物聯(lián)網(wǎng)中嵌入式TCP/IP協(xié)議棧的設計技巧

劉波濤

(長江大學 計算機科學學院，湖北 荊州 434023)

當前，物聯(lián)網(wǎng)技術正受到研究者的廣泛關注[1]，而在物聯(lián)網(wǎng)技術中的一個關鍵問題[2-4]，就是要實現(xiàn)嵌入式設備聯(lián)入Internet.嵌入式設備接入Internet的方法很多，其中一種方法[5-8]就是在嵌入式設備中實現(xiàn)裁剪后的TCP/IP協(xié)議棧.通用計算機系統(tǒng)有足夠的資源支持系統(tǒng)在內(nèi)核中實現(xiàn)復雜的標準TCP/IP協(xié)議棧，而這對只有有限資源的嵌入式系統(tǒng)來說，既不可能也沒有必要.因此，針對嵌入式系統(tǒng)的特點，把握嵌入式TCP/IP協(xié)議棧設計的技巧就顯得尤為重要.

1 嵌入式系統(tǒng)的特點

在理解嵌入式TCP/IP協(xié)議棧設計技巧前，需了解嵌入式系統(tǒng)的特點，特別是其資源較少的特點.

嵌入式系統(tǒng)與通用計算機系統(tǒng)的本質(zhì)區(qū)別在于系統(tǒng)應用的不同，嵌入式系統(tǒng)是將計算機系統(tǒng)嵌入到對象系統(tǒng)中.因此，嵌入式系統(tǒng)與通用計算機系統(tǒng)相比，主要具有以下特點[9]：第一，嵌入式系統(tǒng)是面向特定應用的系統(tǒng).嵌入式系統(tǒng)與通用型系統(tǒng)的最大區(qū)別就在于嵌入式系統(tǒng)大多為特定用戶群設計的系統(tǒng)，因此它通常都具備低功耗、體積小、集成度高等特點，并且可以滿足不同應用的特定需求；第二，嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須進行高效地設計，量體裁衣、去除冗余，這樣才能更具競爭力；第三，為了提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在Flash或ROM中，而不是存儲在磁盤中；第四，嵌入式系統(tǒng)本身不具備二次開發(fā)能力，即設計完成后用戶通常不能對其中的程序功能進行修改，必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境進行再次開發(fā).

2 嵌入式TCP/IP協(xié)議棧設計技巧

正因為嵌入式系統(tǒng)不像通用計算機那樣有豐富的系統(tǒng)資源，因此必須針對嵌入式系統(tǒng)的特點，來設計協(xié)議棧的實現(xiàn)技巧，否則協(xié)議棧實現(xiàn)的再好，但由于缺乏嵌入式系統(tǒng)的支持，也將是徒勞無功.

2.1 零拷貝

TCP/IP協(xié)議棧的工作過程如圖1所示.數(shù)據(jù)以一定的單位(通稱為數(shù)據(jù)包)在發(fā)送端一方由應用進程交給協(xié)議棧，數(shù)據(jù)包在協(xié)議棧從上層至下層被依次封裝，即將上層的整個數(shù)據(jù)包作為下層的數(shù)據(jù)部分，再添加下層的首部，而作為新的數(shù)據(jù)包；在接收端，數(shù)據(jù)包則經(jīng)由協(xié)議棧從下層至上層被依次解包：即將下層的首部剝?nèi)?，并根?jù)其內(nèi)容將數(shù)據(jù)部分交付上層的協(xié)議處理，最后應用層的數(shù)據(jù)交由應用進程處理[10].

圖1 TCP/IP協(xié)議棧的工作過程

為了保證協(xié)議棧中層與層之間的封裝性，一般TCP/IP的實現(xiàn)過程中多采用層層拷貝的原則.也就是說，在封包時，將上層協(xié)議的數(shù)據(jù)包從上層協(xié)議拷貝到下層協(xié)議的數(shù)據(jù)空間中；而在解包時，將數(shù)據(jù)包從下層協(xié)議拷貝到上層協(xié)議的數(shù)據(jù)空間中.而對應于嵌入式系統(tǒng)，特別是資源極其有限的單片機系統(tǒng)及SOC片上的系統(tǒng)，如果在封包或解包時按上述方法來拷貝數(shù)據(jù)，則需要很多的緩沖區(qū)并且耗費大量嵌入式CPU拷貝時間.顯然，這是不明智的.

