提高服務(wù)器確認(rèn)發(fā)送的速度，就可以提高通信的速度。對(duì)于本系統(tǒng)采用33M的主頻(C051F 單片機(jī))發(fā)送一個(gè)分組(1 024 B)和接受一個(gè)確認(rèn)分組(60 B)總用時(shí)為3～3.5 ms，關(guān)閉Nagle算法后，使用Sniffer監(jiān)聽分析數(shù)據(jù)包，系統(tǒng)上位機(jī)在收到數(shù)據(jù)包后，立即發(fā)送確認(rèn)包，期間只有0.3 ms左右的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，系統(tǒng)速率提高到設(shè)定的20 ms發(fā)送一次采樣數(shù)據(jù)，即100 packet/s，系統(tǒng)利用率提高為為原來的10倍。

然而對(duì)于有些應(yīng)用場(chǎng)合，每次采樣的數(shù)據(jù)量并不大(小于100 B)，采用關(guān)閉Nagle 算法來提高傳輸率是不理想的，因?yàn)檫@樣增加了網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)姆纸M的數(shù)量，同時(shí)增大了客戶機(jī)(下位機(jī))處理這些多出來的分組的時(shí)間消耗，降低了系統(tǒng)利用率，增大了傳輸出錯(cuò)率，大幅度的減少了持續(xù)傳輸時(shí)間。實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)采用高頻單片機(jī)(100M主頻)，將數(shù)據(jù)通信速率提高到1 000 packet/s，發(fā)現(xiàn)傳輸錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)包達(dá)到5%，同時(shí)傳輸持續(xù)時(shí)間由原來的大于48 h不間斷，減少為不足2 h，系統(tǒng)利用率也只有不到2%，同時(shí)已無法繼續(xù)提高傳輸速度(由硬件條件限制)。為解決這個(gè)問題，同過分析具體TCP通信的各環(huán)節(jié)對(duì)時(shí)間的消耗過程，尋求在已有的硬件基礎(chǔ)上，通過軟件來解決問題。

首先是數(shù)據(jù)分組打包。這里的耗時(shí)與要打包的數(shù)據(jù)量和主頻有關(guān)。為了便于計(jì)算，以下都用最簡(jiǎn)單的MCS-8051單片機(jī)為例進(jìn)行分析。對(duì)于發(fā)送100 B的數(shù)據(jù)，外界晶振為12M的51單片機(jī)，其一個(gè)機(jī)器周期為1μs。典型的打包代碼(包括TCP包和IP包)的執(zhí)行總周期約為2 200個(gè)機(jī)器周期(具體大小與編寫軟件所使用的語(yǔ)言和編譯器有關(guān))，用時(shí)為2.2 ms。

其次是數(shù)據(jù)備份。TCP協(xié)議需要超時(shí)重發(fā)，因而備份已發(fā)出而未收到確認(rèn)的數(shù)據(jù)分組是必要的。這里的耗時(shí)與數(shù)據(jù)量和主頻以及數(shù)據(jù)本備份的存儲(chǔ)器類型有關(guān)。對(duì)于100 B數(shù)據(jù)和40 B的頭部(包括TCP包的20 B頭部和IP包的20 B頭部)，總共140 B的數(shù)據(jù)備份，采用外部存儲(chǔ)器，典型代碼的執(zhí)行周期為1 130個(gè)機(jī)器周期，用時(shí)為1.13 ms。

再次是發(fā)送數(shù)據(jù)分組。這里的耗時(shí)也與數(shù)據(jù)量和主頻有關(guān)。典型發(fā)送分組代碼的執(zhí)行總周期為2 200個(gè)機(jī)器周期，耗時(shí)為2.2 ms。

最后確認(rèn)分組。這里要做的工作有：檢測(cè)接口芯片，判斷分組類型，拆分IP包，拆分TCP包，典型代碼的執(zhí)行周期為4 130個(gè)機(jī)器周期，用時(shí)4.13 ms。

總共用時(shí)9.66 ms，其中接受確認(rèn)分組耗時(shí)最多，占總用時(shí)的42.8%。

3 改進(jìn)后的TCP通信方案

由上面分析可以看出，對(duì)于小分組來說，接收確認(rèn)分組的過程比較復(fù)雜，因而耗時(shí)也最多。因而控制服務(wù)器確認(rèn)分組的發(fā)送數(shù)量，成為提高效率的關(guān)鍵。

