徐業(yè)榮　包明磊　李　明

1(南京國電南自電網(wǎng)自動(dòng)化有限公司　江蘇 南京 211100)2(國電南京自動(dòng)化股份有限公司　江蘇 南京 211100)

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一種基于lwIP協(xié)議棧的雙網(wǎng)口通信方案設(shè)計(jì)

徐業(yè)榮1，2包明磊1李明1

1(南京國電南自電網(wǎng)自動(dòng)化有限公司江蘇 南京 211100)2(國電南京自動(dòng)化股份有限公司江蘇 南京 211100)

針對嵌入式系統(tǒng)低成本以太網(wǎng)通信的需求提出將lwIP開源協(xié)議棧移入μC/OS系統(tǒng)，構(gòu)成一種雙網(wǎng)口通信方案。操作系統(tǒng)模擬層所用內(nèi)部郵箱與信號量使用專屬內(nèi)存塊。應(yīng)用層設(shè)計(jì)成連接層和規(guī)約層，連接層循環(huán)遍歷所有處于穩(wěn)定狀態(tài)的TCP連接，規(guī)約層負(fù)責(zé)解析上層應(yīng)用規(guī)約。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)用此方案的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的以太網(wǎng)通信需求。

lwIPμC/OSTCP連接應(yīng)用層

0　引　言

隨著嵌入式系統(tǒng)設(shè)備的廣泛應(yīng)用，當(dāng)設(shè)備需要與多個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備交互數(shù)據(jù)時(shí)，需要設(shè)備具有多網(wǎng)口、多連接功能，同時(shí)能夠解析應(yīng)用規(guī)約。目前嵌入式系統(tǒng)攜帶以太網(wǎng)通信功能，可采用商用操作系統(tǒng)的自帶協(xié)議?；蛘唛_發(fā)協(xié)議棧。前者對系統(tǒng)CPU的硬件性能要求較高[1]，且一般為收費(fèi)授權(quán)方式，使用成本較高。后者對開發(fā)人員的技術(shù)要求較高，開發(fā)周期較長。

lwIP協(xié)議棧作為一種開源、可穩(wěn)定運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，可移植于多種操作系統(tǒng)中。使用lwIP協(xié)議棧時(shí)，若采用新建任務(wù)方式管理新建TCP連接，存在兩個(gè)弊端：新建TCP連接數(shù)目容易受操作系統(tǒng)任務(wù)數(shù)量上限限制；TCP連接關(guān)閉時(shí)需刪除對應(yīng)的任務(wù)，回收任務(wù)所占用的堆?？臻g時(shí)，若處理不當(dāng)，容易造成系統(tǒng)運(yùn)行致命錯(cuò)誤。

本文中提出一種基于lwIP協(xié)議棧雙網(wǎng)口多連接的方案設(shè)計(jì)。方案中連接層以單任務(wù)循環(huán)遍歷所有的TCP連接，規(guī)約層負(fù)責(zé)解析應(yīng)用規(guī)約內(nèi)容。

1　方案平臺設(shè)計(jì)

1.1硬件平臺設(shè)計(jì)

如圖1所示，方案硬件平臺由四個(gè)部分組成：邏輯處理單元、外接網(wǎng)口單元、存儲單元、時(shí)鐘單元。邏輯處理單元中的CPU采用Atmel公司AT91RM9200芯片，操作系統(tǒng)選用搶占式的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)μC/OS II系統(tǒng)[2]，將lwIP協(xié)議棧移植入操作系統(tǒng)中。

外接網(wǎng)口單元共設(shè)計(jì)2個(gè)以太網(wǎng)口，其中一個(gè)(NET1)由AT91RM9200自帶的以太網(wǎng)控制器外擴(kuò)PHY芯片(LXT971)構(gòu)成，另一個(gè)(NET2)由總線外擴(kuò)的以太網(wǎng)控制器CS8900構(gòu)成。當(dāng)外部以太網(wǎng)通信幀發(fā)送至一以太網(wǎng)網(wǎng)口時(shí)，主CPU收到相應(yīng)的中斷信號并讀取外部通信幀。

在存儲單元中，平臺外擴(kuò)一片16位4 MB大小的FLASH(S29GL032M)存儲程序，選用兩片內(nèi)存芯片組成32位16 MB大小的SDRAM作為內(nèi)存，選用鐵電存儲芯片F(xiàn)M24CL64存放系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的關(guān)鍵配置參數(shù)。時(shí)鐘單元由RTC芯片向系統(tǒng)提供時(shí)鐘信息。

