淺談arm-linux環(huán)境下udp協(xié)議的通信應(yīng)用研究

1、<p>　　淺談ARM-Linux環(huán)境下UDP協(xié)議的通信應(yīng)用研究</p><p>　　摘要：進(jìn)行UDP協(xié)議通信時，發(fā)送端和接收端的狀態(tài)是相對獨立的，發(fā)送端不與接收端建立連接，而是不停向接收端發(fā)送，為了確保不丟失報文，上位機采取了按固定次數(shù)重發(fā)相同內(nèi)容報文的機制。這種機制雖然可以有效確保報文不丟失，但大量冗余數(shù)據(jù)報被發(fā)送，網(wǎng)絡(luò)資源利用率不高。顯然重發(fā)次數(shù)越多，冗余數(shù)據(jù)報越多，效率越低。要想有效保證數(shù)據(jù)報準(zhǔn)

2、確發(fā)送的同時又不產(chǎn)生過多冗余數(shù)據(jù)報，那么重復(fù)發(fā)送的次數(shù)的確定就成為問題的關(guān)鍵。以下給出一種確定上位機重發(fā)次數(shù)的方法。</p><p>　　關(guān)鍵詞：ARM；Linux；交叉編譯環(huán)境；UDP協(xié)議；重發(fā)機制；重發(fā)次數(shù) </p><p>　　UDP協(xié)議以其高效性和應(yīng)用的簡單，被廣泛運用于嵌入式網(wǎng)絡(luò)開發(fā)中。由于UDP協(xié)議的應(yīng)用簡單，在嵌入式設(shè)備開發(fā)過程中，網(wǎng)絡(luò)資源的利用率并不高。以下將介紹一個UDP

3、具體項目實驗過程，描述ARM-Linux環(huán)境的軟硬件環(huán)境構(gòu)建過程，并對UDP協(xié)議下一種重發(fā)模式中上位機的重發(fā)次數(shù)的確定提出一種可行的方法。</p><p><b>　　1 研究背景</b></p><p>　　隨著嵌入式技術(shù)的快速發(fā)展，嵌入式設(shè)備已經(jīng)在許多領(lǐng)域取代了傳統(tǒng)的微型機設(shè)備。本文的選題主要來自于實習(xí)期間承接的一項改造項目：某院校特長生評分系統(tǒng)的改造。項目改造目

4、的有：1) 保留原上位機。2) 改用手持式客戶端進(jìn)行顯示及評分操作。3)保留原有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。針對要求，我們使用S3C2440作為硬件平臺，移植Linux操作系統(tǒng)，并在ARM-Linux環(huán)境下研究了UDP協(xié)議的通信過程，進(jìn)行了上位機與嵌入式系統(tǒng)的UDP協(xié)議通信實驗及分析，并給出一種重發(fā)機制中的發(fā)送次數(shù)求法。</p><p><b>　　2 硬件平臺介紹</b></p><p&

5、gt;　　S3C2440處理速度達(dá)到了400MHZ，具有較高的性價比。為了提高開發(fā)效率，我們采用公司自行研制開發(fā)的ET-S3C2440開發(fā)板。</p><p>　　2.1 ET-S3C2440開發(fā)板簡介</p><p>　　ET-S3C2440是公司自行開發(fā)的一款A(yù)RM9架構(gòu)的實驗開發(fā)板，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1。</p><p>　　核心板的主要器件有：32MB×

6、;2片SDRAM，64MB NORFLASH，512MB NANDFLASH。設(shè)計了啟動方式可選，通過開關(guān)選擇從Nandflash或Norflash啟動。</p><p>　　2.2 實驗相關(guān)電路說明</p><p>　　底板電路主要功能是輸入輸出以及網(wǎng)絡(luò)通訊功能。按鍵輸入部分采用掃描方式獲得輸入，用一個單向地址鎖存器和一個雙向地址鎖存器與地址總線相連，可以通過掃描地址來獲得按鍵輸入。LC

