隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和電子信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，Internet" target="_blank">Internet的普及,，接入Internet的非PC設(shè)備越來越多,，各類電子設(shè)備像Web個人數(shù)字助理、Web可視電話,、TV機頂盒接入Internet的需求也越來越大,，嵌入式TCP/ IP的Internet網(wǎng)絡(luò)化將成為網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的趨勢。

　　嵌入式系統(tǒng)中大量存在的是8/16位低速處理器,，在進行Internet接入時,，嵌入式TCP/IP對于計算機存儲器、運算速度要求比較高,，占用大量系統(tǒng)資源,，因而常嵌入TCP/IP協(xié)議簇的子集或用UDP代替TCP實現(xiàn)。

　　本文提出一種基于嵌入式TCP/IP軟件體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計和實現(xiàn)方案,，從實現(xiàn)相應(yīng)的功能又節(jié)省系統(tǒng)資源角度出發(fā),，對嵌入TCP/IP優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)嵌入式的Internet接入,。

　　嵌入式TCP/IP接入方法

　　嵌入式電子設(shè)備接入Internet有多種解決方案：如在低速微處理器運行剪裁的TCP/IP協(xié)議棧,；使用一些ASIC實現(xiàn)TCP/IP的芯片如ADI的Internet Modem；也可以使用嵌入式操作系統(tǒng)自帶的完整的TCP/IP協(xié)議棧,。在某些對網(wǎng)絡(luò)速度要求不高的領(lǐng)域,，可以精簡的TCP/IP實現(xiàn)；在對性能要求高的場合,，則可以選擇后兩種方案,。嵌入式設(shè)備接入Internet網(wǎng)絡(luò)常用的方案比較如表1所示。

　　但以上接入方法一般專門為某種微處理器設(shè)計,，不具有通用性,，而且效率較低或功能不夠全面。本文提出的經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的嵌入式TCP/IP適合移植到各種嵌入式處理器中,，如單片機,、ARM或ARM+FPGA多核嵌入式處理器中，具有較小的代碼量,、RAM使用量和較高的效率,，同時支持套接字形式的多個TCP連接和多個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接，支持通過網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)包和數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)，支持TCP包的整序,、重發(fā)和窗口控制流量控制等等,。

　　嵌入式TCP/IP的軟件體系結(jié)構(gòu)與優(yōu)化設(shè)計

　　嵌入式TCP/IP軟件體系結(jié)構(gòu)

　　與PC TCP/IP協(xié)議相似，嵌入式TCP/IP采用協(xié)議分層的結(jié)構(gòu)：應(yīng)用層,、TCP層,、IP層和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口層圖1描述了嵌入式TCP/IP輸入和輸出數(shù)據(jù)包流程以及調(diào)用的函數(shù)。

　　其中,，Timer()函數(shù)調(diào)用TCPTimer()處理TCP數(shù)據(jù)包重發(fā)，以及調(diào)用每個接口的Input()函數(shù)接收到達的數(shù)據(jù)包,。Timer()函數(shù)必須在短時間(一般<20ms)內(nèi)被調(diào)用一次,，否則接收數(shù)據(jù)包和TCP定時等功能將停止。

　　輸出時,，TCP層先查看unsend隊列,，發(fā)現(xiàn)非空，將數(shù)據(jù)包插入隊列,；發(fā)現(xiàn)為空,，則查看對方窗口是否夠大能夠接收這個數(shù)據(jù)包，然后填寫TCP頭部信息,。IP層選擇網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口,，目的IP和該接口的子網(wǎng)掩碼相與是否等于子網(wǎng)掩碼。然后調(diào)用這個接口的Output函數(shù)來發(fā)送,。

　　輸入時,，Timer()函數(shù)調(diào)用每個接口的Input函數(shù)。IP層判斷IP版本,、IP校驗和,、判斷是否應(yīng)該轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，然后根據(jù)IP頭部的protocol字段將包傳給相應(yīng)的高層處理,。TCP層,，需要判斷TCP校驗和，然后在現(xiàn)有的套接字中查找,，判斷是否有套接字可以接收這個數(shù)據(jù)包,，判斷TCP序號是否為希望的，然后更新這個連接的狀態(tài)(包括釋放被應(yīng)答的數(shù)據(jù)包和TCP狀態(tài)機的轉(zhuǎn)化等),，調(diào)用該套接字的回調(diào)函數(shù)recv,。

