CN103346949A - 基于嵌入式的双通道网络数据包的拆包和组包方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于嵌入式的双通道网络数据包的拆包和组包方法及系统。首先在嵌入式驱动中创建虚拟网卡，虚拟网卡内创建缓存队列以存储网络数据包。若缓存队列中存储的数据长度小于帧长度，则将数据全部取出放进硬件缓冲区；若大于帧长度，则取小于帧长度的数据放入硬件缓冲区；在发送帧的头部标记上一帧发送后网络数据包的剩余数据长度信息；接收端通过网络数据包的剩余数据长度信息和网络数据包记录的长度信息进行网络数据包的封装。所述缓存队列包括信令数据缓存队列和业务数据缓存队列，发送端优先发送信令数据。本发明实现了业务与数据通道分离，能够保证信令数据的优先发送，节省带宽资源，保证通信链路的稳定和实时响应。
Description
技术领域
本发明属于嵌入式技术、网络通信技术领域，涉及一种基于嵌入式的双通道网络数据包的拆包和组包方法，及应用该方法的系统。
背景技术
当今嵌入式网络通信协议主要基于TCP/IP协议，TCP/IP协议产生的数据包在嵌入式系统中通过网卡驱动进行发送和接收，网卡驱动从网卡接收的数据大多要通过硬件（如FPGA）进行发送，同时从硬件（如FPGA）接收的数据帧也要转化为符合TCP/IP协议的网络数据包交给内核，因此嵌入式系统要解决TCP/IP协议数据包与底层数据帧之间的格式转换问题。在基于卫星链路的嵌入式系统中，由于TCP/IP通信的数据在进行拆包组帧时要附加格式转换信息，会造成卫星带宽资源利用率的降低，这样就会造成实际通信的数据传输速率的降低。因此如何提高卫星链路的带宽利用率，减少拆包组帧的附加信息成为了衡量卫星链路通信质量的关键。
TCP/IP协议是基于OSI体系的网络通信协议，通过数据包的层层打包实现不同网络层的通信。IP协议位于TCP协议之下，底层硬件（如FPGA）接收的数据位IP数据包包含包头和数据信息，包头一般长度为20字节，最大不超过60字节，而较为普遍的IP分段长度（即MTU）为1500字节。底层硬件发送和接收帧的长度则与IP数据包长不一致，帧长度是由实际的硬件开发者根据物理层特点来决定的。这样普通随机大小的IP数据包就要面临包长度大于帧长度需要拆包组帧，包长度小于帧长度需要拆帧组包的问题。同时，仍然需要保留IP数据包的数据信息，这样才能实现嵌入式数据链路通信的功能完整性。
在一些通信的调制解调器中，需要使用数据包标记来实现信令通道与业务通道的分离，信令通道负责传输控制信息，占用带宽较小，业务通道要传输诸如视频会议，电话会议等数据量较大的业务，占用的带宽较大。在卫星通信的通道中，占用带宽较大的业务通道为了节省资源，在没有数据业务的情况下需要减小带宽，保证信令信道则时刻处在监听状态，保证根据业务需要随时配置频点和增加带宽传输业务数据。因此在区分信令和业务的通信条件下，信令数据的发送优先级要高于业务数据。
在嵌入式双通道数据通信的情况下，嵌入式驱动要完成TCP/IP协议数据包拆包组帧和拆帧组包的功能，同时需要将业务数据和信令数据复接到同一个链路，并且保证信令数据的优先级。目前的技术方案主要涉及IP数据包的拆包与组包，以及不同链路的数据区分。专利号为200910150679.1的专利主要实现了利用虚拟网口实现网络数据包拆包组包的功能，专利号为200510097146.3的专利主要实现了帧与网络报的格式转换以及用户业务量分级的QOS机制。
目前技术方案的网络数据包拆包组包的功能实现主要是将IP数据包的包头信息删除，将数据信息提取出来，然后根据实际需要将固定长度的数据信息重新封装成IP数据包，这样就是解决了IP数据包长度需要适应帧长度的问题。但是此方案会使得在数据包长度远大于帧长度的情况下，一个网络数据包要被拆分成N个帧长度的包，然后封装IP包头信息，这样就会造成一个IP数据包变成N个IP数据包，因此就增加了(N-1)包头，造成了数据信息所占比例下降，从而导致了带宽资源的浪费。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的主要目的是实现双通道数据的拆包、组包以及优先级区分服务。该方案包含拆包组帧以及拆帧组包的功能，这些网络数据包通过信令信道和业务信道产生，在发送的过程中能够保证信令数据的优先发送，这些措施可以实现带宽利用率的增加以及通信链路的稳定和实时响应。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于嵌入式的网络数据包的拆包和组包方法，其步骤包括：
