1 使用VxWorks標準UDP協議棧存在的問題
在VxWorks標準的IP協議實現的前提下，其UDP協議的實現存在于IP層。在VxWorks中有一個網絡任務(亦即進程)，用于完成以太網包的收發處理及與各種網絡協議的接口，其名為tNetTask，優先級低于一般的系統任務而高于應用程序任務。系統的上層網絡協議，如Telnet、FTP等，在服務器端有一個相應的任務，處理網絡任務轉交過來的數據報。

應用程序想要實現UDP數據報的收發，就要使用操作系統提供的socket編程接口，主要包括創建socket，綁定socket和源IP與端口號，發送UDP數據報和接收socket中收到的內容。在VxWorks中有4個函數與之相對應，分別是：socket()、bind()、sendto()和recvfrom()。在VxWorks操作系統中，socket號是與文件打開描述符(fd)同樣管理的，一個socket與源IP和一個源端口相對應。Sendto()函數調甩時指明目的的IP地址和服務端口號。

本文描述的UDP協議棧使用背景可簡要描述如下：該系統使用的主要硬件CPU平臺是摩托羅拉公司的MPC860的CPU，主頻為50 MHz；操作系統使用美國WindRiver公司的VxWorks。系統中各個設備(均有以太網接口)之間要在以太網上進行信令與語音、數據業務的傳輸，各種數據包采用統一的消息頭編碼格式。

使用標準UDP協議棧最大的問題是效率。在該系統平臺上，網絡傳輸的速率成為最大的瓶頸，并由此影響了系統的容量。根據測試的極限速率，使用10M以太網的實際有效傳輸速率僅有1.8 Mb／s，使用100M以太網口電沒有明顯的提高。另外，還有一個問題，網絡任務經常會掛起，在開機運行較長時間后此現象尤為明顯，這對系統的可用性和無故障工作時間構成威脅。而項目的目標是實現高效穩定的以太網包處理。

2 改進UDP協議棧的思想與理由
根據對VxWorks操作系統的研究，發現它對以太網包的處理與一般的IP協議棧有所不同。MAC層的控制由硬件寄存器來實現，實現了發送方以太網幀的成幀和接收的以太網幀頭確認以后，通過DMA方式實現內存與網絡介質間的通信，網絡任務與硬件之間通過設備中斷進行通信。在該操作系統中，有一個MUX層，它提供統一的發送函數，其參數為發送的網絡設備管理表指針和發送的數據報指針。我們知道，在一個有多個網絡設備同時工作的計算機系統中，標準的IP協議棧要完成選取從哪個網絡設備端口(gate way)發送和判斷ARP的Cache中是否有對端的MAC地址，從而決定是否啟動ARP進行解析。在VxWorks中。是通過查Route表和ARP表來完成以上兩項工作的。Route表中儲存的是與每一個通信的子網的gart way，ARP表中儲存的是已知的IP地址與MAC地址的對應關系。另外，數據報接收的處理過程中是在IP數據報存入內存后申請MUX層的隊列緩沖區，然后依次調用各上層協議的處理函數。

根據以上情況，考慮在MUX層修改UDP協議棧，在發送過程中，跳過socket接口，直接使用MUX層的發送函數。這樣，可以減少從UDP層網絡數據報緩沖區到MUX層緩沖區之間的復制工作，從而提高發送效率。在接收數據包的處理過程中，在MUX層收到數據報后鉤掛(hook)一個處理函數，對UDP協議的數據包進行分檢，優先于其他協議的處理。這樣可減少從MUX層緩沖區到UDP層網絡數據報緩沖區之間的復制，而且可以不再要求上層使用輪誨的方法檢查socket的緩沖區中的內容，提高了處理的實時性。

3 改進UDP協議棧出現的新問題
VxWorks的muxLib類庫中允許用戶自己定義一個協議棧，將協議棧綁定到一個具體的網絡端口上，同時要有一個處理函數對該網絡設備上收到的包進行處理。加載改進后的協議棧要先創建一組緩沖區，每種緩沖區對應不同的數據報長。預先分配一大塊內存，可避免發送數據包時再去分配內存，并可根據各種長度的數據報的使用頻度申請不同個數的緩沖區。發送過程中，要填寫IP首部的其他內容，如協議版本號、UDP協議編號、idenfication域、IP首部校驗和等等。在填寫的過程中，可以有意識地按照CPU的作業寬度和整數邊界進行內存賦值，提高發送效率。在接收過程中，要先判斷是否為UDP協議的數據報(根據第24字節為Oxll)，然后做合法檢驗。對本協議棧處理的數據報，處理后要將其從MUX層的緩沖區隊列中刪除，未刪除的數據報由其他協議的處理函數處理。

