蔡雄飛，王新華，郭淑琴

(1浙江工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，浙江杭州310023;2浙江科技學(xué)院信息與電子工程學(xué)院，浙江杭州310023)

0 引言

嵌入式系統(tǒng)中廣泛采用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧一般是作為嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核的一部分，應(yīng)用中只需要在系統(tǒng)內(nèi)核配置標(biāo)中標(biāo)記使用即可，但這些商用操作系統(tǒng)高昂的版權(quán)費不利于初期的開發(fā)。LwIP(Lightweight Internet Protocol)是瑞士計算機科學(xué)院的Adam Dunkels等開發(fā)出來的一套用于嵌入式系統(tǒng)的開源TCP/IP協(xié)議棧，可以方便地移植于各種開源的嵌入式操作系統(tǒng)。LwIP的主要特點是在保證了TCP/IP協(xié)議基本功能模塊的基礎(chǔ)上，減少了對RAM的占用，一般只需要幾十KB的RAM就可以運行［1］。目前，最新的LwIP已經(jīng)發(fā)展到了1.4.0版。本文主要分析和研究了LwIP協(xié)議棧的內(nèi)存管理機制，并設(shè)計出了網(wǎng)絡(luò)接口層的主收發(fā)程序。

1 LwIP的數(shù)據(jù)緩存方式

LwIP采用pbuf(packet buffer)結(jié)構(gòu)和pbuf鏈來管理數(shù)據(jù)包。pbuf結(jié)構(gòu)既能在動態(tài)內(nèi)存分配下保存信息包的數(shù)據(jù)，也能夠讓信息包數(shù)據(jù)駐留在靜態(tài)存儲區(qū)，通過結(jié)構(gòu)中的*prev和*next指針將存儲數(shù)據(jù)包信息的各個pbuf結(jié)構(gòu)“連接”起來，在邏輯上構(gòu)成一個pbuf鏈。pbuf鏈實現(xiàn)了使物理上呈分散存儲的數(shù)據(jù)能夠在邏輯上連續(xù)讀寫，這樣就減少了頻繁的數(shù)據(jù)拷貝和內(nèi)存分配操作。LwIP管理內(nèi)存的pbuf結(jié)構(gòu)為［2，3］:

pbuf具有PBUF_POOL、PBUF_ROM和PBUF_RAM 3種類型，結(jié)構(gòu)中的flags成員變量即用來標(biāo)識它的類型。由于分配一個pbuf的操作可以快速完成，PBUF_POOL主要用于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動層，適合用于中斷處理。當(dāng)應(yīng)用程序要發(fā)送的數(shù)據(jù)位于應(yīng)用程序管理的存儲區(qū)時，則會分配PBUF_ROM類型的pbuf。而PBUF_RAM類型的pbuf主要用于應(yīng)用程序發(fā)送的數(shù)據(jù)由動態(tài)生成的情況下。此時，pbuf系統(tǒng)不僅可以為應(yīng)用數(shù)據(jù)分配內(nèi)存，還會為待發(fā)送數(shù)據(jù)預(yù)分配包頭內(nèi)存空間。

2 LwIP的內(nèi)存管理機制

LwIP的內(nèi)存管理能夠適應(yīng)大小變化的接收或發(fā)送緩沖區(qū)，其范圍從包含幾百字節(jié)數(shù)據(jù)的TCP段緩沖區(qū)到僅僅包含幾個字節(jié)的ICMP回報。

2.1 數(shù)據(jù)包的發(fā)送

當(dāng)應(yīng)用層要發(fā)送的數(shù)據(jù)位于外部存儲區(qū)時，將會分配到PBUF_ROM。外部存儲區(qū)是指不由TCP/IP協(xié)議管理和操作的存儲區(qū)，它可以是應(yīng)用程序管理的存儲器為用戶數(shù)據(jù)分配的緩存，也可以是ROM區(qū)域，如靜態(tài)網(wǎng)頁中的字符串常量等。由于應(yīng)用程序交付給協(xié)議棧的數(shù)據(jù)不能被改動，因此就需要動態(tài)地分配一個PBUF_RAM類型的pbuf來裝載各層協(xié)議的首部，然后將PBUF_RAM(存儲首部)添加到PBUF_ROM(存儲數(shù)據(jù))的前面，這樣就構(gòu)成了一個完整的數(shù)據(jù)分組。由此可見，承載數(shù)據(jù)包的pbuf鏈可以包含不同類型的pbuf結(jié)構(gòu)［4］。如圖1(a)所示，PBUF_ROM的數(shù)據(jù)指針payload指向外部存儲區(qū)。

圖1 發(fā)送數(shù)據(jù)時的pbuf

如圖1(b)所示，當(dāng)應(yīng)用程序待發(fā)送的數(shù)據(jù)是動態(tài)生成時，系統(tǒng)分配若干個PBUF_RAM類型的pubf，組成一條pbuf鏈。PBUF_RAM類型的pbuf在事先劃分好的內(nèi)存堆中分配。每個被分配的存儲塊附帶了一個小結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的兩個指針(*prev和*next)分別指向相鄰的內(nèi)存塊。根據(jù)要添加的各層報頭大小，在分配PBUF_RAM時會預(yù)留相應(yīng)大小的空間用于包頭填充。used標(biāo)識位用來指示該內(nèi)存塊的分配情況，陰影部分表示已經(jīng)被分配了，此時used為1。當(dāng)需要一塊N字節(jié)的存儲塊時，就對整個存儲堆進(jìn)行搜索。如果找到一塊未用的(used=0)并且容量不小于N字節(jié)的區(qū)域就表示分配成功，并且置used為1。根據(jù)LwIP內(nèi)存分配與回收利用的原則，設(shè)計了實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口層數(shù)據(jù)發(fā)送的主函數(shù)low_level_output()。

