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某型干擾系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)故障的分析與解決方法

91715部隊 楊成理
湛江705廠 歐獻(xiàn)輝
91715部隊 楊水清

【摘要】本文介紹了VxWorks系統(tǒng)下TCP/IP協(xié)議的實現(xiàn)方式，通過對Socket屬性的分析，解決了網(wǎng)絡(luò)連接判斷的不準(zhǔn)確性和由此導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)任務(wù)阻塞。

【關(guān)鍵詞】網(wǎng)絡(luò)故障；VxWorks；TCP/IP協(xié)議；Socket

某型干擾系統(tǒng)體系龐大、配套復(fù)雜，各組件之間的協(xié)同主要依賴通信控制器進(jìn)行集中組織。在實際使用過程中，偶爾出現(xiàn)通信控制器顯示與其他組件之間的通信連接狀態(tài)正常但卻無法進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓收希踔猎谀辰M件關(guān)機(jī)后的很長一段時間內(nèi)在通信控制器上顯示其通信連接狀態(tài)正常。該通信控制器的網(wǎng)絡(luò)控制軟件基于VxWorks操作系統(tǒng)開發(fā)，使用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換。本文通過剖析TCP/IP協(xié)議重要接口Socket套接字在VxWorks操作系統(tǒng)中的具體配置方法，來解決該干擾系統(tǒng)無法及時更新TCP連接狀態(tài)以及因網(wǎng)絡(luò)非正常中斷等原因?qū)е戮W(wǎng)絡(luò)任務(wù)阻塞而引起的故障。

1　幾個相關(guān)概念

1.1TCP/IP協(xié)議簡介

TCP/IP協(xié)議最早由麻省理工大學(xué)和一些商業(yè)組織為美國國防部開發(fā)，并在Internet的前身即ARPANET上得到初次實現(xiàn)。TCP/IP協(xié)議是由一組在不同層次上實現(xiàn)的多個協(xié)議形成的組合，通常分為鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層等層次，在TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議得以具體實現(xiàn)的各個環(huán)節(jié)上發(fā)揮著不同的作用。雖然犧牲了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)乃俣群托剩騎CP/IP協(xié)議同時滿足可擴(kuò)展性強(qiáng)、可靠性高及分布式實現(xiàn)等突出特點，已成為實際上的“全球互聯(lián)”基礎(chǔ)性協(xié)議。作為頂層協(xié)議，TCP/IP協(xié)議并沒有具體規(guī)定應(yīng)用程序和協(xié)議軟件的接口細(xì)節(jié)[1]，而采用與操作系統(tǒng)無關(guān)的Socket套接字來具體實現(xiàn)，后者在VxWorks操作系統(tǒng)中被廣泛使用。

1.2VxWorks操作系統(tǒng)

VxWorks 操作系統(tǒng)是美國風(fēng)河公司（WindRiver）在1983年開發(fā)的一種嵌入式實時操作系統(tǒng)，因其可靠性高和實時性強(qiáng)等突出特點被廣泛地應(yīng)用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術(shù)及對實時性要求極高的領(lǐng)域中，如衛(wèi)星通訊、彈道制導(dǎo)、飛機(jī)導(dǎo)航等。VxWorks操作系統(tǒng)提供了完善的配套機(jī)制來實現(xiàn)對TCP/IP協(xié)議的”透明”訪問，包括Socket套接字、遠(yuǎn)程過程調(diào)用(RPC)、簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議(SNMP)、網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)(NFS)、遠(yuǎn)程Shell執(zhí)行(RSH)、文件傳輸協(xié)議(FTP或TFTP)、引導(dǎo)程序協(xié)議(BOOTP) 和動態(tài)主機(jī)配置協(xié)議(DHCP)等。無論是松耦合的串行線路、緊耦合的利用共享內(nèi)存的背板總線或標(biāo)準(zhǔn)的廣域網(wǎng)連接，VxWorks操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)機(jī)制都遵循標(biāo)準(zhǔn)的Internet 協(xié)議。

