IPv4/IPv6雙協(xié)議棧實(shí)現方案解析

1引言

隨著(zhù)嵌入式系統與網(wǎng)絡(luò )的日益結合，在嵌入式系統中引入TCP/IP協(xié)議棧，以支持嵌入式設備接入網(wǎng)絡(luò )，成為嵌入式領(lǐng)域重要的研究方向。并且隨著(zhù) Internet技術(shù)的迅猛發(fā)展和規模的不斷擴大，現行的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)現了一種基于實(shí)時(shí)操作系統的IPv4/IPv6雙協(xié)議棧結構。

2協(xié)議棧的設計要點(diǎn)

2.1平臺無(wú)關(guān)性

本文所設計的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。因此，本協(xié)議棧的實(shí)現采用將所有的TCP/IP協(xié)議都駐留在一個(gè)進(jìn)程當中，協(xié)議棧模塊與操作系統內核分開(kāi)。通過(guò)定義一個(gè)操作系統模擬層實(shí)現平臺無(wú)關(guān)性。操作系統模擬層屏蔽硬件上的差異和獲取操作系統提供統一的接口，如時(shí)鐘、過(guò)程同步以及信息傳遞機制等。對于特定的嵌入式操作系統，直接對操作系統模擬層相應部分進(jìn)行修改，以符合具體的要求。操作系統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)

對不同微處理器的BYTE_ORDER存儲系統定義;對不同編譯器的數據類(lèi)型長(cháng)度的定義;與CPU或編譯器相關(guān)的內容的定義。

⑵與操作系統相關(guān)

協(xié)議棧進(jìn)程與應用程序進(jìn)程之間的同步與通訊，需要對信號量sys_sem_t、消息隊列sys_mbox_t和時(shí)鐘函數進(jìn)行定義和操作。

2.2協(xié)議棧的裁減

標準的TCP/IP協(xié)議棧功能復雜，代碼量大，且需大量的存儲器資源。為了滿(mǎn)足嵌入式應用，必須對RFC定義的協(xié)議棧進(jìn)行裁減[1]。本協(xié)議棧的實(shí)現作了如下裁減：

⑴IP模塊：不支持數據分片，不支持數據包轉發(fā)，不支持IPv6移動(dòng)功能，不支持部分IPv6的擴展報頭。

⑵ICMPv6模塊：支持信息報文中的請求和應答報文，支持錯誤報文中的目的不可達和超時(shí)報文。

⑶鄰居發(fā)現模塊：支持地址解析、重復性探測，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)現快速重傳、慢啟動(dòng)與擁塞避免算法的TCP可靠性機制;約減掉半關(guān)閉，緊急指針，大部分TCP選項等。

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

上層應用(HTTP)

TCP

ICMPv4ICMPv6

ARPIPv4IPv6

網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)

3協(xié)議棧的實(shí)現

3.1內存管理

內存管理主要是針對協(xié)議棧內部緩沖區的管理。為了勝任任意大小報文的處理，并且能夠達到比較高的處理效率，在這里定義了兩種緩沖區實(shí)現機制：固定長(cháng)度緩沖區(pbuf_pool)和變長(cháng)度緩沖區(pbuf_ram)。pbuf_pool主要適合于網(wǎng)絡(luò )設備驅動(dòng)，存放從網(wǎng)卡接收的數據。 pbuf_ram根據數據的大小動(dòng)態(tài)的分配緩沖區，如協(xié)議的報頭空間。

在這里對存儲空間的申請做了一定改進(jìn)。由于發(fā)送數據時(shí)很難確定各層協(xié)議頭部需要多大的內存空間，特別是IPv6報文可以包含若干個(gè)擴展頭，所以只申請基本頭部的內存空間，在使用中動(dòng)態(tài)調整的可能性就會(huì )很大，使得系統的效率降低。在這里提出了一種優(yōu)化方法，根據局部性原理，通常情況下一個(gè)連接在局部時(shí)間范圍內需要網(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)議頭所使用的字節數，并且此變量可以被網(wǎng)絡(luò )層的函數進(jìn)行修改。當傳輸層下次申請pbuf時(shí)，就參考這個(gè)值。如果所需的存儲空間比此值大，就需重新申請能滿(mǎn)足要求的存儲空間，同時(shí)修改num的值，并作為下一次申請的參考。

3.2網(wǎng)絡(luò )接口的實(shí)現

網(wǎng)絡(luò )接口層在設計上主要考慮下面幾個(gè)目標：⑴向協(xié)議層提供一個(gè)統一的網(wǎng)絡(luò )通信接口，能夠將上層協(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，因為IPv6一個(gè)接口的IP地址包括本地鏈路、本地站點(diǎn)和全局三類(lèi)地址;⑶支持多播報文的收發(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。

針對上述目標，設計了如下的網(wǎng)絡(luò )接口控制結構：

struct netif {

struct netif *next; /*指向下一個(gè)netif結構的指針*/

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

char name[2]; /*接口名稱(chēng)*/

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

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

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

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多播地址鏈首指針*/

┊ /*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 )設備驅動(dòng)程序之間的接口，同時(shí)支持IPv4報文和IPv6報文，通過(guò)判斷幀的類(lèi)型字段，把接收到的不同類(lèi)型的報文交給不同的協(xié)議模塊進(jìn)行處理。