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        淺談嵌入式網絡終端報文收發機制的研究

        作者: 時間:2012-01-04 來源:網絡 收藏

        1、 引言

        本文引用地址:http://www.104case.com/article/149893.htm

        21世紀已進入計算機時代。計算機極大普及,計算機應用已進入更高層次,計算機成了計算機行業的一部分。新一代的計算機已將網絡接口集成到主板上,網絡功能已嵌入到操作系統之中,智能大樓的興建已經和計算機網絡布線同時、同地、同方案施工。隨著通信和計算機技術緊密結合和同步發展,我國計算機網絡技術飛躍發展 .尤其在網絡系統中,網絡依靠協議棧完成,其功能集中在傳輸層、網絡層和鏈路層。通常的接收是在鏈路層以上建立接收任務,通過查詢物理層的通信狀態或者由物理層中斷觸發,來接收網絡數據。這兩種方式都有一定的缺陷。查詢方式,就是接收任務按照某種規則檢查底層是否收到新數據,簡單可靠,但由于網絡通信是一種隨機的離散事件,查詢方式可能對處理器資源造成嚴重浪費,加大通信延時。本文提出一種中斷與查詢結合使用的方法,通過實踐,表明這套具有高效、穩定、可靠的優點。

        2、

        本文的目標是充分利用系統的處理器和存儲器資源,保證網絡收發的實時性和吞吐量。本系統按圖1的基本架構實現網絡通信,由三層功能模塊和兩級緩存構成一條接收通道和一條發送通道。上層是系統應用程序。底層負責物理鏈路上的數據收發。中層由協議棧和網絡接口適配器驅動負責上層和底層的數據交互。有兩級緩存,上層與中層之間的二級緩存用于網絡報文的封裝和解析;中層與底層之間的一級緩存分為接收緩存和發送緩存,采用環行結構,作用是解決與網絡之間異步問題。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)。原因是發送過程是主動過程,由高層發起并控制低層完成,而接收過程中低層先得到數據,但只能等待而不能控制高層的響應。通常物理層、媒體訪問控制(MAC)和一級緩存可以使用網絡接口控制器 (Network Interface Controller: NIC) 實現,NIC能獨立完成物理鏈路上的報文收發。

        網絡適配器又稱網卡或NIC(網絡接口控制器),是一塊被設計用來允許計算機在計算機網絡上進行通訊的計算機硬件。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。 每一個網卡都有一個被稱為MAC地址的獨一無二的48位串行號,它被寫在卡上的一塊ROM中。在網絡上的每一個計算機都必須擁有一個獨一無二的MAC地址。沒有任何兩塊被生產出來的網卡擁有同樣的地址。這是因為電氣電子工程師協會(IEEE)負責為網絡接口控制器銷售商分配唯一的MAC地址。

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        2、1接收流程

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        本系統中,網絡報文接收過程RX2階段如圖2.初始狀態下,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據,就存入一級接收緩存,并向處理器發出中斷請求。中斷請求即緊急事件須向處理器提出申請(發一個電脈沖信號),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。系統將會執行相應中斷程序,檢查一級接收緩存是否溢出。如果溢出,就對其復位,并回到初始狀態。否則,關閉中斷A、B,向協議棧的接收任務發出一次接收通知。接收任務每次收到該通知,就從一級緩存取出一幀數據,保存到二級緩存,并按照網絡協議進行處理后轉交上層,之后,檢查一級緩存內是否仍有新數據。如果沒有,就清除中斷A的有效狀態,然后重新打開中斷A、B.如果有,就直接進入下輪接收過程。網絡協議是用來描述進程之間信息交換數據時的規則術語。在計算機網絡中,兩個相互通信的實體處在不同的地理位置,其上的兩個進程相互通信,需要通過交換信息來協調它們的動作和達到同步,而信息的交換必須按照預先共同約定好的過程進行。

        2、2發送流程

        本系統報文發送過程TX2階段如圖3,實現方式與接收不同,無專門任務負責發送功能,而是由協議棧提供一套統一接口,上層應用程序借此發送數據。首先在二級緩存中形成網絡報文,然后檢查一級緩存中發送緩存,待其可用,將數據從二級緩存復制到一級緩存,啟動發送。之后,NIC通常能夠自動完成余下的物理層發送工作。此刻,系統主動查詢接收通道的工作狀態。如果發生中斷A或B,就觸發軟中斷。于是,構成一種多點隨機查詢機制。NIC指網絡適配器,英文全稱為Network Interface Card,簡稱NIC,網卡是局域網中最基本的部件之一,它是連接計算機與網絡的硬件設備。無論是雙絞線連接、同軸電纜連接還是光纖連接,都必須借助于網卡才能實現數據的通信。它的主要技術參數為帶寬、總線方式、電氣接口方式等。

        本系統中,報文接收流程本是一種被動方式,相對查詢方式,軟硬件設計復雜度高,實用中很可能由于軟硬件缺陷導致可靠性問題。采用這種中斷結合多點隨機查詢的辦法,既克服了周期性查詢的效率低、實時性差的缺點,又消除了完全被動接收的不可靠性。

