LwIP的內存管理分析

TCP/IP是一種基于OSI參考模型的分層網(wǎng)絡(luò )體系結構，它由應用層、運輸層、網(wǎng)絡(luò )層、數據鏈路層、物理層組成。各層之間消息的傳遞通過(guò)數據報的形式進(jìn)行。由于各層之間報頭長(cháng)度不一樣，當數據在不同協(xié)議層之間傳遞時(shí)，對數據進(jìn)行封裝和去封裝、增加和刪除操作將十分頻繁。

　　在嵌入式系統開(kāi)發(fā)中也經(jīng)常遇到類(lèi)似問(wèn)題。用戶(hù)數據從本地嵌入式設備傳輸到遠程主機的過(guò)程中，要經(jīng)過(guò)各層協(xié)議，對消息的封裝、去封裝和拷貝操作幾乎是不可避免的。而通常所采用的用一段連續的內存區來(lái)存儲、傳遞數據的做法會(huì )有以下的缺陷：

　　(1)當從上層向下層傳遞數據時(shí)，下層協(xié)議需要對數據進(jìn)行封裝，而上層在申請內存時(shí)沒(méi)有(也不應該)考慮下層的需要。這樣會(huì )導致下層協(xié)議處理時(shí)需要重新申請內存并進(jìn)行內存拷貝，從而影響程序的效率。

　　(2)當從下層向上層傳遞數據時(shí)，下層協(xié)議專(zhuān)有的數據結構應當對上層協(xié)議不可見(jiàn)。因此也需要重新申請內存并進(jìn)行內存拷貝。

　　(3)隨著(zhù)數據的逐層處理，其內容可能有所增減，而連續內存很難處理這種動(dòng)態(tài)的數據增刪。

　　因此，必須有一種能適應數據動(dòng)態(tài)增刪、但在邏輯上又呈現連續性的數據結構，以滿(mǎn)足在各協(xié)議層之間傳遞數據而不需要進(jìn)行內存拷貝。嵌入式TCP/IP協(xié)議棧要求簡(jiǎn)單高效，并減少對內存的需求。這些都需要相應的內存管理機制實(shí)現。

　　1 LwIP協(xié)議棧中pbuf介紹

　　LwIP(Light weight IP)是瑞士計算機科學(xué)院Adam Dunkels等開(kāi)發(fā)的一套用于嵌入式系統的開(kāi)放源代碼TCP/IP協(xié)議棧。LwIP可以移植到操作系統上，也可以在無(wú)操作系統的情況下獨立運行。LwIP TCP/IP實(shí)現的重點(diǎn)是：在保持TCP協(xié)議主要功能的基礎上，減少對RAM的占用。這使LwIP協(xié)議棧適合在低端嵌入式系統中使用。

　　LwIP利用pbuf結構實(shí)現數據傳遞，它與BSD中的Mbuf很相似。pbuf的主要用途是保存在應用程序和網(wǎng)絡(luò )接口間互相傳遞的用戶(hù)數據。

　　pbuf的內部結構為：

　　struct pbuf{

　　struct pbuf *next;　　/*指向下一個(gè)pbuf*/

　　void *payload;　　　　/*指向pbuf數據中的起始位置*/

　　u16_t tot_len;　　　　/*該pbuf和后續pbuf中數據長(cháng)度的總和*/

　　u16_t len;　　　　　　/*該pbuf中數據的長(cháng)度*/

　　u16_t flags;　　　　　/*pbuf的類(lèi)型*/

　　u16_t ref;　　　　　　/*該pbuf被引用的次數*/

　　}2 LwIP內存管理的實(shí)現

　　在運行TCP/IP協(xié)議棧的嵌入式系統中，可以把整個(gè)系統的存儲區域分為協(xié)議棧管理的存儲器和應用程序管理的存儲器兩部分。

　　2.1 協(xié)議棧管理的存儲器

　　協(xié)議棧管理的存儲器是指TCP/IP內核能夠操作的內存區域，主要用于裝載待接收和發(fā)送的網(wǎng)絡(luò )數據分組。當接收到分組或者有分組要發(fā)送時(shí)，TCP/IP協(xié)議棧為這些分組分配緩存;接收到的分組交付給應用程序或者分組已經(jīng)發(fā)送完畢后，對分配的緩存回收重用。協(xié)議棧分配的緩存必須能容納各種大小的報文，例如從僅僅幾個(gè)字節的ICMP回答報文到幾百個(gè)字節的TCP分段報文。

　　LwIP中的pbuf有四種類(lèi)型：PBUF_POOL、PBUF_RAM、PBUF_ROM、PBUF_REF。這四種類(lèi)型的pbuf都是從TCP/IP協(xié)議棧管理的存儲器中分配的，其中PBUF_ROM和PBUF_REF與應用程序管理的存儲區域密切相關(guān)。

　　PBUF_POOL是具有固定容量的pbuf，主要供網(wǎng)絡(luò )設備驅動(dòng)使用，為收到的數據分組分配緩存。在協(xié)議棧管理的內存中初始化了一個(gè)pbuf池(PBUF_POOL)，具有相同尺寸的pbuf都是從這個(gè)pbuf池中分配得到。一般使用多個(gè)PBUF_POOL鏈接成一個(gè)鏈表，用于存儲數據分組。如圖1所示。

　　LwIP用一個(gè)宏定義一個(gè)PBUF_POOL的大小。一個(gè)分組需要分配幾個(gè)PBUF_POOL，而在數據較少時(shí)分配一個(gè)PBUF_POOL即可。由于分配一個(gè)PBUF_POOL類(lèi)型的pbuf很快，適合在中斷處理中使用，所以PBUF_POOL主要供網(wǎng)絡(luò )設備驅動(dòng)使用，為收到的數據分組分配緩存。

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