基于ＵＭＬ的嵌入式系統ＵＤＰ模塊設計

摘要：將UDP協議劃分成粒度更細的功能模塊，該文給出了嵌入式系統中UDP協議的UML實現方法，從軟件體系結構的角度詳細的分析了UDP協議的具體建模過程。面向對象的實現方法，具有軟件重用，可擴展性，多態性，函數覆蓋與重載，使嵌入式系統的可移植性和可重用性大大提高。

關鍵詞：UML；UDP；面向對象；嵌入式

中圖分類號：TP311文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)34-1655-03

The Design for Embedded System of UDP Modeling Based on UML

JIANG Wei-cheng

(Department of Computer Science， Hunan Normal University， Changsha 410081， China)

Abstract: Based on Unified Modelling Language， an Object-Oriented method was given to design User Datagram Protocol which is used in the embedded system. The process and methods to desige model are described in detail. Object-Oriented method has many characers， such as flexility， Polymorphism and Overload. It improves sofrware reuse and reconfigurability.

Key words: UML; UDP; Object-Oriented; Embedded system

1 引言

UDP 是User Datagram Protocol的縮寫，即用戶數據報協議。屬于網絡協議中的傳輸層協議。由于UDP協議不需建立連接，具有效率高、速度快和占用資源少等優點，在基于消息通信和實時系統中可以提高系統傳輸數據的效率。主要的用途是網際名稱服務器和簡單文件傳輸協議。UDP具有組播和廣播功能，是分發信息的一個理想協議。現在UDP廣泛用在多媒體應用中，視頻會議，網絡點播以及大多數因特網電話軟件產品也都運行在UDP之上。

嵌入式系統中使用的TCP/IP協議棧有LWIP、uIP、Linux IP等等，它們具有一定的通用性，但在具體的移植過程中要考慮很多的問題，特別是各個庫文件和全局變量相互交叉引用，大大地增加了移植的難度，代碼的重用率也不高。

統一建模語言（Unified Modeling Language）簡稱UML，是一種“通用的可視建模語言，用于說明、可視化、構造并文檔化軟件體系的體系結構”[1]。它讓系統構造者用標準的、易于理解的方式建立能夠表達他們想象力的系統藍圖，并提供一種機制以便不同人之間有效地共享交流設計結果[2]。UML是一種面向對象的語言，提供了定義對象和無需修改定義就可以操作對象的方法。數據封裝，繼承和多態，可重用軟件組件等都是面向對象方法的優點。用UML的建模方法，本文給出了面向對象的UDP實現方法。

2 UDP協議實現過程

2.1 理論原理

UDP處于應用層和網絡層之間，提供進程到進程的通信服務。當應用進程有報文要通過UDP發送時，它將這個報文和套接字地址傳遞給UDP。UDP對數據進行處理，加上UDP首部，封裝成UDP報文，然后交給網絡層IP協議處理。當這個報文到達目的主機后，網絡層IP將用戶數據報連同發送端和接收端的IP地址一起傳給接收端UDP處理。接收端UDP使用校驗和對整個用戶數據報進行檢查。若無差錯，則削去UDP首部，將應用數據連同發送端的套接字地址一起交給接收進程[3]。UDP的任務也就是完成UDP報文的封裝和拆裝的過程。

UDP的報文格式如圖1。

UDP數據報的字段有：源端口號（Source Port），是源主機上進程的端口號；目的端口號（Destination Port），是目的主機上進程的端口號；數據長度（Length），它包含UDP數據報的總長度；檢驗和（Checksum），用來檢驗UDP數據報是否出錯；數據（data octets），具體的報文數據。

去復用方式有兩種：使用目的協議端口號的輸入數據報選擇一個隊列，和同時使用源站點和目的站點的協議端口號[4]。本文采用前者，主要考慮在嵌入式系統中不但可以節約存儲資源，而且又能有效地進行復用處理，允許應用程序與多個站點同時通信。

2.2 具體實現

根據UML的經典著作Design patterns :elements of reusable object-oriented software [5]提出的方法和原理，本文定義了接口類和控制類。由于UDP處于網絡層IP和應用層之間，定義兩個接口器。一個是UDP與應用程序進程的接口器UDP-API-er類，負責UDP和應用進程的交互工作。進程到進程的通信，需要有通訊雙方的地址信息和數據。在UDP-API-er類中sourceip屬性表示本地主機地址，dstip屬性表示目的主機地址，srcport屬性表示本地端口號，dstport屬性表示目的端口號，APIbuffer屬性表示應用進程的交給UDP的緩沖區數據。UDP-API-er類還定義了兩個操作，一個是應用進程發送UDP報文請求的Udp_usereq( )操作，另一個是UDP將處理好的數據報文交給應用進程的ToAPI( )操作，如表2所示。

另一個接口類是IP-UDP-Interface類，是UDP和網絡層IP的接口，如表3所示，它主要完成兩個操作， 一個是UDP將封裝好的UDP報文數據交給網絡IP處理的操作IpOutput()，另一個是ipintr()操作，它將來自網絡層IP處理好的數據報傳入給UDP進行處理。

由于在數據的傳輸過程有可能出現錯誤，規定在發送端和接受端都要進行檢驗和計算，以確定數據是否出錯。而UDP檢驗和的計算是UDP在接受數據和發送數據的重要環節，因此定義一個檢驗和計算器Accoutcksum類處理UDP檢驗和的計算。UDP檢驗和的計算是對UDP偽首部進行計算，數據可以通過Readpudp( )操作獲取，沒有定義偽首部的成員變量，只定義了供其他類讀取檢驗和的cksum成員如表4所示。（其詳細的實現見圖4）