7、D采用三星的3.5寸TFT屏作為顯示輸出設(shè)備。網(wǎng)卡芯片選用的是與原設(shè)備匹配的10M 的CS8900A，關(guān)于CS8900A與S3C2440的硬件連接，有眾多資源可供參考，本文不再贅述。</p><p>　　3 系統(tǒng)軟件平臺的構(gòu)建</p><p>　　硬件平臺搭建完畢后要將操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序在硬件平臺上運行起來。以下是對嵌入式Linux操作系統(tǒng)移植的過程。</p><p&g

8、t;　　3.1 交叉編譯環(huán)境的構(gòu)建</p><p>　　Linux 2.6.29.1版本的內(nèi)核可以登錄到下載。本文選擇的是arm-linux-gcc-4.3.2工具鏈()</p><p>　　在宿主機上進(jìn)入Linux系統(tǒng)，切換當(dāng)前目錄到工具鏈所在目錄，新建一個arm目錄保存解壓后的文件(mkdir /user/local/arm)并將arm-linux-gcc-4.3.2解壓到這個目錄中(

9、tar jxvf arm-linux-gcc-4.3.2 –C /user/local/arm)。然后將環(huán)境變量$PATH修改一下，讓$PATH中包含有arm-linux-gcc所在的目錄(編輯/etc/profile 添加語句”export PATH=/user/local/arm/4.3.2/bin:$PATH”)，然后reboot一下，這樣交叉編譯環(huán)境就構(gòu)建好了。</p><p>　　3.2 BOOTLOA

10、DER的移植</p><p>　　vivi是一款相當(dāng)成熟和相對簡單的常用bootloader，我們以vivi為移植原型，將S3C2440所有IO端口寄存器定義添加到頭文件2440add.inc，刪除部分硬件平臺使用不到的代碼，最后將修改過的vivi制作成鏡像燒錄到flash中。[1]</p><p>　　3.3 Linux內(nèi)核移植</p><p>　　獲取Linux

11、-2.6.29.1源代碼并解壓后，首先修改內(nèi)核源代碼所在目錄中的Makefile，將系統(tǒng)架構(gòu)修改為Arm(ARCH ?=arm ),交叉編譯工具修改為arm-linux-gcc (CROSS_COMPILE ?=arm-linux-)，修改輸入時鐘(arch/arm/mach-s3c2440/mach-smdk2440.c中的函數(shù)static void __init smdk2440_map_io中，修改s3c24xx_init_clo

12、cks(12000000)此處所用晶振為12M)。修改machine名稱(在arch/arm/mach-s3c2440/mach-smdk2440.c文件中的函數(shù)MACHINE_START( ),修改為MACHINE_START(S3C2440, “自定義機器名”)，修改NANDflash分區(qū)信息(arch/arm/plat-s3c24xx/common-smdk.c結(jié)構(gòu)體static struct mtd_partition smdk

13、_default_nand_part[]中保存的是nandflah的分區(qū)信息，將其修改為當(dāng)前使用的分區(qū)信息</p><p>　　上述內(nèi)核源代碼修改完成后，還需要對一些設(shè)備的驅(qū)動進(jìn)行修改。本文使用的NEC 3.5寸 320×240液晶屏，硬件平臺使用GPG4腳進(jìn)行背光控制，需要修改LCD背光(/arch/arm/mach-s3c2440/mach-smdk2440.c中static void __init

14、 smdk2440_machine_init(void)，將函數(shù)中的GPIO口配置為GPG4)。關(guān)于CS8900A網(wǎng)卡的驅(qū)動移植，相關(guān)資源很豐富，本文也不再贅述。</p><p>　　本實驗中nandflash采用的是yaffs2文件系統(tǒng)，所以打yaffs2文件系統(tǒng)補丁，壓縮包為cvs-root.tar.gz。</p><p>　　至此，Linux的內(nèi)核源代碼修改工作完成了，下面還需要利用

15、Makefile,進(jìn)行內(nèi)核配置。</p><p>　　在Linux 2.6.29.1內(nèi)核目錄下首先make s3c2410_defconfig使用2410的配置模板來配置2440；然后make menuconfig,這時我們可以在圖形化界面中，空格鍵可改變各個配置選項的被選中狀態(tài)，根據(jù)需要進(jìn)行配置即可。配置完成后保存好配置，最后進(jìn)行內(nèi)核的編譯(make dep 建立文件間依賴 make clean 清除編譯殘留文

