基于嵌入式ＴＣＰ／ＩＰ軟件體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：本文提出一種基于嵌入式TCP／IP軟件體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和解決方案，通過(guò)分析在嵌入式系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)TCP／IP的速度、程序結(jié)構(gòu)、內(nèi)存需求等特點(diǎn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)了清晰的TCP／IP和應(yīng)用層接口、防止多余的內(nèi)存拷貝和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包整序重發(fā)／窗口控制。最后給出了嵌入式TCP／IP的性能評(píng)價(jià)。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；TCP／IP；軟件體系結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

2006年9月24日收到本文。廖日坤：博士，從事下一代網(wǎng)絡(luò)、EPON接入網(wǎng)、嵌入式VolP研究。

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(NO．2004AAl22110)、國(guó)家杰出青年科學(xué)基金(No．60325104)、教育部科學(xué)技術(shù)研究重大項(xiàng)目資助計(jì)劃項(xiàng)目(NO．0215)支持。

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和電子信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，Internet的普及，接入Internet的非PC設(shè)備越來(lái)越多，各類電子設(shè)備像Web個(gè)人數(shù)字助理、Web可視電話、TV機(jī)頂盒接入Internet的需求也越來(lái)越大，嵌入式TCP／IP的Internet網(wǎng)絡(luò)化將成為網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的趨勢(shì)。

嵌入式系統(tǒng)中大量存在的是8／16位低速處理器，在進(jìn)行Internet接入時(shí)，嵌入式TCP／IP對(duì)于計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器、運(yùn)算速度要求比較高，占用大量系統(tǒng)資源，因而常嵌入TCP／IP協(xié)議簇的子集或用UDP代替TCP實(shí)現(xiàn)。

本文提出一種基于嵌入式TCP／IP軟件體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案，從實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能又節(jié)省系統(tǒng)資源角度出發(fā)，對(duì)嵌入TCP／IP優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)嵌入式的Internet接入。

嵌入式TCP／IP接入方法

嵌入式電子設(shè)備接入Internet有多種解決方案：在低速微處理器運(yùn)行剪裁的TCP／IP協(xié)議棧；使用一些ASIC實(shí)現(xiàn)TCP／IP的芯片如ADI的Internet Modem；也可以使用嵌入式操作系統(tǒng)自帶的完整的TCP／IP協(xié)議棧。在某些對(duì)網(wǎng)絡(luò)速度要求不高的領(lǐng)域，可以精簡(jiǎn)的TCP／IP實(shí)現(xiàn)；在對(duì)性能要求高的場(chǎng)合，則可以選擇后兩種方案。嵌入式設(shè)備接入Internet網(wǎng)絡(luò)常用的方案比較如表1所示。

但以上接入方法一般專門為某種微處理器設(shè)計(jì)，不具有通用性，而且效率較低或功能不夠全面。本文提出的經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的嵌入式TCP／IP適合移植到各種嵌入式處理器中，如單片機(jī)、ARM或ARM+FPGA多核嵌入式處理器中，具有較小的代碼量、RAM使用量和較高的效率，同時(shí)支持套接字形式的多個(gè)TCP連接和多個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接，支持通過(guò)網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)包和數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)，支持TCP包的整序、重發(fā)和窗口控制流量控制等等。

嵌入式TCP／IP的軟件體系結(jié)構(gòu)與優(yōu)化設(shè)計(jì)

嵌入式TCP／IP軟件體系結(jié)構(gòu)

與PC TCP／IP協(xié)議相似，嵌入式TCP／IP采用協(xié)議分層的結(jié)構(gòu)：應(yīng)用層、TCP層、IP層和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口層。圖1描述了嵌入式TCP／IP輸入和輸出數(shù)據(jù)包流程以及調(diào)用的函數(shù)。

其中，Timer()函數(shù)調(diào)用TCPTimer()處理TCP數(shù)據(jù)包重發(fā)，以及調(diào)用每個(gè)接口的In—put()函數(shù)接收到達(dá)的數(shù)據(jù)包。Timer()函數(shù)必須在短時(shí)間(一般<20ms)內(nèi)被調(diào)用一次，否則接收數(shù)據(jù)包和TCP定時(shí)等功能將停止。

