VxWorks中以太網(wǎng)通信報文的粘連問題
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)，在接收方接收到時牯成一包，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，以備用戶進程從中凋用數(shù)據(jù)。此處假設接收方緩沖區(qū)長為L字節(jié)，L應有一定的長度，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為不同的報文分別設置不同的接收緩沖區(qū)來存放不同的報文數(shù)據(jù)。此處假設只有應答報文和狀態(tài)報文兩種，分別以用戶緩沖區(qū)1和2米存儲；長度應與用戶層對應報文的長度相等，假設分別為m和n。粘包情況如圖1所示。
1．2 報文粘連問題的分析
報文粘連既可能由發(fā)送方產生，也可能由接收方產生，還可能由進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?strong>交換機產生。
(1)由發(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)由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)，用戶進程再從浚緩沖區(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。這就有可能導致在某一段時間內數(shù)據(jù)量超過了交換機的處理能力。
1.3 報文粘連對系統(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)關閉Nagle算法
由于VxWorks系統(tǒng)支持Windows Socketsl.1標準，可以將setsockopt函數(shù)中的1evel項設置為LPPROTO_TCPl，這樣就可以關閉Nagle優(yōu)化算法。
(2)將Winsock kernel buffer設置為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項巾的level設為SOL_SOCKET，將SO_SNDBUF值設為0。
2.2 接收方的解決方法
對于南接收方引起的報文粘連，也有兩種方法解決。
(1)提高報文處理任務的優(yōu)先級
使用VxWorks操作系統(tǒng)可以方便地設置任務的優(yōu)先級。使用taskSpawn函數(shù)啟動任務，其中priority的數(shù)值就是任務的優(yōu)先級(從0～255，優(yōu)先級依次降低)。使用此函數(shù)將處理報文任務的優(yōu)先級設為比其他任務高，但是為了減小意外發(fā)生的可能，該值應小于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)某一位的內容為該幀報文數(shù)據(jù)的總長度，接收方先提取出此內容，如果緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)氏度大于等于該長度，則按該內容的長度從緩沖區(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m現(xiàn)報文粘連現(xiàn)象，應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MCU發(fā)生故障，系統(tǒng)將停機，因而結果必然是錯誤的。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。
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?？墒侨涨皩嶒灛F(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1MB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備的增加，不斷連接新交換機的方法有可能使網(wǎng)絡形成環(huán)路，這將造成網(wǎng)絡癱瘓。所以，不建議使用此方法。
(3)修改對交換機的配置
可通過修改相關參數(shù)將交換機數(shù)據(jù)傳輸方式設置為無等待傳輸，即在交換機得到數(shù)據(jù)后不放入內部緩沖區(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)產生粘包現(xiàn)象的可能。
3 結論
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在關閉Nagle算法的情況下，發(fā)現(xiàn)Nagle算法依然在使用。最終的結論是，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設置為O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提高報文處理任務優(yōu)先級的方法可以對報文粘連起到防治，但有可能產生一些易發(fā)現(xiàn)的任務調度問題。
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。
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