經過對協議棧的改進發現，在單向收發的環境下，發送效率提高了3倍左右；但是接收方效率的提高很不盡如人意，而且穩定性仍然存在問題，在運行幾十小時后，網絡任務的掛起現象出現得仍很頻繁。關于接收方的問題，原因是：接收方的網絡任務每收到一個包，從設備緩沖區搬移到應用緩沖區，然后切換到應用程序任務進行處理，處理結束以后再切換到網絡任務收下一包，如果接收速度高于處理速度就會造成阻塞。下面舉一個形象的例子：某個酒吧只有一個服務員，假設這個服務員要做兩件事情，有顧客來的時候要到門口去給顧客開門，然后再到柜臺為顧客服務，顧客依到達次序排隊。假設門口和柜臺之間的移動時間不能忽略，并且為顧客開門的優先級比較高，就是說如果有新顧客到來，必須先放下正在服務的顧客去開門。在這種情況下，如果顧客的到來間隔是均勻的，為每一位顧客服務要服務員跑兩趟。如果顧客到達的間隔比較小，就出現服務員在門口和柜臺之間頻繁移動的情況。假如能使顧客分撥到達，每次有多個顧客到達，服務員就可以從柜臺到門口開門讓多個顧客進入，再回柜臺為顧客服務。試驗證明，在這種模型下接收效率能大幅提高，但是對均勻到達的顧客服務效率的提高難以得到解決。

4 深入網絡設備驅動
經過對操作系統更為深入的研究發現，MUX層的發送數據包最終是通過調用網絡設備驅動程序中的發送函數實現的。分析網絡設備驅動的代碼發現，其發送過程可描述為：

◇檢查設備緩沖區(BD表)是否有可用BD；
◇根據設備緩沖區的可用情況與發送數據包的長度，判斷是否需要進行分片；
◇根據設備緩沖區的可用情況決定傳輸發送還是拷貝發送；
◇置位設備控制寄存器，啟動DMA傳輸，并引發設備收發中斷；
◇清除使用過的設備緩沖區。

另據分析，在設備驅動的安裝過程中完成的工作有：
◇根據配置數據申請內存，構建設備緩沖區表；
◇指定DMA使用的通道與工作方式；
◇配置設備寄存器(工作方式、幀類型、設備緩沖區表指針等)；
◇連接設備中斷處理例程。

接收過程中，是在網絡設備收到數據包后啟動DMA傳輸至內存，并引發中斷，在中斷處理程序中處理緩沖區指針，然后將一個函數處理指針寫入一個環型緩沖區，最后是釋放一個信號量，通知網絡任務對收到的數據包進行處理。通過對該接收處理函數的反匯編解讀，發現它的主要工作是申請MUX層的緩沖區并復制，處理設備緩沖區的指針，然后調用各個協議的處理函數。

根據以上的認識，有了一個更為大膽的設想：跳過MUX層，直接使用driver的發函數進行發送；在接收過程中，對本協議棧的數據包不再申請MUX層的緩沖區，而是直接拷貝到應用層緩沖區，并可將處理接口留給用戶。另外一個想法是，直接在中斷處理例程中進行處理，從而徹底拋棄網絡任務。據此在百兆網絡設備上完成了修改，其效率又提高將近l倍，滿足了使用的要求；而且更為可喜的是，系統的穩定性大幅提高。

5 結論與數據分析
幾種情況下的測試結果如下：

通過對上述數據的分析看出，使用MUX層的協議棧組發環境下，比使用標準協議棧發送的效率提高3倍左右，但是在均勻收發的情況下提高并不明顯。直接使用中斷方式克服了這一缺陷，比均勻收發的環境下又提高1倍。

但是這個測試結果只是在短包的情況下完成的，包長在100字節以下。通過對長包的測試，發現對512字節以上的長包的影響要稍微小一些。這是因為在同一速率下，使用長包調用的次數要少，改進的效果也就稍差，特別是在CPU主頻更高的環境下，這一現象更為明顯。

6 對實時操作系統的一點看法
通過對設備驅動的研究發現．在實時操作系統中，中斷處理例程的處理時間都比較短，這也是實現實時性的一個重要思想。在改進中，中斷處理例程中加入了執行代碼，會影響系統的實時性，似乎違背了實時操作系統的初衷。但筆者認為，這個問題要在實際的環境下進行評價，中斷中的通知網絡任務與網絡任務的執行，兩者加起來的時間一定要比只在中斷中處理需要的時間要長。這與IP包處理機的目標也是沒有矛盾的，完全不必拘泥陳規。實時系統只是追求平均的響應時間較短，而在最差情況下則遠低于平均水平。