1引言

隨著嵌入式系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)的日益結(jié)合，在嵌入式系統(tǒng)中引入TCP/IP協(xié)議棧，以支持嵌入式設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，成為嵌入式領(lǐng)域重要的研究方向。并且隨著 Internet技術(shù)的迅猛發(fā)展和規(guī)模的不斷擴(kuò)大，現(xiàn)行的Internet協(xié)議IPv4在地址空間、端到端的IP連接、服務(wù)質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)安全等方面暴露出了不足，極大地限制了IP網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步發(fā)展。而IPv6所提供的巨大地址空間和網(wǎng)絡(luò)安全等因素已經(jīng)使其成為下一代因特網(wǎng)IP協(xié)議，為了能夠支持IPv6的應(yīng)用，并且考慮到從IPv4到IPv6仍然需要一個(gè)過(guò)渡期，本文實(shí)現(xiàn)了一種基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的IPv4/IPv6雙協(xié)議棧結(jié)構(gòu)。

2協(xié)議棧的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1平臺(tái)無(wú)關(guān)性

本文所設(shè)計(jì)的TCP/IP雙協(xié)議棧，要求不能局限于特定的硬件環(huán)境和軟件系統(tǒng)。因此，本協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)采用將所有的TCP/IP協(xié)議都駐留在一個(gè)進(jìn)程當(dāng)中，協(xié)議棧模塊與操作系統(tǒng)內(nèi)核分開(kāi)。通過(guò)定義一個(gè)操作系統(tǒng)模擬層實(shí)現(xiàn)平臺(tái)無(wú)關(guān)性。操作系統(tǒng)模擬層屏蔽硬件上的差異和獲取操作系統(tǒng)提供統(tǒng)一的接口，如時(shí)鐘、過(guò)程同步以及信息傳遞機(jī)制等。對(duì)于特定的嵌入式操作系統(tǒng)，直接對(duì)操作系統(tǒng)模擬層相應(yīng)部分進(jìn)行修改，以符合具體的要求。操作系統(tǒng)模擬層主要包括下面兩個(gè)部分：

⑴與處理器和編譯器有關(guān)

對(duì)不同微處理器的BYTE_ORDER存儲(chǔ)系統(tǒng)定義;對(duì)不同編譯器的數(shù)據(jù)類型長(zhǎng)度的定義;與CPU或編譯器相關(guān)的內(nèi)容的定義。

⑵與操作系統(tǒng)相關(guān)

協(xié)議棧進(jìn)程與應(yīng)用程序進(jìn)程之間的同步與通訊，需要對(duì)信號(hào)量sys_sem_t、消息隊(duì)列sys_mbox_t和時(shí)鐘函數(shù)進(jìn)行定義和操作。

2.2協(xié)議棧的裁減

標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議棧功能復(fù)雜，代碼量大，且需大量的存儲(chǔ)器資源。為了滿足嵌入式應(yīng)用，必須對(duì)RFC定義的協(xié)議棧進(jìn)行裁減[1]。本協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)作了如下裁減：

⑴IP模塊：不支持?jǐn)?shù)據(jù)分片，不支持?jǐn)?shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)，不支持IPv6移動(dòng)功能，不支持部分IPv6的擴(kuò)展報(bào)頭。

⑵ICMPv6模塊：支持信息報(bào)文中的請(qǐng)求和應(yīng)答報(bào)文，支持錯(cuò)誤報(bào)文中的目的不可達(dá)和超時(shí)報(bào)文。

⑶鄰居發(fā)現(xiàn)模塊：支持地址解析、重復(fù)性探測(cè)，省略了路由功能。

⑷TCP模塊：支持多個(gè)連接，簡(jiǎn)化滑動(dòng)窗口，實(shí)現(xiàn)快速重傳、慢啟動(dòng)與擁塞避免算法的TCP可靠性機(jī)制;約減掉半關(guān)閉，緊急指針，大部分TCP選項(xiàng)等。

協(xié)議棧的層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用獨(dú)立于網(wǎng)絡(luò)層的方式，IPv4協(xié)議和IPv6協(xié)議分開(kāi)實(shí)現(xiàn)，條理清楚，易于裁減，同時(shí)不會(huì)增加太多代碼空間。

上層應(yīng)用(HTTP)

TCP

ICMPv4ICMPv6

ARPIPv4IPv6

網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)

