李 浩, 趙晨希, 關(guān) 冰

(1.中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076; 2.北京時(shí)代民芯科技有限公司，北京 100076)

隨著信息化和自動(dòng)化技術(shù)的快速發(fā)展，以太網(wǎng)憑借速度快、成本低、支持連接設(shè)備多等特點(diǎn)，被越來(lái)越多地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)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(kāi)銷(xiāo)小、效率高的優(yōu)勢(shì)，但是由于其非面向連接的特點(diǎn)，可靠性不高，在數(shù)據(jù)傳輸中容易丟幀、錯(cuò)幀和亂幀[4-6]。

針對(duì)UDP傳輸過(guò)程中可能出現(xiàn)的丟幀、錯(cuò)幀和亂幀問(wèn)題，本文提出了兩種基于超時(shí)重傳和多重校驗(yàn)的UDP可靠通信方法：一種是基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的方法，另一種是基于高精度定時(shí)器的方法。這兩種方法的共同點(diǎn)是都采用多重校驗(yàn)、鏈路切換、超時(shí)重傳等可靠性較高的技術(shù)，不同點(diǎn)是前者基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，邏輯簡(jiǎn)單，但實(shí)時(shí)性不高，后者基于高精度定時(shí)器實(shí)現(xiàn)，實(shí)時(shí)性較高，但邏輯復(fù)雜。本文提出的方法僅在應(yīng)用層增加32 B冗余信息，且只在鏈路出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)重新發(fā)送，相對(duì)未采用可靠性措施的UDP通信方案，開(kāi)銷(xiāo)略有增加，但相對(duì)采用了三次握手和擁塞控制等機(jī)制的TCP通信，在網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷(xiāo)和傳輸效率上的優(yōu)勢(shì)仍然存在，試驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的方法既能保證UDP通信的實(shí)時(shí)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(shè)計(jì)

對(duì)可靠以太網(wǎng)通信總體方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先設(shè)計(jì)了基于四度冗余拓?fù)涞囊蕴W(wǎng)總線(xiàn)結(jié)構(gòu)，然后實(shí)現(xiàn)了基于多重校驗(yàn)的以太網(wǎng)通信協(xié)議，最后提出了兩種基于超時(shí)重傳和多重校驗(yàn)的UDP可靠通信方法，通過(guò)硬件、軟件、協(xié)議和流程的聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)了基于超時(shí)重傳和多重校驗(yàn)的可靠以太網(wǎng)通信機(jī)制。

以太網(wǎng)總線(xiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，基于可靠以太網(wǎng)通信機(jī)制的軟件設(shè)計(jì)稱(chēng)為服務(wù)端軟件，有主、備兩個(gè)網(wǎng)口，與服務(wù)端軟件通信的軟件稱(chēng)為客戶(hù)端軟件，也有主、備兩個(gè)網(wǎng)口，服務(wù)端軟件和客戶(hù)端軟件通過(guò)交換機(jī)進(jìn)行以太網(wǎng)通信。這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)成本低廉，鏈路冗余帶來(lái)的總體方案成本增加并不多。

圖1 以太網(wǎng)通信總線(xiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

將數(shù)據(jù)進(jìn)行UDP數(shù)據(jù)報(bào)封裝、IP封裝，并最終打包成符合IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀格式在網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)是只提供無(wú)連接的服務(wù)，沒(méi)有確認(rèn)幀、序列號(hào)、超時(shí)重傳等機(jī)制，因此與TCP傳輸相比可靠性低。本文在應(yīng)用層設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于多重校驗(yàn)的協(xié)議確認(rèn)機(jī)制，確保UDP傳輸?shù)臄?shù)據(jù)內(nèi)容、順序和格式的準(zhǔn)確無(wú)誤。

對(duì)應(yīng)用層的以太網(wǎng)通信協(xié)議進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，除了幀內(nèi)容區(qū)表征傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)外，增加了幀頭、幀序號(hào)、幀長(zhǎng)度、幀校驗(yàn)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(yàn)，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(kāi)始。

② 幀序號(hào)：表示相同類(lèi)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(zhǎng)度：表示本幀數(shù)據(jù)的實(shí)際長(zhǎng)度，由于UDP傳輸數(shù)據(jù)的限制，本區(qū)域最大值不能超過(guò)1400。

④ 幀IP：表示網(wǎng)絡(luò)層的地址。

⑤ 幀端口：表示傳輸層的地址。

⑥ 幀類(lèi)型：表示本幀數(shù)據(jù)的類(lèi)型。

⑦ 幀內(nèi)容：表示本幀數(shù)據(jù)的具體內(nèi)容。

⑧ 校驗(yàn)和：對(duì)本幀數(shù)據(jù)前N-4個(gè)字節(jié)進(jìn)行CRC校驗(yàn)，CRC校驗(yàn)?zāi)軌蛴行ёR(shí)別硬件誤碼導(dǎo)致的通信錯(cuò)誤。