　　圖2程序主流程是一個大循環(huán)，在循環(huán)中處理發(fā)送數(shù)據(jù)包等應(yīng)用層協(xié)議同時查詢變量bTimeOut,，在定時中斷中將bTimerOut設(shè)置為真,，應(yīng)用層在程序流程中反復(fù)查詢bTimerOut是否為真，真則調(diào)用Timer()，然后置bTimerOut為假,。

　　嵌入式TCP/IP設(shè)計優(yōu)化

　　因為網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)非常多,，如果把所有的數(shù)據(jù)都讀到內(nèi)存中再判斷是否應(yīng)該丟棄幀顯然效率不高。所以邊讀取數(shù)據(jù)邊判斷而沒有一開始就把整個幀全部讀到內(nèi)存中,，同時在程序里定義幀中各個部分的相對地址,，可以方便的對幀的各個字節(jié)尋址。這樣的設(shè)計是基于提高訪問速度考慮的,。

　　為了減小RAM使用量,，當數(shù)據(jù)包需要重新發(fā)送時，如果能夠重新產(chǎn)生數(shù)據(jù)包所需的數(shù)據(jù),，可以不存儲需要被應(yīng)答的TCP包,。圖3給出了嵌入式CPU中TCP/IP的內(nèi)存劃分，以及內(nèi)存中幀的各個字節(jié)的定義和相對位置,，其中PacketRAM為存放幀的首地址,。

　　發(fā)送TCP/IP過程中主要的運算量集中在三個部分：應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)拷貝到RAM、計算TCP校驗和,、將RAM中的數(shù)據(jù)包拷貝到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的發(fā)送緩沖區(qū),。對每一個字節(jié)數(shù)據(jù)，兩次拷貝大致共使用12×2＝24個指令周期,；計算TCP校驗和使用為16個指令周期,。為提高速度可采用快速CPU或提高晶振頻率。例如采用12M晶振時,，網(wǎng)絡(luò)傳輸速度為25K字節(jié)/s,；而在高頻PCB電路板使用233M晶振時，網(wǎng)絡(luò)傳輸速度能達到為384K字節(jié)/s,。

　　另外,，TCP/IP一般采用C語言或者混合匯編，而使用可重入函數(shù)和一般指針(generic pointer)使得程序代碼增大,，運行速度變慢,。所以使用函數(shù)指針時，應(yīng)手動重建調(diào)用樹(Call tree),，或?qū)⒑瘮?shù)指針調(diào)用的函數(shù)設(shè)置為可重入函數(shù),，同時使用“指定存儲類型”的指針(memory-specific pointer)，防止數(shù)據(jù)包的不必要的拷貝以及優(yōu)化計算校驗和和內(nèi)存拷貝函數(shù),。另外,，Reentrant類型的函數(shù)比一般函數(shù)速度要慢很多，但是某些時候為了程序結(jié)構(gòu)的需要必須使用Reentrant,，這就需要在速度和結(jié)構(gòu)之間作一個選擇,。

　　嵌入式TCP/IP的實現(xiàn)

　　TCP/IP的嵌入式實現(xiàn)一般通過以軟件方式嵌入到ROM中,，然后通過輕網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)與專用嵌入式網(wǎng)關(guān)連接，在嵌入式處理器中運行TCP/IP協(xié)議,，提供TCP/IP到用戶的輕型網(wǎng)絡(luò)的連接和路由功能,。

　　內(nèi)存管理方法和無多余數(shù)據(jù)包拷貝的實現(xiàn)

　　嵌入式TCP/IP的內(nèi)存管理可以用鏈表方法，即根據(jù)數(shù)據(jù)包大小分配相應(yīng)大小的內(nèi)存塊,。如圖4所示,，鏈表將內(nèi)存塊鏈接起來，used字段表示該內(nèi)存塊是否正在使用,，pSstart和pEend則表示數(shù)據(jù)部分有效數(shù)據(jù)的開始地址和結(jié)束地址,。