輸出時(shí)，TCP層先查看unsend隊(duì)列，發(fā)現(xiàn)非空，將數(shù)據(jù)包插入隊(duì)列；發(fā)現(xiàn)為空，則查看對(duì)方窗口是否夠大能夠接收這個(gè)數(shù)據(jù)包，然后填寫TCP頭部信息。IP層選擇網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口，目的IP和該接口的子網(wǎng)掩碼相與是否等于子網(wǎng)掩碼。然后調(diào)用這個(gè)接口的Output函數(shù)來(lái)發(fā)送。

輸入時(shí)，Timer()函數(shù)調(diào)用每個(gè)接口的In—put函數(shù)。IP層判斷IP版本、IP校驗(yàn)和、判斷是否應(yīng)該轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，然后根據(jù)IP頭部的protocol字段將包傳給相應(yīng)的高層處理。TCP層，需要判斷TCP校驗(yàn)和，然后在現(xiàn)有的套接字中查找，判斷是否有套接字可以接收這個(gè)數(shù)據(jù)包，判斷TCP序號(hào)是否為希望的，然后更新這個(gè)連接的狀態(tài)(包括釋放被應(yīng)答的數(shù)據(jù)包和TCP狀態(tài)機(jī)的轉(zhuǎn)化等)，調(diào)用該套接字的回調(diào)函數(shù)recv。

圖2程序主流程是一個(gè)大循環(huán)，在循環(huán)中處理發(fā)送數(shù)據(jù)包等應(yīng)用層協(xié)議同時(shí)查詢變量bTimeOut，在定時(shí)中斷中將bTimerOut設(shè)置為真，應(yīng)用層在程序流程中反復(fù)查詢bTimerOut是否為真，真則調(diào)用Timer()，然后置bTimerOut為假。

嵌入式TCP／IP設(shè)計(jì)優(yōu)化

因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)非常多，如果把所有的數(shù)據(jù)都讀到內(nèi)存中再判斷是否應(yīng)該丟棄幀顯然效率不高。所以邊讀取數(shù)據(jù)邊判斷而沒(méi)有一開(kāi)始就把整個(gè)幀全部讀到內(nèi)存中，同時(shí)在程序里定義幀中各個(gè)部分的相對(duì)地址，可以方便的對(duì)幀的各個(gè)字節(jié)尋址。這樣的設(shè)計(jì)是基于提高訪問(wèn)速度考慮的。

為了減小RAM使用量，當(dāng)數(shù)據(jù)包需要重新發(fā)送時(shí)，如果能夠重新產(chǎn)生數(shù)據(jù)包所需的數(shù)據(jù)，可以不存儲(chǔ)需要被應(yīng)答的TCP包。圖3給出了嵌入式CPU中TCP／IP的內(nèi)存劃分，以及內(nèi)存中幀的各個(gè)字節(jié)的定義和相對(duì)位置，其中PacketRAM為存放幀的首地址。

發(fā)送TCP／IP過(guò)程中主要的運(yùn)算量集中在三個(gè)部分：應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)拷貝到RAM、計(jì)算TCP校驗(yàn)和、將RAM中的數(shù)據(jù)包拷貝到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的發(fā)送緩沖區(qū)。對(duì)每一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，兩次拷貝大致共使用12×2=24個(gè)指令周期；計(jì)算TCP校驗(yàn)和使用為16個(gè)指令周期。為提高速度可采用快速CPU或提高晶振頻率。例如采用12M晶振時(shí)，網(wǎng)絡(luò)傳輸速度為25K字節(jié)／s；而在高頻PCB電路板使用233M晶振時(shí)，網(wǎng)絡(luò)傳輸速度能達(dá)到為384K字節(jié)／s。