16、件make zImage 生成內(nèi)核壓縮鏡像文件)。</p><p>　　編譯過程完成后會在內(nèi)核目錄arch/arm/boot/下生成zImage內(nèi)核映像文件，將這個鏡像文件燒錄到flash中，調(diào)試檢驗，經(jīng)上述修改后的內(nèi)核工作運行正常。</p><p>　　3.4 根文件系統(tǒng)的制作</p><p>　　根文件系統(tǒng)是使用busybox-1.13.3來制作完成。下載bus

17、ybox并解壓完成后，修改Makefile中的架構(gòu)為ARM架構(gòu)，編譯工具為arm-linux-gcc( ARCH ?=arm； CROSS_COMPILE ?=arm-linux-),然后Make menuconfig,通過圖形界面對busybox進(jìn)行配置，然后對busybox進(jìn)行編譯(make CONFIG_PREFIX=/opt/studyarm/rootfs install)，在目標(biāo)目錄下會生成目錄bin、sbin、usr和文件l

18、inuxrc的內(nèi)容。</p><p>　　基本目錄結(jié)構(gòu)生成后，應(yīng)該在目標(biāo)目錄下建立一些未生成的必要的系統(tǒng)目錄如dev、etc、lib等，并通過chmod命令改變目錄權(quán)限為可寫。再將一些必要的動態(tài)鏈接庫和靜態(tài)庫拷貝到lib下，然后在dev目錄下創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點，最后創(chuàng)建該嵌入式Linux系統(tǒng)的初始化配置文件(包括設(shè)備列表文件、口令、網(wǎng)絡(luò)分組組名、HOSTNAME主機名、etc/inittab初始化表單、etc/prof

19、ile環(huán)境變量配置文件、用于系統(tǒng)初始化的.bash腳本文件等)。由于本實驗需對網(wǎng)絡(luò)編程，要求自動初始化CS8900A網(wǎng)卡芯片的IP地址、網(wǎng)關(guān)、子網(wǎng)掩碼等，所以在開機自啟動腳本中加入ifconfig語句，使得開機時自動配置網(wǎng)卡參數(shù)。</p><p>　　根文件系統(tǒng)構(gòu)建完成后，使用yaffs2文件系統(tǒng)制作工具mkyaffs2image.tgz，通過命令mkyaffs2image rootfs rootfs.img生成

20、根文件系統(tǒng)鏡像，然后將鏡像燒寫入flash中。</p><p>　　4 ARM-Linux環(huán)境下的UDP協(xié)議通信實驗</p><p>　　經(jīng)過上述硬件設(shè)計和操作系統(tǒng)移植過程，本文所使用到的實驗環(huán)境已經(jīng)構(gòu)建完畢，經(jīng)反復(fù)調(diào)試修改，嵌入式Linux操作系統(tǒng)在平臺下運行正常，于是進(jìn)行UDP協(xié)議通信實驗。</p><p>　　4.1 UDP協(xié)議套接字編程基礎(chǔ)</p>

21、;<p>　　UDP是一個面向數(shù)據(jù)報和無連接的簡單傳輸層協(xié)議，它不像TCP那樣通過握手過程建立服務(wù)器與客戶端的連接才可以工作。在網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量較好的情況下，UDP體現(xiàn)出高效率，這適合于傳送少量報文的應(yīng)用。 linux系統(tǒng)是通過套接字結(jié)構(gòu)來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編程的，應(yīng)用程序通過對套接字的幾個函數(shù)調(diào)用，會返回一個用于通信的套接字描述符,而Linux應(yīng)用程序在進(jìn)行任何形式的I/O操作時，程序?qū)嶋H上是在讀寫一個文件描述符。因此Linux下的套

22、接字編程，可以看成是對普通文件描述符的操作，這些操作與被使用的硬件平臺無關(guān)，這是linux設(shè)備無關(guān)性的優(yōu)點。UDP協(xié)議的通信模型如圖3所示。</p><p>　　在上述流程中，客戶端所收到的報文被存儲在緩沖區(qū)中，recvfrom()函數(shù)返回了報文存儲緩沖區(qū)的首地址，我們可以很方便地對這個首地址進(jìn)行數(shù)組操作，從而實現(xiàn)對報文的解碼。</p><p>　　4.2 上位機報文結(jié)構(gòu)及重發(fā)機制分析&l

