基于和欣嵌入式操作系統(tǒng)的構(gòu)件化網(wǎng)絡協(xié)議棧

嵌入式Internet是隨著嵌入式系統(tǒng)的廣泛應用和計算機網(wǎng)絡技術的發(fā)展而產(chǎn)生的一種新概念和技術。嵌入式系統(tǒng)以應用為中心，以計算機技術為基礎，且軟硬件可裁剪，現(xiàn)已贏得了巨大的市場。隨著 Internet的發(fā)展，各種設備都產(chǎn)生了連接性的需求，從冰箱到電表，似乎所有電器都需要連入互聯(lián)網(wǎng)。通過為現(xiàn)有嵌入式系統(tǒng)增加因特網(wǎng)接入能力來擴展其功能，以Internet為介質(zhì)實現(xiàn)信息交互，從而產(chǎn)生了嵌入式Internet 技術。要實現(xiàn)嵌入式設備的網(wǎng)絡化，需要實現(xiàn)TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議棧，但由于Internet上各種通信協(xié)議對計算機存儲器、運算速度等的要求比較高，使得嵌入式系統(tǒng)協(xié)議棧的開發(fā)實現(xiàn)并不順利。

目前有兩個關鍵因素影響網(wǎng)絡協(xié)議棧的開發(fā)，一是性能和效率，二是開發(fā)調(diào)試方便。傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)一般只能顧及其中的一個方面。例如在Linux、FreeBSD中，網(wǎng)絡協(xié)議棧作為系統(tǒng)內(nèi)核的一部分實現(xiàn)，通常具有較高的通信效率，但是不方便用戶添加實現(xiàn)新的用戶協(xié)議及根據(jù)特殊需要對協(xié)議的實現(xiàn)細節(jié)調(diào)整，同時對協(xié)議代碼的維護、調(diào)試和開發(fā)也不方便。這個缺點在嵌入式領域表現(xiàn)得尤為突出。

由于嵌入式設備的多樣性和通信需求的多樣性，嵌入式領域的網(wǎng)絡協(xié)議棧的復用率非常低。本文將構(gòu)件技術引入網(wǎng)絡協(xié)議棧的開發(fā)，并在國產(chǎn)和欣操作系統(tǒng)上實現(xiàn)了一個構(gòu)件化的網(wǎng)絡協(xié)議棧，很好地解決了開發(fā)與效率的問題。

1 和欣嵌入式操作系統(tǒng)和CAR構(gòu)件技術

1.1 和欣嵌入式操作系統(tǒng)

和欣操作系統(tǒng)基于微內(nèi)核，服務動態(tài)加載。內(nèi)核包括硬件驅(qū)動(串口、USB、以太網(wǎng)卡、無線通信模塊)、內(nèi)存管理等系統(tǒng)基本服務，如圖1所示。TCP/IP協(xié)議棧完全由構(gòu)件實現(xiàn)，是運行在構(gòu)件平臺之上的一個服務構(gòu)件。底層網(wǎng)卡、串口等設備得到數(shù)據(jù)之后將數(shù)據(jù)交上層服務構(gòu)件處理。

和欣嵌入式操作系統(tǒng)是基于構(gòu)件化軟件模型，構(gòu)件化軟件設計思想貫穿了整個系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)，系統(tǒng)實現(xiàn)本身就是構(gòu)件模式。除內(nèi)核中最底層控制部分外，所有系統(tǒng)功能都以構(gòu)件接口形式提供。另外，操作系統(tǒng)對構(gòu)件化軟件模型提供了必要的運行環(huán)境，來源不同的構(gòu)件可以在該環(huán)境上實現(xiàn)互操作。系統(tǒng)提供了構(gòu)件自動尋址/自動加載機制，用戶不必知道調(diào)用的構(gòu)件程序是本地的還是來自于網(wǎng)上，即構(gòu)件運行環(huán)境對用戶透明。構(gòu)件化系統(tǒng)的實現(xiàn)，使得操作系統(tǒng)本身具有高度的靈活性和擴展性。和欣采用了CAR構(gòu)件技術。


