嵌入式系统中UDP协议可靠数据传输的实现*

2011-01-10方娇莉

云南开放大学学报 2011年2期

方娇莉，刘明

(昆明理工大学计算中心，云南昆明650093)

一、概述

在嵌入式系统的通信中，一般采用232或485方式进行通信。近年来，为了兼容性与扩展性的考虑，多数嵌入式系统设计中，已经逐步开始采用了IP协议模块进行通信。一般在嵌入式系统中，通信的特点是：数据传输量少，而响应速度要求高。传输层协议中的UDP协议使用尽最大努力交付的特性能够满足数据高速传输的要求，但不能保证数据传输的可靠性。目前，对UDP协议的可靠性应用设计已有一些探讨和论述，［1］大多却设计过于复杂而不适合嵌入式系统。在嵌入式系统中，由于内存小，处理性能有限，对实现的算法要求简捷、高效。这里主要针对嵌入式系统的特点，提出了一系列有效的算法，实现了嵌入式系统中数据的可靠传输。

二、UDP协议分析

在Internet协议族的传输层中，有两种协议：TCP和UDP。TCP协议是可靠的传输协议，但开销较大，尤其在建立和释放连接时需要多次应答，会带来较大的传输延时，很难满足实时性要求较高的嵌入式系统的需求。UDP协议是一种无连接的协议，即发送数据时不需要建立连接，不保证数据的可靠传输。因此UDP协议传输速率高，同时无需像TCP协议那样维护连接状态表，而系统开销较小，比较适合于在嵌入式系统中使用。在网络质量比较高(如：局域网或光纤网络)的通信环境中，直接使用标准UDP协议进行通信，可以保证数据的正常传输。而在通信质量不太高的网络(如：Internet因特网)，大量的测试表明，丢包率往往会达到30%以上，而不能保证系统的正常运行。因此，如果采用标准UDP协议进行通信，必须加入可靠性控制，建立基于UDP协议的可靠传输协议(RUDP)。也可以说，在应用层对UDP数据报进行可靠性控制。

三、可靠性设计与实现

通常在传输协议实现要素上，［2］包括：连接管理、流量控制与缓冲、多路复用、确认技术、出错重传等。如果在RUDP的实现中，将流量控制、连接管理、确认及出错重传等机制全都考虑进去的话似乎成了另外的一种TCP协议，［3］很难达到减少系统开销，提高实时性而满足嵌入式系统开发的需求，也失去了RUDP设计与实现的意义。考虑到嵌入式系统的特点：实时性要求高和数据传输量小。在设计上不考虑连接管理，主要考虑数据确认技术、出错重传机制、缓冲区管理的实现以及简单的流量控制，以期提高可靠性的同时，能够保证系统的实时性。在嵌入式系统中，网络体系结构如图1所示，UDP可靠性应用协议(RUDP)工作在应用层(也可以看做是一个独立的层次)。对应网络层次结构，数据分组形成嵌套层次。

(一)数据分组。

数据分组分为两种类型：数据报文和应答报文。数据报文为上层业务功能模块提供有效的数据，应答报文仅用于接收到数据报文时进行应答。这两种数据分组，从嵌套层次来看，都是UDP数据报的净荷。格式如图2所示，数据分组由首字节+数据构成。首字节的首位为标记位，标记位为0表示数据报文;标记位为1表示应答报文。首字节的后7位为序号，序号仅取7位，取值范围为0～127。序号主要是考虑到嵌入式系统的内存较小，不能缓存过多的数据。如果系统内存开销允许的情况下，可以适当增加序号的位数，以便能缓存更大的数据。

(二)数据发送缓冲区管理。

确认技术是提高可靠性的重要机制。在TCP协议中使用了多种确认技术，但都会导致较大的系统开销和延时而不适合于嵌入式系统中使用。停止等待协议比较简单，易于实现，但执行效率将会是很低，［3］延时较大。为提高实时性，提高传输速度，不必等待一个数据报文发送成功后，再发送下一个数据报文，就需要设置缓冲区。在嵌入式系统中，为尽量节省内存，缓冲区管理方面，只考虑发送缓冲区的管理。缓冲区管理是实现数据可靠传输的关键。缓冲区的大小由数据分组的序号确定，这里使用首字节的的7位序号，缓冲区的最大值为128，即最大能缓存128个数据分组。使用循环数组结构，形成一个环形队列。数据分组的序号同时也对应着数据在缓冲区中的位置，其基本结构图3所示。发送缓冲区管理的核心就是缓冲区释放与分配，集中体现在序号的管理，接下来将详细论述实现的流程。

(三)数据发送的实现。

如果有数据要发送，必须先获得一个空闲的存储空间的序号，将数据放入对应的缓冲区队列中。如图4所示，定时器中断后即检查缓冲区中是否有待发数据。而在发送过程中，发送次数和发送计时器是发送设计中的关键。发送计时器管理同一个数据报上次发送和当次发送的时间间隔，这个时间间隔不能小于某一设定值。这样做的目的是为了让接收方来得及处理和接收，根据发送成功率动态改变时间间隔的设定值在这种RUDP协议中可以实现简单的流量控制。其基本思想是：在发送成功率高的情况下适当减少时间间隔;发送成功率降低的情况下，适当加大时间间隔。发送次数管理，是为了避免数据无限制的发送下去，通过发送次数的管理可以及时判断网络物理连通性。

序号按顺序获取，往往在系统运行一段时间后，序号会变得不连续。序号是否连续在这一层并不重要。在嵌入式系统中，通常数据量小，一般情况下，一次传输的数据只需要一个数据报就能完成，不需要多个数据报进行组合，而更重要的是实时性。在需要多个数据分组组合的情况下，相关的处理交于上一层的应用来完成。当接收方收到数据分组后，立即向发送方发送应答分组;发送方根据应答分组的序号，释放相应的缓冲区。

(四)数据接收的实现。

数据接收相对于发送管理较简单，如图5所示。进入定时中断程序后，即检查是否有有效数据。在数据校验方面，为了避免过大的开销，仅采用UDP协议中的简单的校验和方式进行数据校验。如果需要较强的检错能力，可以在应用层来实现。接收数据流程的关键是判断应答数据报还是数据报，如果是应答数据报，表明接收方已经接收到了该序号对应的数据，则将对应的数据包从发送缓冲队列中移除。如果是数据包则交由上层应用来处理，同时向发送方发送应答数据包。

四、性能测试

测试环境的建立，可以在互联网环境中，通过运行多种通信软件模拟一个拥塞的网络环境进行测试，通过ping测试在丢包率达到30%的情况下，若采用标准的UDP协议进行传送数据，其丢包率仍然在30%左右，也就是标准UDP协议的丢包率基本和ping测试的丢包率一致的。应用这种可靠的UDP协议，重发次数设置为3，计时器重复时间间隔初始值设为300ms，可以保证数据正常的传送，丢包率为0。这种方式较大程度上提高了数据传输的可靠性，与此同时由于减少了建立和释放连接的应答次数，较TCP协议实时性也有了较大的提高。