VxWorks在高速数字电台互联网中的应用 南京解放军理工大学通信工程学院ATM研究中心杨盘龙张磊郑少仁 摘要VxWorks是一种高性能的嵌入式实时操作系统。在高速数字电台组网的研究开发过程中，我们利用VxWorks操作系统提供的网络功能实现IP层以上的功能，充分发挥了VxWorks网络功能强大和实时、多任务的特点，简化了系统的开发过程。本文主要介绍VxWorks的特点和该系统在数字电台互联网络中的应用。 关键字VxWorks嵌入式系统数字电台网络应用 引言 随着信息技术尤其是Internet技术的飞速发展，网络设备与系统体现出高效、灵活、可移植性强的特点。嵌入式系统以其特有的技术，为Internet的发展提供了强有力的支持。这种系统具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点，一般是实时和多任务系统。 VxWorks是WindRiver公司（也有人称为风河公司）推出的一种高性能的嵌入式实时操作系统。它包括了操作系统本身和其集成开发环境。VxWorks以其优良的可靠性、开放性、实时性和易用性赢得了大量的客户。Tornado II开发环境是嵌入式实时领域里最新一代的开发调试环境，是实现嵌入式实时应用程序的完整的软件开发平台。Tornado II运行在交叉开发环境主机上，是开发和调试VxWorks系统不可缺少的组成部分，为嵌入式系统开发人员提供了一个不受目标机资源限制的开发和调试环境。 VxWorks操作系统除了具有嵌入式系统特有的优点之外，还具有强大的网络功能，支持对其它网络和 TCP/IP网络系统的“透明”访问，加之其特有的实时多任务特性，特别适用于无线网络设备。我们在无线电台互联网设计中，互联网控制设备、无线路由器均采用VxWorks操作系统。 一、 高速数字电台简介 随着人类科学技术的进步，宽带无线通信设备技术逐渐成熟，传输带宽的增大要求设备之间能够灵活高效地组网。高速数字电台支持宽带数据业务(约为 300Kbps)，可组织成无线数据传输干线网，在抢险救灾、数字化战场等紧急场合高速地传输数据。 高速数字电台不仅仅是一个无线信道传输设备，更是一个复杂的路由设备，具有强大的互联功能。它可以通过PPP与路由器互联;通过X.25与战术分组网互联;通过IEEE802.3与以太网互联;通过FDDI与光纤数字分布式接口互联;通过ATM AALS接入ATM网络。上层路由协议采用BGPV4和OSPFV2动态路由协议，并使用SNMP简单网络管理协议进行网络管理。 上述的网络功能，主要由无线路由器来完成，宽带数据电台无线路由器的接口关系如图1所示。 图1宽带数据电台无线路由器的接口关系二、 选择VxWorks的原因 在实际工作中，我们选择VxWorks作为实现电台网络功能的操作系统，这主要出于以下几个方面原因： (1) 可靠性 稳定、可靠是VxWorks的一个突出优点。VxWorks以其良好的可靠性赢得了越来越多的用户。 (2) 实时性 VxWorks的开销很小，进程调度、进程间通信、中断处理等系统公用程序精炼而有效，它们造成的延迟很短。VxWorks提供的多任务机制中对任务的控制采用了优先级抢占（preemptive priority scheduling）和轮转调度（round\ robin scheduling）机制，保证了可靠的实时性，使同样的硬件配置能满足更强的实时性要求，为应用的开发留下更大的余地。 （3) 可裁减性 用户在使用操作系统时，并不是每一个部件都要用到。例如，图形显示、文件系统以及一些设备驱动在某些嵌入式系统中往往并不使用。而高速数字电台无线路由器正是典型的嵌入式系统，操作系统映像被装在有限的存储器(Flash)中，动态存储器的容量也有限。为了节省存储器空间、提高运行效率，可根据自己的应用裁减操作系统。 VxWorks由一个体积很小的内核及一些可以根据需要进行定制的系统模块组成。VxWorks内核最小为8KB，即便加上其它必要模块，所占用的空间也很小，且不失其实时、多任务的系统特征。由于它的高度灵活性，可以很容易地对这一操作系统进行定制或开发，以满足应用的需要。 (4) 开放性 VxWorks有着较好的开放性。因此一些厂家开发了基于VxWorks的软件产品，可以方便地购买到一些常用的软件模块。 (5) 易用性 开发系统的易用性也是我们选择VxWorks操作系统的主要原因之一。Tornado在主机开发环境中提供了几套开发工具，其简洁的机制、良好的操作界面方便了开发工作，提高了开发效率。 三、 高速电台组网技术方案 无线互联网系统由若干个通信单元组成，每个通信单元内部通过HUB构成一局域网。各子网通过路由器和互联网络控制设备接入无线信道，实现各子网的互通。互联网络控制设备用于连接路由器与电台模块，实现无线子网内的路由控制与IP报文的转发。互联网络控制设备通过三个异步串行接口与电台模块、控制台和路由器相连。互联网控制设备在系统中的连接关系如图2所示。 图2互联网控制设备在系统中的连接关系无线路由器采用VxWorks操作系统，IP以上的功能及PPP协议处理由操作系统完成。控制设备通过PPP与路由器互联，在无线子网内部通过自行开发的路由协议实现无线互联网的寻址，并通过类似于CSMA的链路控制协议实现报文的传送。协议分层结构如图3所示。 图3协议分层结构图我们只开发无线子网路由协议和链路协议。