VxWorks中以太網(wǎng)通信報文的粘連問題

　　VxWorks是美國Wind River公司推出的一款專門為實時系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)的操作系統(tǒng)內(nèi)核，為程序員提供了高效的實時多任務(wù)調(diào)度、中斷管理，實時的系統(tǒng)資源以及實時的任務(wù)間通信。它是一種功能強大而且比較復(fù)雜的操作系統(tǒng)，包括進程管理、存儲管理、設(shè)備管理、文件系統(tǒng)管理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及系統(tǒng)應(yīng)用等部分。目前VxWorks應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，從數(shù)碼相機、路由器到B2隱形轟炸機、火星探路者，都有它的身影。在863某交通重大專項計劃控制系統(tǒng)國產(chǎn)化研究項目中，分區(qū)控制計算機（DCC）和電機控制單元（MCU）也都采用了VxWorks操作系統(tǒng)。在現(xiàn)場測試過程中，我們發(fā)現(xiàn)基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有時會出現(xiàn)粘包現(xiàn)象（即發(fā)送方發(fā)送的若干包數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇邮辗綍r粘成一包）。針對這種情況，我們進行了專題研究與實驗。本文重點分析了TCP/IP協(xié)議的粘包問題，并結(jié)合實驗結(jié)果提出了解決該問題的對策和方法。

　　1 報文粘連問題的現(xiàn)象及分析

　　1.1 報文粘連問題的現(xiàn)象

　　TCP/IP報文粘連是指發(fā)送方發(fā)送的若干包數(shù)據(jù)，在接收方接收到時粘成一包，即后一包數(shù)據(jù)的頭緊接著前一包數(shù)據(jù)的尾。由于報文長度與接收緩沖區(qū)長度有可能不成整倍數(shù)關(guān)系，所以粘連在一起的報文中有不完整的包。VxWorks操作系統(tǒng)會先將由網(wǎng)絡(luò)傳輸來的數(shù)據(jù)放入系統(tǒng)接收緩沖區(qū)中，以備用戶進程從中調(diào)用數(shù)據(jù)。此處假設(shè)接收方緩沖區(qū)長為L字節(jié)，L應(yīng)有一定的長度，以保證至少可以存儲一包數(shù)據(jù)。由于DCC和MCU之間需要傳輸不同種類的報文來進行數(shù)據(jù)交互，所以用戶在程序中應(yīng)為不同的報文分別設(shè)置不同的接收緩沖區(qū)來存放不同的報文數(shù)據(jù)。此處假設(shè)只有應(yīng)答報文和狀態(tài)報文兩種，分別以用戶緩沖區(qū)1和2來存儲；長度應(yīng)與用戶層對應(yīng)報文的長度相等,假設(shè)分別為m和n。粘包情況如圖1所示。

圖1 粘包情況示意圖

　　1.2 報文粘連問題的分析

　　報文粘連既可能由發(fā)送方產(chǎn)生，也可能由接收方產(chǎn)生，還可能由進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕粨Q機產(chǎn)生。

　　(1) 發(fā)送方引起的報文粘連

　　由發(fā)送方引起的報文粘連是源于TCP協(xié)議本身。因為TCP協(xié)議為提高傳輸效率采用了Nagle算法（詳見RFC896），發(fā)送方要等收集到1460字節(jié)的數(shù)據(jù)才會發(fā)送一包數(shù)據(jù)，或是等到發(fā)送緩沖區(qū)滿后才會發(fā)送一包數(shù)據(jù)，這就造成了報文的粘連。

　　(2) 接收方引起的報文粘連

　　由接收方引起的報文粘連，往往是因為接收方進程沒有及時處理數(shù)據(jù)造成的。接收方要先把收到的數(shù)據(jù)放入接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，用戶進程再從該緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)。如果在下一包數(shù)據(jù)到達(dá)時前一包數(shù)據(jù)還未被用戶進程取走，則新一包數(shù)據(jù)就接到前一包數(shù)據(jù)之后，而用戶要根據(jù)事先設(shè)定好的緩沖區(qū)大小從系統(tǒng)接收緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)，這就造成了一次取到了多包數(shù)據(jù)。

　　(3) 由交換機引起的報文粘連

　　由交換機引起的報文粘連，往往是因為由交換機相連的各個部件在一段時間內(nèi)發(fā)送的報文數(shù)據(jù)太多，以至于超出了交換機的處理能力。這樣，本來發(fā)送端分開發(fā)送的數(shù)據(jù)報文在交換機內(nèi)部的緩沖區(qū)中粘連在一起?，F(xiàn)在，在實驗現(xiàn)場DCC等使用VxWorks操作系統(tǒng)的部件需要使用一個獨立的端口進行程序下載，還要有一個獨立的端口提供給SecureCRT軟件以進行實時監(jiān)控；同時DCC與MCU和中央控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸也要在同一臺交換機中進行。這就有可能導(dǎo)致在某一段時間內(nèi)數(shù)據(jù)量超過了交換機的處理能力。

　　1.3 文粘連對系統(tǒng)的影響

　　如果系統(tǒng)發(fā)生了報文粘連現(xiàn)象而不進行相應(yīng)處理，則將導(dǎo)致整個系統(tǒng)無法正常運行。

　　如果用于傳輸數(shù)據(jù)的報文被粘連導(dǎo)致無法正常處理，則將使接收方無法進行運算，現(xiàn)場實時的數(shù)據(jù)無法獲得，從而使標(biāo)志位無法置位，程序無法繼續(xù)進行。如果作為生命信號的報文被粘連導(dǎo)致無法正常處理，則將使接收方認(rèn)為發(fā)送方出現(xiàn)故障；若此情況連續(xù)發(fā)生，則接收方將認(rèn)為發(fā)送方死機，從而停機，以保證整個系統(tǒng)的安全。

　　2 報文粘連問題的解決方法

　　2.1 發(fā)送方的解決方法

　　對于由發(fā)送方引起的報文粘連，可以采用以下兩種方法解決。

　?。?） 關(guān)閉Nagle算法

　　由于VxWorks系統(tǒng)支持Windows Sockets 1.1標(biāo)準(zhǔn)，可以將setsockopt函數(shù)中的level項設(shè)置為IPPROTO_TCP1，這樣就可以關(guān)閉Nagle優(yōu)化算法。

　?。?） 將Winsock kernel buffer設(shè)置為0

　　此方法只有在支持Windows Sockets 2.0標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)上才能使用（VxWorks不能支持），可在發(fā)送方為工控機、接收方為使用VxWorks操作系統(tǒng)的處理器的情況下使用。只需將setsockopt項中的level設(shè)為SOL_SOCKET，將SO_SNDBUF值設(shè)為0。