基于超時重傳和多重校驗的UDP可靠通信設計

李 浩, 趙晨希, 關 冰

(1.中國運載火箭技術研究院，北京 100076; 2.北京時代民芯科技有限公司，北京 100076)

隨著信息化和自動化技術的快速發(fā)展，以太網(wǎng)憑借速度快、成本低、支持連接設備多等特點，被越來越多地應用于工業(yè)自動化領域[1-3]。UDP是以太網(wǎng)的傳輸層協(xié)議，與TCP協(xié)議相比具有開銷小、效率高的優(yōu)勢，但是由于其非面向連接的特點，可靠性不高，在數(shù)據(jù)傳輸中容易丟幀、錯幀和亂幀[4-6]。

針對UDP傳輸過程中可能出現(xiàn)的丟幀、錯幀和亂幀問題，本文提出了兩種基于超時重傳和多重校驗的UDP可靠通信方法：一種是基于實時操作系統(tǒng)的方法，另一種是基于高精度定時器的方法。這兩種方法的共同點是都采用多重校驗、鏈路切換、超時重傳等可靠性較高的技術，不同點是前者基于實時操作系統(tǒng)實現(xiàn)，邏輯簡單，但實時性不高，后者基于高精度定時器實現(xiàn)，實時性較高，但邏輯復雜。本文提出的方法僅在應用層增加32 B冗余信息，且只在鏈路出現(xiàn)問題時進行數(shù)據(jù)重新發(fā)送，相對未采用可靠性措施的UDP通信方案，開銷略有增加，但相對采用了三次握手和擁塞控制等機制的TCP通信，在網(wǎng)絡開銷和傳輸效率上的優(yōu)勢仍然存在，試驗結果表明，本文提出的方法既能保證UDP通信的實時性，又能提升UDP通信的可靠性。

1 可靠以太網(wǎng)通信總體方案設計

對可靠以太網(wǎng)通信總體方案進行設計，首先設計了基于四度冗余拓撲的以太網(wǎng)總線結構，然后實現(xiàn)了基于多重校驗的以太網(wǎng)通信協(xié)議，最后提出了兩種基于超時重傳和多重校驗的UDP可靠通信方法，通過硬件、軟件、協(xié)議和流程的聯(lián)合優(yōu)化設計，最終實現(xiàn)了基于超時重傳和多重校驗的可靠以太網(wǎng)通信機制。

以太網(wǎng)總線拓撲結構如圖1所示，基于可靠以太網(wǎng)通信機制的軟件設計稱為服務端軟件，有主、備兩個網(wǎng)口，與服務端軟件通信的軟件稱為客戶端軟件，也有主、備兩個網(wǎng)口，服務端軟件和客戶端軟件通過交換機進行以太網(wǎng)通信。這種網(wǎng)絡拓撲結構的特點是通過網(wǎng)絡鏈路的多重冗余，提升通信系統(tǒng)整體的可靠性，且由于以太網(wǎng)總線成本低廉，鏈路冗余帶來的總體方案成本增加并不多。

圖1 以太網(wǎng)通信總線拓撲結構

將數(shù)據(jù)進行UDP數(shù)據(jù)報封裝、IP封裝，并最終打包成符合IEEE802.3標準的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀格式在網(wǎng)絡上傳輸，UDP數(shù)據(jù)封裝形式如圖2所示。

圖2 UDP數(shù)據(jù)封裝格式

UDP傳輸?shù)奶攸c是只提供無連接的服務，沒有確認幀、序列號、超時重傳等機制，因此與TCP傳輸相比可靠性低。本文在應用層設計實現(xiàn)了一種基于多重校驗的協(xié)議確認機制，確保UDP傳輸?shù)臄?shù)據(jù)內容、順序和格式的準確無誤。

對應用層的以太網(wǎng)通信協(xié)議進行重新設計，除了幀內容區(qū)表征傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)外，增加了幀頭、幀序號、幀長度、幀校驗和及幀尾等數(shù)據(jù)區(qū)域，主要目的是用于UDP傳輸數(shù)據(jù)的多重校驗，以提升以太網(wǎng)通信的可靠性。具體格式如下。

① 幀頭：固定幀頭為0x55555555，用于判斷幀的開始。

② 幀序號：表示相同類型幀的發(fā)送次數(shù)，由于UDP通信有可能出現(xiàn)丟幀，本區(qū)域可以表征傳輸?shù)倪B續(xù)性。

③ 幀長度：表示本幀數(shù)據(jù)的實際長度，由于UDP傳輸數(shù)據(jù)的限制，本區(qū)域最大值不能超過1400。

④ 幀IP：表示網(wǎng)絡層的地址。

⑤ 幀端口：表示傳輸層的地址。

⑥ 幀類型：表示本幀數(shù)據(jù)的類型。

⑦ 幀內容：表示本幀數(shù)據(jù)的具體內容。

⑧ 校驗和：對本幀數(shù)據(jù)前N-4個字節(jié)進行CRC校驗，CRC校驗能夠有效識別硬件誤碼導致的通信錯誤。

⑨ 幀尾：固定幀尾為0xAAAAAAAA，用于判斷幀的結束。

2 基于實時操作系統(tǒng)的超時重傳方法

實時操作系統(tǒng)被廣泛應用于航空航天、核電能源、醫(yī)療衛(wèi)生、國防電子等諸多安全關鍵系統(tǒng)中，具有實時性高、安全性強、系統(tǒng)資源占用少等特點，包含任務調度、任務同步、中斷管理、內存管理等功能[7]，常見的實時操作系統(tǒng)有VxWorks和RTEMS。