这种配置的优点是可以充分利用操作系统所提供的成熟技术，加快开发进度，并为将来功能的扩充提供基础。 数据层链路协议(MAC层)采用与CSMA相似的体制。对于“隐终端”问题，采用带报文长度的发送请求RTS和发送允许CTS方式解决;对于长度大于设定门限的报文采用RTS/CTS减少冲突;而对于小的报文则直接发送。经过测试，这种信道访问方式减少了冲突，提高了网络的吞吐量。 LLC层(数据链路控制层)提供相邻结点之间的数据报文传送服务，有可靠（停止等待）和不可靠两种。停等协议的重发时间应该在某个范围内取随机值，减少发送碰撞的概率。对重传次数应有一定的限制，重传不成功则丢弃该分组。重传不成功时应向上层报告，以便修改路由表。LLC层还可以实现流量和拥塞控制，并配有链路质量检测机制。 子网路由协议由Intranet层来维护。路由算法有静态路由和分布式自适应动态路由两种，分别适应静止和运动中的需要。路由算法的数据来源是邻站发送的路由报文和本站下层报告的链路质量。对从LLC层收到的报文，提交给转换程序;对来自转换程序的报文，根据路由表找出所有可能的路由，交LLC层发送。该层不对报文进行分段和组装。 每个网络结点(电台)维护本子网的路由表，网关结点还要维护子网间的路由信息，利用OSPF协议完成子网间路由信息的交互。网络拓扑更新采用周期性更新和事件触发更新两种方式，保证每个结点维护完整的路由信息和网络结点路由表的一致性。除此之外，子网路由协议中还要求网关结点维护整个子网的结点信息，非网关结点定时向网关报告路由信息，由网关结点提取本子网的摘要信息在骨干网上传输。 四、 高速电台网络层功能的技术特点 VxWorks操作系统具有强大的网络功能，它提供了对其它网络和 TCP/IP网络系统的“透明”访问。在电台互联网的设计中，我们使用VxWorks提供的网络功能实现了互联网控制器与路由器之间的通信。互联网控制器部分的硬件为PC104，通过串口线与路由器和电台相连。物理接口为RS\ 232，速率可配置为2.4/4.8/9.6/19.2/38.4kbaud。控制台通过串口控制互联网控制器。互联网控制器通过CSLIP或PPP与路由器进行通信(工作中我们使用PPP)。互联网控制器与电台之间是纯粹的物理层接口。 IP转发处理层在数据发送阶段，通过VxWorks的MUX接口截获来自路由器的IP报文，对来自路由器的IP报文进行过滤，只转发ICMP报文和数据报文。同时，把来自路由器的数据报文转换成可在无线分组网中传输的格式并根据IP报文的头部信息，为转换后的报文分配优先级。最后，将转换后的报文发送给无线分组网的Intranet层。 在数据接收阶段，根据IP报文的头部信息，为转换后的报文分配优先级，再将转换后的报文发送给无线分组网的Intranet层。Intranet层将来自无线分组网的报文转化成标准IP报文，并将转换后的IP报文通过MUX发送给CSLIP/PPP。 小结 VxWorks操作系统是目前非常流行的商用实时系统，通过发布Tornado开发工具，方便了开发人员并大大减少了开发周期。在无线电台组网技术中，由于VxWorks的网络功能支持对其它网络和 TCP/IP网络系统的“透明”访问，包括与BSD套接字兼容的编程接口、远程过程调用（RPC）、简单网络管理协议(SNMP)（可选项）、远程文件访问，以及网络启动协议(BOOTP)和地址解析协议(ARP)代理。无论是松耦合的串行线路、标准的以太网连接，还是紧耦合的利用共享内存的背板总线，所有的VxWorks网络机制都遵循标准的Internet协议。这给开发系统创造了方便条件，使开发人员的注意力集中在无线子网路由协议和链路控制协议的开发。 近来，随着个人通信业务的迅速发展，便携式网络终端(web pad)为嵌入式操作系统开拓了新的发展空间。这种无线通信设备具有体积小、质量轻、软件配置灵活简单等特点。同时易于硬件设备制造商把系统植入硬件。另外，开发环境与硬件无关的特性也为开发人员提供了方便。除此之外，嵌入式系统具有良好的实时性和多任务特征，这一点在移动多媒体通信中显得尤为重要。Wind River公司最近推出了VxWork AE(Advanced Edition)即增强版本，以硬件产品StormPad打入web pad市场。这种嵌入式设备以StrongARM\ 1110处理器为基础，并支持蓝牙标准。与此同时，风河公司还推出了新增BlueThunder工具包的开发套件，为蓝牙技术提供了强有力的支持。相信随着嵌入式系统技术的不断发展，嵌入式操作系统将成为因特网发展的强大动力。MES 参考文献 1VxWorks Programmer's Guide. Wind River System Tornado2.0 On line manual. US. WindRiver Company,1999 2Douglas E Comer. Internet Working with TCP/IP Volume II.Prentice Hall, 1998:325~377 3田畅.数字电台互联网技术方案. 南京: 解放军理工大学通信工程学院交换技术与ATM研究中心 2000年12月 4\[美\]Tanenbaum S Andrew.计算机网络.第3版.熊桂喜，王小虎等译.北京：清华大学出版社，1999 5郭峰,等. 无线局域网. 北京: 电子工业出版社,1997