3協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)

3.1內(nèi)存管理

內(nèi)存管理主要是針對(duì)協(xié)議棧內(nèi)部緩沖區(qū)的管理。為了勝任任意大小報(bào)文的處理，并且能夠達(dá)到比較高的處理效率，在這里定義了兩種緩沖區(qū)實(shí)現(xiàn)機(jī)制：固定長(zhǎng)度緩沖區(qū)(pbuf_pool)和變長(zhǎng)度緩沖區(qū)(pbuf_ram)。pbuf_pool主要適合于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)，存放從網(wǎng)卡接收的數(shù)據(jù)。 pbuf_ram根據(jù)數(shù)據(jù)的大小動(dòng)態(tài)的分配緩沖區(qū)，如協(xié)議的報(bào)頭空間。

在這里對(duì)存儲(chǔ)空間的申請(qǐng)做了一定改進(jìn)。由于發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)很難確定各層協(xié)議頭部需要多大的內(nèi)存空間，特別是IPv6報(bào)文可以包含若干個(gè)擴(kuò)展頭，所以只申請(qǐng)基本頭部的內(nèi)存空間，在使用中動(dòng)態(tài)調(diào)整的可能性就會(huì)很大，使得系統(tǒng)的效率降低。在這里提出了一種優(yōu)化方法，根據(jù)局部性原理，通常情況下一個(gè)連接在局部時(shí)間范圍內(nèi)需要網(wǎng)絡(luò)層提供相同功能的概率非常大，所以在該連接的TCP_PCB控制塊中增加一個(gè)變量num，用于記錄上次通信時(shí)IPv6協(xié)議頭所使用的字節(jié)數(shù)，并且此變量可以被網(wǎng)絡(luò)層的函數(shù)進(jìn)行修改。當(dāng)傳輸層下次申請(qǐng)pbuf時(shí)，就參考這個(gè)值。如果所需的存儲(chǔ)空間比此值大，就需重新申請(qǐng)能滿足要求的存儲(chǔ)空間，同時(shí)修改num的值，并作為下一次申請(qǐng)的參考。

3.2網(wǎng)絡(luò)接口的實(shí)現(xiàn)

網(wǎng)絡(luò)接口層在設(shè)計(jì)上主要考慮下面幾個(gè)目標(biāo)：⑴向協(xié)議層提供一個(gè)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)通信接口，能夠?qū)⑸蠈訁f(xié)議模塊與具體的網(wǎng)絡(luò)接口硬件隔離開(kāi)來(lái)，以利于向不同操作系統(tǒng)的移植;⑵支持一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口配置多個(gè)IP地址的功能，因?yàn)镮Pv6一個(gè)接口的IP地址包括本地鏈路、本地站點(diǎn)和全局三類地址;⑶支持多播報(bào)文的收發(fā)，提供動(dòng)態(tài)的多播IP與多播MAC地址的映射服務(wù);⑷提供較好的通信性能等。

針對(duì)上述目標(biāo)，設(shè)計(jì)了如下的網(wǎng)絡(luò)接口控制結(jié)構(gòu)：

struct netif {

struct netif *next; /*指向下一個(gè)netif結(jié)構(gòu)的指針*/

netif_ipaddr *iplist; /*指向接口的ip地址鏈的首指針*/

char name[2]; /*接口名稱*/

err_t (* input)(struct pbuf *p, struct netif *); /*接口輸入函數(shù)指針*/

err_t (* output)(struct netif *, struct pbuf *p,netif_addr *); /*接口輸出函數(shù)指針*/

err_t (* linkoutput)(struct netif *, struct pbuf *p); /*鏈路層輸出函數(shù)指針*/

void *state; /*指向接口的狀態(tài)信息*/

mac_addr netifmacaddr; /*接口的MAC地址*/

netif_multi *multilist; /*本接口的MAC多播地址鏈?zhǔn)字羔?/

┊ /*省略了部分信息 */

};

網(wǎng)絡(luò)接口層是協(xié)議棧與下層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序之間的接口，同時(shí)支持IPv4報(bào)文和IPv6報(bào)文，通過(guò)判斷幀的類型字段，把接收到的不同類型的報(bào)文交給不同的協(xié)議模塊進(jìn)行處理。

