一种嵌入式RPC的设计与实现

摘要：在研究远程过程调用的原理和嵌入式系统特点的基础上，提出一种远程过程调用的设计以及在VxWorks操作系统上服务器端和在Win-dows探作系统上客户端的实现。经在项目中的应用，本设计与实现体现了良好的实用性、移植性和扩展性。
关键词：远程过程调用；嵌入式系统；网络；状态机

    远程过程调用(Renmte Procedure call，RPC)最早是在B．J．Nelson的博士论文中论述的。这里的过程等价于例程，函数的意思。RPC的思想源于大多数的程序都以过程作为最小设计单位。RPC扩展了过程调用机制，允许客户端的过程通过网络调用服务器端的过程。
    从RPC的思想出发，不同的组织和公司开发了不同的RPC协议。有SUN公司的ONC RPC，开放软件基金会的DCE RPC，微软公司的MSRPC等。这些RPC都依赖与特定操作系统，并且定义了自己的接口描述语言(IDL)，对于嵌入式开发过于复杂。

1 RPC的机制
1．1 过程调用
    典型的过程调用就是过程A将参数和控制权交给过程B，过程B经过一系列运算或者下一级过程，最后把结果和控制权返回给过程A。
1．2 RPC流程
    RPC分为同步RPC和异步RPC。在同步RPC中客户端发出RPC调用的线程将被阻塞，直到从服务器端完成。异步RPC中客户端发出调用的线程不会被阻塞而是继续执行。本文以同步RPC为研究对象。
    RPC的思想就是使远程过程调用看上去就像在本地的过程调用一样。从程序运行角度来看，其流程如图1所示。客户端(MACHINE A)的进程通过网络发送远程过程调用请求给服务器(MACHINE B)。服务器收到请求后处理，调用相应的过程执行，执行完毕后服务器返回结果给客户进程。客户进程在发出远程过程调用后被阻塞，直到服务器返回结果给客户进程。

1．3 RPC的结构模型
    从描述的角度出发，产生不同的RPC模型如Andrew S．Tanenhum在其著作分布式操作系统中论述的模型以及B.J．Nelson论文中的RPC模型等。但这些模型的主要组件都是相同的。图2是B.J．Nelson博士的RPC结构模型。客户进程、客户存根和RPC运行库实例在客户端执行。服务进程、服务器存根和RPC运行库实例在服务器端执行。客户过程调用相应的客户存根。客户存根打包参数。客户端的RPC运行库将打包好的参数通过网络发送给服务器RPC运行库。服务器存根拆包参数，然后调用服务器过程。完成后返回结果给服务器存根。服务器存根打包结果给服务器RPC运行库。服务器RPC运行库发送打包好的参数给客户RPC运行库。客户存根拆包并将结果取出返回给客户。

    尽管RPC的思想比较简单，但有很多问题需要考虑。由于有很多不同的CPU，如X86、ARM、SPARC等以及各种DSP、单片机，产生了参数传递问题。如X86采用最低有效字节优先，而SPARC是最高字节优先。有些大型机采用EBCDIC码，而其他处理器采用ASCII码。存根就是用来解决这些问题。还有指针问题，涉及物理地址、虚拟地址、地址空间等很多考虑。我们知道不同计算机之间无法直接访问彼此的地址。还有过程的参数如果为数据结构，这就引出数据对齐的问题。由此可以推断所有的RPC实现都在一定的范围适用。本文的RPC设计假定客户端和服务器端有相同的大小端和并且都是32位处理器。

1．4 SunRPC
    Sun RPC有时也称为ONC(Open Network Computing)RPC。Sun RPC提供了一个接口语言IDL和rpcgen用于C语言支持。这门语言可以定义constants，typedef，structure，union。rpcgen可以产生server code，client stub和头文件。server code主要是建立socket，注册端口和监听，接受连接，拆参数，调用实际的过程，打包返回值。client stub则是打包参数，发送给server，将返回值解包。Sun RPC缺点就是对Windows没有很好的支持。

2 设计
    本设计与传统的模型不同，服务器端分为：网络通讯，接收状态机和过程处理。客户端分为网络通讯，发送状态机和过程调用。
    图3是服务器端的状态机。服务器进程从初始状态进入GetHeader状态。GetHeader是读取远程过程调用的头信息。如果一次得到了所有数据，也就是nCurLen>=dwTotalSize，则进入GetComplatePacket状态，反之进入GetData状态。GetData是读取参数数据，读取数据直到得到所有的数据进入GetComplatePacket状态。期间如果超时，则回到GetHeader状态。超时的起始时间从GetHeader韵第一个字节算起，如果在定义的时间无法读取dwTotalSize个字节，则Timeout从而回到GetHeader状态。在GetHeader和GetData时，如果读取数据有错误(如客户端断开连接，recv函数返回错误)则状态机退出。GetComplatePacket是得到了完整的包。CheckCall判断当前的调用是否是有效的过程调用。如果无效则进入状态，并回复无效命令给客户端，最后进入GetHeader状态。如果有效，则处理此调用，最后发送结果给客户端。

