8位机嵌入式TCP通信速度的研究
0 引 言
长久以来，串行RS 232和RS 485通信技术一直是自动化仪器、仪表中常用的通信标准。但近年来，随着计算机技术、网络技术、通信技术的发展及其在工业自动化系统中的应用，使得工业自动化系统和仪器、仪表领域加速了向智能化、数字化和网络化方向发展的进程。出现了电力线通信技术、无线红外和蓝牙通信技术、基于USB接口的通信技术、现场总线技术以及嵌入式Internet接入技术等新技术。其中基于嵌入式Internet接入技术的网络化仪器是近年提出的全新概念，它是仪器检测技术与现代计算机技术、网络通信技术、微电子技术深度融合的产物口。检测仪器接入Internet，成为执行测量和控制任务的仪器Web站点，这种网络化仪器可以像普通仪器那样按设定程序对相关物理量进行自动测控、存储和显示等，同时允许已授权的用户通过Internet远程对仪器进行操作、监控、故障诊断等。在具体的应用中，出现了不少问题，其中之一就是传输率和系统利用率不高，本文正是在这种背景下产生的。
1 TCP通信硬件接口
典型的8位机采用TCP协议接入Internet的以太网网络接口如图1所示。RTL8019AS以其优异的性价比，成为目前单片机以太网系统的首选以太网接口芯片。该芯片符合IEEE802.3 10Base2和10BaseT标准，具有自动奇偶检测和纠错功能，支持全双工工作模式。如图1中，RTL8019AS工作于8位跳线模式，数据线SD0～SD7与8位单片机(51系列)的数据线(AD0～AD7)相连，地址线A0～A4与8位单片机的地址线(A0～A4)相连。读写信号经74S04产生。RTL8019AS的基地址(配合引脚34(AEN))为0x8000H，对应RTL8019AS内部地址0x300H。RTL8019AS通过网络变压器HR901170A和RJ45接口与以太网相连接入internet，隔离网络上的干扰信号。
2 单片机系统中TCP通信问题分析
TCP协议是TCP／IP协议簇的核心，也是最复杂的协议。但由于其独特的自动检错和重发机制，实现了数据的可靠通信，但也正是由于其复杂性，在8位机上实现TCP协议通信耗时就比较多，传输速率低下。TCP协议的数据通信过程，以客户机为例进行分析。图2是典型的采集系统TCP数据通信的时间序列图。在建立连接后，由客户机向服务器发送数据。假设此时客户机的启始序列号为100，每次固定发送100字的样数据。服务器负责接受该数据，但不下发任何送数据，只确认所接收的数据，其启始序列号为50。对于单片机系统，由于其处理速度和内存资源的局限，通常的处理流程如图3。
由于服务器(一般为装有windows系统的微机或工业计算机)并不是收到数据就直接发送确认，而是继续等待接受序列中的其他数据。这就会经常触发服务器的接受延时的确认算法，这将导致剩下的数据不能在200 ms内发送。对于高速交互的采样系统而言，这将产生明显的时延。Host Requirements RFC申明TCP必须实现Nagle算法，但必须为用户提供一种方法来关闭该算法在某个连接上的执行。该算法要求TCP连接上最多只能有一个未被确认的未完成的小分组，在该分组的确认到达之前不能发送其他的小分组。实际使用Sniffer监听软件也得到同样的结果，在接收到下位机的数据包后，上位机延时200 ms后，发送确认包，其传输速度为10 packet／s，实际网络利用率不足1％。由图3可见，只要提高服务器确认发送的速度，就可以提高通信的速度。对于本系统采用33M的主频(C051F单片机)发送一个分组(1 024 B)和接受一个确认分组(60 B)总用时为3～3.5 ms，关闭Nagle算法后，使用Sniffer监听分析数据包，系统上位机在收到数据包后，立即发送确认包，期间只有0.3 ms左右的网络延时，系统速率提高到设定的20 ms发送一次采样数据，即100 packet／s，系统利用率提高为为原来的10倍。
然而对于有些应用场合，每次采样的数据量并不大(小于100 B)，采用关闭Nagle 算法来提高传输率是不理想的，因为这样增加了网络上传输的分组的数量，同时增大了客户机(下位机)处理这些多出来的分组的时间消耗，降低了系统利用率，增大了传输出错率，大幅度的减少了持续传输时间。实验中，当采用高频单片机(100M主频)，将数据通信速率提高到1 000 packet／s，发现传输错误的数据包达到5％，同时传输持续时间由原来的大于48 h不间断，减少为不足2 h，系统利用率也只有不到2％，同时已无法继续提高传输速度(由硬件条件限制)。为解决这个问题，同过分析具体TCP通信的各环节对时间的消耗过程，寻求在已有的硬件基础上，通过软件来解决问题。
