基于VxWorks的全I(xiàn)P開發(fā)平臺進(jìn)程通信處理機制

摘要：給出了基于AMCC的NP7250、NPX5700和NPX5800交換套片的全I(xiàn)P交換平臺的構(gòu)建方案，重點介紹了在基于Vxworks的全I(xiàn)P交換平臺上的進(jìn)程通信模塊的設(shè)計和實現(xiàn)方案。模塊主要實現(xiàn)相同處理器內(nèi)和不同處理器之間進(jìn)程間通信功能，進(jìn)程間的通信主要依靠調(diào)度任務(wù)從郵箱中接收消息，并把消息派發(fā)到各個進(jìn)程的消息隊列來實現(xiàn)，底層協(xié)議類型包括可靠通信協(xié)議(TCP)和不可靠通信協(xié)議(UDP)。
關(guān)鍵詞：嵌入式操作系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)處理器單元；消息隊列；Vxworks

引言
    隨著IP技術(shù)的迅速發(fā)展，“Everything over IP”的觀念已深入人心。眾多移動通信設(shè)備制造商都致力于基于全I(xiàn)P交換平臺之上的3G、4G產(chǎn)品開發(fā)，基于全I(xiàn)P構(gòu)建開放通信體系架構(gòu)，真正作到核心網(wǎng)和無線網(wǎng)絡(luò)各個產(chǎn)品的模塊化、積木化。將核心網(wǎng)、無線接入網(wǎng)統(tǒng)一考慮，做到技術(shù)上的重用、接口上的統(tǒng)一，避免獨立開發(fā)各模塊特別是底層開發(fā)可能存在的重復(fù)勞動，實現(xiàn)全業(yè)務(wù)融合，打造一體化的可增值、可擴展的多業(yè)務(wù)集成通信平臺，已成為業(yè)界共識。在整個系統(tǒng)設(shè)計的過程中，主要的目標(biāo)在于軟件支撐的統(tǒng)一性，這要求相關(guān)的硬件系統(tǒng)也需要統(tǒng)一考慮成一個硬件平臺的概念。這樣將來就可以在統(tǒng)一的軟件支撐上開發(fā)各種不同的應(yīng)用業(yè)務(wù)。

1 全I(xiàn)P開發(fā)平臺架構(gòu)
    全I(xiàn)P交換平臺基于Crossbar的三層交換，可根據(jù)系統(tǒng)容量需求和實際應(yīng)用要求配置。當(dāng)容量較大時，采用CrossBar+線卡方式實現(xiàn)三層交換方式，具體線卡配置的數(shù)目根據(jù)實際數(shù)據(jù)流量以及資源在各個應(yīng)用實體的利用情況確定。當(dāng)容量較小時，采用線卡互連提供三層交換。位于全I(xiàn)P交換平臺之上的移動通信設(shè)備單板需要實現(xiàn)的移動通信功能靠Host(主)CPU完成。本文中的全I(xiàn)P開發(fā)平臺選用AMCC的NP7250、PX5700和NPX5800交換套片作為硬件基礎(chǔ)，主CPU是MPC8260，主CPU上的操作系統(tǒng)是VxWorks。其中，NP7250主要實現(xiàn)級連線卡的作用，完成基本信元／包的轉(zhuǎn)發(fā)功能；NPX5700是流量控制芯片，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)流的輸入接納和輸出調(diào)度功能，是IP開發(fā)平臺QoS保證的核心，兩套NPX5700構(gòu)成雙向10Gbps的處理能力；NPX5800是一種交換網(wǎng)芯片，用于連接NPX5700，實現(xiàn)交換功能。
    全I(xiàn)P交換平臺系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，在嵌入式操作系統(tǒng)VxWorks之上還有一個操作系統(tǒng)子系統(tǒng)，該層是VxWorks封裝層。嵌入式操作系統(tǒng)封裝層的目的之一是對上層應(yīng)用屏蔽底層硬件、OS、網(wǎng)絡(luò)的差別，給上層應(yīng)用軟件提供統(tǒng)一規(guī)范的調(diào)用接口，大大降低了應(yīng)用軟件開發(fā)人員的開發(fā)難度，也使開發(fā)出的應(yīng)用軟件有較好的跨平臺性、可移植性、可維護(hù)性和代碼繼承性。封裝層一般會對進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、進(jìn)程通信等核心功能進(jìn)行重新定義和優(yōu)化，以適應(yīng)特定應(yīng)用領(lǐng)域的開發(fā)需求。

    下面以通信類嵌入式設(shè)備應(yīng)用領(lǐng)域為背景來討論操作系統(tǒng)子系統(tǒng)中的進(jìn)程通信管理模塊設(shè)計和實現(xiàn)方案。

