2.2 和欣嵌入式操作系統(tǒng)TCP/IP的實(shí)現(xiàn)

　　根據(jù)和欣嵌入式TCP/IP協(xié)議堆棧的特點(diǎn)，在實(shí)現(xiàn)嵌入式TCP/IP協(xié)議棧時(shí)只需要用到下述四個(gè)基本協(xié)議：TCP協(xié)議、ICMP協(xié)議、IP協(xié)議、ARP協(xié)議。其余的鏈路層協(xié)議如PPP協(xié)議需要在嵌入式TCP/IP協(xié)議棧下面的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中實(shí)現(xiàn)；而像HTTP、FTP這樣的應(yīng)用層協(xié)議則要在嵌入式TCP/IP協(xié)議棧上面的應(yīng)用層中實(shí)現(xiàn)。

　　2.2.1 地址轉(zhuǎn)化協(xié)議ARP

　　ARP協(xié)議為IP地址和以太網(wǎng)MAC地址建立一個(gè)映射表。這個(gè)協(xié)議對于以太網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議的操作是必不可少的。為了節(jié)省空間，一個(gè)IP地址的ARP請求覆蓋即將發(fā)送的數(shù)據(jù)包，該ARP請求就是因?yàn)橐l(fā)送這個(gè)包而發(fā)送的。這種方法在假設(shè)上層會(huì)重發(fā)被覆蓋的數(shù)據(jù)時(shí)采用。每隔十秒鐘，表就會(huì)刷新一次，舊的記錄被丟棄，在嵌入式TCP/IP協(xié)議棧中，記錄的有效時(shí)間為1秒。

　　2.2.2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IP

　　在嵌入式TCP/IP中，IP協(xié)議執(zhí)行兩項(xiàng)功能：（1）封裝來自上層的TCP數(shù)據(jù)包或ICMP數(shù)據(jù)包，計(jì)算IP數(shù)據(jù)包的檢驗(yàn)和；（2）解析IP緩存中的數(shù)據(jù)包，檢查數(shù)據(jù)包的協(xié)議字段，以判斷該數(shù)據(jù)包應(yīng)該交給ICMP協(xié)議還是TCP協(xié)議處理?；谇度胧絎eb服務(wù)器與客戶端通信的信息量很小，數(shù)據(jù)包的大小不會(huì)超過鏈路層的MTU（最大傳輸單元），嵌入式IP沒有引入數(shù)據(jù)包分片和重組功能，標(biāo)準(zhǔn)的IP協(xié)議有選路功能，可以選擇較短路徑傳送數(shù)據(jù)包，嵌入式IP中為了減少代碼規(guī)模，未引入選路功能。

　　2.2.3 網(wǎng)際控制報(bào)文協(xié)議ICMP

　　在嵌入式TCP/IP協(xié)議棧中，只處理一種ICMP消息類型：ICMP回送消息。ICMP回復(fù)消息經(jīng)常被用來調(diào)用ping程序測試對方主機(jī)是否在線。在嵌入式TCP/IP協(xié)議棧中，ICMP回送消息用一種十分簡單的方式實(shí)現(xiàn)，即將ICMP類型的字段由“echo”類型改變?yōu)椤癳cho reply”類型。改變IP首部的IP地址，將數(shù)據(jù)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(jī)制保證傳輸可靠性，應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)顯得過于復(fù)雜。在嵌入式TCP/IP協(xié)議棧中，為了減少存儲(chǔ)空間的占用，沒有進(jìn)入發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的可靠窗口機(jī)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(biāo)準(zhǔn)TCP有線狀態(tài)機(jī)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(shè)計(jì)中還去掉了LISTENING狀態(tài)，使它在CLOSED狀態(tài)下就處于偵聽狀態(tài)，監(jiān)聽客戶端的鏈接請求，這樣避免了主動(dòng)或被動(dòng)打開及關(guān)閉的操作，使嵌入式TCP/IP協(xié)議棧更精簡，嵌入式TCP/IP中到達(dá)TCP段的數(shù)據(jù)不被緩存，應(yīng)用程序必須立即處理它。當(dāng)然，這并不阻止應(yīng)用層緩存數(shù)據(jù)。每次連接在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，無法同時(shí)處理多于一個(gè)的TCP段，TCP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)原理比較復(fù)雜，在嵌入式TCP/IP協(xié)議中，實(shí)現(xiàn)TCP協(xié)議是一個(gè)最關(guān)鍵的問題。