首先是数据分组打包。这里的耗时与要打包的数据量和主频有关。为了便于计算，以下都用最简单的MCS-8051单片机为例进行分析。对于发送100 B的数据，外界晶振为12M的51单片机，其一个机器周期为1μs。典型的打包代码(包括TCP包和IP包)的执行总周期约为2 200个机器周期(具体大小与编写软件所使用的语言和编译器有关)，用时为2.2 ms。
其次是数据备份。TCP协议需要超时重发，因而备份已发出而未收到确认的数据分组是必要的。这里的耗时与数据量和主频以及数据本备份的存储器类型有关。对于100 B数据和40 B的头部(包括TCP包的20 B头部和IP包的20 B头部)，总共140 B的数据备份，采用外部存储器，典型代码的执行周期为1 130个机器周期，用时为1.13 ms。
再次是发送数据分组。这里的耗时也与数据量和主频有关。典型发送分组代码的执行总周期为2 200个机器周期，耗时为2.2 ms。
最后确认分组。这里要做的工作有：检测接口芯片，判断分组类型，拆分IP包，拆分TCP包，典型代码的执行周期为4 130个机器周期，用时4.13 ms。
总共用时9.66 ms，其中接受确认分组耗时最多，占总用时的42.8％。
3 改进后的TCP通信方案
由上面分析可以看出，对于小分组来说，接收确认分组的过程比较复杂，因而耗时也最多。因而控制服务器确认分组的发送数量，成为提高效率的关键。
研究发现通过调整Nagle算法的延时时间(每个接口的延迟ACK定时器可通过设定注册表表项TCPDelAckTicks 的值 (HKLM ＼ SYSTEM ＼CurrentControlSet＼Services＼Tcpip＼Parameters＼Interface＼)来调整，该注册表表项在MicrosoftWindows NT 4.0 Service Pack 4中首次引进)和采样单片机的发送流程来控制服务器发送确认的数量。
如图4所示，这里发送数据分组并没有等待确认分组这个过程。当有确认到达时，所做的工作正常情况下和图3所示的系统没什么区别，只是在当丢失了分组后的异常状态出现后，才在更新连接状态时处理了超时检测和出错重发等事件。之后在数据打包后也没有备份，这里是采用了大存储器数据偏移技术，也就是说在一个分组的确认未到达时，其原始数据是不会被覆盖的，新的分组打包在其后的内存单元中，这样就节省了数据备份所消耗的时间，不过无形中增大了对内存的需求。但本应用针对的是小分组情况，所以实际需求的内存并不大。实际工作中，为了使系统稳定工作，应建立2个TCP连接，一个用于服务器(上位机)发送控制命令和进行参数设定使用，一个用于客户机(下位机)上传采样数据使用。虽然TCP可以双向传送数据，可实际工作中，发现这样在高速通信下出错率比双连接单向数据通信要高出许多，主要是因为客户机(下位机)对TCP头部的确认号和序列号的调整容易出错所致。实际使用3～5个采样分组发送一个确认分组。因为延时太短体现不了效率的提高，但延时太长，如果出错，将产生大量重发分组的情况，影响网络性能，同时也增大了对内存的需求量。通过使用Snifferr软件进行监听比较，在同样的采样速率下，在改进前，发送包速率为500packet／s，接收确认包速率为500 packte／s，出错率5％，持续传输时间小于2 h；改进后，发送包速率为500 packet／s，接收确认包速率为183 packet／s，出错率小于0.1％，持续时间大于48 h。同时，同样的硬件条件下，理论上可以进一步提高采样速率。
4 典型应用
对于高速、低数据量的采集或测控系统，如石油管道的查漏和修复系统，要求高速采集对管壁的超声波扫描信号，通常结合温度、压力、深度和角度信号为一组采样信号，其总量不足20 B。这些系统要求高的采样速率，但每次采集的数据并不多，这就产生了大量小的数据分组，这些小分组将迅速降低系统性能和网络性能。采用本方案，可以较好地解决这些问题。
5 结 论
本文通过对TCP协议具体低层实现过程中各个环节对时间消耗的分析，找出了提高系统效率，提高通信速度的方法。实践证明这样的设计提高了系统的效率，提高数据传输率，降低了网络上传送冗余分组的数量，明显改善了系统性能。特别适用于高速、低数据量的采集或测控系统。