3.3 IPv6模塊

IPv6[2]模塊主要包括兩部分的功能，一是負(fù)責(zé)從網(wǎng)絡(luò)接口層接收IPv6數(shù)據(jù)包，對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行一定的處理后發(fā)送給上層處理模塊(TCP或ICMPv6)。二是從上層接收數(shù)據(jù)，進(jìn)行報(bào)文的選路，封裝IPv6報(bào)頭后將數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)接口層。

3.3.1 ICMPv6[3]的簡(jiǎn)化分析

⑴ICMPv6信息報(bào)文

嵌入式設(shè)備只需作為Ping的接收端，所以不需要發(fā)送回顯請(qǐng)求報(bào)文和處理回顯應(yīng)答報(bào)文。為了讓客戶端可以測(cè)試網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)以及測(cè)試使用，必須支持接收請(qǐng)求報(bào)文和發(fā)送相應(yīng)的應(yīng)答報(bào)文。

⑵ICMPv6錯(cuò)誤報(bào)文

由于嵌入式設(shè)備不會(huì)作為路由轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，所以需要實(shí)現(xiàn)發(fā)送端口不可達(dá)報(bào)文，同時(shí)要支持超時(shí)報(bào)文通告對(duì)端超時(shí)錯(cuò)誤。在BSD中，IP層沒(méi)有發(fā)送參數(shù)問(wèn)題報(bào)文， ICMPv6無(wú)需支持處理參數(shù)問(wèn)題報(bào)文。

3.3.2鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議(NDP)的簡(jiǎn)化分析

NDP[4]是IPv6協(xié)議的一個(gè)基本組成部分，它用于地址解析、鄰居發(fā)現(xiàn)以及路由器及網(wǎng)絡(luò)參數(shù)發(fā)現(xiàn)。本協(xié)議棧不支持路由功能，所以無(wú)需實(shí)現(xiàn)發(fā)送路由器通告報(bào)文，但必須接受路由器通告報(bào)文，以完成路由發(fā)現(xiàn)功能。同時(shí)支持鄰居通告和鄰居請(qǐng)求報(bào)文的接收和發(fā)送，以實(shí)現(xiàn)地址解析和重復(fù)探測(cè)。

3.4 TCP模塊

在TCP之上實(shí)現(xiàn)有限的WEB服務(wù)，可以對(duì)該協(xié)議的實(shí)現(xiàn)機(jī)制作相應(yīng)的簡(jiǎn)化及優(yōu)化。

3.4.1 TCP模塊的擴(kuò)展

TCP對(duì)IPv4和IPv6報(bào)文的處理過(guò)程沒(méi)有任何的不同，但是由于IPv4和IPv6地址結(jié)構(gòu)不同，需要對(duì)使用IP地址的部分進(jìn)行擴(kuò)展。

⑴數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)擴(kuò)展

PCB是用來(lái)記錄每個(gè)TCP連接狀態(tài)的，包括本地IP地址和遠(yuǎn)程IP地址，擴(kuò)展時(shí)使用union結(jié)構(gòu)添加IPv6地址，同時(shí)添加標(biāo)識(shí)位區(qū)別連接。

⑵操作擴(kuò)展

在TCP處理過(guò)程中包括輸入時(shí)對(duì)IP地址和端口號(hào)的匹配，輸出時(shí)校驗(yàn)和的計(jì)算和路由的查找。由于對(duì)IPv4和IPv6報(bào)文調(diào)用相同的處理函數(shù)，需要在實(shí)現(xiàn)時(shí)在這幾個(gè)函數(shù)的處理過(guò)程中加入對(duì)相應(yīng)PCB中標(biāo)識(shí)位的判斷。

3.4.2 簡(jiǎn)化TCP狀態(tài)機(jī)

TCP的面向連接和可靠性傳輸?shù)忍匦詻Q定了每一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的TCP狀態(tài)機(jī)龐大而且復(fù)雜，對(duì)于嵌入式應(yīng)用，可以根據(jù)需要進(jìn)行簡(jiǎn)化。

建立連接分為主動(dòng)打開(kāi)和被動(dòng)打開(kāi)，本協(xié)議棧設(shè)計(jì)作為監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)的服務(wù)器端，僅實(shí)現(xiàn)被動(dòng)打開(kāi)。在設(shè)計(jì)中去掉了CLOSED狀態(tài)，讓它一開(kāi)始就處于LISTEN狀態(tài)，等待對(duì)方發(fā)起連接。