⑨ 幀尾：固定幀尾為0xAAAAAAAA，用于判斷幀的結(jié)束。

2 基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的超時(shí)重傳方法

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于航空航天、核電能源、醫(yī)療衛(wèi)生、國(guó)防電子等諸多安全關(guān)鍵系統(tǒng)中，具有實(shí)時(shí)性高、安全性強(qiáng)、系統(tǒng)資源占用少等特點(diǎn)，包含任務(wù)調(diào)度、任務(wù)同步、中斷管理、內(nèi)存管理等功能[7]，常見(jiàn)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)有VxWorks和RTEMS。

利用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的多線(xiàn)程搶占調(diào)度和多線(xiàn)程信號(hào)量同步機(jī)制，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種精度達(dá)到10 ms量級(jí)的超時(shí)重傳方法，本方案的優(yōu)點(diǎn)是邏輯簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是精度不高。

設(shè)計(jì)3個(gè)線(xiàn)程和1個(gè)信號(hào)量，重傳方法的實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示，主要功能如下。

圖3 基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的以太網(wǎng)超時(shí)重傳方法示例

① 線(xiàn)程1的優(yōu)先級(jí)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(xiàn)程3的優(yōu)先級(jí)次高，線(xiàn)程入口處設(shè)計(jì)死循環(huán)，使得線(xiàn)程3一直處于等待運(yùn)行的狀態(tài)，主要用途是獲取以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，并對(duì)接收方的應(yīng)答數(shù)據(jù)進(jìn)行解析判讀和多重校驗(yàn)。

③ 線(xiàn)程2的優(yōu)先級(jí)最低，線(xiàn)程入口處設(shè)計(jì)死循環(huán)，使得線(xiàn)程2一直處于等待運(yùn)行的狀態(tài)，主要用途是利用本文的基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的超時(shí)重傳方法，實(shí)現(xiàn)基于UDP的可靠數(shù)據(jù)通信。

④ 信號(hào)量1主要用于線(xiàn)程3和線(xiàn)程2的數(shù)據(jù)同步，信號(hào)量的類(lèi)型是二值信號(hào)量，初始值是0。

本子技術(shù)的核心功能有指令回令機(jī)制、多重校驗(yàn)判斷、多線(xiàn)程同步、超時(shí)重傳、鏈路切換，主要技術(shù)點(diǎn)如下。

① 線(xiàn)程2是發(fā)送線(xiàn)程，其發(fā)送的數(shù)據(jù)定義為指令，線(xiàn)程3是接收線(xiàn)程，其接收的數(shù)據(jù)定義為回令，規(guī)定每一條指令都對(duì)應(yīng)有一條回令，通過(guò)設(shè)計(jì)指令回令機(jī)制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)以太網(wǎng)鏈路是否暢通的檢測(cè)。

② 線(xiàn)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(jìn)行多重校驗(yàn)，包括幀頭、幀尾、幀序號(hào)、幀長(zhǎng)度、IP地址、端口、幀類(lèi)型及幀CRC等8類(lèi)區(qū)域的校驗(yàn)，如果多重校驗(yàn)通過(guò)，則認(rèn)為回令符合要求，否則認(rèn)為鏈路故障，通過(guò)多重校驗(yàn)機(jī)制可以實(shí)現(xiàn)硬件誤碼和軟件丟包錯(cuò)包的故障檢測(cè)。

③ 利用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的多線(xiàn)程搶占調(diào)度和信號(hào)量同步機(jī)制，實(shí)現(xiàn)不同的線(xiàn)程之間通過(guò)二值信號(hào)量的方式進(jìn)行時(shí)序同步。

④ 利用二進(jìn)制信號(hào)量的超時(shí)判斷機(jī)制，如果在指定的時(shí)間內(nèi)軟件收到了客戶(hù)端軟件的回令(為達(dá)到可靠性與與實(shí)時(shí)性的平衡，將超時(shí)時(shí)間設(shè)置為10 ms)，并且通過(guò)了多重校驗(yàn)，則發(fā)布信號(hào)量以解除發(fā)送線(xiàn)程的阻塞狀態(tài)；如果在指定的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到客戶(hù)端軟件的回令，或者回令未通過(guò)多重校驗(yàn)，則信號(hào)量返回超時(shí)信息，進(jìn)入鏈路切換和超時(shí)重傳邏輯分支。

⑤ 基于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠以太網(wǎng)拓?fù)渫ㄐ沤Y(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了“主主-主備-備主-備備”的通信鏈路切換機(jī)制，能夠在3條通信鏈路出現(xiàn)故障的情況下實(shí)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(shí)器的超時(shí)重傳方法

利用嵌入式系統(tǒng)的高精度定時(shí)器和中斷異步處理機(jī)制，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一種精度達(dá)1 ms級(jí)別的超時(shí)重傳方法，其優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí)性高，不依賴(lài)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是流程比較復(fù)雜。

設(shè)計(jì)2個(gè)中斷、1個(gè)主函數(shù)和5個(gè)全局變量，重傳方法的實(shí)現(xiàn)流程如圖4所示，主要功能如下。

① 中斷1的優(yōu)先級(jí)最高，收到回令時(shí)觸發(fā)，主要功能是獲取以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，并對(duì)接收方的應(yīng)答數(shù)據(jù)進(jìn)行解析判讀和多重校驗(yàn)。