长久以来，串行RS 232和RS 485通信技术一直是自动化仪器、仪表中常用的通信标准。但近年来，随着计算机技术、网络技术、通信技术的发展及其在工业自动化系统中的应用，使得工业自动化系统和仪器、仪表领域加速了向智能化、数字化和网络化方向发展的进程。出现了电力线通信技术、无线红外和蓝牙通信技术、基于USB接口的通信技术、现场总线技术以及嵌入式Internet接入技术等新技术。其中基于嵌入式Internet接入技术的网络化仪器是近年提出的全新概念，它是仪器检测技术与现代计算机技术、网络通信技术、微电子技术深度融合的产物口。检测仪器接入Internet，成为执行测量和控制任务的仪器Web站点，这种网络化仪器可以像普通仪器那样按设定程序对相关物理量进行自动测控、存储和显示等，同时允许已授权的用户通过Internet远程对仪器进行操作、监控、故障诊断等。在具体的应用中，出现了不少问题，其中之一就是传输率和系统利用率不高，本文正是在这种背景下产生的。
1 TCP通信硬件接口
典型的8位机采用TCP协议接入Internet的以太网网络接口如图1所示。RTL8019AS以其优异的性价比，成为目前单片机以太网系统的首选以太网接口芯片。该芯片符合IEEE802.3 10Base2和10BaseT标准，具有自动奇偶检测和纠错功能，支持全双工工作模式。如图1中，RTL8019AS工作于8位跳线模式，数据线SD0～SD7与8位单片机(51系列)的数据线(AD0～AD7)相连，地址线A0～A4与8位单片机的地址线(A0～A4)相连。读写信号经74S04产生。RTL8019AS的基地址(配合引脚34(AEN))为0x8000H，对应RTL8019AS内部地址0x300H。RTL8019AS通过网络变压器HR901170A和RJ45接口与以太网相连接入internet，隔离网络上的干扰信号。
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2 单片机系统中TCP通信问题分析
TCP协议是TCP／IP协议簇的核心，也是最复杂的协议。但由于其独特的自动检错和重发机制，实现了数据的可靠通信，但也正是由于其复杂性，在8位机上实现TCP协议通信耗时就比较多，传输速率低下。TCP协议的数据通信过程，以客户机为例进行分析。图2是典型的采集系统TCP数据通信的时间序列图。在建立连接后，由客户机向服务器发送数据。假设此时客户机的启始序列号为100，每次固定发送100字的样数据。服务器负责接受该数据，但不下发任何送数据，只确认所接收的数据，其启始序列号为50。对于单片机系统，由于其处理速度和内存资源的局限，通常的处理流程如图3。
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由于服务器(一般为装有windows系统的微机或工业计算机)并不是收到数据就直接发送确认，而是继续等待接受序列中的其他数据。这就会经常触发服务器的接受延时的确认算法，这将导致剩下的数据不能在200 ms内发送。对于高速交互的采样系统而言，这将产生明显的时延。Host Requirements RFC申明TCP必须实现Nagle算法，但必须为用户提供一种方法来关闭该算法在某个连接上的执行。该算法要求TCP连接上最多只能有一个未被确认的未完成的小分组，在该分组的确认到达之前不能发送其他的小分组。实际使用Sniffer监听软件也得到同样的结果，在接收到下位机的数据包后，上位机延时200 ms后，发送确认包，其传输速度为10 packet／s，实际网络利用率不足1％。由图3可见，只要提高服务器确认发送的速度，就可以提高通信的速度。对于本系统采用33M的主频(C051F单片机)发送一个分组(1 024 B)和接受一个确认分组(60 B)总用时为3～3.5 ms，关闭Nagle算法后，使用Sniffer监听分析数据包，系统上位机在收到数据包后，立即发送确认包，期间只有0.3 ms左右的网络延时，系统速率提高到设定的20 ms发送一次采样数据，即100 packet／s，系统利用率提高为为原来的10倍。
然而对于有些应用场合，每次采样的数据量并不大(小于100 B)，采用关闭Nagle 算法来提高传输率是不理想的，因为这样增加了网络上传输的分组的数量，同时增大了客户机(下位机)处理这些多出来的分组的时间消耗，降低了系统利用率，增大了传输出错率，大幅度的减少了持续传输时间。实验中，当采用高频单片机(100M主频)，将数据通信速率提高到1 000 packet／s，发现传输错误的数据包达到5％，同时传输持续时间由原来的大于48 h不间断，减少为不足2 h，系统利用率也只有不到2％，同时已无法继续提高传输速度(由硬件条件限制)。为解决这个问题，同过分析具体TCP通信的各环节对时间的消耗过程，寻求在已有的硬件基础上，通过软件来解决问题。