1）在嵌入式驱动中创建虚拟网卡，在虚拟网卡内创建缓存队列；
2）发送端通过虚拟网卡接收网络数据包并存储于缓存队列中；每一个网络数据包的头部记录该网络数据包的长度；若缓存队列中存储的数据长度小于帧长度，则将数据全部取出放进硬件缓冲区；若缓存队列中存储的数据长度大于帧长度，则取小于帧长度的数据放入硬件缓冲区；然后将硬件缓冲区中的数据组帧发送至接收端，并在发送帧的头部标记上一帧发送后网络数据包的剩余数据长度信息；
3）接收端通过接收的数据帧头部标记的上一帧发送后网络数据包的剩余数据长度信息和网络数据包的头部记录的长度信息进行网络数据包的封装，封装成的完整的网络包提交给相应的虚拟网卡以实现嵌入式系统之间的数据通信。
进一步地，所述缓存队列包括信令数据缓存队列和业务数据缓存队列，分别用于存储信令数据和业务数据；所述网络数据包的头部还记录信道类型，所述发送帧的头部同样也标记信道类型；接收端通过接收帧或者网络数据包头部标记的信道类型区分信令和业务数据。
进一步地，发送端采用轮询的方式进行数据包发送，每次轮询优先查询信令数据缓存队列是否为空，若不为空，则从信令数据缓存队列中取出数据置于硬件缓冲区，直至信令缓存队列为空。
优选地，若缓存队列中存储的数据长度大于帧长度，则取帧长度减2的数据放入硬件缓冲区。由于网络数据包长度最长为1500字节，所以标记数据包长度最少为11bits，附加信道类型标记后的整字节数总长度最少为2Bytes，这样可以最少的减少附加信息，节约信道资源。
优选地，在发送帧的头部预留2Bytes的信息，用以标记所述信道类型和上一帧发送后网络数据包的剩余数据长度信息。
优选地，每一个网络数据包的头部使用2Byte作为记录网络数据包长度和信道类型的标记，其中信道类型占用4bits，网络包的长度占用12bits。
一种采用上述方法的基于嵌入式的网络数据包的拆包和组包系统，包括发送端和接收端；
所述发送端包括：
虚拟网卡，其内创建缓存队列，用于接收并缓存网络数据包，每一个网络数据包的头部记录该网络数据包的长度；
拆包组帧模块，用于进行网络数据包的拆包组帧，若缓存队列中存储的数据长度小于帧长度，则将数据全部取出放进硬件缓冲区；若缓存队列中存储的数据长度大于帧长度，则取小于帧长度的数据放入硬件缓冲区；
硬件发送缓冲区模块，用于向接收端发送拆包后组成的数据帧；
所述接收端包括：
硬件接收缓冲区模块，用于从所述发送端接收数据帧；
拆帧组包模块，用于通过接收帧的头部标记的上一帧发送后网络数据包的剩余数据长度信息和网络数据包的头部记录的长度信息进行网络数据包的封装；
虚拟网卡，用于接收完整的网络数据包以实现嵌入式系统之间的数据通信。
进一步地，所述虚拟网卡内创建的缓存队列包括信令数据缓存队列和业务数据缓存队列，分别用于存储信令数据和业务数据；所述网络数据包的头部还记录信道类型，所述发送帧的头部同样也标记信道类型；接收端通过接收帧或者网络数据包头部标记的信道类型区分信令和业务数据。
进一步地，发送端采用轮询的方式进行数据包发送，每次轮询优先查询信令数据缓存队列是否为空，若不为空，则从信令数据缓存队列中取出数据置于硬件缓冲区，直至信令缓存队列为空。
本发明提出了一种基于嵌入式的双通道数据发送和接收模型，实现了网络包与硬件帧的拆包组帧和拆帧组包策略和算法，以及用于区分信令信道与业务信道服务优先级的策略和算法。与现有技术相比，本发明的优点和有益效果如下：
1）本发明实现了嵌入式双通道数据通信服务，实现了业务与数据通道分离，可以在带宽资源有限的情况下节省带宽资源；
