8位机嵌入式TCP通信速度的研究

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。