　　分配時，搜索內(nèi)存鏈表找到一個沒有分配的比所需空間大的內(nèi)存塊,，截取所需的大小,。該內(nèi)存塊被截取以后可能還有較多剩余，這時將剩余部分從原內(nèi)存塊中分離出來,，成為一個新的內(nèi)存塊，并插入鏈表,。釋放時,，將used值置為假，如果pNext或者pPre指向的鏈表單元也是空閑的,，則將其和自己合并,，以防止內(nèi)存分片。在協(xié)議層之間傳送數(shù)據(jù)包只需傳送內(nèi)存塊的起始地址,。這種內(nèi)存管理方法空間浪費小但是運算量相對較大,。

　　整序、重發(fā)和窗口控制的實現(xiàn)

　　對于嵌入式TCP/IP系統(tǒng),，可以使用隊列緩存的方式來實現(xiàn)整序,、重發(fā)和窗口控制。隊列的一個元素指向一個數(shù)據(jù)包,，隊列的最大長度沒有限制,。

　　對于整序，使用ooSeq隊列,，如果發(fā)現(xiàn)接收的TCP包序號并不是期望的,，但序號在接收窗口內(nèi)，此時不能立刻接收這個包也不應(yīng)丟棄,，可先將這個包放入ooSeq隊列,。當期望TCP包被接收后，再查看ooSeq隊列現(xiàn)在是否有TCP包成為了期望的數(shù)據(jù)包,，如果有則將其取出并處理,。

　　對于重發(fā),，使用unacked隊列，每一個需要被應(yīng)答的TCP數(shù)據(jù)包發(fā)送以后都要放入unacked隊列,，等到被應(yīng)答以后才從隊列中刪除,。TCP重發(fā)定時只針對unacked隊列第一個TCP包，如果定時超出,，重新發(fā)送,，重發(fā)次數(shù)超出規(guī)定值，則報錯,。

　　對于窗口控制,，使用unsend隊列，如果發(fā)現(xiàn)對方的窗口過小無法接收這個數(shù)據(jù)包,，則只發(fā)送部分數(shù)據(jù),，將多余部分放入unsend隊列，等待對方發(fā)來TCP包通知新的窗口大小時,，再次判斷是否可以發(fā)送,。如果在unsend隊列不為空的情況下，需要發(fā)送的數(shù)據(jù)包都應(yīng)插入unsend隊列,。

　　嵌入式TCP/IP的性能分析

　　圖5給出了將優(yōu)化設(shè)計后的TCP/IP移植到ARM9處理器,、CS8900A網(wǎng)絡(luò)控制器中，時鐘頻率為133MHz下,，與Internet連接的情況,。

　　系統(tǒng)支持最大發(fā)起連接數(shù)約為380，最大并發(fā)連接率約為170cps,。隨著呼叫數(shù)的增加,，平均分組到達也隨之增加，導致網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的增加,，從而最大建立時間變長,。但最小的建立連接時間基本保持不變，說明系統(tǒng)具有良好的性能,。

　　圖6給出了隨建立時間變化的接通率,。圖中存在一個臨界點，成功的連接率隨著TCP連接嘗試數(shù)目增加而減少,，直至為0,，而響應(yīng)時間也急劇上升，這是由嵌入式處理器的處理能力有限造成的,。


　　
　　結(jié)語

　　本文從實現(xiàn)相應(yīng)的功能又節(jié)省系統(tǒng)資源角度出發(fā),，對嵌入式TCP/IP協(xié)議簇進行優(yōu)化設(shè)計，可以在各種嵌入式處理器上實現(xiàn)Internet接入,。

　　經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的嵌入式TCP/IP支持套接字形式的多個TCP連接,、支持多個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,、支持通過網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)包和數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)功能，以及支持TCP包的整序,、重發(fā)和窗口控制流量控制,。實踐證明，這種設(shè)計方式靈活,，能按用戶需求實現(xiàn)復(fù)雜的功能,。