隨著網絡技術的發(fā)展，集成網絡外設的嵌入式系統(tǒng)越來越多，對于目前大多數中低端的MCU來說，若運行較大型復雜網絡協(xié)議棧，如VXWORKS、LINUX系統(tǒng)自帶協(xié)議棧等，存在多種困難。由于上述協(xié)議棧均與各自操作系統(tǒng)綁定，需要同時移植相應操作系統(tǒng)(OS)，另外對于一些低端MCU來說，其硬件限制也無法運行大型協(xié)議棧。本文在嵌入式系統(tǒng)中設計實現了一種簡化的UDPIP協(xié)議棧，該協(xié)議棧運行占用資源少，數據傳輸效率高，便于移植，并且可以運行在無操作系統(tǒng)的微型嵌入式系統(tǒng)中。
1 設計原理及整體架構
    UDPIP協(xié)議棧對數據的處理過程，即對數據的發(fā)送和接收流程，主要完成對承載數據添加、剝離協(xié)議頭的操作。在兼顧UDPIP協(xié)議棧功能的基礎上，為了達到高效的目的，對協(xié)議棧的數據收發(fā)流程以及所涉及的重要數據結構進行優(yōu)化。
　在數據發(fā)送流程，用戶數據傳入協(xié)議棧以及協(xié)議棧將數據遞交給ETH控制器兩個步驟耗時最多，尤其是大于MTU的數據。通過優(yōu)化協(xié)議棧BUFFER結構以及協(xié)議棧與ETH驅動的掛接方式,改進了這兩部分的效率；對于大于MTU數據的接收，需要進行重組，所涉及的定時機制以及重組數據的整合，是影響效率的關鍵所在，需對其進行重新設計。
    根據優(yōu)化協(xié)議棧時流程簡化、功能不簡化的原則，設計開發(fā)了協(xié)議棧的控制模塊，以支持屬性設置，參數配置以及ETH設備的控制等功能。協(xié)議棧的整體架構如圖1所示。

2 關鍵技術
2.1 BUFFER管理
    在數據收發(fā)過程中，內存分配、釋放、拷貝是耗時最多的部分，盡可能減少內存操作，特別是減少數據在收發(fā)流程中的內存拷貝次數能大幅提高協(xié)議棧效率，合理的BUFFER池結構是實現高效協(xié)議棧的關鍵。為了配合設計流程的實現,便于協(xié)議棧數據BUFFER、系統(tǒng)BUFFER管理，提高協(xié)議棧數據傳輸效率，協(xié)議棧實現類LINUX系統(tǒng)中SLAB CACHE模式管理協(xié)議棧數據BUFFER和系統(tǒng)控制BUFFER。在系統(tǒng)初始化中分配大塊內存，按照不同BUFFER SIZE建立CACHE，其拓撲結構如圖2所示。

    在數據發(fā)送流程中，應用程序通過BSD接口將數據傳入UDPIP協(xié)議棧后，協(xié)議棧直接將其拷貝到協(xié)議棧BUFFER，若數據長度大于一個MTU，則分片后依次拷貝到多個協(xié)議棧BUFFER，相比于復雜協(xié)議棧,該協(xié)議棧在處理發(fā)送流程時，沒有按照先加UDP頭后分片的順序，而是先將數據分片，之后在第一分片頭添加UDP頭，由此省去了一次內存拷貝。用戶數據傳入協(xié)議棧的示意圖如圖3所示。

　在數據接收過程中，特有的BUFFER結構支持鏈表式數據重組，減少一次數據拷貝，有效地提高了數據的接收效率。從協(xié)議棧對數據的處理來講，接收流程是發(fā)送流程的逆過程,即發(fā)送流程將用戶數據傳入協(xié)議棧(大于MTU要分片)，添加UDP頭，IP頭以及ETH頭，接收流程相反，首先對ETH提交上來的數據進行剝離ETH頭，解析IP頭(大于MTU的包完成重組)，解析UDP頭，最終提交給用戶。
2.2 BSD接口實現
　從通用性考慮,簡化的UDPIP協(xié)議棧實現BSD面向UDP協(xié)議的所有接口。BSD接口基于SOCKET與PORT管理本地資源，包括存儲、分配、回收等操作。為了提高SOCKET和PORT資源較多時上述操作的執(zhí)行效率，采用位圖方式管理可用資源，以比特位的0和1狀態(tài)標識資源是否可用，采用比特操作方式，實現對資源的分配和釋放。在分配資源時，采用二分法查詢可用資源，即遍歷比特為0狀態(tài)的位置（第幾個比特），也就獲取了可用資源的Index。該算法保證在資源較多時，查找可用資源耗時為常量且算法復雜度較低，同時也能夠實現資源的重復利用。遍歷查找方式如圖4所示。

