8位機嵌入式TCP通信速度的研究

0 引 言

長久以來，串行RS 232和RS 485通信技術一直是自動化儀器、儀表中常用的通信標準。但近年來，隨著計算機技術、網(wǎng)絡技術、通信技術的發(fā)展及其在工業(yè)自動化系統(tǒng)中的應用，使得工業(yè)自動化系統(tǒng)和儀器、儀表領域加速了向智能化、數(shù)字化和網(wǎng)絡化方向發(fā)展的進程。出現(xiàn)了電力線通信技術、無線紅外和藍牙通信技術、基于USB接口的通信技術、現(xiàn)場總線技術以及嵌入式Internet接入技術等新技術。其中基于嵌入式Internet接入技術的網(wǎng)絡化儀器是近年提出的全新概念，它是儀器檢測技術與現(xiàn)代計算機技術、網(wǎng)絡通信技術、微電子技術深度融合的產(chǎn)物口。檢測儀器接入Internet，成為執(zhí)行測量和控制任務的儀器Web站點，這種網(wǎng)絡化儀器可以像普通儀器那樣按設定程序對相關物理量進行自動測控、存儲和顯示等，同時允許已授權的用戶通過Internet遠程對儀器進行操作、監(jiān)控、故障診斷等。在具體的應用中，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位機采用TCP協(xié)議接入Internet的以太網(wǎng)網(wǎng)絡接口如圖1所示。RTL8019AS以其優(yōu)異的性價比，成為目前單片機以太網(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標準，具有自動奇偶檢測和糾錯功能，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(51系列)的數(shù)據(jù)線(AD0～AD7)相連，地址線A0～A4與8位單片機的地址線(A0～A4)相連。讀寫信號經(jīng)74S04產(chǎn)生。RTL8019AS的基地址(配合引腳34(AEN))為 0x8000H，對應RTL8019AS內(nèi)部地址0x300H。RTL8019AS通過網(wǎng)絡變壓器HR901170A和RJ45接口與以太網(wǎng)相連接入internet，隔離網(wǎng)絡上的干擾信號。

2 單片機系統(tǒng)中TCP通信問題分析

TCP協(xié)議是TCP/IP協(xié)議簇的核心，也是最復雜的協(xié)議。但由于其獨特的自動檢錯和重發(fā)機制，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的可靠通信，但也正是由于其復雜性，在8 位機上實現(xiàn)TCP協(xié)議通信耗時就比較多，傳輸速率低下。TCP協(xié)議的數(shù)據(jù)通信過程，以客戶機為例進行分析。圖2是典型的采集系統(tǒng)TCP數(shù)據(jù)通信的時間序列圖。在建立連接后，由客戶機向服務器發(fā)送數(shù)據(jù)。假設此時客戶機的啟始序列號為100，每次固定發(fā)送100字的樣數(shù)據(jù)。服務器負責接受該數(shù)據(jù)，但不下發(fā)任何送數(shù)據(jù)，只確認所接收的數(shù)據(jù)，其啟始序列號為50。對于單片機系統(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。

由于服務器(一般為裝有windows系統(tǒng)的微機或工業(yè)計算機)并不是收到數(shù)據(jù)就直接發(fā)送確認，而是繼續(xù)等待接受序列中的其他數(shù)據(jù)。這就會經(jīng)常觸發(fā)服務器的接受延時的確認算法，這將導致剩下的數(shù)據(jù)不能在200 ms內(nèi)發(fā)送。對于高速交互的采樣系統(tǒng)而言，這將產(chǎn)生明顯的時延。Host Requirements RFC申明TCP必須實現(xiàn)Nagle算法，但必須為用戶提供一種方法來關閉該算法在某個連接上的執(zhí)行。該算法要求TCP連接上最多只能有一個未被確認的未完成的小分組，在該分組的確認到達之前不能發(fā)送其他的小分組。實際使用Sniffer監(jiān)聽軟件也得到同樣的結果，在接收到下位機的數(shù)據(jù)包后，上位機延時 200 ms后，發(fā)送確認包，其傳輸速度為10 packet/s，實際網(wǎng)絡利用率不足1%。由圖3可見，只要提高服務器確認發(fā)送的速度，就可以提高通信的速度。對于本系統(tǒng)采用33M的主頻(C051F 單片機)發(fā)送一個分組(1 024 B)和接受一個確認分組(60 B)總用時為3～3.5 ms，關閉Nagle算法后，使用Sniffer監(jiān)聽分析數(shù)據(jù)包，系統(tǒng)上位機在收到數(shù)據(jù)包后，立即發(fā)送確認包，期間只有0.3 ms左右的網(wǎng)絡延時，系統(tǒng)速率提高到設定的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。