2 進(jìn)程通信模塊設(shè)計
    通信模塊為進(jìn)程之間的通信提供統(tǒng)一的接口。各個處理器都處于一個以太網(wǎng)上，前臺單板之間互相可以直達(dá)，沒有中間路由，前后臺之間通過OMP轉(zhuǎn)發(fā)。根據(jù)通信區(qū)域的不同可分為：①相同處理器內(nèi)同一任務(wù)下的進(jìn)程間通信；②相同處理器內(nèi)不同任務(wù)下的進(jìn)程間通信；③相同處理器內(nèi)的任務(wù)之間的通信；④相同處理器內(nèi)的進(jìn)程到任務(wù)的通信；⑤相同處理器內(nèi)的任務(wù)到進(jìn)程的通信；⑥不同處理器間的進(jìn)程間通信。
    底層協(xié)議類型包括可靠通信協(xié)議(TCP)和不可靠通信協(xié)議(UDP)。對話方式主要采用以下5種：①處理器內(nèi)廣播(內(nèi)部消息機制)；②分布式系統(tǒng)內(nèi)組播(UDP)；③分布式系統(tǒng)內(nèi)廣播(UDP)；④多對多通信(UDP)，也就是無連接的點對點通信；⑤點對點通信(TCP和內(nèi)部消息機制)。
2．1 通信處理流程
    同一處理器內(nèi)任務(wù)之間通信流程：每個調(diào)度任務(wù)建立一個郵箱，其他任務(wù)也建立自己的郵箱，進(jìn)程發(fā)送到另一個任務(wù)的進(jìn)程的消息首先發(fā)送到目的進(jìn)程所在任務(wù)的郵箱中進(jìn)行緩存，然后由調(diào)度任務(wù)派發(fā)到目的進(jìn)程的消息隊列中；進(jìn)程到其他類型任務(wù)的消息發(fā)送到相應(yīng)任務(wù)的郵箱，其他類型的任務(wù)之間消息發(fā)送到對方郵箱。根據(jù)為應(yīng)用提供的消息類型將任務(wù)間消息發(fā)送分類。發(fā)送異步緊迫消息，將消息發(fā)送到任務(wù)消息隊列的頭部；發(fā)送異步普通消息，將消息發(fā)送到任務(wù)消息隊列的尾部。
    同一任務(wù)內(nèi)的進(jìn)程通信流程如圖2所示，每一個進(jìn)程擁有一個消息隊列，進(jìn)程向同一任務(wù)內(nèi)進(jìn)程發(fā)送，通過內(nèi)部接口直接將消息掛到另一個進(jìn)程的消息隊列中。進(jìn)程向同一任務(wù)內(nèi)進(jìn)程發(fā)送同步應(yīng)答消息，不通過任務(wù)郵箱，目的進(jìn)程的狀態(tài)直接改變即可。任務(wù)內(nèi)的進(jìn)程間通信不能通過任務(wù)的郵箱進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，這是為了避免在郵箱滿的時候任務(wù)向自己的郵箱發(fā)送消息，導(dǎo)致任務(wù)死鎖。

    不同處理器間的進(jìn)程通信流程如圖3所示，下面根據(jù)不同的對話方式分別描述通信處理流程。

    ①點對點通信。每個需要通信的處理器之間維護(hù)一條TCP連接，所有連接組成連接表。進(jìn)程通過接口發(fā)送的消息首先掛在相應(yīng)的連接的發(fā)送隊列中。通信任務(wù)在連接表中的所有連接上監(jiān)測鏈路狀態(tài)，在連接寫就緒時依序發(fā)送連接發(fā)送隊列中的消息，在連接讀就緒時接收連接上的消息并向上層轉(zhuǎn)發(fā)，在連接異常時告警并恢復(fù)鏈路狀態(tài)，在檢查報到達(dá)的時候?qū)㈡溌穪G失的檢查報清零。
    ②多對多通信。使用一個公用的UDP套接口，發(fā)送時指定協(xié)議類型為不可靠傳輸協(xié)議的時候，根據(jù)邏輯地址查找到對應(yīng)的IP地址，直接從UDP套接口上發(fā)送出去。組播任務(wù)同樣守護(hù)在UDP套接口上，當(dāng)套接口讀就緒的時候接收消息并向上層轉(zhuǎn)發(fā)。
    ③組播。采用靜態(tài)分組的方法，每一個組播組對應(yīng)一個到組播地址，所有這種對應(yīng)關(guān)系組成分組表。每一處理器可以加入特定組播組，也可以隨時脫離組播組。組播任務(wù)守護(hù)在組播組表的組播套接口上，在套接口讀就緒時接收消息并向上層轉(zhuǎn)發(fā)。進(jìn)程直接在組播套接字上發(fā)送消息。
    ④廣播。分組表中有一個特殊項用作廣播，該組成員為系統(tǒng)內(nèi)所有處理器，組播任務(wù)在該項上守護(hù)，進(jìn)行和上面相同的處理。
    ⑤處理器內(nèi)廣播。向同一個進(jìn)程類型的實例分別發(fā)送一條消息的拷貝。
    消息的派發(fā)過程如圖4所示。調(diào)度任務(wù)從自己的郵箱接收消息，并負(fù)責(zé)向各個進(jìn)程的消息隊列中派發(fā)，在派發(fā)的過程中區(qū)別消息的類型。根據(jù)消息類型描述處理流程，派發(fā)同步應(yīng)答消息時，將目標(biāo)進(jìn)程轉(zhuǎn)入就緒狀態(tài)，設(shè)置解除阻塞原因為應(yīng)答到；派發(fā)同步超時消息時，將目標(biāo)進(jìn)程轉(zhuǎn)入就緒狀態(tài)，設(shè)置解除阻塞原因為同步超時；派發(fā)延時結(jié)束消息時，將目標(biāo)進(jìn)程轉(zhuǎn)入就緒狀態(tài)，設(shè)置解除阻塞原因為延時結(jié)束；派發(fā)其他類型的消息時，將消息掛到目標(biāo)進(jìn)程消息隊列尾部，如果目標(biāo)進(jìn)程因為沒有消息而阻塞，將目標(biāo)進(jìn)程轉(zhuǎn)入就緒狀態(tài)。