另外，TCP／IP一般采用C語(yǔ)言或者混合匯編，而使用可重入函數(shù)和一般指針(genericpointer)使得程序代碼增大，運(yùn)行速度變慢．所以使用函數(shù)指針時(shí)，應(yīng)手動(dòng)重建調(diào)用樹(shù)(Calltree)，或?qū)⒑瘮?shù)指針調(diào)用的函數(shù)設(shè)置為可重入函數(shù)，同時(shí)使用“指定存儲(chǔ)類型”的指針(memory—specific pointer)，防止數(shù)據(jù)包的不必要的拷貝以及優(yōu)化計(jì)算校驗(yàn)和和內(nèi)存拷貝函數(shù)。另外，Reentrant類型的函數(shù)比一般函數(shù)速度要慢很多，但是某些時(shí)候?yàn)榱顺绦蚪Y(jié)構(gòu)的需要必須使用Reentrant，這就需要在速度和結(jié)構(gòu)之間作一個(gè)選擇。

嵌入式TCP／IP的實(shí)現(xiàn)

TCP／1P的嵌入式實(shí)現(xiàn)一般通過(guò)以軟件方式嵌入到ROM中，然后通過(guò)輕網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)與專用嵌入式網(wǎng)關(guān)連接，在嵌入式處理器中運(yùn)行TCP／IP協(xié)議，提供TCP／IP到用戶的輕型網(wǎng)絡(luò)的連接和路由功能。

內(nèi)存管理方法和無(wú)多余數(shù)據(jù)包拷貝的實(shí)現(xiàn)

嵌入式TCP／IP的內(nèi)存管理可以用鏈表方法，即根據(jù)數(shù)據(jù)包大小分配相應(yīng)大小的內(nèi)存塊。如圖4所示，鏈表將內(nèi)存塊鏈接起來(lái)，used字段表示該內(nèi)存塊是否正在使用，pS start和pEend則表示數(shù)據(jù)部分有效數(shù)據(jù)的開(kāi)始地址和結(jié)束地址。搜索內(nèi)存鏈表找到一個(gè)沒(méi)有分配的比所需空間大的內(nèi)存塊，截取所需的大小。該內(nèi)存塊被截取以后可能還有較多剩余，這時(shí)將剩余部分從原內(nèi)存塊中分離出來(lái)，成為一個(gè)新的內(nèi)存塊，并插入鏈表。釋放時(shí)，將used值置為假，如果pNext或者pPre指向的鏈表單元也是空閑的，則將其和自己合并，以防止內(nèi)存分片。在協(xié)議層之間傳送數(shù)據(jù)包只需傳送內(nèi)存塊的起始地址。這種內(nèi)存管理方法，空間浪費(fèi)小但是運(yùn)算量相對(duì)較大。

整序、重發(fā)和窗口控制的實(shí)現(xiàn)

對(duì)于嵌入式TCP／IP系統(tǒng)，可以使用隊(duì)列緩存的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)整序、重發(fā)和窗口控制。隊(duì)列的一個(gè)元素指向一個(gè)數(shù)據(jù)包，隊(duì)列的最大長(zhǎng)度沒(méi)有限制。

對(duì)于整序，使用ooSeq隊(duì)列，如果發(fā)現(xiàn)接收的TCP包序號(hào)并不是期望的，但序號(hào)在接收窗口內(nèi)，此時(shí)不能立刻接收這個(gè)包也不應(yīng)丟棄，可先將這個(gè)包放入ooSeq隊(duì)列。當(dāng)期望TCP包被接收后，再查看ooSeq隊(duì)列現(xiàn)在是否有TCP包成為了期望的數(shù)據(jù)包，如果有則將其取出并處理。

對(duì)于重發(fā)，使用unacked隊(duì)列，每一個(gè)需要被應(yīng)答的TCP數(shù)據(jù)包發(fā)送以后都要放入unacked隊(duì)列，等到被應(yīng)答以后才從隊(duì)列中刪除。TCP重發(fā)定時(shí)只針對(duì)unacked隊(duì)列第一個(gè)TCP包，如果定時(shí)超出，重新發(fā)送，重發(fā)次數(shù)超出規(guī)定值，則報(bào)錯(cuò)。