圖1　系統(tǒng)平臺設(shè)計(jì)框圖

1.2μC/OS系統(tǒng)下的移植與實(shí)現(xiàn)

為了能夠與不同操作系統(tǒng)或者無操作系統(tǒng)兼容，lwIP協(xié)議棧內(nèi)部不使用特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或者功能模塊，而是通過模擬層接口函數(shù)實(shí)現(xiàn)協(xié)議棧與不同操作系統(tǒng)的兼容。在將lwIP協(xié)議棧移植入μC/OS操作系統(tǒng)時(shí)，利用μC/OS系統(tǒng)中的郵箱、信號量實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)模擬層的功能[3]。

圖2　系統(tǒng)軟件架構(gòu)

圖2顯示了方案的軟件架構(gòu)，其中操作系統(tǒng)模擬層銜接μC/OS系統(tǒng)和lwIP協(xié)議棧。后者完成 TCP/IP參考模型[4]中的運(yùn)輸層、網(wǎng)絡(luò)層功能。為每個(gè)外部網(wǎng)絡(luò)接口建立lwIP協(xié)議棧中的虛擬網(wǎng)絡(luò)接口struct netif，構(gòu)成鏈路層功能。

通信幀進(jìn)入外接網(wǎng)口單元中的一個(gè)外部網(wǎng)絡(luò)接口，經(jīng)以太網(wǎng)控制器對通信幀處理，完成網(wǎng)口中斷信號發(fā)出。邏輯處理單元接到中斷信號后，調(diào)用網(wǎng)口中斷處理函數(shù)對通信幀進(jìn)行處理，將通信幀以消息發(fā)送至對應(yīng)的消息處理任務(wù)。后者調(diào)用虛擬網(wǎng)絡(luò)接口的通信幀輸入函數(shù)處理通信幀，使通信幀進(jìn)入lwIP協(xié)議棧內(nèi)部處理流程。

方案在應(yīng)用層中設(shè)計(jì)了連接層和規(guī)約層。連接層實(shí)現(xiàn)UDP報(bào)文的接收[5]、TCP連接的維護(hù)和TCP報(bào)文的收發(fā)，規(guī)約層完成接收報(bào)文的解析和回復(fù)報(bào)文的組幀功能。

1.3協(xié)議棧內(nèi)存管理

在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，系統(tǒng)與外部的TCP連接與斷開將有l(wèi)wIP協(xié)議棧內(nèi)部郵箱、信號量不斷的新建與回收。為了避免系統(tǒng)長時(shí)間運(yùn)行后，出現(xiàn)內(nèi)存碎片化，方案對協(xié)議棧中郵箱、信號量的內(nèi)存管理使用專屬內(nèi)存塊的方式。

以郵箱申請為例，首先申請內(nèi)存塊pcQueueMemoryPool,調(diào)用OSMemCreate對pcQueueMemoryPool內(nèi)存塊進(jìn)行初始化，返回?cái)?shù)據(jù)塊鏈表地址pQueueMem。如圖3所示，內(nèi)存塊被初始化成數(shù)量為MAX_QUEUES、大小為strQueu數(shù)據(jù)塊鏈表。每個(gè)數(shù)據(jù)塊頭部為struct os_mem結(jié)構(gòu)體，用于存儲數(shù)據(jù)塊鏈表當(dāng)前可用數(shù)據(jù)塊信息。當(dāng)使用sys_mbox_new申請郵箱時(shí)，先從pQueueMem中使用OSMemGet獲取內(nèi)存塊。操作系統(tǒng)通過改變os_mem參數(shù)，使得可用數(shù)據(jù)塊指針指向下一個(gè)數(shù)據(jù)塊，可用數(shù)據(jù)塊數(shù)量減1。sys_mbox_free釋放郵箱時(shí)，調(diào)用OSMemPut函數(shù)將內(nèi)存塊放回內(nèi)存池中，可用數(shù)據(jù)塊指針指向當(dāng)前數(shù)據(jù)塊，可用數(shù)據(jù)塊數(shù)量加1。信號量的申請和釋放與郵箱方法類似。

圖3　動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理

2　應(yīng)用層可靠性關(guān)鍵設(shè)計(jì)

