来源：单片机及嵌入式系统应用  作者：国家数字交换系统工程技术研究中心 何赞园 宋华伟 吉立新

摘要 电信网与计算机网的融合是一种趋势。在实时嵌入式操作系统VxWorks环境下，使用以太网上的UDP协议，高效传输电信业务的信令与数据。描述在此情况下，根据实际需求对以太网传输中网络设备驱动程序与UDP协议栈进行改进的研究与探索。

关键词 VxWorks UDP 协议栈效率 网络设备驱动

1 使用VxWorks标准UDP协议栈存在的问题
在VxWorks标准的IP协议实现的前提下，其UDP协议的实现存在于IP层。在VxWorks中有一个网络任务(亦即进程)，用于完成以太网包的收发处理及与各种网络协议的接口，其名为tNetTask，优先级低于一般的系统任务而高于应用程序任务。系统的上层网络协议，如Telnet、FTP等，在服务器端有一个相应的任务，处理网络任务转交过来的数据报。

应用程序想要实现UDP数据报的收发，就要使用操作系统提供的socket编程接口，主要包括创建socket，绑定socket和源IP与端口号，发送UDP数据报和接收socket中收到的内容。在VxWorks中有4个函数与之相对应，分别是：socket()、bind()、sendto()和recvfrom()。在VxWorks操作系统中，socket号是与文件打开描述符(fd)同样管理的，一个socket与源IP和一个源端口相对应。Sendto()函数调甩时指明目的的IP地址和服务端口号。

本文描述的UDP协议栈使用背景可简要描述如下：该系统使用的主要硬件CPU平台是摩托罗拉公司的MPC860的CPU，主频为50 MHz；操作系统使用美国WindRiver公司的VxWorks。系统中各个设备(均有以太网接口)之间要在以太网上进行信令与语音、数据业务的传输，各种数据包采用统一的消息头编码格式。

使用标准UDP协议栈最大的问题是效率。在该系统平台上，网络传输的速率成为最大的瓶颈，并由此影响了系统的容量。根据测试的极限速率，使用10M以太网的实际有效传输速率仅有1.8 Mb／s，使用100M以太网口电没有明显的提高。另外，还有一个问题，网络任务经常会挂起，在开机运行较长时间后此现象尤为明显，这对系统的可用性和无故障工作时间构成威胁。而项目的目标是实现高效稳定的以太网包处理。

2 改进UDP协议栈的思想与理由
根据对VxWorks操作系统的研究，发现它对以太网包的处理与一般的IP协议栈有所不同。MAC层的控制由硬件寄存器来实现，实现了发送方以太网帧的成帧和接收的以太网帧头确认以后，通过DMA方式实现内存与网络介质间的通信，网络任务与硬件之间通过设备中断进行通信。在该操作系统中，有一个MUX层，它提供统一的发送函数，其参数为发送的网络设备管理表指针和发送的数据报指针。我们知道，在一个有多个网络设备同时工作的计算机系统中，标准的IP协议栈要完成选取从哪个网络设备端口(gate way)发送和判断ARP的Cache中是否有对端的MAC地址，从而决定是否启动ARP进行解析。在VxWorks中。是通过查Route表和ARP表来完成以上两项工作的。Route表中储存的是与每一个通信的子网的gart way，ARP表中储存的是已知的IP地址与MAC地址的对应关系。另外，数据报接收的处理过程中是在IP数据报存入内存后申请MUX层的队列缓冲区，然后依次调用各上层协议的处理函数。

根据以上情况，考虑在MUX层修改UDP协议栈，在发送过程中，跳过socket接口，直接使用MUX层的发送函数。这样，可以减少从UDP层网络数据报缓冲区到MUX层缓冲区之间的复制工作，从而提高发送效率。在接收数据包的处理过程中，在MUX层收到数据报后钩挂(hook)一个处理函数，对UDP协议的数据包进行分检，优先于其他协议的处理。这样可减少从MUX层缓冲区到UDP层网络数据报缓冲区之间的复制，而且可以不再要求上层使用轮诲的方法检查socket的缓冲区中的内容，提高了处理的实时性。

3 改进UDP协议栈出现的新问题
VxWorks的muxLib类库中允许用户自己定义一个协议栈，将协议栈绑定到一个具体的网络端口上，同时要有一个处理函数对该网络设备上收到的包进行处理。加载改进后的协议栈要先创建一组缓冲区，每种缓冲区对应不同的数据报长。预先分配一大块内存，可避免发送数据包时再去分配内存，并可根据各种长度的数据报的使用频度申请不同个数的缓冲区。发送过程中，要填写IP首部的其他内容，如协议版本号、UDP协议编号、idenfication域、IP首部校验和等等。在填写的过程中，可以有意识地按照CPU的作业宽度和整数边界进行内存赋值，提高发送效率。在接收过程中，要先判断是否为UDP协议的数据报(根据第24字节为Oxll)，然后做合法检验。对本协议栈处理的数据报，处理后要将其从MUX层的缓冲区队列中删除，未删除的数据报由其他协议的处理函数处理。

经过对协议栈的改进发现，在单向收发的环境下，发送效率提高了3倍左右；但是接收方效率的提高很