浅析关于8位机嵌入式TCP通信的速度

长期以来，RS 232和RS 485串行通信技术一直是自动测量仪器和设备的通用通信标准。近年来，随着计算机技术，网络技术和网络技术的发展，工业自动化系统，仪器仪表领域加快了智能化，数字化和网络化的发展。通讯技术及其在工业自动化系统中的应用。出现了PLC通信技术，红外和蓝牙无线通信技术，USB接口通信技术，现场总线技术和嵌入式Internet技术等新技术。其中，基于嵌入式Internet访问技术的联网仪器是近年来提出的一个新概念。它是仪器检测技术与现代计算机技术，网络通信技术和微电子技术深度融合的产物。测试仪器已连接到Internet，并成为执行测量和控制任务的仪器网站。这种联网的仪器可以像普通仪器一样，按照定义的过程自动测量，控制，存储和显示相关的物理量，而授权用户则可以授权访问。 Internet可以远程工作，监视和诊断仪器，在某些应用程序中出现了许多问题，其中之一是系统的传输速率和使用率不高，本文是在这种情况下创建的。

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。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。

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。

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

本文分析了低层TCP协议的特定实现中每个连接的时间消耗，并找到了提高系统效率和通信速度的方法。 实践表明，这种设计提高了系统效率，提高了数据传输速率，减少了网络中传输的冗余数据包的数量，并大大提高了系统性能。 它特别适用于数据量少的高速采集或测量与控制系统。