方案中，應(yīng)用層設(shè)計(jì)了連接層和規(guī)約層，連接層負(fù)責(zé)UDP廣播報(bào)文的接收、TCP連接的維護(hù)和TCP報(bào)文的收發(fā)。規(guī)約層專注于具體規(guī)約處理，提高方案的擴(kuò)展性，可用于不同的上層規(guī)約解析[6]。

2.1連接層可靠性關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

通常為了使每個(gè)TCP連接能夠獨(dú)立接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，系統(tǒng)需為每個(gè)TCP連接申請獨(dú)立的接收與發(fā)送內(nèi)存區(qū)。當(dāng)連接被關(guān)閉時(shí)，應(yīng)對該連接的內(nèi)存區(qū)進(jìn)行回收。當(dāng)各連接只需同步向外部上送相同信息時(shí)，每個(gè)連接的接收與發(fā)送內(nèi)存區(qū)可采用代理線程設(shè)計(jì)模式[7]，避免申請大量內(nèi)存空間；當(dāng)外部系統(tǒng)對系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)需求差異較大，系統(tǒng)需為多個(gè)連接開獨(dú)立的內(nèi)存區(qū)用于接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。以單次發(fā)送或者接收最多1500字節(jié)的數(shù)據(jù)為例，當(dāng)TCP連接最大數(shù)目為10時(shí)，系統(tǒng)需約30 Kbyte的內(nèi)存，內(nèi)存消耗較大。本文提出一種基于單任務(wù)循環(huán)接收所有TCP連接的方法，此方法將節(jié)省內(nèi)存開銷。

首先，新建任務(wù)Newecho_thread()用于建立TCP連接，當(dāng)任務(wù)接收到外部系統(tǒng)廣播報(bào)文后，如果系統(tǒng)沒有與此外部系統(tǒng)建立TCP連接，則調(diào)用lwIP內(nèi)部函數(shù)新建TCP連接；其次，新建Tcpecho_thread()任務(wù)，循環(huán)遍歷協(xié)議棧中tcp_active_pcbs鏈表，實(shí)現(xiàn)循環(huán)接收系統(tǒng)中所有處于穩(wěn)定狀態(tài)的TCP連接數(shù)據(jù)。

由于方案中是單任務(wù)接收所有TCP連接數(shù)據(jù)，將不必申請多個(gè)接收、發(fā)送數(shù)據(jù)內(nèi)存區(qū)，節(jié)省了內(nèi)存開銷。此方案的弊端是多個(gè)TCP連接不能并行接收TCP連接數(shù)據(jù)，可以通過設(shè)置固定超時(shí)時(shí)間recv_timeout，減少每個(gè)TCP連接的阻塞時(shí)間。為了實(shí)現(xiàn)長連接功能，方案中采用兩種策略維護(hù)活躍狀態(tài)TCP連接，及時(shí)刪除已失效TCP連接。

(1) 設(shè)置lwIP Keepalive功能選項(xiàng)

從Ver1.3.0開始，lwIP協(xié)議棧提供Keepalive?；罟δ躘8]。在lwipopts.h文件中將Keepalive宏開關(guān)LWIP_TCP_KEEPALIVE置為1。針對每個(gè)TCP連接，可以設(shè)置允許持續(xù)空閑時(shí)間keep_idle、保活探測消息的發(fā)送頻率keep_intvl、保活探測消息判斷連接斷開的次數(shù)keep_cnt選項(xiàng)。

(2) 檢測TCP狀態(tài)

lwIP協(xié)議棧以往版本內(nèi)部函數(shù)返回值直接為指向相應(yīng)數(shù)據(jù)的指針，此方法的弊端是運(yùn)行過程中一旦出現(xiàn)錯(cuò)誤，無法區(qū)分錯(cuò)誤類型，不能對不同類型錯(cuò)誤做出分類處理。lwIP 從1.4.0版本開始修改內(nèi)部函數(shù)、操作系統(tǒng)模擬層函數(shù)的返回值與形參結(jié)構(gòu)。將返回值更改為函數(shù)執(zhí)行錯(cuò)誤類型，原先的函數(shù)返回值以函數(shù)形參方式輸出。

圖4為連接層TCP報(bào)文接收任務(wù)Tcpecho_thread接收數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示意圖。任務(wù)運(yùn)行過程中，通過對tcp_active_pcbs鏈表循環(huán)遍歷，使用lwIP協(xié)議棧內(nèi)部函數(shù)循環(huán)接收所有處于活躍狀態(tài)的TCP連接。判斷函數(shù)返回值，確定當(dāng)前連接的運(yùn)行狀態(tài)，如果發(fā)現(xiàn)連接異常，則進(jìn)入異常處理環(huán)節(jié)。如果接收連接正常，則將報(bào)文交予規(guī)約層解析。

