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)?a target="_blank">交換機產(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1 460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。現(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致無法正常處理，則將使接收方認為發(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。

（1）? 關(guān)閉Nagle算法
　　由于VxWorks系統(tǒng)支持Windows Sockets 1.1標準，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。

（2）? 將Winsock kernel buffer設(shè)置為0
　　此方法只有在支持Windows Sockets 2.0標準的系統(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。

2.2? 接收方的解決方法

　　對于由接收方引起的報文粘連，也有兩種方法解決。

（1）? 提高報文處理任務(wù)的優(yōu)先級
　　使用VxWorks操作系統(tǒng)可以方便地設(shè)置任務(wù)的優(yōu)先級。使用taskSpawn函數(shù)啟動任務(wù)，其中priority的數(shù)值就是任務(wù)的優(yōu)先級（從0～255，優(yōu)先級依次降低）。使用此函數(shù)將處理報文任務(wù)的優(yōu)先級設(shè)為比其他任務(wù)高，但是為了減小意外發(fā)生的可能，該值應(yīng)小于100，因為taskSpawn的默認優(yōu)先級為100。

（2）? 將粘連在一起的報文進行分包處理
　　此方法是規(guī)定報文數(shù)據(jù)某一位的內(nèi)容為該幀報文數(shù)據(jù)的總長度，接收方先提取出此內(nèi)容，如果緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)長度大于等于該長度，則按該內(nèi)容的長度從緩沖區(qū)中提取數(shù)據(jù)；如果長度不夠則不提取數(shù)據(jù)，等到長度達到要求時再提取數(shù)據(jù)。這樣即使出現(xiàn)報文粘連現(xiàn)象，應(yīng)用程序也會將粘連在一起的數(shù)據(jù)進行分包處理，不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失無法識別報文ID的情況。下面通過一個具體例子進行詳細說明。

　　在實驗線上MCU發(fā)送給DCC的狀態(tài)報文長度為84字節(jié)（報文ID為91H），應(yīng)答報文長度為20字節(jié)（報文ID為81H），接收緩沖區(qū)為90字節(jié)。如果狀態(tài)報文粘連在應(yīng)答報文之后，則將使DCC無法收到完整的狀態(tài)報文。這種情況連續(xù)發(fā)生3次之后，DCC將認為任務(wù)MCU發(fā)生故障，系統(tǒng)將停機，因而結(jié)果必然是錯誤的。如果將報文長度放在報文的第一位中，報文ID放在第二位中，則進行分包處理后就不會出現(xiàn)上述的診斷錯誤。處理過程如圖2所示。

圖2? 分包處理過程

2.3? 交換機的解決方法

　　對于由交換機引起的報文粘連，有3種解決方法：

（1）? 使用有更強處理能力的交換機
　　可使用處理能力更強、擁有較大緩存空間的交換機。可是目前實驗現(xiàn)場已經(jīng)使用了某外國著名廠商的16口交換機，且該交換機有1 MB的緩存空間，使用更高檔的交換機無疑會使成本增高。

（2）? 增加交換機數(shù)量
　　可將1臺16口交換機的工作量交由2臺8口交換機來完成，再將這兩臺交換機進行連接。這種方法可以明顯降低一臺交換機的數(shù)據(jù)處理負擔，但會使系統(tǒng)的可靠性和安全性指標大幅度降級；而且隨著以后實驗設(shè)備的增加，不斷連接新交換機的方法有可能使網(wǎng)絡(luò)形成環(huán)路，這將造成網(wǎng)絡(luò)癱瘓。所以，不建議使用此方法。

（3）? 修改對交換機的配置
　　可通過修改相關(guān)參數(shù)將交換機數(shù)據(jù)傳輸方式設(shè)置為無等待傳輸，即在交換機得到數(shù)據(jù)后不放入內(nèi)部緩沖區(qū)，而是直接交給接收方。這種方式在一定程度上可以避免粘包現(xiàn)象的發(fā)生，但當報文傳輸很緊密時也有繼續(xù)產(chǎn)生粘包現(xiàn)象的可能。

3? 結(jié)論

　　通過對發(fā)送方和接收方4種解決方法的現(xiàn)場實驗，我們發(fā)現(xiàn)效果不盡相同。

　　①? 在關(guān)閉Nagle算法的情況下，發(fā)現(xiàn)Nagle算法依然在使用。最終的結(jié)論是，這是Winsock的一個BUG，并且已經(jīng)在微軟的BUG目錄中得到了證實，所以此方法無效。
　　②? 將Winsock kernel buffer設(shè)置為0后粘包問題得到了解決，但傳輸速度明顯降低。經(jīng)測試，每秒大概只能傳送5幀數(shù)據(jù)，這在VxWorks這種硬實時系統(tǒng)中是無法接受的。
　　③? 提高報文處理任務(wù)優(yōu)先級的方法可以對報文粘連起到防治，但有可能產(chǎn)生一些不易發(fā)現(xiàn)的任務(wù)調(diào)度問題。
　　④? 分包處理的方法雖然不能防止粘連的發(fā)生，但是可以完全防止報文粘連對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。實踐證明，使用分包處理的方法可以在高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r下保證傳輸?shù)恼_性，而且不會產(chǎn)生任何副作用，對處理速度的影響也很小，可以忽略不計。這種方法已經(jīng)在實驗現(xiàn)場使用了很長一段時間，運行情況良好。