□文/齊耀龍

（河北大學(xué)計(jì)算中心 河北·保定）

一、引言

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

近年來(lái)，得益于芯片技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的需要，以及人們對(duì)產(chǎn)品可靠性、成本和更新?lián)Q代要求的提高，使得嵌入式系統(tǒng)，尤其是嵌入式多媒體系統(tǒng)逐漸從純硬件實(shí)現(xiàn)和使用通用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用中脫穎而出，成為消費(fèi)類電子產(chǎn)品領(lǐng)域令人關(guān)注的焦點(diǎn)。

嵌入式多媒體系統(tǒng)發(fā)展至今，已經(jīng)成為功能豐富、性能強(qiáng)大的多媒體終端，其產(chǎn)品也豐富多樣，如智能手機(jī)、高清網(wǎng)絡(luò)播放機(jī)、網(wǎng)絡(luò)電視機(jī)等。作為多媒體終端設(shè)備，這些產(chǎn)品的一個(gè)重要應(yīng)用就是通過(guò)LAN共享播放本地網(wǎng)絡(luò)中的多媒體音視頻資源，要想實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，首要的任務(wù)是對(duì)LAN內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)共享設(shè)備進(jìn)行發(fā)現(xiàn)。目前的嵌入式多媒體系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)共享設(shè)備發(fā)現(xiàn)環(huán)節(jié)，還存在著較低的效率，無(wú)法達(dá)到最佳用戶體驗(yàn)。以高清網(wǎng)絡(luò)播放器為例，目前國(guó)內(nèi)外有兩大主流方案，分別是美國(guó)的Sigma方案和中國(guó)臺(tái)灣的Realtek方案，這兩種方案都基于mips架構(gòu)的處理器，采用linux操作系統(tǒng)，支持使用Samba或NFS等方式共享播放本地網(wǎng)絡(luò)中的多媒體音視頻資源。但是目前兩者都存在網(wǎng)絡(luò)共享設(shè)備掃描效率低的問(wèn)題，當(dāng)用戶想列出LAN共享資源時(shí)，播放器需要花費(fèi)10秒以上甚至更長(zhǎng)的時(shí)間去掃描整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，長(zhǎng)時(shí)間的等待導(dǎo)致用戶體驗(yàn)差。我們需要一個(gè)更高效的LAN快速掃描算法，能夠在1～2秒內(nèi)枚舉LAN內(nèi)的共享資源，盡可能地做到實(shí)時(shí)響應(yīng)，以提高產(chǎn)品的用戶體驗(yàn)。

二、算法原理

傳統(tǒng)的LAN掃描算法，通常利用建立完整TCP連接的方式進(jìn)行，TCP協(xié)議通過(guò)三個(gè)報(bào)文段完成連接的建立，這個(gè)過(guò)程稱為三次握手。第一次握手：建立連接時(shí)，主機(jī)A發(fā)送SYN（SEQ=x）包到主機(jī)B，并進(jìn)入SYN_SEND狀態(tài)，等待主機(jī)B確認(rèn)；第二次握手：主機(jī)B收到SYN包，必須確認(rèn)主機(jī)A的SYN（ACK=x+1），同時(shí)自己也送一個(gè)SYN（SEQ=y）包，即SYN+ACK包，此時(shí)主機(jī)B進(jìn)入SYN_RECV狀態(tài)；第三次握手：主機(jī)A收到主機(jī)B的SYN+ACK包，向主機(jī)B發(fā)送確認(rèn)包ACK（ACK=y+1），之后主機(jī)A和主機(jī)B進(jìn)入連接狀態(tài)，完成三次握手。建立TCP連接的過(guò)程是低效的，在這個(gè)過(guò)程中，大量的時(shí)間被浪費(fèi)在等待應(yīng)答上。LAN掃描實(shí)際上并不需要建立真正的TCP連接，掃描的意圖在于得知網(wǎng)內(nèi)哪些主機(jī)開(kāi)放了指定的服務(wù)，并不是立即請(qǐng)求這些服務(wù)。因此，結(jié)合TCP協(xié)議的特點(diǎn)，本文使用半開(kāi)TCP（SYN掃描）的方式實(shí)現(xiàn)LAN快速掃描。SYN掃描利用TCP協(xié)議連接的第一步，并沒(méi)有建立一個(gè)完整的TCP連接，因此這種掃描方式是輕量并且高效的。SYN掃描算法的實(shí)現(xiàn)方式是向遠(yuǎn)端主機(jī)指定端口發(fā)送一個(gè)只有SYN標(biāo)志位的TCP數(shù)據(jù)包，如果遠(yuǎn)端主機(jī)反饋一個(gè)SYN+ACK數(shù)據(jù)包，那么這個(gè)主機(jī)正在監(jiān)聽(tīng)該端口；如果反饋的是RST數(shù)據(jù)包，說(shuō)明主機(jī)沒(méi)有監(jiān)聽(tīng)該端口。

為了盡可能地做到實(shí)時(shí)響應(yīng)，需要分析實(shí)際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境以便制定合理的SYN+ACK超時(shí)閾值。嵌入式多媒體系統(tǒng)所處的局域網(wǎng)環(huán)境被設(shè)計(jì)為必須滿足高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，因此其響?yīng)比和數(shù)據(jù)傳輸速率都很高。在這個(gè)前提下，可以將SYN+ACK超時(shí)閾值設(shè)定為一個(gè)相對(duì)較小的數(shù)值，例如0.8s，當(dāng)主機(jī)A發(fā)送SYN包到主機(jī)B后，如果在閾值時(shí)間之內(nèi)沒(méi)有收到主機(jī)B的SYN+ACK數(shù)據(jù)包，則認(rèn)為主機(jī)B沒(méi)有監(jiān)聽(tīng)指定端口。