圖4　Tcpecho_thread任務(wù)接收數(shù)據(jù)流程圖

2.2規(guī)約層報(bào)文解析

在單任務(wù)接收所有TCP連接中，當(dāng)規(guī)約層在處理外部通信幀時(shí)，連接層將處于阻塞狀態(tài)，造成系統(tǒng)不能接收其他TCP連接。為了避免系統(tǒng)丟失其他TCP連接數(shù)據(jù)，方案中對規(guī)約層處理流程進(jìn)行改進(jìn)。

以電力行業(yè)繼電保護(hù)設(shè)備信息接口配套標(biāo)準(zhǔn)DL/T667[9]為例，主站與從站之間一般處于非平衡傳輸工作模式。主站發(fā)出幀長較小，從站依主站命令類型回復(fù)自身系統(tǒng)運(yùn)行中產(chǎn)生的大量有效信息數(shù)據(jù)。利用主站發(fā)出幀幀長較短特點(diǎn)，規(guī)約層可以以較小內(nèi)存空間建立數(shù)據(jù)隊(duì)列存儲主站的多條通信幀和TCP連接信息。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，規(guī)約解析函數(shù)依據(jù)先入先回原則對數(shù)據(jù)隊(duì)列中通信幀解析并回復(fù)。規(guī)約層將待發(fā)送報(bào)文數(shù)據(jù)和TCP連接信息一并交予連接層，由連接層完成最終數(shù)據(jù)的發(fā)送。規(guī)約層處理完一幀數(shù)據(jù)后，將當(dāng)前數(shù)據(jù)塊標(biāo)志Isused置為未用狀態(tài)，開始處理下一個(gè)通信幀。

3　方案通信測試

3.1ICMP協(xié)議返回時(shí)間測試

圖5　Net1網(wǎng)口Ping命令返回時(shí)間

圖6　Net2網(wǎng)口Ping命令返回時(shí)間

數(shù)據(jù)大小(Bytes)最大返回時(shí)間(毫秒)Net1Net2最小返回時(shí)間(毫秒)Net1Net2平均返回時(shí)間(毫秒)Net1Net2320．8841．2480．3610．9340．4991．033640．9701．3170．3701．0870．5161．1831280．8021．5630．3831．3390．5271．442

作為TCP/IP協(xié)議的一部分，ICMP(Internet Control Messages Protocol)即因特網(wǎng)信報(bào)控制協(xié)議主要用于測試網(wǎng)絡(luò)連接量。使用該協(xié)議對系統(tǒng)進(jìn)行測試可以反映方案的響應(yīng)性能。在實(shí)際操作上，使用Ping命令測試系統(tǒng)與后臺系統(tǒng)的端對端連通。圖5和圖6分別顯示了依據(jù)本方案所設(shè)計(jì)的通信系統(tǒng)兩個(gè)網(wǎng)口在測試過程中，Ping命令不同大小字節(jié)數(shù)據(jù)響應(yīng)返回時(shí)間。表1顯示了最大、最小和平均返回時(shí)間。

Net1網(wǎng)口在不同數(shù)據(jù)負(fù)載下，返回時(shí)間相對穩(wěn)定，Net2網(wǎng)口對Ping命令的響應(yīng)時(shí)間，隨著負(fù)載通信幀大小的增加而增加。這主要因?yàn)橄到y(tǒng)從外部接收通信幀時(shí)，需要先存儲在CS8900芯片片上內(nèi)存，然后通過總線傳遞至主CPU。當(dāng)系統(tǒng)往外部發(fā)送通信幀時(shí)，同樣需經(jīng)CS8900芯片片上暫存。隨著搬移數(shù)據(jù)大小的增加，搬移時(shí)間也會隨之增大。作為Net1的ARM芯片內(nèi)部的太網(wǎng)媒體訪問控制器，因?yàn)榕c內(nèi)核關(guān)聯(lián)度較高，在傳輸速度上，基本不受字節(jié)大小影響。