23、t;/p><p>　　根據(jù)項目要求，上位機軟件依然保留，我們使用協(xié)議嗅探工具對上位機發(fā)送的報文進(jìn)行了嗅探，得到了上位機報文的結(jié)構(gòu)如表1所示。</p><p>　　表1 上位機報文結(jié)構(gòu)</p><p>　　上位機發(fā)出的每條報文由32個字節(jié)組成，第0位為版本信息。第1……12位為比賽信息和運動員教練信息，是報文的關(guān)鍵信息部分，13……22位為服務(wù)器端和客戶端的IP地址及端口

24、號信息，23位是上位機對客戶端的操作指令代碼，24位是相關(guān)重發(fā)機制的代碼，30和31兩位是CheckSum，用來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_。上位機采用的重發(fā)機制是一種上位機按照固定重發(fā)次數(shù)多次發(fā)送同一關(guān)鍵內(nèi)容報文的機制，其第24位重發(fā)機制位被分為高4位和低4位兩部分，高四位的內(nèi)容是當(dāng)前發(fā)送的報文的索引號，每次發(fā)送一條新內(nèi)容的報文時索引號自增1，索引號的取值范圍在0x00—0xFF范圍內(nèi)循環(huán)自增。低四位是重發(fā)編號，表示同一索引號的報文正在被第幾次

25、重發(fā)，固定的重發(fā)次數(shù)由上位機初始化時設(shè)定。</p><p>　　4.3 嵌入式客戶端的實驗程序設(shè)計</p><p>　　針對報文結(jié)構(gòu)，我們對接收端編寫實驗程序代碼，代碼的主要功能是從上位機接收報文，將計算出的CheckSum校驗和與收到的校驗和對比判斷報文是否正確，然后從正確報文中取出主要信息并按照報文中的上位機指令碼進(jìn)行輸出。其結(jié)構(gòu)流程圖如圖3所示。</p><p&g

26、t;　　實驗程序經(jīng)編碼、調(diào)試后在交叉編譯環(huán)境中交叉編譯，生成arm-Linux環(huán)境下可執(zhí)行文件，在目標(biāo)板上執(zhí)行。經(jīng)測試試驗程序能夠正確接收上位機發(fā)來的報文，對報文解碼，并能根據(jù)上位機命令對關(guān)鍵信息做輸出處理。</p><p>　　4.4 對上位機重發(fā)次數(shù)的研究</p><p>　　進(jìn)行UDP協(xié)議通信時，發(fā)送端和接收端的狀態(tài)是相對獨立的，發(fā)送端不與接收端建立連接，而是不停向接收端發(fā)送，為了確

27、保不丟失報文，上位機采取了按固定次數(shù)重發(fā)相同內(nèi)容報文的機制。然而這種機制雖然可以有效確保報文不丟失，但是大量冗余數(shù)據(jù)報被發(fā)送，網(wǎng)絡(luò)資源利用率不高。重發(fā)次數(shù)越多，冗余數(shù)據(jù)報越多，效率越低。要想有效保證數(shù)據(jù)報準(zhǔn)確發(fā)送的同時又不產(chǎn)生過多冗余數(shù)據(jù)報，那么重復(fù)發(fā)送的次數(shù)的確定就成為問題的關(guān)鍵。以下給出一種確定上位機重發(fā)次數(shù)的方法。</p><p>　　假設(shè)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀況下，每次報文發(fā)送被丟失的概率為p，系統(tǒng)允許接收端報文關(guān)鍵

