LwIP協議棧的pbuf結構探索與研究

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(西安工程大學 電子信息學院，西安 710048)

引 言

隨著工業 4.0 的提出和工業以太網的普及,越來越多的工業設備急需接入 Internet[14-15]。 以太網是嵌入式系統的一個重要模塊[8]。實現嵌入式設備的互聯必須要有網絡協議的支持[4]。LwIP在嵌入式通信中占有很重要的地位，主要是由于其占用資源較少。實驗表明,運行該協議只需要20 KB的RAM和40 KB的ROM[2]。LwIP協議為數據通信提供了基礎[5]。pbuf結構對于LwIP而言是非常重要的，它關系到數據存放的問題，由于不同類型pbuf的內存分配方式有所不同，那就意味著將會儲存不同類型的數據包。如果對pbuf沒有一個深刻的了解和認識，就不能靈活地運用pbuf的類型。靈活運用pbuf的類型對于數據包的接收和發送是非常重要的[13]，如果不能合理地分配儲存空間的大小和pbuf類型，可能導致數據丟失和空間的浪費。為了解決上述問題，本文對pbuf結構進行了深度分析，并設計了內存分配實驗。

1 pbuf結構介紹

LwIP是瑞士計算機科學院開發的一套用于嵌入式系統的開源TCP/IP協議棧[7,12]，用于嵌入式系統的開放源代碼的 TCP/IP 協議棧[8]。 LwIP提供一系列函數實現IP、TCP、UDP等操作[10]。對數據包如何進行處理，在LwIP“輕型IP協議(Light Weight IP)”[21]中是非常重要的一個環節。在網卡驅動編寫時最核心的部分是數據的存儲與傳輸方式[6]。而在LwIP中主要利用4種不同類型的pbuf來對數據包進行分類管理。

由于實際存入pbuf結構的數據可能會很大，所以需要由多個pbuf才可以實現對數據包的存放。這些pbuf可以是相同的類型，也可以是多種類型的混合使用。pbuf的申請和釋放是通過兩個函數pbuf_alloc()和pbuf_free()來完成的，pbuf_alloc()函數中含有兩個重要的參數：layer和type，其中枚舉類型pbuf_layer通過參數layer決定是協議棧的哪一層(PBUF_TRANSPORT、PBUF_IP、PBUF_LINK以及PBUF_RAW)和pbuf中的offset“偏移量”。pbuf的類型主要通過枚舉類型Pbuf_type體現出來，然后根據參數type的不同進行不同的選擇，最后再通過switch語句選擇用哪一種類型。LwIP中的 pbuf 有4種類型: PBUF_POOL、PBUF_RAM、PBUF_ROM、PBUF_REF[1]。pbuf結構如下:

struct pbuf {

struct pbuf *next; /*指向下一個pbuf*/

void *payload; /*指向數據緩沖區*/

u16_t tot_len; /*所有pbuf的數據長度*/

u16_t len; /*當前pbuf的數據長度*/

u8_t type; /*pbuf類型*/

u8_t flags /*狀態標志*/

u16_t ref; /*記錄當前pbuf被引用次數*/

};

2 pbuf類型的探索與研究

2.1 PBUF_RAM類型

PBUF_RAM類型的pbuf是從LwIP的內存堆中申請得到的，主要用來儲存協議棧和應用程序中的待發送數據，所以在學習和了解PBUF_RAM之前要先對內存堆的結構進行分析和了解。從圖 1內存堆的結構示意圖中可以看出，每一個被分配的存儲塊都包含一個小的結構。其結構體的成員變量分別包括next、prev以及used。為了能夠更加清楚地了解內存堆的分配狀況，特意對其組織結構圖進行了顏色區別，其中陰影部分表示被分配(used 被置位為1)，否則為0。內存堆組織結構還可以通過*next和*prev將相鄰的結構塊連接起來。在內存堆分配內存時需要注意:在其分配時每個內存塊的大小是有一定差異的，而且可能會隨時變動。在對內存堆分析過后，再對PBUF_RAM類型的pbuf進行代碼講解，其源代碼主要在源文件pbuf.c中。其部分代碼如下:

case PBUF_RAM：

p=(structpbuf*)mem_malloc(LwIP_MEM_ALIGN_S

IZE(SIZEOF_STRUCT_PBU+offset)+LwIP_MEM_ALIGN_SIZE(length))；

/*獲取PBUF_RAM類型內存大小*/

if (p == NULL) {return NULL；}

p->payload = LwIP_MEM_ALIGN((void *)((u8_t *)

p+SIZEOF_STRUCT_PBUF+offset))；

p->len = p->tot_len = length；/*數據包幀的大小*/

p->next = NULL；

p->type = type；

break；

圖2 PBUF_RAM類型的pbuf結構

通過源代碼可知，PBUF_RAM類型的pbuf結構內存的大小分別包括offset、length和SIZEOF_STRUCT_PBU。其中offset表示一個偏移量里面用來存儲一些首部字段，如TCP報文首部、IP首部等。由于next和payload占用4個字，然而tot_len、len和ref占用2個字節，type和flags為1個字節，因為圖2中每一行分配為4個字節，所以next和payload各占用一行，tot_len和len兩者共同占用一行，而type、flags和ref三者共同占用一行，最后的空白區域表示數據存儲區。又因為其先后順序不同，最終申請的PBUF_RAM類型的pbuf結構如圖2所示。