然而對于有些應用場合，每次采樣的數(shù)據(jù)量并不大(小于100 B)，采用關閉Nagle 算法來提高傳輸率是不理想的，因為這樣增加了網(wǎng)絡上傳輸?shù)姆纸M的數(shù)量，同時增大了客戶機(下位機)處理這些多出來的分組的時間消耗，降低了系統(tǒng)利用率，增大了傳輸出錯率，大幅度的減少了持續(xù)傳輸時間。實驗中，當采用高頻單片機(100M主頻)，將數(shù)據(jù)通信速率提高到1 000 packet/s，發(fā)現(xiàn)傳輸錯誤的數(shù)據(jù)包達到5%，同時傳輸持續(xù)時間由原來的大于48 h不間斷，減少為不足2 h，系統(tǒng)利用率也只有不到2%，同時已無法繼續(xù)提高傳輸速度(由硬件條件限制)。為解決這個問題，同過分析具體TCP通信的各環(huán)節(jié)對時間的消耗過程，尋求在已有的硬件基礎上，通過軟件來解決問題。

首先是數(shù)據(jù)分組打包。這里的耗時與要打包的數(shù)據(jù)量和主頻有關。為了便于計算，以下都用最簡單的MCS-8051單片機為例進行分析。對于發(fā)送100 B的數(shù)據(jù)，外界晶振為12M的51單片機，其一個機器周期為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個機器周期(具體大小與編寫軟件所使用的語言和編譯器有關)，用時為2.2 ms。

其次是數(shù)據(jù)備份。TCP協(xié)議需要超時重發(fā)，因而備份已發(fā)出而未收到確認的數(shù)據(jù)分組是必要的。這里的耗時與數(shù)據(jù)量和主頻以及數(shù)據(jù)本備份的存儲器類型有關。對于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，采用外部存儲器，典型代碼的執(zhí)行周期為1 130個機器周期，用時為1.13 ms。

再次是發(fā)送數(shù)據(jù)分組。這里的耗時也與數(shù)據(jù)量和主頻有關。典型發(fā)送分組代碼的執(zhí)行總周期為2 200個機器周期，耗時為2.2 ms。

最后確認分組。這里要做的工作有：檢測接口芯片，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個機器周期，用時4.13 ms。

總共用時9.66 ms，其中接受確認分組耗時最多，占總用時的42.8%。

3 改進后的TCP通信方案

由上面分析可以看出，對于小分組來說，接收確認分組的過程比較復雜，因而耗時也最多。因而控制服務器確認分組的發(fā)送數(shù)量，成為提高效率的關鍵。

研究發(fā)現(xiàn)通過調(diào)整Nagle算法的延時時間(每個接口的延遲ACK定時器可通過設定注冊表表項TCPDelAckTicks 的值 (HKLM \ SYSTEM \CurrentControlSet\Services\Tcpip\Parameters\Interface\)來調(diào)整，該注冊表表項在MicrosoftWindows NT 4.0 Service Pack 4中首次引進)和采樣單片機的發(fā)送流程來控制服務器發(fā)送確認的數(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分組這個過程。當有確認到達時，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)時處理了超時檢測和出錯重發(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器數(shù)據(jù)偏移技術，也就是說在一個分組的確認未到達時，其原始數(shù)據(jù)是不會被覆蓋的，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)備份所消耗的時間，不過無形中增大了對內(nèi)存的需求。但本應用針對的是小分組情況，所以實際需求的內(nèi)存并不大。實際工作中，為了使系統(tǒng)穩(wěn)定工作，應建立2個TCP連接，一個用于服務器(上位機)發(fā)送控制命令和進行參數(shù)設定使用，一個用于客戶機(下位機)上傳采樣數(shù)據(jù)使用。雖然TCP可以雙向傳送數(shù)據(jù)，可實際工作中，發(fā)現(xiàn)這樣在高速通信下出錯率比雙連接單向數(shù)據(jù)通信要高出許多，主要是因為客戶機(下位機)對TCP頭部的確認號和序列號的調(diào)整容易出錯所致。實際使用3～5個采樣分組發(fā)送一個確認分組。因為延時太短體現(xiàn)不了效率的提高，但延時太長，如果出錯，將產(chǎn)生大量重發(fā)分組的情況，影響網(wǎng)絡性能，同時也增大了對內(nèi)存的需求量。通過使用Snifferr軟件進行監(jiān)聽比較，在同樣的采樣速率下，在改進前，發(fā)送包速率為500packet/s，接收確認包速率為500 packte/s，出錯率5%，持續(xù)傳輸時間小于2 h;改進后，發(fā)送包速率為500 packet/s，接收確認包速率為183 packet/s，出錯率小于0.1%，持續(xù)時間大于48 h。同時，同樣的硬件條件下，理論上可以進一步提高采樣速率。

4 典型應用

對于高速、低數(shù)據(jù)量的采集或測控系統(tǒng)，如石油管道的查漏和修復系統(tǒng)，要求高速采集對管壁的超聲波掃描信號，通常結合溫度、壓力、深度和角度信號為一組采樣信號，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)絡性能。采用本方案，可以較好地解決這些問題。

5 結 論

本文通過對TCP協(xié)議具體低層實現(xiàn)過程中各個環(huán)節(jié)對時間消耗的分析，找出了提高系統(tǒng)效率，提高通信速度的方法。實踐證明這樣的設計提高了系統(tǒng)的效率，提高數(shù)據(jù)傳輸率，降低了網(wǎng)絡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)量的采集或測控系統(tǒng)。