1.2 CAR構(gòu)件技術

CAR構(gòu)件技術是在總結(jié)面向?qū)ο缶幊獭⒚嫦驑?gòu)件編程技術的發(fā)展歷史和經(jīng)驗的基礎上，為更好地支持面向以Web服務為代表的下一代網(wǎng)絡應用軟件開發(fā)而發(fā)明的。CAR(Component Assembly Runtime)構(gòu)件技術定義了一套網(wǎng)絡編程時代的構(gòu)件編程模型和編程規(guī)范，它規(guī)定了一組構(gòu)件間相互調(diào)用的標準，使二進制構(gòu)件可自描述并能夠在運行時動態(tài)鏈接。

CAR構(gòu)件技術通過二進制的封裝及動態(tài)鏈接技術解決軟件的動態(tài)升級和軟件的動態(tài)替換問題。面向構(gòu)件技術對一組類的組合進行封裝，并代表完成一個或多個功能的特定服務，同時為用戶提供多個接口。整個構(gòu)件隱藏了具體的實現(xiàn)，只用接口提供服務。這樣，在不同層次上，構(gòu)件均可以將底層多個邏輯組合成高層次上粒度更大的新構(gòu)件。構(gòu)件之間通過約定的接口進行數(shù)據(jù)交換和信息傳遞，構(gòu)件的位置相互透明，可以在同一個或不同的用戶進程空間、不同的機器甚至不同的構(gòu)件上用不同的語言編寫，只要其符合事先約定的構(gòu)件規(guī)范。

2 和欣操作系統(tǒng)上的TCP/IP協(xié)議棧的特點與實現(xiàn)

2.1 和欣嵌入式操作系統(tǒng)上TCP/IP協(xié)議棧的特點

由于嵌入式系統(tǒng)在硬件資源的占有量以及處理器的處理能力等方面的限制，使得TCP/IP協(xié)議的嵌入式實現(xiàn)與其在通用操作系統(tǒng)中的實現(xiàn)有很大不同。首先，由于嵌入式處理器的時鐘頻率低，地址、數(shù)據(jù)總線窄，導致嵌入式系統(tǒng)對一個通用IP 包的處理要花費更多的處理機時間，從而影響其他任務的執(zhí)行。因此需要對龐大復雜的TCP/IP協(xié)議棧進行裁剪，使之具有簡單、高效的特點。同時在設計嵌入式TCP/IP協(xié)議棧時要合理控制中斷處理程序的大小，使得中斷處理程序的運行時間盡可能短；同時把那些無實時性要求和費時的工作移到主程序中執(zhí)行，從而保證協(xié)議的正確執(zhí)行。具體來說，就是把TCP/IP協(xié)議的處理工作放到主程序中，對網(wǎng)絡接口的控制芯片采用循環(huán)查詢方式，在其他中斷任務的執(zhí)行間隙處理TCP/IP協(xié)議，以犧牲系統(tǒng)的響應時間換取系統(tǒng)的可靠性。再者由于嵌入式系統(tǒng)的存儲空間有限，一般情況下只能開辟幾KB字節(jié)的緩存區(qū)接收數(shù)據(jù)包，并且其存儲空間固定，不是動態(tài)分配的。因此，在遇到大數(shù)據(jù)包時就會出現(xiàn)緩沖區(qū)溢出的錯誤。通常，嵌入式系統(tǒng)接收的數(shù)據(jù)包類型僅為系統(tǒng)狀態(tài)配置包、控制動作命令包、通信控制包等，這些包容量較小。由實時數(shù)據(jù)或網(wǎng)頁向網(wǎng)絡發(fā)送的數(shù)據(jù)包比較長，但可以通過設計格式加以控制。

和欣操作系統(tǒng)是基于微內(nèi)核的操作系統(tǒng)，其上的TCP/IP協(xié)議棧既可以運行在用戶態(tài)，也可以運行在內(nèi)核態(tài)，具有通用接口和方便的框架，方便用戶開發(fā)適合自己領域或特殊需要的網(wǎng)絡協(xié)議棧。因為和欣操作系統(tǒng)提供了高效的進程上下文切換功能和進程間通信，所以整個網(wǎng)絡協(xié)議棧作為一個用戶態(tài)進程提供服務。使用前先創(chuàng)建網(wǎng)絡構(gòu)件實例，然后向操作系統(tǒng)注冊服務。此后用戶就可以使用網(wǎng)絡編程接口了。如果用戶對網(wǎng)絡協(xié)議棧有更高的效率要求，則可以將該協(xié)議棧加載到內(nèi)核態(tài)。

