嵌入式TCP/IP協(xié)議LwIP的內(nèi)存管理機(jī)制研究

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(fèi)不利于初期的開發(fā)。LwIP(Lightweight Internet Protocol)是瑞士計(jì)算機(jī)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(diǎn)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(duì)RAM的占用，一般只需要幾十KB的RAM就可以運(yùn)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(jī)制，并設(shè)計(jì)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(dòng)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(chǔ)區(qū)，通過結(jié)構(gòu)中的*prev和*next指針將存儲(chǔ)數(shù)據(jù)包信息的各個(gè)pbuf結(jié)構(gòu)“連接”起來，在邏輯上構(gòu)成一個(gè)pbuf鏈。pbuf鏈實(shí)現(xiàn)了使物理上呈分散存儲(chǔ)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(shí)它的類型。由于分配一個(gè)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(dòng)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(chǔ)區(qū)時(shí)，則會(huì)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(dòng)態(tài)生成的情況下。此時(shí)，pbuf系統(tǒng)不僅可以為應(yīng)用數(shù)據(jù)分配內(nèi)存，還會(huì)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(jī)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(gè)字節(jié)的ICMP回報(bào)。

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(chǔ)區(qū)時(shí)，將會(huì)分配到PBUF_ROM。外部存儲(chǔ)區(qū)是指不由TCP/IP協(xié)議管理和操作的存儲(chǔ)區(qū)，它可以是應(yīng)用程序管理的存儲(chǔ)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(dòng)，因此就需要?jiǎng)討B(tài)地分配一個(gè)PBUF_RAM類型的pbuf來裝載各層協(xié)議的首部，然后將PBUF_RAM(存儲(chǔ)首部)添加到PBUF_ROM(存儲(chǔ)數(shù)據(jù))的前面，這樣就構(gòu)成了一個(gè)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(chǔ)區(qū)。

圖1 發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)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(dòng)態(tài)生成時(shí)，系統(tǒng)分配若干個(gè)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(gè)被分配的存儲(chǔ)塊附帶了一個(gè)小結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的兩個(gè)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(bào)頭大小，在分配PBUF_RAM時(shí)會(huì)預(yù)留相應(yīng)大小的空間用于包頭填充。used標(biāo)識(shí)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(shí)used為1。當(dāng)需要一塊N字節(jié)的存儲(chǔ)塊時(shí)，就對(duì)整個(gè)存儲(chǔ)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(jì)了實(shí)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(gè)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(shí)，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(zhǎng)，然后根據(jù)幀長(zhǎng)分配若干大小適中的PBUF_POOL類型的pbuf組成一個(gè)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(shí)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(gè)pbuf池(PBUF_POOL)，具有相同尺寸的pbuf都是從這個(gè)pbuf池中分配得到的。在網(wǎng)絡(luò)接口層，真正實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收的函數(shù)是low_level_inpu()。

在檢測(cè)到硬件網(wǎng)絡(luò)接口ethernetif有數(shù)據(jù)待接收時(shí)，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(yàn)、去包頭、提取源地址信息等操作。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)采用了Keil公司基于Cortex-M3內(nèi)核的MCBTMPM360開發(fā)板來驗(yàn)證上述基于該內(nèi)存管理機(jī)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(chǔ)空間，各項(xiàng)硬件資源滿足實(shí)驗(yàn)要求。實(shí)驗(yàn)前在LwIP的相關(guān)文件中對(duì)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(cè)試的簡(jiǎn)單Web服務(wù)器程序)下載到目標(biāo)板的Flash上。將PC機(jī)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(shí)驗(yàn)第一步首先使用Ping命令，驗(yàn)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(yàn)證該協(xié)議棧工作的有效性，在PC機(jī)的Web瀏覽器地址欄中鍵入目標(biāo)板的IP地址，申請(qǐng)?jiān)L問目標(biāo)板Web服務(wù)器上一個(gè)簡(jiǎn)單的Htm l頁面。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)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(jī)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(shí)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(jí)嵌入式TCP/IP協(xié)議棧LwIP的內(nèi)存管理機(jī)制，給出了適用于存儲(chǔ)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(duì)其有效性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果滿意。為L(zhǎng)wIP協(xié)議棧在μC/OS-II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)上的移植以及最終設(shè)計(jì)出Cortex-M3平臺(tái)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(zhēng)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(jī)械工業(yè)出版，2003:78-82.