對(duì)于窗口控制，使用unsend隊(duì)列，如果發(fā)現(xiàn)對(duì)方的窗口過(guò)小無(wú)法接收這個(gè)數(shù)據(jù)包，則只發(fā)送部分?jǐn)?shù)據(jù)，將多余部分放入unsend隊(duì)列，等待對(duì)方發(fā)來(lái)TCP包通知新的窗口大小時(shí)，再次判斷是否可以發(fā)送。如果在unsend隊(duì)列不為空的情況下，需要發(fā)送的數(shù)據(jù)包都應(yīng)插入unsend隊(duì)列。

嵌入式TCP／I P的性能分析

圖5給出了將優(yōu)化設(shè)計(jì)后的TCP／IP移植到ARM9處理器、CS8900A網(wǎng)絡(luò)控制器中，時(shí)鐘頻率為133MHz下，與Internet連接的情況。

系統(tǒng)支持最大發(fā)起連接數(shù)約為380，最大并發(fā)連接率約為170cps。隨著呼叫數(shù)的增加，平均分組到達(dá)也隨之增加，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的增加，從而最大建立時(shí)間變長(zhǎng)。但最小的建立連接時(shí)間基本保持不變，說(shuō)明系統(tǒng)具有良好的性能。

圖6給出了隨建立時(shí)間變化的接通率。圖中存在一個(gè)臨界點(diǎn)，成功的連接率隨著TCP連接嘗試數(shù)目增加而減少，直至為0，而響應(yīng)時(shí)間也急劇上升，這是由嵌入式處理器的處理能力有限造成的。

結(jié)語(yǔ)

本文從實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能又節(jié)省系統(tǒng)資源角度出發(fā)，對(duì)嵌入式TCP／IP協(xié)議簇進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以在各種嵌入式處理器上實(shí)現(xiàn)Internet接入。

經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的嵌入式TCP／IP支持套接字形式的多個(gè)TCP連接、支持多個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、支持通過(guò)網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)包和數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)功能，以及支持TCP包的整序、重發(fā)和窗口控制流量控制。實(shí)踐證明，這種設(shè)計(jì)方式靈活，能按用戶需求實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能。

參考文獻(xiàn)：

1．Bilek J，Ruzicka IP．Evolutionary trends of embedded systems．IEEE InternationaI Con—ference on lndustrial Technology，2003．2(3)：901—905．

2．Perry．DE．Software engineering andsoftware architecture．In：Feng Yu-fin．Beijing：Electronic lndustry Press，2000．

3．Batory D．O'Malley S．The design and implementation of hierarchical software sys—tems with reusable components．ACM Trans．on Softwa re Engineer and Methodology．1 992，1(4)：355-398．

4．Hutchinson N，Peterson L．The x-kernel：Architecture for implementing network proto—cols．IEEE Trans．0n Software Engineering．19911 7(1 J：64-76．

5．Postel J．Internet Official Protocol Stan—dards，RFC 1 720．Network Working Groupf_996．

6．Rastofer U，Bellosa F．Component-basedsoftware engineering for distributed embed—ded real-time systems Softwa re．1EE Proceed-ings，2001，148(3)：99—1 03．

7．Swaminathan V．Chakraba rty K．Nef-work flow techniques for dynamic VOltage scal·ing in ha rd real—time systems．1EEE Trans．onComputer-Aided Design of Integrated Circuitsand Systems，2004，23(10)：1385—1398．

8．Schmidt DC，Box DF，Suda T．Adaptive：A dynamically assembled protocol transfor—marion，integ ration and evaluation environ—ment．Concu rrency：P ractice and Experi-ence，1993，5(4)：269-286．

9．周立功：ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程，北京航空航天大學(xué)出版社，2005．1

1O．Douglas E．comer，David L．stevens：用TCP／IP進(jìn)行網(wǎng)際互連，電子工業(yè)出版社，2000．8