1.3Socket套接字

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，TCP/IP協(xié)議被集成到操作系統(tǒng)內(nèi)核中，并用Socket套接字來提供一個標(biāo)準(zhǔn)的通信端口。通過這個端口，一臺計算機(jī)能與任何一臺具有Socket端口的計算機(jī)進(jìn)行通信。Socket套接字記錄了通信雙方進(jìn)行交互必需的所有信息，其建立在TCP和UDP協(xié)議之上，一旦創(chuàng)建了Socket實例，該套接字就會一直存在，直到該TCP連接被關(guān)閉。

作為常用的通信方式，在客戶端和服務(wù)器端通信時，應(yīng)用程序均會使用一個預(yù)先規(guī)定的事件序列來完成整個通信過程。首先，客戶端和服務(wù)器端均要創(chuàng)建一個Socket套接字。接著，服務(wù)器端調(diào)用bind()函數(shù)給Socket套接字分配一個預(yù)先約定的端口，客戶端和服務(wù)器端均能使用sendto()和recvfrom()函數(shù)來發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包直至完成傳遞。最后，客戶端和服務(wù)器端均調(diào)用closesocket()函數(shù)來關(guān)閉套接字，從而完成整個通信流程。

上述函數(shù)的原型描述如下：

（1）創(chuàng)建套接字

SOCKET PASCAL FAR socket(int af, int type, int protocol);

參數(shù)：af指定通信發(fā)生的區(qū)域；type描述套接字類型；protocol說明套接字使用的協(xié)議。

（2）綁定本地地址

INT PASCAL FAR bind(SOCKET s, const struct sockaddr FAR * name, int len);

參數(shù)：s是由socket()函數(shù)創(chuàng)建且未進(jìn)行連接的套接字句柄；name指套接字s的本地名稱；len為name的長度。

（3）建立連接

建立套接字連接需要使用connect()和accept()函數(shù)，前者用于建立連接，但此時并無實際的數(shù)據(jù)包交換；后者用于等待某客戶進(jìn)程的實際連接。上述四個函數(shù)可以完成一個完全五元通信（協(xié)議、本機(jī)地址和端口號、目的地址和端口號）相關(guān)的設(shè)置。

（4）數(shù)據(jù)傳輸

當(dāng)一個基于TCP/IP協(xié)議的連接建立之后，可以使用send()和recv()函數(shù)發(fā)送與接收數(shù)據(jù)。

INT PASCAL FAR send(SOCKET s, const char FAR *buf1, int len, int flags1);

INT PASCAL FAR recv(SOCKET s, const char FAR *buf2, int len, int flags2);

參數(shù)：s表示Socket套接字實例；buf1表示發(fā)送緩沖區(qū)，buf2表示接收緩沖區(qū)；len表示緩沖區(qū)長度；flags1指定傳輸控制方式如是否發(fā)送帶外數(shù)據(jù)，flags2用于指定傳輸控制方式如是否接收帶外數(shù)據(jù)。

1.4設(shè)置Socket套接字選項

通過上述程序設(shè)置的Socket套接字無法定義用于控制Socket套接字及TCP協(xié)議的具體細(xì)節(jié)。VxWorks操作系統(tǒng)提供setsockopt()函數(shù)來進(jìn)行設(shè)置，其定義如下[2]：

STATUS setsockopt( int s, int protocol, int optionname, char * optionval, int optionlen );

參數(shù)：s表示Socket套接字實例；protocol表示協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，可選IPPROTO_TCP，IPPROTO_IP或SOL_SOCKET；optionval表示需設(shè)置選項值的地址；optionlen表示需設(shè)置選項值的長度；

optionname表示需設(shè)置的選項，常用的選項如下表所示：

TCP連接建立后，若連接的任何一方因某種原因?qū)е逻B接中斷，TCP必須能夠自動檢測到網(wǎng)絡(luò)中斷并釋放該連接。如果連接已建立，該定時器在無數(shù)據(jù)傳輸時間達(dá)到TCPTV_KEEP_IDLE時啟動，TCP將發(fā)送一個數(shù)據(jù)長度為0的連接狀態(tài)詢問報文，若連接正常，則系統(tǒng)能收到應(yīng)答信號，否則TCP將每隔TCPTV_KEEPINTVL時間間隔且最多發(fā)送TCPTV_KEEPCNT次連接狀態(tài)詢問報文，若仍沒接收到應(yīng)答信號，TCP將自動釋放該連接，與該連接相關(guān)的所有資源都將被釋放，所有阻塞在該連接上的讀寫任務(wù)都將立即被解除[3]。