    图4为客户端状态机。首先是打包参数，发送到服务器端，等待服务器端的回复，进入GetHeader状态。GetHeader，GetData和Get Com-plate Packet与服务器相应的状态意义相同。如果timeout则返回timeout错误。如果得到了整个packet则拆分最后返回。
    DCE—RPC和ONC—RPC允许选择UDP或TCP协议。TCP协议传输控制协议，提供的是面向连接、可靠的字节流服务。UDP协议不提供可靠性，它只是把应用程序传给IP层的数据报发送出去，但是并不能保证它们能到达目的地。基于TCP协议的可靠性，选择TCP作为通讯协议。
3 实现
3．1 数据结构
    服务器和客户用共用包头信息和每个过程的参数结构。头信息定义如下。dwCallID是过程的标识号。每个过程都有一个唯一的号码。bCallType是调用的类型。dwTotalSize是整包的字节数。dwReturn是返回结果。
   

过程调用的类型定义如下。RPC_TYPE_SIMPLE_WRITEREAD是简单的读写，输入参数和输出参数都在头信息和过程的参数数据结构中。RPC_TYPE_READ指返回结果保存在单独的内存。RPC_TYPE_WRITE指写信息保存在单独的内存。RPC_TYPE_WRITE_READ调用是需要内存保存输入数据，返回时需要保存输出的结果。
 
    每个过程定义自己的输入输出参数结构。例如对获取串口状态GetCommState过程，建立RPC_GETCOMMSTATE结构。
   
    由于各个编译器对struct数据结构的成员的对齐实现不同。这样同样的struct在客户端和服务器端的大小可能不同，同样的成员在结构中的位置不同。为了确保客户端和服务器端有相同的对齐，我们采用字节对齐用#pragma pack(1)。
3．2 Packet内存布局
    开始依次是头信息和参数，其余部分根据特定的过程而不同。以RPC_TYPE_WRITE_READ类型的布局为例：头信息，参数，输入内存块[1…N]，输出内存块[1…N]。其他的过程类型布局类似。
3．3 服务器端实现
3．3．1 网络模块实现
    RPC在单独的任务中执行。图5为RPC任务流程图。调用VxWorks的系统函数taskSpawn建立RPC任务。调用socket( )建立面向连接的SOCK_ STREAM套接字，bind将套接字与本地网络地址和端口号捆绑，listen申明要在该端口侦听客户连接请求，accept阻塞等待请求的到来。

3．3．2 状态机实现
    当accept后，进入服务器端状态机。设置accept返回的socket为非阻塞状态。在阻塞的socket上调用send时，如果没有足够的输出缓冲区，该调用将被阻塞。Recv也是一样，要读的数据没有就绪时，调用者阻塞。服务器不知道每次要读取的字节数，所以阻塞的socket无法工作。
    分配2块内存：A和B。内存A用来保存recv的内容，内存B用来保存客户端发送的Packet内容。因为服务器不知道客户会发送多大的内容过来，每次从内存A拷贝到内存B之前检查内存B的大小，如果内存B剩余大小不够则重新分配。
    在得到了整个Packet后，即GetComplatePacket后，根据dwCallID调用服务器的本地过程，待返回后将返回值和内存打包发送给客户端。
3．4 客户端实现
   客户端的流程如图6所示。在Windows下运行，首先调用WSAStartup，Windows根据请求的Socket版本来搜索相应的Socket库，然后绑定找到的Socket库到该应用程序中。然后初始化socket，连接到服务器，接着过程调用。比如过程调用1会进入图4状态机。状态机和服务器端类似，只是首先参数打包，发送给服务器，返回后拆包并拷贝返回信息到内存中。

4 结束语
    本文设计和实现的RPC可应用于白盒测试、跨平台开发环境和开发客户端软件等。商用的嵌入式IDE软件都很昂贵，通过本RPC，测试人员就可用开源的环境如cygwin等开发白盒测试代码。另外对于有大量操作界面的嵌入式开发，需要频繁下载到开发板上验证，本文RPC可应用于构建跨平台的开发环境，直接在Windows上开发界面部分，最后下载到开发板上，从而大大提高开发效率。大多数的嵌入式软件都有相应的PC客户端软件，本文的实现也适用于开发PC客户端软件。