圖4 基于高精度定時(shí)器的以太網(wǎng)超時(shí)重傳方法示例

② 中斷2的優(yōu)先級(jí)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(shí)器的超時(shí)重傳機(jī)制，實(shí)現(xiàn)基于UDP的可靠數(shù)據(jù)通信。

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

④ 超時(shí)起判標(biāo)志為全局變量，在啟動(dòng)超時(shí)重傳判斷時(shí)置有效，在收到回令時(shí)或遍歷所有鏈路時(shí)置無(wú)效。

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

⑥ 超時(shí)時(shí)間為全局變量，是用戶(hù)設(shè)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(zhǎng)時(shí)間。

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

⑧ 當(dāng)前時(shí)間為全局變量，該值表示進(jìn)行超時(shí)判斷時(shí)的當(dāng)前時(shí)間。

本方法的核心功能有指令回令機(jī)制、多重校驗(yàn)判斷、高精度定時(shí)器中斷，主要技術(shù)點(diǎn)如下。

① 主函數(shù)和中斷2是發(fā)送線(xiàn)程，指令回令機(jī)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(jìn)行多重校驗(yàn)，多重校驗(yàn)的機(jī)制與第2節(jié)相同。

③ 利用嵌入式系統(tǒng)的高精度定時(shí)器和中斷異步處理機(jī)制，實(shí)現(xiàn)主循環(huán)與中斷之間通過(guò)共享全局變量的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，能夠?qū)崿F(xiàn)精度為1 ms級(jí)別的超時(shí)判斷。

④ 利用基于高精度定時(shí)器的超時(shí)判斷機(jī)制，如果在指定的時(shí)間內(nèi)收到了客戶(hù)端軟件的回令，并且通過(guò)了多重校驗(yàn)，則置數(shù)據(jù)接收標(biāo)志有效以通知軟件解除超時(shí)判斷;如果在指定的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到客戶(hù)端軟件的回令，或者回令未通過(guò)多重校驗(yàn)，則判斷為已經(jīng)超時(shí)。

⑤ 利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主備以太網(wǎng)通路，實(shí)現(xiàn)“主主-主備-備主-備備”四條鏈路的故障切換，鏈路切換機(jī)制與第2節(jié)相同。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及建模分析

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對(duì)本文進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，服務(wù)端軟件的硬件架構(gòu)是“TMS320C6678+Kintex-7”,TMS320C6678是TI公司的一款多核處理器芯片，片內(nèi)集成8個(gè)C66X內(nèi)核[8]，掛接一路網(wǎng)口，作為主通信鏈路，地址設(shè)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(shè)置為192.168.0.19?？蛻?hù)端軟件的硬件架構(gòu)與服務(wù)端軟件相同，也是“TMS320C6678+Kintex-7”，主地址設(shè)置為192.168.102，備地址設(shè)置為192.168.0.12。

在上述環(huán)境中設(shè)置故障測(cè)試用例，測(cè)試本文設(shè)計(jì)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(kāi)時(shí)鏈路切換后正常通信示意圖，圖7為主主、主備鏈路斷開(kāi)時(shí)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(kāi)時(shí)鏈路切換后正常通信示意圖。結(jié)果表明，在通信鏈路出現(xiàn)一度、二度和三度故障時(shí)，基于本方法實(shí)現(xiàn)的軟件仍可進(jìn)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(kāi)時(shí)鏈路切換后正常通信示意圖

圖7 主主、主備鏈路斷開(kāi)時(shí)鏈路切換后正常通信示意圖

圖8 主主、主備、備主鏈路斷開(kāi)時(shí)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(shí)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(jìn)行可靠性計(jì)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(gè)數(shù)；Rs為根據(jù)模型公式計(jì)算后的系統(tǒng)可靠度。本文假設(shè)R0值為0.9，n在本文中取值為4，經(jīng)過(guò)計(jì)算，系統(tǒng)可靠度Rs為0.9999，相對(duì)單通道UDP通信的可靠度有較大提升。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)UDP傳輸過(guò)程中可能出現(xiàn)的丟幀、錯(cuò)幀和亂幀問(wèn)題，首先對(duì)可靠以太網(wǎng)通信總體方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了基于四度冗余的以太網(wǎng)總線(xiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，然后實(shí)現(xiàn)了基于多重校驗(yàn)的以太網(wǎng)通信協(xié)議，最后提出了兩種基于超時(shí)重傳和多重校驗(yàn)的可靠通信方法：一種是基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的超時(shí)重傳方法，為UDP可靠傳輸提供了一種流程簡(jiǎn)單、精度達(dá)10 ms的解決方案；另一種是高精度定時(shí)器的超時(shí)重傳方法，為UDP可靠傳輸提供了精度達(dá)1 ms、不依賴(lài)操作系統(tǒng)的解決方案。

對(duì)本文的方法進(jìn)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(kāi)發(fā)板進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，結(jié)果表明基于本方法實(shí)現(xiàn)的軟件功能實(shí)現(xiàn)正確，可以實(shí)現(xiàn)在通信鏈路出現(xiàn)一度、二度和三度故障時(shí)有效完成UDP通信。