2．2 TCP連接狀態(tài)機設(shè)計
    TCP連接的狀態(tài)記錄在TCP連接控制塊的狀態(tài)域里面，本端上層應(yīng)用發(fā)起TCP連接建立請求時，TCP連接的狀態(tài)遷移如圖5所示。①沒有激活狀態(tài)：接收到來自上層應(yīng)用的連接發(fā)起請求后，向?qū)Χ税l(fā)起連接，進(jìn)入等待寫就緒狀態(tài)。②等待寫就緒狀態(tài)：如果接收到本端套接字的寫就緒事件，向?qū)Χ税l(fā)送檢查報，進(jìn)入等待對端檢查報狀態(tài)；如果接收到對端連接請求(連接請求1)并且對端IP地址比自己的IP地址小，拒絕請求，繼續(xù)等待；如果接收到對端連接請求(連接請求2)并且對端IP地址比自己的IP地址大，接收請求，終止本端發(fā)起的連接過程，啟動連接接收的狀態(tài)機。③等待檢查報狀態(tài)：收到檢查報后，連接成功，進(jìn)入工作狀態(tài)；如果接收到對端連接請求(連接請求1)并且對端IP地址比自己的IP地址小，拒絕請求，繼續(xù)等待；如果接收到對端連接請求(連接請求2)并且對端IP地址比自己的IP地址大，接收請求，終止本端發(fā)起的連接過程，啟動連接接收的狀態(tài)機。④工作狀態(tài)：如果收到數(shù)據(jù)收發(fā)請求，則進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，并保持狀態(tài)；如果收到連接的關(guān)閉請求，則關(guān)閉本連接，轉(zhuǎn)到連接沒有激活狀態(tài)；如果收到對端的連接建立請求，則啟動連接的接收狀態(tài)機，并保持現(xiàn)在的連接在工作狀態(tài)。

    在上述各種狀態(tài)下收到連接異常的信息都異常關(guān)閉連接，轉(zhuǎn)到連接沒有激活狀態(tài)。

    本端收到對端發(fā)起TCP連接建立請求時，TCP連接的狀態(tài)遷移如圖6所示。①沒有激活狀態(tài)：接收到對端的連接請求后，進(jìn)入等待檢查報狀態(tài)；②等待檢查報狀態(tài)：如果接收到對端的檢查報，進(jìn)入等待寫就緒狀態(tài)；如果接收到對端連接請求，接收請求，終止上次的連接過程，進(jìn)入等待檢查報狀態(tài)；③等待寫就緒狀態(tài)：如果收到寫就緒事件，向?qū)Χ税l(fā)送檢查報，連接成功，如果以前存在工作的鏈路，關(guān)閉該鏈路，本鏈路投入工作狀態(tài)；如果接收到對端連接請求，接收請求，終止本次連接過程，切換到等待檢查報狀態(tài)；④工作狀態(tài)：如果收到數(shù)據(jù)收發(fā)請求，則進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，并保持狀態(tài)；如果收到連接的關(guān)閉請求，則關(guān)閉本連接，轉(zhuǎn)到連接沒有激活狀態(tài)；如果收到對端的連接建立請求，則啟動備份連接的建立狀態(tài)機，并保持狀態(tài)。
    在上述各種狀態(tài)下收到連接異常的信息都異常關(guān)閉連接。

3 主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)




結(jié)語
    通過全I(xiàn)P的開放融合通信體系架構(gòu)，可以在單一融合的IP網(wǎng)絡(luò)上運行語音、消息、會議、數(shù)據(jù)等多種通信應(yīng)用，基本的多業(yè)務(wù)接入、多設(shè)備集成，逐步發(fā)展到支持各種標(biāo)準(zhǔn)化接口，打造一個全新的一體化集成通信平臺，滿足應(yīng)用交互通信的需求。