28、內(nèi)容丟失概率為q,那么如何確定以上重發(fā)機制中的重發(fā)次數(shù)k呢？</p><p>　　特殊情況下若報文重發(fā)次數(shù)為2，分別在每條報文重發(fā)機制位注明一個索引號和一個重發(fā)編號，發(fā)送端發(fā)送報文的次序應(yīng)形如 1.1 ,1.2 ,2.1 ,2.2 ,3.1 ,3.2……其中索引號相同的報文關(guān)鍵內(nèi)容相同，重發(fā)編號不同代表同一關(guān)鍵內(nèi)容報文的不同次發(fā)送。因此只有出現(xiàn)連續(xù)兩次丟失數(shù)據(jù)報的情況下，報文關(guān)鍵內(nèi)容才可能丟失。出現(xiàn)連續(xù)兩次丟失的

29、情況有2種，當(dāng)x.1 , x.2丟失，此時索引號為x的報文關(guān)鍵信息將全部丟失。當(dāng)x.2,(x+1). 1丟失，丟失報文的索引號不同，此時不會發(fā)生報文關(guān)鍵信息丟失，因此報文關(guān)鍵內(nèi)容丟失的概率q=p2/2。</p><p>　　當(dāng)報文重發(fā)次數(shù)為3,依然在每條報文的重發(fā)機制位注明索引號和重發(fā)號，發(fā)送報文的次序應(yīng)為1.1 ,1.2 ,1.3 ,2.1 ,2.2 ,2.3 ,3.1 ,3.2……。只有出現(xiàn)連續(xù)3次丟失數(shù)據(jù)報

30、的情況報文關(guān)鍵信息才可能丟失，列出連續(xù)3次丟失報文的情況有3種，當(dāng)x.1 , x.2 , x.3丟失，此時索引號為x的報文信息全部丟失。當(dāng)x.2 , x.3 ,(x+1).1或x.3 ,(x+1).1 ,(x+1).2丟失時不影響報文的準(zhǔn)確傳遞。因此此時報文關(guān)鍵內(nèi)容丟失的概率q=p3/3。</p><p>　　推廣至一般情況易得當(dāng)報文重發(fā)次數(shù)為k時，報文關(guān)鍵內(nèi)容丟失的概率q=pk/k，移項有kq=pk。于是我們得

31、到求重發(fā)次數(shù)k的方法</p><p>　　1) 根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況獲得報文丟失概率p； </p><p>　　2) 根據(jù)客戶需求取得報文關(guān)鍵內(nèi)容的允許丟失率范圍q；</p><p>　　3) 分別作出y=px和y=qx的圖像；</p><p>　　4) 求得兩圖像的交點的x坐標(biāo)，并將x坐標(biāo)值取整加一即為所求重發(fā)次數(shù)k。</p><

32、;p>　　本文實驗中，需求方允許報文關(guān)鍵信息丟失概率q=0.0001,我們分別對上位機發(fā)送端和下位機接收端收發(fā)的報文進(jìn)行了統(tǒng)計，在某一固定時間段內(nèi)，上位機共發(fā)送報文19665條，接收端接收報文18636條，傳輸過程中丟失的報文19665-18636=1029條，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的報文丟失率為，即p=0.0523。據(jù)此數(shù)值分別作出y=0.0001x的曲線和y=0.0523 x的曲線，取得兩曲線交點x坐標(biāo)為x≈2.78，最后將x=2.7

33、8取整加1得到k=3，即上位機對同一數(shù)據(jù)報的重發(fā)次數(shù)應(yīng)該定為3次就可保證系統(tǒng)丟失報文的概率低于0.0001。</p><p><b>　　5 結(jié)論與展望</b></p><p>　　本文從硬件平臺搭建、Linux移植以及UDP協(xié)議編程幾個方面介紹了arm-Linux環(huán)境下UDP協(xié)議通信的具體實現(xiàn)，并分析了一種在實際嵌入式項目中常用的上位機數(shù)據(jù)報重發(fā)機制，最后對這種機制

34、中的重發(fā)次數(shù)的確定方法給出了求解過程，為后續(xù)的具體項目實施提供了實踐依據(jù)，也希望為其他應(yīng)用這種重發(fā)機制的嵌入式產(chǎn)品開發(fā)者們提供了借鑒。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)： </b></p><p>　　[1] 李偉.基于ARM9的嵌入式Linux手持平臺的設(shè)計與實現(xiàn)[D].武漢:武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文,2009.</p><p>　　范艷