    在標準BSD接口中recvfrom涉及數據拷貝,且每次只能接收一個數據包，效率低且耗時。一般應用程序調用recvfrom接口的應用流程為：為了能夠獲取完整的數據包，特別是保證特大包（約64 KB）也能成功接收，應用程序在調用recvfrom接口時傳入的BUFFER要足夠大，一般設為64 KB。為了提高應用程序BUFFER的利用率，該BUFFER不是由應用程序提供，而是用一專門接受數據的緩存保存recvfrom的返回值,之后將該數據拷貝至應用程序提供的BUFFER進行處理。從上面流程可見，存在的主要問題是增加一次內存拷貝，特別是在協(xié)議棧滿負荷運行時，對協(xié)議棧性能影響巨大。在recvfrom讀取數據時，可以同時檢查SOCKET接收緩存是否還有數據包待接收，若有將其長度返回，應用程序在獲取當前數據時即可知道下一個數據包的長度，據此動態(tài)分配內存，既不浪費BUFFER空間也減少了一次拷貝。為了保持標準的recvfrom接口兼容性，考慮不通過擴展參數的情況下完成后續(xù)待接收數據長度提示信息的傳遞：接口recvfrom在每次拷貝一次數據到用戶緩存時，在拷貝完數據后，將后續(xù)是否有數據包待接收以及數據長度信息附于其后，應用程序可以提取該信息。
    上述設計方案越是在協(xié)議棧繁忙時越能體現其優(yōu)越性，當每次接收數據時下一個數據均已到達SOCKET接收緩存時，可以保證每次數據接收均可以減少一次拷貝；若協(xié)議棧比較清閑，則該方案失效，但此時系統(tǒng)欠載，多拷貝一次對系統(tǒng)效率也無影響。
2.3 簡單路由設計
　路由查詢需要確定數據包內所要填入的源IP地址，查找所要經過的協(xié)議棧網口，網口由協(xié)議棧數據接口描述。該結構對應于ETH驅動面向的物理網口或虛擬網口，使數據包在物理上或邏輯上分流和隔離，達到負荷分擔，優(yōu)先級控制等目的。路由查詢同時需要獲取數據包下一跳所要發(fā)往的節(jié)點以及該節(jié)點的MAC地址，用于封裝ETH頭。UDPIP協(xié)議棧支持簡單多網口路由，策略如下：協(xié)議棧支持多網口掛接，網口個數取決于ETH向協(xié)議棧注冊的網口個數，每個網口可以擁有多個IP地址，但每個IP地址唯一地屬于一個網口。數據發(fā)送時,根據目的IP地址，依次考慮其子網掩碼和網絡掩碼，采取網段位數最大匹配原理，選取網段最大匹配的本地IP所在的網口作為發(fā)送網口，若網段不能匹配，說明目的主機與本地主機不屬于同一網絡，UDPIP協(xié)議棧此時采取默認網關方式，選取任一ETH網口作為發(fā)送網口，將數據發(fā)往網關。
　針對上述缺陷，優(yōu)化的UDPIP協(xié)議棧在實現上述簡單路由機制的基礎上，簡化了ARP協(xié)議，采用ARP表現靜態(tài)配置的方式，將有通信需求的對端IP及MAC地址靜態(tài)配置到本地，在通過簡單路由機制獲取下一跳IP地址后，通過查詢該靜態(tài)配置表，將IP地址解析為MAC地址，進而封裝ETH頭，將數據發(fā)送出去。整個流程如圖3所示。
2.4 重組機制
　當第一次收到某報文的分片時，需要將分片暫存并啟動重組機制，直到該報文的所有分片到齊，重組成功，方能繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)處理。在某些情況下，分片報文在傳輸過程中丟棄將導致數據永遠重組不全，已經收上來的分片將長期占著資源不能釋放，因此必須防止此類情況發(fā)生。在標準協(xié)議棧中采用定時機制，在收到第一個分片時啟動重組定時器，若在定時期間內不能完成重組則將已收到的分片釋放，防止資源泄露。在簡化UDPIP協(xié)議棧中，考慮到定時機制相對復雜，而且增加定時器則會引入異步事件，增加了不可控因素，因此采用計數重組法保證重組機制的正常工作。
　計數重組法的工作原理：正常情況下，定時重組機制在所設時間內所有分片應該可以收齊，計數重組法則假定在某數據報的所有分片應該在所設定的IP報文個數內收齊。如定時重組機制中每收到該報文的任何一個分片重啟定時器，計數重組機制中則將計數器復位，重新計數。因此，首先應該給出假定的數據報文個數，此處設為N，在收到某個數據報的第一個分片時開始計數，當收到第N個數據報文時該數據報仍沒有重組完成，則認為該數據報重組失敗,需要將已收上來的分片釋放。
　在實現上，計數重組法與無符號數的計數溢出原理相結合，極大地提高了重組效率，系統(tǒng)聲明一無符號全局變量作為全局計數器，每收到一個IP報文，該計數器加1。當收到數據報D的第一個分片frag1時，若此時全局計數器的值為n，則初始化m對應的重組計數器基值為（0-n），之后在每次收到IP報文時，將全局計數器的當前值n1與其基值相加，獲取的值與設定的最大容限個數N比較，若大于N則認為數據重組失敗，否則繼續(xù)等待后續(xù)的分片。該算法具體實現原理如圖5所示。