研究發(fā)現(xiàn)通過調(diào)整Nagle算法的延時(shí)時(shí)間(每個(gè)接口的延遲ACK定時(shí)器可通過設(shè)定注冊(cè)表表項(xiàng)TCPDelAckTicks 的值 (HKLM SYSTEM CurrentControlSetServicesTcpipParametersInterface)來調(diào)整，該注冊(cè)表表項(xiàng)在MicrosoftWindows NT 4.0 Service Pack 4中首次引進(jìn))和采樣單片機(jī)的發(fā)送流程來控制服務(wù)器發(fā)送確認(rèn)的數(shù)量。

如圖4所示，這里發(fā)送數(shù)據(jù)分組并沒有等待確認(rèn)分組這個(gè)過程。當(dāng)有確認(rèn)到達(dá)時(shí)，所做的工作正常情況下和圖3所示的系統(tǒng)沒什么區(qū)別，只是在當(dāng)丟失了分組后的異常狀態(tài)出現(xiàn)后，才在更新連接狀態(tài)時(shí)處理了超時(shí)檢測(cè)和出錯(cuò)重發(fā)等事件。之后在數(shù)據(jù)打包后也沒有備份，這里是采用了大存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)偏移技術(shù)，也就是說在一個(gè)分組的確認(rèn)未到達(dá)時(shí)，其原始數(shù)據(jù)是不會(huì)被覆蓋的，新的分組打包在其后的內(nèi)存單元中，這樣就節(jié)省了數(shù)據(jù)備份所消耗的時(shí)間，不過無形中增大了對(duì)內(nèi)存的需求。但本應(yīng)用針對(duì)的是小分組情況，所以實(shí)際需求的內(nèi)存并不大。實(shí)際工作中，為了使系統(tǒng)穩(wěn)定工作，應(yīng)建立2個(gè)TCP連接，一個(gè)用于服務(wù)器(上位機(jī))發(fā)送控制命令和進(jìn)行參數(shù)設(shè)定使用，一個(gè)用于客戶機(jī)(下位機(jī))上傳采樣數(shù)據(jù)使用。雖然TCP可以雙向傳送數(shù)據(jù)，可實(shí)際工作中，發(fā)現(xiàn)這樣在高速通信下出錯(cuò)率比雙連接單向數(shù)據(jù)通信要高出許多，主要是因?yàn)榭蛻魴C(jī)(下位機(jī))對(duì)TCP頭部的確認(rèn)號(hào)和序列號(hào)的調(diào)整容易出錯(cuò)所致。實(shí)際使用3～5個(gè)采樣分組發(fā)送一個(gè)確認(rèn)分組。因?yàn)檠訒r(shí)太短體現(xiàn)不了效率的提高，但延時(shí)太長(zhǎng)，如果出錯(cuò)，將產(chǎn)生大量重發(fā)分組的情況，影響網(wǎng)絡(luò)性能，同時(shí)也增大了對(duì)內(nèi)存的需求量。通過使用Snifferr軟件進(jìn)行監(jiān)聽比較，在同樣的采樣速率下，在改進(jìn)前，發(fā)送包速率為500packet/s，接收確認(rèn)包速率為500 packte/s，出錯(cuò)率5%，持續(xù)傳輸時(shí)間小于2 h;改進(jìn)后，發(fā)送包速率為500 packet/s，接收確認(rèn)包速率為183 packet/s，出錯(cuò)率小于0.1%，持續(xù)時(shí)間大于48 h。同時(shí)，同樣的硬件條件下，理論上可以進(jìn)一步提高采樣速率。

4 典型應(yīng)用

對(duì)于高速、低數(shù)據(jù)量的采集或測(cè)控系統(tǒng)，如石油管道的查漏和修復(fù)系統(tǒng)，要求高速采集對(duì)管壁的超聲波掃描信號(hào)，通常結(jié)合溫度、壓力、深度和角度信號(hào)為一組采樣信號(hào)，其總量不足20 B。這些系統(tǒng)要求高的采樣速率，但每次采集的數(shù)據(jù)并不多，這就產(chǎn)生了大量小的數(shù)據(jù)分組，這些小分組將迅速降低系統(tǒng)性能和網(wǎng)絡(luò)性能。采用本方案，可以較好地解決這些問題。

5 結(jié) 論

本文通過對(duì)TCP協(xié)議具體低層實(shí)現(xiàn)過程中各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)時(shí)間消耗的分析，找出了提高系統(tǒng)效率，提高通信速度的方法。實(shí)踐證明這樣的設(shè)計(jì)提高了系統(tǒng)的效率，提高數(shù)據(jù)傳輸率，降低了網(wǎng)絡(luò)上傳送冗余分組的數(shù)量，明顯改善了系統(tǒng)性能。特別適用于高速、低數(shù)據(jù)量的采集或測(cè)控系統(tǒng)。