3.2TCP連接穩(wěn)定性測試

TCP作為一種面向連接的協(xié)議，可以從三個(gè)角度測試TCP連接的穩(wěn)定性：

(1) TCP短連接測試

TCP短連接方式通常為client端向server端發(fā)起連接，server端接到請求后建立連接。雙方交互數(shù)據(jù)后，則斷開連接。本測試中服務(wù)器端為一臺PC電腦，客戶端為本方案系統(tǒng)。為了能夠快速驗(yàn)證短連接建立的有效性，測試程序中省去雙方交互應(yīng)用層數(shù)據(jù)這一步。每當(dāng)TCP連接建立成功后，PC電腦端自動(dòng)斷開連接并重新發(fā)起TCP連接。4小時(shí)不間斷建立、斷開TCP連接測試結(jié)果顯示，系統(tǒng)能夠滿足TCP短連接要求，不存在系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后出現(xiàn)不能新建連接現(xiàn)象。這主要由于本系統(tǒng)lwIP協(xié)議棧郵箱、信號量的建立采用了專屬內(nèi)存塊管理方法，每一次TCP連接的斷開，該連接對應(yīng)的郵箱、信號量所占用的內(nèi)存塊都得以及時(shí)回收。相反，如果采用從系統(tǒng)中直接申請內(nèi)存用于建立郵箱和信號，經(jīng)過半小時(shí)短連接測試，通過打開協(xié)議棧斷言開關(guān)，顯示sys_sem_new或者sys_mbox_new失敗。

(2) TCP長連接測試

在長連接測試中，后臺側(cè)使用數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)PS6000+系統(tǒng)，測試時(shí)間設(shè)定為24小時(shí)，結(jié)果顯示系統(tǒng)完全滿足長連接可靠性要求。通過調(diào)整lwIP協(xié)議棧中Keepalive參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)快速識別網(wǎng)線斷開或者后臺側(cè)崩潰現(xiàn)象。當(dāng)網(wǎng)線重新插上或者后臺重啟后，系統(tǒng)又能快速實(shí)現(xiàn)與后臺的重連。

(3) TCP瞬時(shí)多條報(bào)文測試

為了檢驗(yàn)系統(tǒng)瞬時(shí)接收多條報(bào)文功能，利用以太網(wǎng)測試工具瞬時(shí)發(fā)送多條TCP命令。結(jié)果顯示系統(tǒng)能夠緩沖多條TCP命令，命令存儲數(shù)目的大小與系統(tǒng)設(shè)定的TCP數(shù)據(jù)隊(duì)列區(qū)大小相關(guān)。

4　結(jié)　語

本文介紹了一種基于μC/OS-II系統(tǒng)的lwIP協(xié)議棧雙網(wǎng)口多連接的設(shè)計(jì)方案。在介紹了軟件系統(tǒng)的架構(gòu)基礎(chǔ)上，本文還介紹了郵箱、信號量的內(nèi)存管理方法、單任務(wù)循環(huán)接收所有TCP連接的方法以及規(guī)約層的響應(yīng)機(jī)制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方案穩(wěn)定性高，可以使用較小的系統(tǒng)時(shí)間和內(nèi)存空間實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)與外部的多連接通信。該方案已經(jīng)應(yīng)用于電力系統(tǒng)二次側(cè)保護(hù)設(shè)備的對外通信模塊中，滿足了裝置對低成本以太網(wǎng)通信的需求。

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DESIGN OF AN LWIP-BASED DUAL NETWORK INTERFACE COMMUNICATION SCHEME

Xu Yerong1,2Bao Minglei1Li Ming1

1(Nanjing SAC Power Grid Automation Co., Ltd, Nanjing 211100,Jiangsu,China)2(GuodianNanjingAutomationCo.,Ltd,Nanjing211100,Jiangsu,China)

Aiming at the requirement of low cost Ethernet communication of embedded system, we propose to move the open source protocol stack lwIP into μC/OS system to construct a dual network interface communication scheme. The inner mailbox and semaphore of operating system emulation layer is designed to use the exclusive memory block. The application layer is designed as the connecting layer and the protocol layer. The connecting layer loops through all the stable TCP connections. The protocol layer is responsible for parsing the upper application protocol. Experimental results show that the application of this scheme can achieve reliable Ethernet communication needs.

lwIPμC/OSTCP connectionApplication layer

2015-06-26。徐業(yè)榮，工程師，主研領(lǐng)域：繼電保護(hù)裝置研究與開發(fā)。包明磊，高工。李明，工程師。

TP368.2

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2016.09.030