2.5 與驅動掛接
    協(xié)議棧若能實現正常通信，需要設備驅動與之配合，在一些稍高端的微處理器上，配有ETH外設，可實現ETH驅動與協(xié)議棧掛接，ETH驅動以BD(Buffer Descriptor)的方式管理以太數據的收發(fā)。為了提高數據傳輸效率，在數據接收方向BD采取替換方式以避免拷貝，接收流程如圖6所示；在數據發(fā)送方向，協(xié)議棧將數據封裝成ETH幀，掛接到發(fā)送BD上，啟動ETH控制器完成發(fā)送，在發(fā)送完成后釋放數據BUFFER。一些中低端的微控制器不支持ETH外設，若需要與UDPIP協(xié)議棧掛接，則必須實現虛擬的ETH驅動，底層物理傳輸可以承載于串口、SPI、GPIO等普遍存在的外設之上。虛擬驅動也需要提供類BD的管理模式，完成數據的發(fā)送、接收、緩存，由于物理承載的限制，要求通信的對端設備物理介質相同，否則需要通過硬件轉換電路實現不對等的物理設備間的ETH通信。

3 性能測試
    協(xié)議棧的綜合性能取決于其接收方面的性能，因為數據接收流程要完成的工作相對于發(fā)送流程更為繁雜。將UDPIP協(xié)議棧與VXWORKS協(xié)議棧進行了性能對比測試，測試平臺為PPC85XX處理器，工作頻率為800 MHz，測試模型為發(fā)包儀器SmartBit與PPC85XX通過網線連接，ETH工作在千兆全雙工模式。SmartBit做為數據源向PPC發(fā)包，PPC應用程序接收到數據并處理。由于PPC硬件平臺處理能力較強，若應用程序調用recvfrom后不做任何處理，無論是Vxworks協(xié)議棧還是簡化UDPIP協(xié)議棧均能輕松達到單向900 Mb/s，區(qū)別在于CPU占用率不一樣。為了達到直觀的效果，測試用例采取附加應用程序處理數據，使CPU工作在滿負荷情況下，測試數據收發(fā)性能對比如表1所示。

    UDPIP協(xié)議棧為實現更高的傳輸效率，同時兼容各種硬件平臺，優(yōu)化設計了協(xié)議棧BUFFER管理系統(tǒng)，SOCKET接口模塊，采用簡潔快速的路由策略及重組機制，充分利用以太BD的特性，采取BUFFER替換方式完成ETH數據向協(xié)議棧的提交，盡可能減少數據拷貝。改進了標準BSD SOCKET接口的實現，既能很好地支持標準應用，又能夠大幅提高數據接收速率，兼容不同硬件平臺、操作系統(tǒng)平臺，甚至可以運行于無操作系統(tǒng)的低端MCU。在當前提倡三網融合的大環(huán)境下，電子終端種類日益增多，但IP化是電子終端的趨勢，也是三網融合實現的關鍵，相信UDPIP協(xié)議棧能夠滿足絕大多數中低端電子設備對IP傳輸的需求。
參考文獻
[1] Ma Qiang, Zhao Jianguo,Liu Bingxu. Implementation of Embedded Ethernet Based on Hardware Protocol Stack in  Substation Automation System [J]. Transactions of Tianjin University, 2008,14(2).
[2] JONES M T. TCP/IP Application layer protocols for embedded systems[M].Publishing House of Electronics Industry, 2002.
[3] 徐穎,欒勝. 基于UDP的端對端通訊的原理及實現[J]. 北京航空航天大學學報,2005,31(7):823-827.
[4] Dou Xiaobo, Wu Zaijun, Hu Minqiang,et al. Implementation of UDP in communication system of substation automation[J]. Electric Power Automation Equipment, 2003(12):5．
[5] JAMALIPOUR A,MARCHESE M,CMICKSHANKH S,et al. Broadband IP networks via satellites-Part I [J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2004,22(2):213-217.
[6] 何贊園,宋華偉,吉立新. VxWorks下UDP協(xié)議棧效率的 研究與改進[J]. 單片機與嵌入式系統(tǒng)應用, 2006(05)：28-30