　　2.2.5 構(gòu)件化的協(xié)議棧

　　采用構(gòu)件化方法實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的關(guān)鍵是：

　?。?）如何劃分構(gòu)件的粒度。需要根據(jù)用戶的需要解決定，如果用戶是開發(fā)一個(gè)新的協(xié)議棧，可以采用大粒度的構(gòu)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(gòu)件，繼承預(yù)先定義的構(gòu)件。

　?。?）如何設(shè)計(jì)構(gòu)件接口。要實(shí)現(xiàn)（1）所提到的構(gòu)件的自由替換，必須設(shè)計(jì)良好的構(gòu)件接口。所有的構(gòu)件實(shí)現(xiàn)應(yīng)該繼承該接口。設(shè)計(jì)接口的原則是盡量保持接口的通用性和簡潔性。當(dāng)有新的功能添加時(shí)，可以通過繼承實(shí)現(xiàn)新的接口方便地加入原有的框架，從而實(shí)現(xiàn)軟件的無縫升級。

　　（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(tǒng)一的使用界面；3）在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，核心層和用戶層之間有高效的緩沖機(jī)制，避免不必要的拷貝。

　　如果操作系統(tǒng)提供了快捷的上下文切換及高效的進(jìn)程間的通信，則整個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧便可以作為一個(gè)用戶態(tài)進(jìn)程對用戶進(jìn)程提供服務(wù)，如果進(jìn)程上下文切換比較復(fù)雜，則整個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧可以作為動(dòng)態(tài)鏈接庫鏈入用戶進(jìn)程地址空間，但需要對多進(jìn)程共享的數(shù)據(jù)加鎖，進(jìn)行同步訪問控制。另外一種選擇是將網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧裝入內(nèi)核空間，也可以避免頻繁的進(jìn)程上下文切換帶來的系統(tǒng)開銷。

　　因?yàn)椴捎昧送ㄓ玫腟OCKET編程接口作為最終提供給用戶使用的接口，從而使多個(gè)協(xié)議具有統(tǒng)一的使用界面。同時(shí)，在采用細(xì)粒度構(gòu)件的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧中，各層協(xié)議之間的接口也是精細(xì)構(gòu)造的統(tǒng)一接口，為了避免大量數(shù)據(jù)的拷貝，需要設(shè)計(jì)良好的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，同時(shí)采取“共享內(nèi)存”的方法。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議各層次間盡量以指針方式傳遞數(shù)據(jù)。

　　構(gòu)件化的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧具有以下優(yōu)點(diǎn)：

　?。?）針對不同網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的需求，能最大限度地利用領(lǐng)域相關(guān)知識進(jìn)行調(diào)整，提高了性能。

　?。?）底層構(gòu)件可以在不影響頂層使用的情況下進(jìn)行修改。

　　（3）方便用戶添加及開發(fā)調(diào)試新的協(xié)議。

　　該文采用上?？铺?a target="_blank">公司的CAR構(gòu)件技術(shù)在和欣操作系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)構(gòu)件化的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，該網(wǎng)絡(luò)協(xié)議構(gòu)件既可以加載在內(nèi)核態(tài)，也可以加載到用戶態(tài)，方便開發(fā)調(diào)試，有利于開發(fā)新網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，其他開發(fā)者采用構(gòu)件的方法開發(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(tǒng)上原有的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。使用構(gòu)件化的方法開發(fā)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧也可以推廣到其他支持構(gòu)件的操作系統(tǒng)上。