基于和欣嵌入式操作系統的構件化網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧

2.2.2 網(wǎng)際協(xié)議IP

在嵌入式TCP/IP中，IP協(xié)議執行兩項功能：(1)封裝來(lái)自上層的TCP數據包或ICMP數據包，計算IP數據包的檢驗和；(2)解析IP緩存中的數據包，檢查數據包的協(xié)議字段，以判斷該數據包應該交給ICMP協(xié)議還是TCP協(xié)議處理?；谇度胧絎eb服務(wù)器與客戶(hù)端通信的信息量很小，數據包的大小不會(huì )超過(guò)鏈路層的MTU(最大傳輸單元)，嵌入式IP沒(méi)有引入數據包分片和重組功能。標準的IP協(xié)議有選路功能，可以選擇較短路徑傳送數據包，在嵌入式IP中，為了減少代碼規模，未引入選路功能。

2.2.3 網(wǎng)際控制報文協(xié)議ICMP

在嵌入式TCP/IP協(xié)議棧中，只處理一種ICMP消息類(lèi)型：ICMP回送消息。ICMP回復消息經(jīng)常被用來(lái)調用ping程序測試對方主機是否在線(xiàn)。在嵌入式TCP/IP協(xié)議棧中，ICMP回送消息用一種十分簡(jiǎn)單的方式實(shí)現，即將ICMP類(lèi)型的字段由“echo”類(lèi)型改變?yōu)椤癳cho reply”類(lèi)型。改變IP首部的IP地址，將數據包送回發(fā)送者。

2.2.4 傳輸控制協(xié)議TCP

TCP協(xié)議是面向連接的、端到端的可靠通信協(xié)議。它采用了許多機制保證傳輸可靠性，應用于嵌入式系統顯得過(guò)于復雜。在嵌入式TCP/IP協(xié)議棧中，為了減少存儲空間的占用，沒(méi)有引入發(fā)送和接收數據的可靠窗口機制。通常，嵌入式Web服務(wù)器處于被動(dòng)服務(wù)狀態(tài)，所以可以將標準TCP有限狀態(tài)機的主動(dòng)創(chuàng )建連接的SYN SENT狀態(tài)、主動(dòng)關(guān)閉連接的FIN WAIT1、FIN WAIT2、CLOSING、TIME WAIT狀態(tài)裁剪。設計中還去掉了LISTENING狀態(tài)，使它在CLOSED狀態(tài)下就處于偵聽(tīng)狀態(tài)，監聽(tīng)客戶(hù)端的連接請求。這樣避免了主動(dòng)或被動(dòng)打開(kāi)及關(guān)閉的操作，使嵌入式TCP/IP協(xié)議棧更精簡(jiǎn)。嵌入式TCP/IP中到達TCP段的數據不被緩存，應用程序必須立即處理它。當然，這并不阻止應用層緩存數據。每次連接在發(fā)送數據時(shí)，無(wú)法同時(shí)處理多于一個(gè)的TCP 段。TCP協(xié)議的實(shí)現原理比較復雜，在嵌入式TCP/IP協(xié)議中，實(shí)現TCP 協(xié)議是一個(gè)最關(guān)鍵的問(wèn)題。

2.2.5 構件化的協(xié)議棧

采用構件化方法實(shí)現網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧的關(guān)鍵是：

(1)如何劃分構件的粒度。需要根據用戶(hù)的需要決定，如果用戶(hù)是開(kāi)發(fā)一個(gè)新的協(xié)議棧，可以采用大粒度的構件劃分方式(如圖2所示)，即把整個(gè)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧作為一個(gè)大的構件，繼承預先定義的構件。

(2)如何設計構件接口。要實(shí)現(1)所提到的構件的自由替換，必須設計良好的構件接口。所有的構件實(shí)現應該繼承該接口。設計接口的原則是盡量保持接口的通用性和簡(jiǎn)潔性。當有新的功能添加時(shí)，可以通過(guò)繼承實(shí)現新的接口方便地加入原有的框架，從而實(shí)現軟件的無(wú)縫升級。

(3)提高網(wǎng)絡(luò )通信的效率。一個(gè)高效的通信協(xié)議需要滿(mǎn)足：①上下文切換和定時(shí)器的輕型完成；②多個(gè)協(xié)議具有統一的使用界面；③在網(wǎng)絡(luò )設備，核心層和用戶(hù)層之間有高效的緩沖機制，避免不必要的拷貝。

如果操作系統提供了快捷的上下文切換及高效的進(jìn)程間通信，則整個(gè)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧便可以作為一個(gè)用戶(hù)態(tài)進(jìn)程對用戶(hù)進(jìn)程提供服務(wù)。如果進(jìn)程上下文切換比較復雜，則整個(gè)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議?？梢宰鳛閯?dòng)態(tài)鏈接庫鏈入用戶(hù)進(jìn)程地址空間，但需要對多進(jìn)程共享的數據加鎖，進(jìn)行同步訪(fǎng)問(wèn)控制。另外一種選擇是將網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧裝入內核空間，也可以避免頻繁的進(jìn)程上下文切換帶來(lái)的系統開(kāi)銷(xiāo)。

因為采用了通用的SOCKET編程接口作為最終提供給用戶(hù)使用的接口，從而使多個(gè)協(xié)議具有統一的使用界面。同時(shí)，在采用細粒度構建的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧中，各層協(xié)議之間的接口也是精心構造的統一接口。為了避免大量數據的拷貝，需要設計良好的數據結構，同時(shí)采取“共享內存”的方法。在網(wǎng)絡(luò )協(xié)議各層次間盡量以指針?lè )绞絺鬟f數據。

構件化的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧具有以下優(yōu)點(diǎn)：
(1)針對不同網(wǎng)絡(luò )應用的需求，能最大限度地利用領(lǐng)域相關(guān)知識進(jìn)行調整，提高了性能。
(2)底層構件可以在不影響頂層使用的情況下進(jìn)行修改。
(3)方便用戶(hù)添加及開(kāi)發(fā)調試新的協(xié)議。

該文采用上?？铺┕镜?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/CAR構件技術(shù)">CAR構件技術(shù)在和欣操作系統上實(shí)現了一個(gè)構件化的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧。該網(wǎng)絡(luò )協(xié)議構件既可以加載在內核態(tài)，也可以加載在用戶(hù)態(tài)，方便開(kāi)發(fā)調試，有利于開(kāi)發(fā)新的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧。其他開(kāi)發(fā)者采用構件的方法開(kāi)發(fā)出了高效或者針對某特定領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧，可以方便地替換和欣操作系統上原有的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧。使用構件化的方法開(kāi)發(fā)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧也可以推廣到其他支持構件的操作系統上。