因此，筆者設計的數(shù)據(jù)包封裝及解封裝采用了如下方法：在層與層之間交換信息時，以數(shù)據(jù)緩沖區(qū)首指針作為函數(shù)參數(shù)進行傳遞；在封裝時，上層協(xié)議在分配空間時充分考慮以后下層協(xié)議的封裝，并在緩沖區(qū)首部多分配一些必要的空間，便于下層協(xié)議在不需要從上層拷貝的情況下直接填充該層的首部.例如，HTTP協(xié)議在分配數(shù)據(jù)空間時多分配54字節(jié)用于隨后的TCP、IP和Ethernet協(xié)議首部的填充；在解封裝時，也將收到的原始數(shù)據(jù)包首地址直接傳給向上層協(xié)議，便于上層協(xié)議獲取下層協(xié)議的一些必要信息.如讓TCP層知道數(shù)據(jù)包的源IP地址，以便于填充TCP傳輸控制塊的目的IP地址字段.因此，這種方式不僅節(jié)約了系統(tǒng)的資源，而且會因為不需要拷貝數(shù)據(jù)包而提高了系統(tǒng)的處理速度.

2.2 動態(tài)內(nèi)存管理

不管是零拷貝還是層層拷貝，都需要分配一定的內(nèi)存來支持實現(xiàn).嵌入式系統(tǒng)不像通用計算機那樣，內(nèi)存資源豐富，一般內(nèi)存較少，因此更應該“精打細算”.考慮到Internet網(wǎng)絡中接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)包大小不一，即收到的和發(fā)送的數(shù)據(jù)包長度都不是一個定值，例如以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的長度范圍值是64至1518字節(jié)，因此對內(nèi)存的分配應該采用動態(tài)的方式進行管理.有如下兩種方案可供選擇：方案一，是每次分配一個固定長度的緩存.讓該緩存能夠容納一個最大的數(shù)據(jù)包，且在該緩存中設置一個字段用來存儲其有效數(shù)據(jù)的長度，顯然這種方案實現(xiàn)簡單，但是浪費了寶貴內(nèi)存資源；方案二，是按需分配合適大小的緩存，而不管該緩存是用于底層接收數(shù)據(jù)還是用于上層發(fā)送數(shù)據(jù)，這種方案節(jié)約了內(nèi)存資源.因此，筆者建議采用方案二來實現(xiàn)數(shù)據(jù)包緩存的動態(tài)分配.

需要注意的是，動態(tài)管理內(nèi)存就肯定會面臨“內(nèi)存泄露”的風險，它最終會將系統(tǒng)的可用內(nèi)存耗盡，最終會使嵌入式設備崩潰、停止運行.為避免這個風險的出現(xiàn)，嵌入式TCP/IP協(xié)議棧實現(xiàn)過程中，應該遵從“誰分配誰釋放”的原則來進行內(nèi)存的動態(tài)管理.例如，HTTP有數(shù)據(jù)包需要發(fā)送，那么在它依次調(diào)用完TCP發(fā)送模塊函數(shù)、IP發(fā)送模塊函數(shù)、驅(qū)動發(fā)送函數(shù)后，應該釋放它申請的動態(tài)內(nèi)存.

2.3 模塊化設計

因為TCP/IP協(xié)議棧本身就是一個分層的軟件系統(tǒng)，故應該按協(xié)議將協(xié)議棧實現(xiàn)分為若干個模塊文件，讓每個模塊實現(xiàn)一層每一個協(xié)議的功能，如圖2所示.在圖2中，在頭文件(*.H)中定義了該模塊對外的接口變量及函數(shù)接口聲明，而在源文件(*.C)中則定義了相關的變量和函數(shù).要引用某模塊的變量或調(diào)用其中的函數(shù)時，只需包含此模塊的頭文件即可.這樣設計之后，分工明確，程序清晰，可讀性好，便于程序的維護及修改.