2）本发明使用的拆包组帧及拆帧组包策略充分利用了硬件发送的速率，尽可能少的减少了网络报与数据帧格式转换的附加信息，提高了带宽利用率；
3）本发明采用了轮询方式区分业务与信令信道的优先级服务，保证信令数据优先发送，保证通信稳定以及上层命令的实时响应。
附图说明
图1是本发明实施例的基于嵌入式的双通道网络数据包的拆包和组包方法的流程图。
图2是本发明实施例的基于嵌入式的双通道网络数据包的拆包和组包系统组成示意图。
图3是本发明实施例的拆包组帧与拆帧组包过程示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施例和附图，对本发明做详细的说明。
图1是本实施例的基于嵌入式的双通道网络数据包的拆包和组包方法的流程图。该方案的主要流程是在发送端由虚拟网卡接收数据包、拆包组帧、交由FPGA等硬件进行发送，在接收端包含接收帧数据、拆帧组包、数据包交给虚拟网卡进行发送。图2是采用上述方法的基于嵌入式的双通道网络数据包的拆包和组包系统所涉及的功能模块示意图。该系统包括发送端和接收端，发送端包括虚拟网卡、拆包组帧模块、硬件发送缓冲区模块；接收端包括硬件接收缓冲区模块、拆帧组包模块、虚拟网卡。下面结合图1和图2说明具体的业务流程：
1.虚拟网卡
在嵌入式驱动中创建两个虚拟网络设备，作为虚拟网卡，从嵌入式内核中分别接收信令和业务数据。在虚拟网卡中创建循环队列进行缓存，所接收的数据包均为IP数据包，当缓存队列溢出时表明硬件发送速率小于网络数据传输速率，则缓存队列不再缓存新的网络数据包。每一个网络数据包的头部使用2Byte作为记录网络包长度和通道信息的标记，其中通道信息标记占用4bits，网络包的长度占用12bits。
2.业务优先级区分
在驱动进行拆包组帧时，在缓存队列中存储着待发的网络包，双通道则对应着两个缓存队列，分别为信令数据缓存队列和业务数据缓存队列。进行数据包发送时，采用轮询的方式，每次轮询优先查询信令数据缓存队列是否为空，若不为空，则从信令数据缓存队列中取出数据置于硬件缓冲区，直至信令缓存队列为空。这样就保证信令数据在带宽等资源有限的情况下能够优先发送。
3.拆包组帧与拆帧组包
在发送过程中每一次在发送帧的头部预留2Bytes的信息，用以标记信道类型和上一帧发送的网络数据包的剩余长度。若缓存队列中存储的数据长度小于帧长度，则全部取出放进硬件缓冲区；若缓存队列长度大于帧长度，则取帧长度减2的数据放入硬件缓冲区，这样就会保证每次硬件缓冲区尽可能的被填满数据，充分保证了带宽资源的利用。由于网络数据包长度最长为1500字节，所以标记数据包长度最少为11bits，附加信道类型标记后的整字节数总长度最少为2Bytes，这样可以最少的减少附加信息，节约信道资源。
在接收端，从硬件缓冲区中取出接收数据，通过接收帧头部标记的信道类型，或者网络数据包头部标记的信道类型，可以区分信令和业务数据，同时每一次接收的帧中可能会含有被分割的网络数据包，通过帧头的上一帧剩余包长度信息和数据包头的长度信息进行网络数据包的封装，将前后所接收的帧组成完整的网络包提交给相应的虚拟网卡，从而实现了嵌入式系统之间的数据通信。具体数据发送接收格式如图3所示，其中TCH包为业务数据。
在这种拆包和组包的策略下，能够使得缓存队列的数据尽可能的将发送缓冲区填满，同时只附加极少量的长度信息和信道信息用于区分优先级服务以及接收端组包功能。
4.FPGA缓冲区
FPGA缓冲区是负责缓存发送和接收帧，缓冲区长度与帧长度一致，FPGA定时从缓冲区取出发送帧进行编码发送，同时将接收的编码数据解码后放在缓冲区中供嵌入式驱动程序读取，完成物理层的通信功能。
上述方案实现了嵌入式双通道数据通信服务，实现了业务与数据通道分离，可以在带宽资源有限的情况下节省带宽资源；其使用的拆包组帧及拆帧组包策略充分利用了硬件发送的速率，尽可能少的减少了网络报与数据帧格式转换的附加信息，提高了带宽利用率。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求所述为准。