2　故障原因分析

通過對VxWorks操作系統(tǒng)下TCP協(xié)議的分析，引發(fā)該干擾系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)故障的主要原因可能是當(dāng)TCP連接的某一方離線時，其連接狀態(tài)無法及時得到更新并廣播給網(wǎng)絡(luò)內(nèi)與其相連的其他終端設(shè)備，后續(xù)的TCP數(shù)據(jù)包不斷堆積造成在TCP連接建立時所申請的緩沖區(qū)溢出，導(dǎo)致控制軟件無法響應(yīng)其他周邊設(shè)備的TCP連接請求而形成網(wǎng)絡(luò)任務(wù)阻塞。

分析某型干擾系統(tǒng)控制軟件的源代碼，在/target/h/ net/tcp_timer.h下TCP連接的默認(rèn)值如下：

tcp_keepidle = 120*60;

tcp_keepintvl = 75;

tcp_maxidle = 8;

由上述代碼可見，TCP連接建立后，控制軟件在無數(shù)據(jù)傳輸時間達(dá)到120*60秒即2小時后TCP將發(fā)送一個數(shù)據(jù)長度為0的連接狀態(tài)詢問報文，若連接正常，則系統(tǒng)能收到應(yīng)答信號，否則TCP將每隔75秒且最多發(fā)送8次連接狀態(tài)詢問報文，若仍沒接收到應(yīng)答信號，TCP將自動釋放該連接，在釋放之前均默認(rèn)為TCP連接正常，控制軟件不斷發(fā)送數(shù)據(jù)至發(fā)送緩沖區(qū)，導(dǎo)致緩沖區(qū)數(shù)據(jù)不斷增加直到緩沖區(qū)溢出，其他網(wǎng)絡(luò)任務(wù)被阻塞而導(dǎo)致該干擾系統(tǒng)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障。

3　解決方法與步驟

通過上述分析，建立TCP連接時所需tcp_keepidle、tcp_keepintvl、tcp_maxidle等參數(shù)與后續(xù)連接過程中連接狀態(tài)的及時更新息息相關(guān)，能有效預(yù)防緩沖區(qū)溢出、網(wǎng)絡(luò)任務(wù)阻塞等故障的出現(xiàn)，可通過setsockopt()函數(shù)或者在Socket套接字的其他初始化函數(shù)中對上述參數(shù)進(jìn)行更改。

針對某型干擾系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)故障出現(xiàn)的部位，在VxWorks操作系統(tǒng)下修改控制軟件的源代碼，在初始化Socket套接字時增加對如下代碼：

重新編譯后通電測試，在網(wǎng)絡(luò)非正常中斷大約100s后，系統(tǒng)檢測到該網(wǎng)絡(luò)中斷并實時更新網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)為連接斷開，系統(tǒng)與其余網(wǎng)絡(luò)的通信在網(wǎng)絡(luò)阻塞了大約60s左右后恢復(fù)正常，該干擾系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)故障排除。

4　結(jié)束語

該文通過在VxWorks操作系統(tǒng)中修改Socket套接字的相關(guān)選項，解決了某型干擾系統(tǒng)在實際應(yīng)用中無法及時更新TCP連接狀態(tài)以及因網(wǎng)絡(luò)非正常中斷等導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)任務(wù)阻塞的故障，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性。

參考文獻(xiàn)

[1]Ed Taylor編著,王虎,鄧宏濤,劉志剛等譯.TCP/IP使用詳解[M].機(jī)械工業(yè)出版社,1999.

[2]李方敏編著.VxWorks高級程序設(shè)計[M].清華大學(xué)出版社,2004.

[3]高飛,高平編著.計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)安全基礎(chǔ)[M].北京理工大學(xué)出版社,2002.