利用嵌入式實時操作系統(tǒng)的多線程搶占調度和多線程信號量同步機制，設計實現(xiàn)了一種精度達到10 ms量級的超時重傳方法，本方案的優(yōu)點是邏輯簡單，缺點是精度不高。

設計3個線程和1個信號量，重傳方法的實現(xiàn)流程如圖3所示，主要功能如下。

圖3 基于實時操作系統(tǒng)的以太網(wǎng)超時重傳方法示例

① 線程1的優(yōu)先級最高，執(zhí)行一次后便不再執(zhí)行，主要用于系統(tǒng)的軟硬件初始化。

② 線程3的優(yōu)先級次高，線程入口處設計死循環(huán)，使得線程3一直處于等待運行的狀態(tài)，主要用途是獲取以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，并對接收方的應答數(shù)據(jù)進行解析判讀和多重校驗。

③ 線程2的優(yōu)先級最低，線程入口處設計死循環(huán)，使得線程2一直處于等待運行的狀態(tài)，主要用途是利用本文的基于實時操作系統(tǒng)的超時重傳方法，實現(xiàn)基于UDP的可靠數(shù)據(jù)通信。

④ 信號量1主要用于線程3和線程2的數(shù)據(jù)同步，信號量的類型是二值信號量，初始值是0。

本子技術的核心功能有指令回令機制、多重校驗判斷、多線程同步、超時重傳、鏈路切換，主要技術點如下。

① 線程2是發(fā)送線程，其發(fā)送的數(shù)據(jù)定義為指令，線程3是接收線程，其接收的數(shù)據(jù)定義為回令，規(guī)定每一條指令都對應有一條回令，通過設計指令回令機制，可以實現(xiàn)對以太網(wǎng)鏈路是否暢通的檢測。

② 線程3在收到回令后，需要按照第1節(jié)描述的協(xié)議格式進行多重校驗，包括幀頭、幀尾、幀序號、幀長度、IP地址、端口、幀類型及幀CRC等8類區(qū)域的校驗，如果多重校驗通過，則認為回令符合要求，否則認為鏈路故障，通過多重校驗機制可以實現(xiàn)硬件誤碼和軟件丟包錯包的故障檢測。

③ 利用實時操作系統(tǒng)的多線程搶占調度和信號量同步機制，實現(xiàn)不同的線程之間通過二值信號量的方式進行時序同步。

④ 利用二進制信號量的超時判斷機制，如果在指定的時間內軟件收到了客戶端軟件的回令(為達到可靠性與與實時性的平衡，將超時時間設置為10 ms)，并且通過了多重校驗，則發(fā)布信號量以解除發(fā)送線程的阻塞狀態(tài)；如果在指定的時間內沒有收到客戶端軟件的回令，或者回令未通過多重校驗，則信號量返回超時信息，進入鏈路切換和超時重傳邏輯分支。

⑤ 基于系統(tǒng)設計的可靠以太網(wǎng)拓撲通信結構，設計實現(xiàn)了“主主-主備-備主-備備”的通信鏈路切換機制，能夠在3條通信鏈路出現(xiàn)故障的情況下實現(xiàn)UDP數(shù)據(jù)有效通信，顯著提升了以太網(wǎng)通信的可靠性。

3 基于高精度定時器的超時重傳方法

利用嵌入式系統(tǒng)的高精度定時器和中斷異步處理機制，設計實現(xiàn)一種精度達1 ms級別的超時重傳方法，其優(yōu)點是實時性高，不依賴實時操作系統(tǒng)即可實現(xiàn)，缺點是流程比較復雜。

設計2個中斷、1個主函數(shù)和5個全局變量，重傳方法的實現(xiàn)流程如圖4所示，主要功能如下。

① 中斷1的優(yōu)先級最高，收到回令時觸發(fā)，主要功能是獲取以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，并對接收方的應答數(shù)據(jù)進行解析判讀和多重校驗。

圖4 基于高精度定時器的以太網(wǎng)超時重傳方法示例

② 中斷2的優(yōu)先級次高，以1 ms周期性觸發(fā)，主要功能是利用本文的基于高精度定時器的超時重傳機制，實現(xiàn)基于UDP的可靠數(shù)據(jù)通信。