        3實現

        根據上文提出的收發機制,建立一個實驗終端系統,檢查實際性能。

        3、1系統硬件平臺

        LSI403LP是DSP芯片。它可提供4路Rj11接口供傳統電話機接入,1路RJ-45接口連接internet,還有一個RS-232接口供系統程序維護與升級。使用這種VOIP網關后,可使小型企業或家庭用戶方便快捷地接入internet直接進行語音通信,不但便捷而且經濟。給出了硬件和軟件的結構設計。

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

        本系統的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SRAM,可作為一級緩存,其中14KB作為接收緩存,2KB作為發送緩存。ISA總線: (Industry Standard Architecture:工業標準體系結構)是IBM公司為PC/AT電腦而制定的總線標準,為16位體系結構,只能支持16位的I/O設備,數據傳輸率大約是16MB/S.也稱為AT標準。開始時PC機面向個人及辦公室,定義了8位的ISA總線結構,對外公開,成為標準(ISO ISA標準)。

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        本系統的以太網接口模塊電路如圖4.8019的JP引腳接高電平,將8019設置在jumper工作模式。此模式下,8019的部分功能由跳線開關來設定,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的寄存器設置為403時鐘周期的整數倍。以太網(Ethernet)指的是由Xerox公司創建并由Xerox,Intel和DEC公司聯合開發的基帶局域網規范。是當今現有局域網采用的最通用的通信協議標準。 以太網絡使用CSMA/CD(載波監聽多路訪問及沖突檢測技術)技術,并以10M/S的速率運行在多種類型的電纜上。以太網與IEEE802·3系列標準相類似。

        3、2系統軟件設計

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        本系統軟件架構如圖5,網絡通信流程按照上文描述設計。本系統基于單DSP,采用uC/OS-II 實時操作系統。uC/OS-II采用基于優先級的搶占式多任務內核,最高優先級任務一旦就緒就必須搶占處理器,任務級響應時間可預知,對實時通信應用非常重要。

        本系統中存在一個網絡接收任務和多個網絡發送任務,NIC作為它們的共享資源,利用一個信號量來進行資源分配,以確保這幾個任務不會同時訪問NIC,導致NIC故障。

        4實驗結果

        將一臺PC作為主機與一臺實驗終端通過10Base-T以太網直接連通,不通過任何中間節點,進行以下測試,考察本系統以太網接口的性能。

        4、1中斷頻率

        主機向實驗終端發送100字節的ICMP回傳請求報文,發送10萬次,發送速率約8330次/秒,占用帶寬約7.0Mbps.實驗終端收到ICMP報文并且解析正確則是一次成功接收,但并不響應。LSI403與8019采用不同通信帶寬,實驗結果如表1.

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        表1說明,在終端內部,隨著上層與一級緩存通信速率的降低,接收中斷次數大大減少,報文丟失數有一定增加,但收到的報文數遠高于中斷次數。說明本系統的接收機制,能夠有效減少中斷和任務切換對處理器資源的消耗,彌補上層與一級緩存通信速率的不足。表1中第6種配置下,有大量數據包丟失,原因是403外部總線通信速率略高,數據傳輸出錯。

        總線通信速率低,與處理器速度慢或者協議棧效率低對網絡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的接收機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的資料數量,亦即在傳輸管道中可以傳遞數據的能力。在數字設備中,頻寬通常以bps表示,即每秒可傳輸之位數。在模擬設備中,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。主機配置是2.4GHz奔4處理器,256MDDR內存,RTL8139快速網卡,按0ms間隔(即最高速度)發送數據。測試結果如表2.本系統兩種情況下的吞吐量分別可以達到5.77Mbps和9.55Mbps,說明本系統對網絡帶寬具有很高的使用效率。

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        4、3沖擊測試

        計算機網絡中,各個節點都可能遭到大量數據沖擊,導致發生故障,甚至無法自動恢復。為檢測本系統抗沖擊能力,主機向實驗終端連續地發送長度74字節的ICMP回送請求報文。相同帶寬下,數據包長度越小,收發頻率越高,通信節點負擔也就越大。測試過程中,實驗終端只運行uC/OS-II操作系統和協議棧相關任務,以及一個用戶任務。主機發送報文頻率約每毫秒10次,占用帶寬約786KBytes/s.經過3000萬次沖擊,終端仍在按1秒間隔發送報文,并且主機仍能收到終端的ICMP回送。測試結果表明,本系統能夠為實際應用提供很好的穩定性保障。

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

        5、結束語

        本文針對嵌入式網絡終端,提出了一種中斷結合多點隨機查詢的網絡報文收發機制并進行實踐。通過這種機制既獲得了很高的報文接收速率,同時大大降低了系統的中斷切換、查詢、任務切換等負擔,而且具有很好的穩定性和可靠性。本文的成果已經在一種基于LSI403LP的單DSP網絡電話終端方案中運用,在通信速度、丟報率、穩定性各方面收到令人滿意的效果。在中國嵌入式系統領域,比較認同的嵌入式系統概念是:嵌入式系統是以應用為中心,以計算機技術為基礎,并且軟硬件可裁剪,適用于應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統。

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