另外，局域網(wǎng)內(nèi)的待掃描主機(jī)數(shù)量龐大，串行掃描的低效率特征顯然不能滿足快速掃描的需要，因此必須采用并發(fā)掃描的方式，并且為每一個(gè)并發(fā)任務(wù)單獨(dú)計(jì)算應(yīng)答時(shí)間。通過(guò)將每一個(gè)并發(fā)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間限定在閾值時(shí)間之內(nèi)，就可以計(jì)算出整體掃描耗時(shí)，也即：

其中，T1是創(chuàng)建并發(fā)任務(wù)消耗的時(shí)間，T2是SYN+ACK超時(shí)閾值，T3是銷毀并發(fā)任務(wù)消耗的時(shí)間。T1和T3取決于嵌入式多媒體系統(tǒng)的CPU速度和內(nèi)存效率。

三、算法實(shí)現(xiàn)

SYN掃描屬于OSI/RM模型中的傳輸層掃描方式，為此需要構(gòu)造一個(gè)只有SYN標(biāo)志位的TCP數(shù)據(jù)包。并發(fā)掃描策略采用多線程方式實(shí)現(xiàn)，每個(gè)線程負(fù)責(zé)LAN內(nèi)一臺(tái)主機(jī)的掃描，線程空間內(nèi)部盡可能少的攜帶變量并且進(jìn)行指令優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)線程的輕量化。為了實(shí)現(xiàn)線程間無(wú)關(guān)，每個(gè)線程采用自發(fā)自收的方式對(duì)特定主機(jī)進(jìn)行掃描，當(dāng)SYN包發(fā)出后，線程記錄一個(gè)時(shí)間戳，如果在閾值時(shí)間之內(nèi)沒(méi)有收到對(duì)方主機(jī)的SYN+ACK數(shù)據(jù)包，則認(rèn)為該主機(jī)沒(méi)有監(jiān)聽(tīng)指定端口，線程立即退出；如果在閾值時(shí)間之內(nèi)收到了對(duì)方主機(jī)的SYN+ACK數(shù)據(jù)包，則該線程負(fù)責(zé)建立基于特定服務(wù)的共享連接，例如samba或NFS等。

主進(jìn)程負(fù)責(zé)快速創(chuàng)建掃描線程，并等待線程執(zhí)行結(jié)束，考慮到嵌入式多媒體系統(tǒng)在小概率的極端情況下可能會(huì)出現(xiàn)的系統(tǒng)資源不足情況會(huì)影響線程的創(chuàng)建效率，可以在主進(jìn)程中設(shè)置全局超時(shí)閾值，當(dāng)主進(jìn)程的工作時(shí)間達(dá)到此閾值時(shí)，強(qiáng)制釋放所有線程資源，放棄當(dāng)次掃描，以提高極端情況下用戶的操作體驗(yàn)和系統(tǒng)的健壯性。

四、個(gè)案研究

為了測(cè)試快速掃描算法的效率，我們以高清網(wǎng)絡(luò)播放機(jī)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，基于LAN建立了一個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，主要包括：百兆交換機(jī)、無(wú)線路由器、Realtek芯片方案的高清網(wǎng)絡(luò)播放機(jī)、Sigma芯片方案的高清網(wǎng)絡(luò)播放機(jī)、個(gè)人計(jì)算機(jī)、NAS網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)器等。其中，高清網(wǎng)絡(luò)播放機(jī)、個(gè)人計(jì)算機(jī)和NAS網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)器通過(guò)雙絞線或WIFI方式接入百兆交換機(jī)或無(wú)線路由器，構(gòu)成LAN；個(gè)人計(jì)算機(jī)和NAS網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)器提供NFS服務(wù)，并在111端口實(shí)施監(jiān)聽(tīng)；高清網(wǎng)絡(luò)播放機(jī)作為NFS和samba客戶端，將測(cè)試快速掃描程序。

Realtek和Sigma兩個(gè)方案的高清網(wǎng)絡(luò)播放機(jī)都采用基于mips架構(gòu)處理器的GNU/Linux操作系統(tǒng)，因此，快速掃描算法將用GNU C實(shí)現(xiàn)，并在Debian5下交叉編譯為目標(biāo)機(jī)程序。首先將SYN+ACK超時(shí)閾值設(shè)定為0.8s，然后進(jìn)行100次LAN掃描測(cè)試，記錄下每次掃描的耗時(shí)，并隨機(jī)選取其中10次測(cè)試，結(jié)果如表1所示。（表1）

表1 快速掃描算法測(cè)試結(jié)果

可以看到，所有的掃描任務(wù)都在1秒內(nèi)完成了。也就是說(shuō)，在超時(shí)閾值為0.8s時(shí)，該掃描算法能夠在1秒內(nèi)枚舉LAN內(nèi)的共享資源，并將結(jié)果返回給用戶，用戶無(wú)需長(zhǎng)時(shí)間的等待，因而大大提高了用戶操作體驗(yàn)。

五、結(jié)論

本文提出了一個(gè)基于嵌入式多媒體系統(tǒng)的LAN快速掃描算法。該掃描算法利用了TCP協(xié)議連接的第一步，并沒(méi)有建立完整的TCP連接，因此這種掃描方式是輕量并且高效的。為了盡可能地做到實(shí)時(shí)響應(yīng)，根據(jù)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境制定合理的SYN+ACK超時(shí)閾值，并采用并發(fā)掃描的方式提高掃描效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的基于嵌入式多媒體系統(tǒng)的LAN快速掃描算法是高效的。

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