③ 主函數(shù)的優(yōu)先級最低，主要用于系統(tǒng)的軟硬件初始化和業(yè)務流程處理。

④ 超時起判標志為全局變量，在啟動超時重傳判斷時置有效，在收到回令時或遍歷所有鏈路時置無效。

⑤ 數(shù)據(jù)接收標志為全局變量，在收到回令時置有效，在遍歷所有鏈路時置無效。

⑥ 超時時間為全局變量，是用戶設定的固定值，該值用于表示從發(fā)送指令到接收回令的最長時間。

⑦ 起始時間為全局變量，該值表示發(fā)送以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的時間。

⑧ 當前時間為全局變量，該值表示進行超時判斷時的當前時間。

本方法的核心功能有指令回令機制、多重校驗判斷、高精度定時器中斷，主要技術點如下。

① 主函數(shù)和中斷2是發(fā)送線程，指令回令機制與第2節(jié)相同。

② 中斷1在收到回令后，需要按照第1節(jié)描述的協(xié)議格式進行多重校驗，多重校驗的機制與第2節(jié)相同。

③ 利用嵌入式系統(tǒng)的高精度定時器和中斷異步處理機制，實現(xiàn)主循環(huán)與中斷之間通過共享全局變量的方式進行數(shù)據(jù)交互，能夠實現(xiàn)精度為1 ms級別的超時判斷。

④ 利用基于高精度定時器的超時判斷機制，如果在指定的時間內收到了客戶端軟件的回令，并且通過了多重校驗，則置數(shù)據(jù)接收標志有效以通知軟件解除超時判斷;如果在指定的時間內沒有收到客戶端軟件的回令，或者回令未通過多重校驗，則判斷為已經(jīng)超時。

⑤ 利用系統(tǒng)設計的主備以太網(wǎng)通路，實現(xiàn)“主主-主備-備主-備備”四條鏈路的故障切換，鏈路切換機制與第2節(jié)相同。

4 實驗結果及建模分析

在實驗室環(huán)境下對本文進行測試驗證，服務端軟件的硬件架構是“TMS320C6678+Kintex-7”,TMS320C6678是TI公司的一款多核處理器芯片，片內集成8個C66X內核[8]，掛接一路網(wǎng)口，作為主通信鏈路，地址設置為192.168.0.109；Kintex-7是Xilinx公司的一款高性能FPGA芯片，擁有478 KB的可編程邏輯資源[9]，掛接一路網(wǎng)口，作為備通信鏈路，地址設置為192.168.0.19?？蛻舳塑浖挠布軜嬇c服務端軟件相同，也是“TMS320C6678+Kintex-7”，主地址設置為192.168.102，備地址設置為192.168.0.12。

在上述環(huán)境中設置故障測試用例，測試本文設計的可靠以太網(wǎng)通信方法是否有效。其中，圖5為主主鏈路正常通信示意圖，圖6為主主鏈路斷開時鏈路切換后正常通信示意圖，圖7為主主、主備鏈路斷開時鏈路切換后正常通信示意圖，圖8為主主、主備、備主鏈路斷開時鏈路切換后正常通信示意圖。結果表明，在通信鏈路出現(xiàn)一度、二度和三度故障時，基于本方法實現(xiàn)的軟件仍可進行有效通信。

圖5 主主鏈路正常通信示意圖

圖6 主主鏈路斷開時鏈路切換后正常通信示意圖

圖7 主主、主備鏈路斷開時鏈路切換后正常通信示意圖

圖8 主主、主備、備主鏈路斷開時鏈路切換后正常通信示意圖

采取了并聯(lián)硬件冗余的方式實現(xiàn)可靠以太網(wǎng)通信，根據(jù)并聯(lián)冗余的功能定義，可以按照下述的可靠性建模公式進行可靠性計算[10]。

Rs==1-(1-R0)n

式中：R0為單通道UDP通信的可靠度；n為并聯(lián)冗余的部件個數(shù)；Rs為根據(jù)模型公式計算后的系統(tǒng)可靠度。本文假設R0值為0.9，n在本文中取值為4，經(jīng)過計算，系統(tǒng)可靠度Rs為0.9999，相對單通道UDP通信的可靠度有較大提升。

5 結束語

針對UDP傳輸過程中可能出現(xiàn)的丟幀、錯幀和亂幀問題，首先對可靠以太網(wǎng)通信總體方案進行設計，設計了基于四度冗余的以太網(wǎng)總線拓撲結構，然后實現(xiàn)了基于多重校驗的以太網(wǎng)通信協(xié)議，最后提出了兩種基于超時重傳和多重校驗的可靠通信方法：一種是基于實時操作系統(tǒng)的超時重傳方法，為UDP可靠傳輸提供了一種流程簡單、精度達10 ms的解決方案；另一種是高精度定時器的超時重傳方法，為UDP可靠傳輸提供了精度達1 ms、不依賴操作系統(tǒng)的解決方案。

對本文的方法進行建模分析，本文所提出的方案相較傳統(tǒng)單通道UDP通信方案可靠度由0.9提升到0.9999，通信的可靠度有較大提升。利用“TMS320C6678+ Kintex-7”開發(fā)板進行測試驗證，結果表明基于本方法實現(xiàn)的軟件功能實現(xiàn)正確，可以實現(xiàn)在通信鏈路出現(xiàn)一度、二度和三度故障時有效完成UDP通信。