Claims (10)
1.一种基于嵌入式的网络数据包的拆包和组包方法，其步骤包括：
1）在嵌入式驱动中创建虚拟网卡，在虚拟网卡内创建缓存队列；
2）发送端通过虚拟网卡接收网络数据包并存储于缓存队列中；每一个网络数据包的头部记录该网络数据包的长度；若缓存队列中存储的数据长度小于帧长度，则将数据全部取出放进硬件缓冲区；若缓存队列中存储的数据长度大于帧长度，则取小于帧长度的数据放入硬件缓冲区；然后将硬件缓冲区中的数据组帧发送至接收端，并在发送帧的头部标记上一帧发送后网络数据包的剩余数据长度信息；
3）接收端通过接收的数据帧头部标记的上一帧发送后网络数据包的剩余数据长度信息和网络数据包的头部记录的长度信息进行网络数据包的封装，封装成的完整的网络包提交给相应的虚拟网卡以实现嵌入式系统之间的数据通信。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述缓存队列包括信令数据缓存队列和业务数据缓存队列，分别用于存储信令数据和业务数据；所述网络数据包和所述发送帧的头部还记录信道类型；接收端通过接收帧或者网络数据包头部标记的信道类型区分信令和业务数据。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述发送端采用轮询的方式进行数据包发送，每次轮询优先查询信令数据缓存队列是否为空，若不为空，则从信令数据缓存队列中取出数据置于硬件缓冲区，直至信令缓存队列为空。
4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于：在发送端，若缓存队列中存储的数据长度大于帧长度，则取帧长度减2的数据放入硬件缓冲区。
5.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于：在发送帧的头部预留2Bytes的信息，用以标记所述信道类型和上一帧发送后网络数据包的剩余数据长度信息。
6.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于：每一个网络数据包的头部使用2Byte作为记录网络数据包长度和信道类型的标记，其中信道类型占用4bits，网络包的长度占用12bits。
7.如权利要求1至3中任一项所述的方法所述的方法，其特征在于：所述硬件缓冲区为FPGA缓冲区。
8.一种基于嵌入式的网络数据包的拆包和组包系统，其特征在于，包括发送端和接收端；
所述发送端包括：
虚拟网卡，其内创建缓存队列，用于接收并缓存网络数据包，每一个网络数据包的头部记录该网络数据包的长度；
拆包组帧模块，用于进行网络数据包的拆包组帧，若缓存队列中存储的数据长度小于帧长度，则将数据全部取出放进硬件缓冲区；若缓存队列中存储的数据长度大于帧长度，则取小于帧长度的数据放入硬件缓冲区；
硬件发送缓冲区模块，用于向接收端发送拆包后组成的数据帧；
所述接收端包括：
硬件接收缓冲区模块，用于从所述发送端接收数据帧；
拆帧组包模块，用于通过接收帧的头部标记的上一帧发送后网络数据包的剩余数据长度信息和网络数据包的头部记录的长度信息进行网络数据包的封装；
虚拟网卡，用于接收完整的网络数据包以实现嵌入式系统之间的数据通信。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于：所述虚拟网卡内创建的缓存队列包括信令数据缓存队列和业务数据缓存队列，分别用于存储信令数据和业务数据；所述网络数据包和所述发送帧的头部还记录信道类型；接收端通过接收帧或者网络数据包头部标记的信道类型区分信令和业务数据。
10.如权利要求8所述的系统，其特征在于：所述发送端采用轮询的方式进行数据包发送，每次轮询优先查询信令数据缓存队列是否为空，若不为空，则从信令数据缓存队列中取出数据置于硬件缓冲区，直至信令缓存队列为空。
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