轻量级TCP/IP协议中缓冲区与内存管理技术的研究
2014-09-24 01:17
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摘 要 本文针对嵌入式应用的特点，提出了一种基于微操作系统
摘 要 本文针对嵌入式应用的特点，提出了一种基于微操作系统内核之上的网络通信协议的实现方案，描述了该轻量级TCP/IP协议的总体架构，并重点介绍了其中的缓冲区与内存管理技术。关键词 轻量级TCP/IP；缓冲区；内存管理；1 引言微操作系统的通信软件是移动计算、智能传感器等嵌入式系统应用中的关键系统软件，为了与传统的计算机网络统一组网，微操作系统中必须支持TCP/IP通信协议。然而，在微操作系统中采用传统的TCP/IP协议无疑将导致系统整体性能的下降，同时，各种移动计算设备和嵌入式系统设备在CPU、存储器、通信部件等硬件配置方面存在着很大的差异。因此，通过研究一种可裁减的轻量级TCP/IP协议并加以实现，从而支持不同的设备，满足不同应用场合的通信和组网需求，具有较强的理论意义和重要的实用价值。针对上述情况，本文作者实现了该轻量级TCP/IP协议，本文描述了实现过程中的关键技术：缓冲区与内存管理技术。2 轻量级TCP/IP协议简介绍2.1 轻量级TCP/IP协议 所谓轻量级TCP/IP协议，就是关注于用尽可能小的内存消耗和尽可能小的代码量将TCP/IP在诸如嵌入式系统等资源极其受限的系统上加以实现，以支持资源受限的计算设备与传统计算机网络的互联互通。它具有紧凑、轻便、模块化、高效、可裁减和可移植等特性。2.2 轻量级TCP/IP协议的组成及设计方案为了有效利用资源并提高效率，本文基于传统的TCP/IP结构，提出了一种轻量级的TCP/IP实现方案，体系结构如图1轻量级TCP/IP协议和标准的TCP/IP协议相比，在协议组成、协议实现算法上做了较大的简化，但它具有最基本的功能。
图1 轻量级TCP/IP协议栈的体系结构图 轻量级TCP/IP协议的实现包括如下模块： ARP协议：实现了ARP请求和ARP应答协议。 IP协议：实现了IP最基本的功能，包括，发送、接收、转发。不支持IP选项功能。由于嵌入式系统生成的数据较小，能够直接通过网络传输，因此不需要将输出数据报进行分片；但有可能接收到分片的数据报，因此要对输入数据报片重组，以保证与传统计算机网络的通信。 ICMP协议：主要用来传递差错报文以及其他需要注意的信息。只实现了ICMP中类型号为0，代码号为0的Ping应答协议。 TCP协议：实现了RFC793中相应的功能，包括三次握手建立连接，连接的撤消，各种状态之间的转换，超时重传，RTT估算，快速恢复和快速转发。 UDP协议：用来提供不面向连接的、尽最大努力传输的数据流传输服务。通用接口层：该层把所有与硬件、OS、编译器相关的部分独立出来。重点是对OS进行了封装，形成了对上层软件的统一接口。当TCP/IP需要系统调用时，并不直接调用OS提供的函数，而是使用该层的接口。因此，实现的轻量级TCP/IP协议可以方便的移植。缓冲区和内存管理：实现了一种能适应数据动态增删，但在逻辑上又呈连续性的数据结构，能够满足在各协议之间传递数据而又不需要内存拷贝。这种链状数据结构，主要用来存放数据包。有如下特色： 1） 方便的在数据的头部增加空间与删除数据，用于处理包头；2） 可以通过指针来避免真实的拷贝来拷贝包；3） 可以不拷贝而将多个包形成一个包或将一个包分割成多个包。针对嵌入式应用的特点，对该数据结构的内存管理采用静态内存管理方法，即在系统启动时一次性申请到足够的内存，在系统运行时不在释放，以此来增加系统的稳定性。内存管理提供内存分配，内存释放等服务。轻量级TCP/IP协议的配置项：为适合不同的应用需求，通过一个可配置项来设置一些可配置信息。主要有：UDP是否使用、TCP是否使用、TCP是否主动打开、ARP表大小、接收缓冲大小、TCP连接数、是否使用中断方式等。根据实际应用情况，选取合适的参数对于节约存储空间、加快程序运行具有很大的作用。3 轻量级TCP/IP协议的缓冲区及内存管理技术网络的一个主要性能是数据吞吐量。对网络软件的各个组件研究表明，缓冲区是影响网络性能的最重要的因素。同时，缓冲区的分配是与内存管理分不开的。因此，本文对它们的实现机制进行详细的描述。3.1 轻量级TCP/IP协议的缓冲区技术轻量级TCP/IP协议缓冲区的职责有两个：（1） 为协议栈提供合适的缓冲区，如果缓冲区太大会浪费系统资源，太小则会影响协议的吞吐量（2）提供合适的数据结构装载网络报文，既可以方便的处理报文，又可以减少缓冲区拷贝的次数。借鉴标准TCP/IP的缓冲区设计技术，轻量级TCP/IP协议通过接收数据缓冲和发送数据缓冲存放数据。采用2种数据链表结构来存放待发送数据和接收数据，分别为MBUF_RAM，和MBUF_POOL。其中，MBUF_RAM用于在发送数据时存放各层协议首部信共2页: 1 [2] 下一页 论文出处(作者):
