基于VxWorks的全IP開發(fā)平臺進程通信處理機制

摘要：給出了基于AMCC的NP7250、NPX5700和NPX5800交換套片的全IP交換平臺的構建方案，重點介紹了在基于Vxworks的全IP交換平臺上的進程通信模塊的設計和實現(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程間通信功能，進程間的通信主要依靠調(diào)度任務從郵箱中接收消息，并把消息派發(fā)到各個進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)。
關鍵詞：嵌入式操作系統(tǒng)；網(wǎng)絡處理器單元；消息隊列；Vxworks

引言
    隨著IP技術的迅速發(fā)展，“Everything over IP”的觀念已深入人心。眾多移動通信設備制造商都致力于基于全IP交換平臺之上的3G、4G產(chǎn)品開發(fā)，基于全IP構建開放通信體系架構，真正作到核心網(wǎng)和無線網(wǎng)絡各個產(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)可能存在的重復勞動，實現(xiàn)全業(yè)務融合，打造一體化的可增值、可擴展的多業(yè)務集成通信平臺，已成為業(yè)界共識。在整個系統(tǒng)設計的過程中，主要的目標在于軟件支撐的統(tǒng)一性，這要求相關的硬件系統(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)各種不同的應用業(yè)務。

1 全IP開發(fā)平臺架構
    全IP交換平臺基于Crossbar的三層交換，可根據(jù)系統(tǒng)容量需求和實際應用要求配置。當容量較大時，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用實體的利用情況確定。當容量較小時，采用線卡互連提供三層交換。位于全IP交換平臺之上的移動通信設備單板需要實現(xiàn)的移動通信功能靠Host(主)CPU完成。本文中的全IP開發(fā)平臺選用AMCC的NP7250、PX5700和NPX5800交換套片作為硬件基礎，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IP交換平臺系統(tǒng)架構如圖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用屏蔽底層硬件、OS、網(wǎng)絡的差別，給上層應用軟件提供統(tǒng)一規(guī)范的調(diào)用接口，大大降低了應用軟件開發(fā)人員的開發(fā)難度，也使開發(fā)出的應用軟件有較好的跨平臺性、可移植性、可維護性和代碼繼承性。封裝層一般會對進程管理、內(nèi)存管理、進程通信等核心功能進行重新定義和優(yōu)化，以適應特定應用領域的開發(fā)需求。

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

2 進程通信模塊設計
    通信模塊為進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，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)同一任務下的進程間通信；②相同處理器內(nèi)不同任務下的進程間通信；③相同處理器內(nèi)的任務之間的通信；④相同處理器內(nèi)的進程到任務的通信；⑤相同處理器內(nèi)的任務到進程的通信；⑥不同處理器間的進程間通信。
    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)任務之間通信流程：每個調(diào)度任務建立一個郵箱，其他任務也建立自己的郵箱，進程發(fā)送到另一個任務的進程的消息首先發(fā)送到目的進程所在任務的郵箱中進行緩存，然后由調(diào)度任務派發(fā)到目的進程的消息隊列中；進程到其他類型任務的消息發(fā)送到相應任務的郵箱，其他類型的任務之間消息發(fā)送到對方郵箱。根據(jù)為應用提供的消息類型將任務間消息發(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)送到任務消息隊列的尾部。
    同一任務內(nèi)的進程通信流程如圖2所示，每一個進程擁有一個消息隊列，進程向同一任務內(nèi)進程發(fā)送，通過內(nèi)部接口直接將消息掛到另一個進程的消息隊列中。進程向同一任務內(nèi)進程發(fā)送同步應答消息，不通過任務郵箱，目的進程的狀態(tài)直接改變即可。任務內(nèi)的進程間通信不能通過任務的郵箱進行轉(zhuǎn)發(fā)，這是為了避免在郵箱滿的時候任務向自己的郵箱發(fā)送消息，導致任務死鎖。

    不同處理器間的進程通信流程如圖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一條TCP連接，所有連接組成連接表。進程通過接口發(fā)送的消息首先掛在相應的連接的發(fā)送隊列中。通信任務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鏈路狀態(tài)，在檢查報到達的時候?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的IP地址，直接從UDP套接口上發(fā)送出去。組播任務同樣守護在UDP套接口上，當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，每一個組播組對應一個到組播地址，所有這種對應關系組成分組表。每一處理器可以加入特定組播組，也可以隨時脫離組播組。組播任務守護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，組播任務在該項上守護，進行和上面相同的處理。
    ⑤處理器內(nèi)廣播。向同一個進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)度任務從自己的郵箱接收消息，并負責向各個進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)同步應答消息時，將目標進程轉(zhuǎn)入就緒狀態(tài)，設置解除阻塞原因為應答到；派發(fā)同步超時消息時，將目標進程轉(zhuǎn)入就緒狀態(tài)，設置解除阻塞原因為同步超時；派發(fā)延時結束消息時，將目標進程轉(zhuǎn)入就緒狀態(tài)，設置解除阻塞原因為延時結束；派發(fā)其他類型的消息時，將消息掛到目標進程消息隊列尾部，如果目標進程因為沒有消息而阻塞，將目標進程轉(zhuǎn)入就緒狀態(tài)。

2．2 TCP連接狀態(tài)機設計
    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)：接收到來自上層應用的連接發(fā)起請求后，向?qū)Χ税l(fā)起連接，進入等待寫就緒狀態(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，則進行數(shù)據(jù)收發(fā)，并保持狀態(tài)；如果收到連接的關閉請求，則關閉本連接，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，則進行數(shù)據(jù)收發(fā)，并保持狀態(tài)；如果收到連接的關閉請求，則關閉本連接，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閉連接。

3 主要數(shù)據(jù)結構




結語
    通過全IP的開放融合通信體系架構，可以在單一融合的IP網(wǎng)絡上運行語音、消息、會議、數(shù)據(jù)等多種通信應用，基本的多業(yè)務接入、多設備集成，逐步發(fā)展到支持各種標準化接口，打造一個全新的一體化集成通信平臺，滿足應用交互通信的需求。