圖2 協(xié)議棧實現(xiàn)的文件目錄

圖3 嵌入式TCP/IP軟件構(gòu)成層次圖

2.4 分層設計

嵌入式處理器多種多樣，嵌入式設備類型豐富，廠家眾多，因此，在進行嵌入式軟件的設計過程中應該充分考慮這一點，實現(xiàn)盡可能的方便移植.為了使嵌入式TCP/IP協(xié)議棧具備良好的可移植性，以便適應多種目標平臺，可將實現(xiàn)分為硬件無關層和硬件依賴層，如圖3所示.在圖3中，硬件無關層的實現(xiàn)使用高級語言完成，例如C語言，以方便將硬件無關層相關代碼移植到所有其他能夠編譯C代碼的硬件平臺上；在硬件依賴層中使用特殊機制，例如C語言中的#define宏定義來重新定義數(shù)據(jù)類型，這樣就可根據(jù)移植環(huán)境的變化來重新定義數(shù)據(jù)類型，以盡量消除系統(tǒng)對于具體編譯器的依賴；依賴層和無關層間采用統(tǒng)一的接口交互信息，當硬件平臺改變時，只需改動硬件依賴層的各驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)，在其接口函數(shù)名稱與參數(shù)不變的情況下，硬件無關層無需改變，從而屏蔽了硬件實現(xiàn)的差異.

2.5 其他技巧

由于嵌入式的系統(tǒng)運行速度和內(nèi)存容量有限，在設計時還應遵循下列原則：盡量避免使用全局變量或外部變量，全局變量或外部變量在整個程序運行期間都要占用內(nèi)存，所以要盡量少用全局變量或外部變量，而盡量多地用局部變量.因此，建議采用函數(shù)參數(shù)傳遞的方式來共享信息；占用內(nèi)存較多的變量應該定義在外部RAM中.因嵌入式處理器的內(nèi)部RAM可用存儲空間非常有限，占用過多的內(nèi)部RAM會使嵌入式處理的硬件堆棧溢出，從而導致函數(shù)調(diào)用失敗.如實現(xiàn)嵌入式TCP/IP協(xié)議棧中的TCP傳輸控制塊數(shù)組較大，就應當定義在外部RAM中.

圖4 測試內(nèi)存泄露時輸出的信息

圖5 客戶端動態(tài)獲取服務傳感器溫度

3 測試結(jié)果

遵循前述設計思路，筆者在單片機W78E58B上實現(xiàn)了一個嵌入式TCP/IP協(xié)議棧[5]，并在此基礎上實現(xiàn)了一個嵌入式Web服務器.采用的測試方法是將該此嵌入式Web服務器與PC機在RJ-45口及串口分別對接.將嵌入式Web服務的調(diào)試信息從串口輸出，并由串口精靈顯示[11].圖4顯示的是對其進行內(nèi)存泄露的測試.筆者對系統(tǒng)的內(nèi)存塊進行相關記錄和統(tǒng)計：Len字段記錄是本次分配的內(nèi)存長度，UsedMemLen字段記錄的是所用內(nèi)存總長度，F(xiàn)reeMemLen字段記錄的是空閑內(nèi)存的長度；每一條信息表明了某個內(nèi)存塊分配或釋放所在函數(shù)名及所處時刻.如由圖4可知，每條信息對應的UsedMemLen與FreeMemLen之和是一個定值，也就是說，筆者遵照這一思路設計的嵌入式Web服務器不存在內(nèi)存泄露的風險.

對嵌入式Web服務器進行相關功能測試，如圖5所示.由圖可知，嵌入式Web服務器能完成數(shù)據(jù)的下載及上傳功能，遵照這一思路設計的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧運行穩(wěn)定可靠.

4 結(jié)論

本文總結(jié)了在實現(xiàn)嵌入式TCP/IP協(xié)議棧的過程中，應該注意的設計技巧.并做了相關測試，驗證了該技巧的可行性.這為嵌入式設備中順利實現(xiàn)嵌入式TCP/IP協(xié)議棧，從而實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術打下了堅實的基礎.

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