該函數(shù)包含兩個參數(shù)，分別是管理待發(fā)送數(shù)據(jù)的pbuf以及用于發(fā)送數(shù)據(jù)的邏輯網(wǎng)絡(luò)接口netif。mem_malloc()根據(jù)pbuf結(jié)構(gòu)中tot_len成員變量的值，為待發(fā)送數(shù)據(jù)分配相應(yīng)大小的發(fā)送緩沖區(qū)。

2.2 數(shù)據(jù)包的接收

如圖2所示，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)接口層讀取到網(wǎng)絡(luò)控制器接收緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)到來時，遍立即獲得數(shù)據(jù)包的包頭并調(diào)用GetInputPacketLen()函數(shù)獲得幀長，然后根據(jù)幀長分配若干大小適中的PBUF_POOL類型的pbuf組成一個pbuf鏈，將接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)拷貝到鏈中。

圖2 接收數(shù)據(jù)時的pbuf

PBUF_POOL是具有固定容量的pbuf，為網(wǎng)絡(luò)接口層收到的數(shù)據(jù)包分配緩存。在協(xié)議棧管理的內(nèi)存中初始化了一個pbuf池(PBUF_POOL)，具有相同尺寸的pbuf都是從這個pbuf池中分配得到的。在網(wǎng)絡(luò)接口層，真正實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收的函數(shù)是low_level_inpu()。

在檢測到硬件網(wǎng)絡(luò)接口ethernetif有數(shù)據(jù)待接收時，pbuf_alloc()分配len大小的內(nèi)存空間，以pbuf邏輯鏈的形式將數(shù)據(jù)保存到內(nèi)存中再進(jìn)行校驗、去包頭、提取源地址信息等操作。

3 實驗結(jié)果

實驗采用了Keil公司基于Cortex-M3內(nèi)核的MCBTMPM360開發(fā)板來驗證上述基于該內(nèi)存管理機制的底層網(wǎng)絡(luò)接口收發(fā)模塊的有效性。該開發(fā)板配有一顆東芝TMPM364F10FG芯片，具有64KB大小的RAM和1M的Flash存儲空間，各項硬件資源滿足實驗要求。實驗前在LwIP的相關(guān)文件中對目標(biāo)板的IP 地址進(jìn)行靜態(tài)配置(如設(shè)為192.168.1.3)，使用C 類私用地址192.168.1.0網(wǎng)段，使其與PC 的IP地址192.168.1.6在同一網(wǎng)段。然后把協(xié)議棧和修改后的與硬件相關(guān)的配置文件、SimpleSvr(一種用于測試的簡單Web服務(wù)器程序)下載到目標(biāo)板的Flash上。將PC機與開發(fā)板通過RJ45接口用超五類非屏蔽雙絞線連接起來。實驗第一步首先使用Ping命令，驗證目標(biāo)板與PC之間的網(wǎng)絡(luò)鏈路能否連通。為進(jìn)一步驗證該協(xié)議棧工作的有效性，在PC機的Web瀏覽器地址欄中鍵入目標(biāo)板的IP地址，申請訪問目標(biāo)板Web服務(wù)器上一個簡單的Htm l頁面。實驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 實驗結(jié)果

實驗結(jié)果表明，該協(xié)議棧工作穩(wěn)定，文中提出的基于該內(nèi)存管理機制的網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊能夠完成基本的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，實現(xiàn)了預(yù)期的結(jié)果，為后續(xù)的嵌入式網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)打下了基礎(chǔ)。

4 結(jié)束語

本文研究了輕量級嵌入式TCP/IP協(xié)議棧LwIP的內(nèi)存管理機制，給出了適用于存儲資源有限的嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接口層的主收發(fā)程序模型，并對其有效性進(jìn)行了實驗測試，測試結(jié)果滿意。為LwIP協(xié)議棧在μC/OS-II嵌入式實時操作系統(tǒng)上的移植以及最終設(shè)計出Cortex-M3平臺上基于μC/OS-II＆LwIP的嵌入式Web服務(wù)器具有重要意義［5］。

［1］ 孫樂明，江來，代鑫.嵌入式TCP/IP協(xié)議棧LWIP的內(nèi)部結(jié)構(gòu)探索與研究［J］.電子元器件應(yīng)用，2008，3(10):26-28.

［2］ Savannah Inc.Design and Implementation of the LwIP TCP/IP Stack［EB/OL］.http://savannah.nongnu.org，2007-06-12.

［3］ 馬爭鳴，張成言.TCP/IP原理與應(yīng)用［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2006:121-124.

［4］ 付曉軍，夏應(yīng)清，何軒.嵌入式LwIP協(xié)議棧的內(nèi)存管理［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2006，8(3):56-57.

［5］ Jeremy Bentham.陳向群譯.嵌入式Web服務(wù)器TCP/IP Lean［M］.北京:機械工業(yè)出版，2003:78-82.