斷開(kāi)連接分為主動(dòng)斷開(kāi)和被動(dòng)斷開(kāi)，從安全性的角度考慮，本設(shè)計(jì)僅實(shí)現(xiàn)主動(dòng)斷開(kāi)連接。當(dāng)服務(wù)器發(fā)送完數(shù)據(jù)時(shí)，向客戶機(jī)發(fā)送關(guān)閉連接請(qǐng)求。

通過(guò)以上分析，根據(jù)特定的應(yīng)用不失一般性的裁減掉復(fù)雜和冗余的機(jī)制，除去標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)機(jī)中的客戶端部分，簡(jiǎn)化連接的建立和關(guān)閉過(guò)程，就得到如圖2所示的簡(jiǎn)化的TCP狀態(tài)機(jī)模型。

圖2 簡(jiǎn)化TCP有限狀態(tài)機(jī)

圖3 滑動(dòng)窗口示意圖

3.4.3 簡(jiǎn)化的窗口機(jī)制

標(biāo)準(zhǔn)的TCP協(xié)議使用慢啟動(dòng)的滑動(dòng)窗口機(jī)制[5]，它允許發(fā)送方在等待一個(gè)確認(rèn)之前發(fā)送多個(gè)窗口。其確認(rèn)是一種批量的確認(rèn)，處理器要對(duì)多個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)連續(xù)傳輸進(jìn)行維護(hù)和處理，困難較大。

而滑動(dòng)窗口的一個(gè)極限情況，是只使用單個(gè)窗口，這就變成了一種簡(jiǎn)單確認(rèn)的處理方法。只是對(duì)于單個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)的發(fā)送和確認(rèn)，雖然節(jié)約了系統(tǒng)的資源，也使維護(hù)更加方便，但是卻降低了效率。

系統(tǒng)采用了一個(gè)折中的辦法，適當(dāng)調(diào)整窗口的大小，限制連續(xù)發(fā)送報(bào)文段的個(gè)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡(jiǎn)化的窗口機(jī)制，如圖3所示。在這里，設(shè)置窗口大小(snd_wnd)為4個(gè)最大報(bào)文段長(zhǎng)度(MSS)，可以適當(dāng)提高數(shù)據(jù)傳輸效率。

4 協(xié)議棧的移植和測(cè)試

在完成雙協(xié)議棧的設(shè)計(jì)調(diào)試后，將此協(xié)議棧移植到基于ARM7TDMI核的AT91M40800開(kāi)發(fā)板上，使用其中內(nèi)嵌的10Mbps以太網(wǎng)控制器 RTL8019AS作為網(wǎng)絡(luò)接口。在該平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡(jiǎn)單的Web Server。通過(guò)構(gòu)建提供IPv4地址和IPv6地址訪問(wèn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試，該雙協(xié)議棧運(yùn)行穩(wěn)定、正常。

同時(shí)，在相同環(huán)境下將此協(xié)議棧與開(kāi)源的協(xié)議棧LwIP作了吞吐率性能方面的比較，如圖4所示?？芍?，本協(xié)議棧有較好的吞吐率，在連接數(shù)達(dá)到3條以后，平均吞吐率達(dá)到了460kB/s。

圖4 協(xié)議棧吞吐率比較

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要介紹了一種嵌入式雙協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)，實(shí)踐證明它是一個(gè)符合TCP/IP協(xié)議規(guī)范的，高性能，低開(kāi)銷，可移植的IPv4/IPv6雙協(xié)議棧。本協(xié)議棧僅實(shí)現(xiàn)了基本的IPv4和IPv6通信功能，還有需多需要改進(jìn)和增強(qiáng)的地方，擴(kuò)展IPv6的移動(dòng)功能是此協(xié)議棧下一步的研究重點(diǎn)。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：嵌入式雙協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)獨(dú)立于操作系統(tǒng)內(nèi)核和硬件平臺(tái)。設(shè)計(jì)了具有較高處理效率的緩沖區(qū)管理機(jī)制，對(duì)IPv6功能模塊進(jìn)行了裁減，對(duì)TCP模塊中的運(yùn)行狀態(tài)機(jī)和滑動(dòng)窗口機(jī)制進(jìn)行了簡(jiǎn)化。