對于UDP報文頭的添加，根據User Datagram Protocol文檔[6]UDP數據報頭的格式來定義如表5所示的報文頭添加器Appendudphdr類來實現。sourceipn屬性是網絡中源IP地址， srcportn屬性是網絡中源端口號，dstipn屬性是網絡中目的IP地址， dstportn屬性是網絡中目的端口號，ulenn屬性是UDP數據報長度。由于網絡字節順序和本機字節順序的不同，因此Appendudphdr類定義的屬性值與UDP-API-er類定義的屬性值是不一樣的。該類還定義了設置UDP報文頭的內容的Setudphdr( )操作，Getudph( )操作是從緩沖區中獲取封包的數據。

UDP的封包過程如下：應用進程通過UDP-API-er類將數據和套接字地址交給UDP，UDP中的報文頭添加器Appendudphdr類通過Getudph()操作從接口類中獲取數據信息，并由Setudph()操作設置偽首部報文頭字段；檢驗和計算器通過Readpudp()操作獲取偽首部信息并對數據報進行UDP檢驗和的計算，并將計算結果送給報文頭添加器，報文頭添加器再設置好相應的字段，并通過IpOutput()交給IP-UDP-Interface類。整個發送UDP數據報的過程如圖1所示。

■

圖1 UDP數據報發送過程序列圖

對于數據的傳入過程，定義一個檢查控制器來完成各種檢查操作，它是一個控制類。具體完成如下三個功能，如圖2所示：

1) 檢查檢驗和是否正確。它讀取檢驗和計算器的計算結果，然后進行判斷，如果不正確則丟棄該報文，正確則進一步處理。

2) 檢查傳入的數據報的目的端口號是否正確。如果在進程控制塊表PCB-Table中找不到傳入的端口號，則表示沒有進程要接受它，發ICMP端口號不可達錯誤報告；如果找到，則該端口號所對應的進程ID為接受進程。

3) 檢查是否為輸入數據報分配輸入隊列。檢查進程控制塊表PCB-Table中該欄的隊列標識號是否小于零，如果不小于零則已經發配輸入隊列，將數據報插入隊列標識號中的隊列中；反之，則還需要PCB-Table為數據報分配輸入隊列才能入隊。

■

圖2 檢查控制行為狀態圖

如表6所示，檢查控制Checkcontroler類中iscksum用于檢驗和計算器與檢查控制器之間的通信，當檢驗和計算器已經將計算結果發送過來時為true，反之則為 1。操作Getudpbuff()是檢查控制器從輸入緩沖區中獲取所要的數據。Queryport()操作用于從PCB-Table中讀取端口號，以檢查輸入數據報的目的端口號是否正確。ReadQueueID()操作從PCB-Table中讀取輸入隊列標識，以進一步確定下一步操作。

進程啟動時，它從系統請求一個端口號，系統把熟知端口號指派給服務器，把短暫端口號指派給客戶[7]。在進程控制塊表PCB -Table類中有進程ID和端口號port，它們的屬性名稱是processID和port。state屬性記錄進程控制塊表各項使用的情況，如果為IN-USE 則表示該項已經分配給某進程，FREE則表示還未分配使用。queueID為輸入隊列對應的標號，如果是－1表示還沒有為該進程分配輸入隊列，如表7所示。

輸入隊列InputQueue類中，insert()操作將數據報放入相應的隊列中，addqueue()則表示請求從輸入隊列中新分配一個隊列，然后再將數據報插入該隊列，如表8所示。

UDP數據報的接收過程比較復雜。網絡層IP通過IP-UDP-Interface類將數據報交給UDP處理，檢驗和計算器Accoutcksum對其進行檢驗和計算，檢查控制器Checkcontroler查找進程控制塊表PCB-Table對其目的端口檢查，并根據PCB-Table中的隊列分配情況進行相應的操作。整個接收過程如圖3所示。

■

圖3 UDP數據報接收過程序列圖

此外，由于UDP校驗和的計算是個比較復雜的過程，將它進一步細化命令類，由圖4的三個類來實現。Initialpudp類為檢驗和的計算準備偽首部，Readpudp( )操作獲取所要的數據，Creatpudp()操作把偽首部成員設置成相應的值，其中將udpcksum設置為零。計算的過程和法則由Accumulationcksum類中的Accumulate( )操作來實現，sum和len是計算過程用到的中間變量。最終的結果保存在Finalvalue類的result中。

■

圖4 UDP檢驗和計算詳細過程

3 結論

本文用UML對UDP協議的實現作了詳細的分析和設計，對內存不太受限的嵌入式系統可以很好的實現。但是，如何處理多繼承、虛基類，以滿足運行時對RAM的需要是個重要的問題；另外，對存儲器的優化，在不影響代碼性能的情況下，如何使代碼被壓縮在較小的存儲空間，減小CPU周期總數；如何避免使用庫函數，減少通用函數的對存儲空間的使用等等一系列優化，仍是一個不斷探索的問題。

參考文獻：

[1] Priestley M.Practical object-oriented design with UML[M].北京:清華大學出版社，2004.

[2] Schmuller J.UML基礎、案例與應用[M].北京:人民郵電出版社，2004.

[3] Forouzan B A，Fegan S C.TCP/IP協議族[M].北京:清華大學出版社，2003.

[4] Comer D E，Stevens D L.用TCP/IP進行網際互連．第2卷：設計、實現和內部構成[M].北京:電子工業出版社，1998.

[5] Gamma E，Helm R，Johnson R，et al.Design patterns :elements of reusable object-oriented software[M].北京:China Machine Press，2002.

[6] Postel J.RFC 768[S].