2.2 PBUF_POOL類型

PBUF_POOL類型的pbuf與PBUF_RAM類似，都包括offset、length和SIZEOF_STRUCT_PBU，不同之處在于兩者申請內存的地方不同，從而導致特性不同，由于分配PBUF_POOL速度快，所以可以用來存放對分配內存速度要求較高的數據。其部分代碼如下：

p=(structpbuf*)memp_malloc(MEMP_PBUF_POOL);

/*獲取PBUF_POOL內存大小*/

if (p == NULL) {

PBUF_POOL_IS_EMPTY();

return NULL;}

p->type = type;

p->next = NULL;

p->payload = LwIP_MEM_ALIGN((void *)((u8_t *)

p + (SIZEOF_STRUCT_PBUF + offset)));

break;

由于PBUF_POOL類型的pbuf其內存是從MEMP_PBUF_POOL中申請得到的，所以能夠通過在MEMP_PBUF_POOL中改變宏定義PBUF_POOL_SIZE的大小來設置內存池的個數，通過改變PBUF_POOL_BUFSIZE的數值來改變內存池大小。但是其不能設置的太大，要根據數據實際應用的大小來定義，因為每個POOL都具有固定大小，如果設置太大會造成內存的浪費[16]，如果設置太小可能會出現以下問題：

① 每個pbuf結構在內存池中占用的內存大小是一定的，假如POOL設置太小，就會導致內存利用率下降；

② 如果pbuf中數據區分配太小,可能會導致數據分組首部信息得存放到下一個pbuf結構中，從而導致操作不方便。

事實上,應用程序發送和接收的數據可能會遠遠大于一個PBUF_POOL所存儲的數據量，而且內存池類型的內存分配每次分配到的大小是固定的，圖3所示一般需要多個PBUF_POOL類型并通過指針next指向下一個PBUF_POOL類型，從而使多個PBUF_POOL類型鏈接成一個鏈表,用于存儲數據分組。雖然經過多次分配構成一個鏈表，但是它們仍然是一個數據包，因此只有第一個pbuf有offset來存儲有關數據包的信息，其余的則不需要。

圖3 PBUF_POOL

2.3 PBUF_ROM和PBUF_REF類型

圖4 PBUF_ROM和PBUF_REF

PBUF_ROM、PBUF_REF與PBUF_POOL一樣都是從內存池中申請得到的，但是不同之處是它們使用的是內存池MEMP_PBUF。如圖4所示，這兩種類型的pbuf所申請的內存主要是用來存放pbuf結構體，并沒有給數據空間申請內存，但是這兩個的數據空間可以應用其它地方的內存(RAM/ROM)進行數據存儲。

3 pbuf的釋放

在對pbuf進行內存釋放的時候是通過調用pbuf_free()來完成，當釋放pbuf的時候，LwIP會自動檢測pbuf的類型，然后再調用相關的函數進行相對應的刪除。但是在對其內存進行釋放的時候需要先滿足一定的條件，其中主要是通過檢測ref“引用(reference)”的大小，只有當ref的數值不小于1的時候，pbuf才有可能被釋放，但不是一定會被釋放，當有其它類型的pbuf通過next指針指向該pbuf的時候，其相對應的ref的值就會相對應的增加1，當釋放pbuf的時候其先對應的那個ref數值也會相對應的減去1。當有多個pbuf結構連接在一起時，釋放第一個pbuf時，該pbuf鏈的第二個節點就會成為pbuf鏈的第一個節點同時會自動檢測pbuf節點是否被其它的所引用，即判斷ref是否大于1，如果不大于則繼續刪除，否則終止。

4 試驗結果

本實驗是在以Cortex-M3為內核的開發板上進行[9]，對PBUF_RAM類型的pbuf在RAM中的內存分配和釋放進行模擬實驗，探究了其如何進行內存分配和存儲數據以及如何進行內存的釋放。因為pbuf的類型較多，而且在對數據管理的時候可能為多種類型混合使用，不易針對某個類型的pbuf進行單獨內存分配和釋放實驗。對該內存堆的操作類似于C語言中的malloc/free[1,3]。所以該實驗主要是通過運用malloc/free函數在內部內存RAM分配和釋放內存的方式來模擬PBUF_RAM在RAM中的分配和釋放[16-18]，并通過LCD進行字符串的存儲地址、寫入的字符串，以及RAM使用率的顯示。

其中圖5、圖6中的SRAMIN USED字樣表示RAM的使用率，Addr用來表示數據存放的地址。通過圖5可以看出，當向內部內存RAM中寫入字符串“Memory Malloc Test123”時，其內存使用率為10%，存儲地址為0X2000 92C0，說明已經將字符串寫入到RAM中。圖6是對其內存釋放，可以看出其內存使用率減小，其地址變為0X0000 0000，表明將RAM中的數據進行了釋放，但是其內存使用率理論上應該為0，這里的5%就是內存碎片。由于嵌入式系統的內存空間是非常寶貴的，尤其對于數據的傳輸而言，如果每次傳輸都產生碎片，那就是資源的浪費。所以對pbuf結構的分析與探究是非常必要的。

圖5 內存申請

圖6 內存釋放

結 語

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徐健(副教授)，主要研究方向為電能質量、數字信號處理；孫慶，主要研究方向為計算機控制網絡。