首先是数据分组打包。这里的耗时与要打包的数据量和主频有关。为了便于计算，以下都用最简单的MCS-8051单片机为例进行分析。对于发送100 B的数据，外界晶振为12M的51单片机，其一个机器周期为1μs。典型的打包代码(包括TCP包和IP包)的执行总周期约为2 200个机器周期(具体大小与编写软件所使用的语言和编译器有关)，用时为2.2 ms。
其次是数据备份。TCP协议需要超时重发，因而备份已发出而未收到确认的数据分组是必要的。这里的耗时与数据量和主频以及数据本备份的存储器类型有关。对于100 B数据和40 B的头部(包括TCP包的20 B头部和IP包的20 B头部)，总共140 B的数据备份，采用外部存储器，典型代码的执行周期为1 130个机器周期，用时为1.13 ms。
再次是发送数据分组。这里的耗时也与数据量和主频有关。典型发送分组代码的执行总周期为2 200个机器周期，耗时为2.2 ms。
最后确认分组。这里要做的工作有：检测接口芯片，判断分组类型，拆分IP包，拆分TCP包，典型代码的执行周期为4 130个机器周期，用时4.13 ms。
总共用时9.66 ms，其中接受确认分组耗时最多，占总用时的42.8％。
3 改进后的TCP通信方案
由上面分析可以看出，对于小分组来说，接收确认分组的过程比较复杂，因而耗时也最多。因而控制服务器确认分组的发送数量，成为提高效率的关键。
研究发现通过调整Nagle算法的延时时间(每个接口的延迟ACK定时器可通过设定注册表表项TCPDelAckTicks 的值 (HKLM ＼ SYSTEM ＼CurrentControlSet＼Services＼Tcpip＼Parameters＼Interface＼)来调整，该注册表表项在MicrosoftWindows NT 4.0 Service Pack 4中首次引进)和采样单片机的发送流程来控制服务器发送确认的数量。
如图4所示，这里发送数据分组并没有等待确认分组这个过程。当有确认到达时，所做的工作正常情况下和图3所示的系统没什么区别，只是在当丢失了分组后的异常状态出现后，才在更新连接状态时处理了超时检测和出错重发等事件。之后在数据打包后也没有备份，这里是采用了大存储器数据偏移技术，也就是说在一个分组的确认未到达时，其原始数据是不会被覆盖的，新的分组打包在其后的内存单元中，这样就节省了数据备份所消耗的时间，不过无形中增大了对内存的需求。但本应用针对的是小分组情况，所以实际需求的内存并不大。实际工作中，为了使系统稳定工作，应建立2个TCP连接，一个用于服务器(上位机)发送控制命令和进行参数设定使用，一个用于客户机(下位机)上传采样数据使用。虽然TCP可以双向传送数据，可实际工作中，发现这样在高速通信下出错率比双连接单向数据通信要高出许多，主要是因为客户机(下位机)对TCP头部的确认号和序列号的调整容易出错所致。实际使用3～5个采样分组发送一个确认分组。因为延时太短体现不了效率的提高，但延时太长，如果出错，将产生大量重发分组的情况，影响网络性能，同时也增大了对内存的需求量。通过使用Snifferr软件进行监听比较，在同样的采样速率下，在改进前，发送包速率为500packet／s，接收确认包速率为500 packte／s，出错率5％，持续传输时间小于2 h；改进后，发送包速率为500 packet／s，接收确认包速率为183 packet／s，出错率小于0.1％，持续时间大于48 h。同时，同样的硬件条件下，理论上可以进一步提高采样速率。
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4 典型应用
对于高速、低数据量的采集或测控系统，如石油管道的查漏和修复系统，要求高速采集对管壁的超声波扫描信号，通常结合温度、压力、深度和角度信号为一组采样信号，其总量不足20 B。这些系统要求高的采样速率，但每次采集的数据并不多，这就产生了大量小的数据分组，这些小分组将迅速降低系统性能和网络性能。采用本方案，可以较好地解决这些问题。
5 结 论
本文通过对TCP协议具体低层实现过程中各个环节对时间消耗的分析，找出了提高系统效率，提高通信速度的方法。实践证明这样的设计提高了系统的效率，提高数据传输率，降低了网络上传送冗余分组的数量，明显改善了系统性能。特别适用于高速、低数据量的采集或测控系统。