2.2 和欣嵌入式操作系統(tǒng)TCP/IP的實現(xiàn)

根據(jù)和欣嵌入式TCP/IP協(xié)議棧的特點，在實現(xiàn)嵌入式TCP/IP協(xié)議棧時只需要用到下述四個基本協(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)議棧下面的設備驅(qū)動程序中實現(xiàn)；而像HTTP、FTP這樣的應用層協(xié)議則要在嵌入式TCP/IP協(xié)議棧上面的應用層中實現(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地址建立一個映射表。這個協(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請求就是因為要發(fā)送這個包而發(fā)送的。這種方法在假設上層會重發(fā)被覆蓋的數(shù)據(jù)時采用。每隔十秒鐘，表就會刷新一次，舊的記錄被丟棄。在嵌入式TCP/IP協(xié)議棧中，記錄的有效時間為1 秒。

2.2.2 網(wǎng)際協(xié)議IP

在嵌入式TCP/IP中，IP協(xié)議執(zhí)行兩項功能：(1)封裝來自上層的TCP數(shù)據(jù)包或ICMP數(shù)據(jù)包，計算IP數(shù)據(jù)包的檢驗和；(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)包應該交給ICMP協(xié)議還是TCP協(xié)議處理?；谇度胧絎eb服務器與客戶端通信的信息量很小，數(shù)據(jù)包的大小不會超過鏈路層的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。標準的IP協(xié)議有選路功能，可以選擇較短路徑傳送數(shù)據(jù)包，在嵌入式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回復消息經(jīng)常被用來調(diào)用ping程序測試對方主機是否在線。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現(xiàn)，即將ICMP類型的字段由“echo”類型改變?yōu)?ldquo;echo 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。它采用了許多機制保證傳輸可靠性，應用于嵌入式系統(tǒng)顯得過于復雜。在嵌入式TCP/IP協(xié)議棧中，為了減少存儲空間的占用，沒有引入發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的可靠窗口機制。通常，嵌入式Web服務器處于被動服務狀態(tài)，所以可以將標準TCP有限狀態(tài)機的主動創(chuàng)建連接的SYN SENT狀態(tài)、主動關閉連接的FIN WAIT1、FIN WAIT2、CLOSING、TIME WAIT狀態(tài)裁剪。設計中還去掉了LISTENING狀態(tài)，使它在CLOSED狀態(tài)下就處于偵聽狀態(tài)，監(jiān)聽客戶端的連接請求。這樣避免了主動或被動打開及關閉的操作，使嵌入式TCP/IP協(xié)議棧更精簡。嵌入式TCP/IP中到達TCP段的數(shù)據(jù)不被緩存，應用程序必須立即處理它。當然，這并不阻止應用層緩存數(shù)據(jù)。每次連接在發(fā)送數(shù)據(jù)時，無法同時處理多于一個的TCP 段。TCP協(xié)議的實現(xiàn)原理比較復雜，在嵌入式TCP/IP協(xié)議中，實現(xiàn)TCP 協(xié)議是一個最關鍵的問題。

2.2.5 構(gòu)件化的協(xié)議棧

采用構(gòu)件化方法實現(xiàn)網(wǎng)絡協(xié)議棧的關鍵是：

(1)如何劃分構(gòu)件的粒度。需要根據(jù)用戶的需要決定，如果用戶是開發(fā)一個新的協(xié)議棧，可以采用大粒度的構(gòu)件劃分方式(如圖2所示)，即把整個網(wǎng)絡協(xié)議棧作為一個大的構(gòu)件，繼承預先定義的構(gòu)件。

(2)如何設計構(gòu)件接口。要實現(xiàn)(1)所提到的構(gòu)件的自由替換，必須設計良好的構(gòu)件接口。所有的構(gòu)件實現(xiàn)應該繼承該接口。設計接口的原則是盡量保持接口的通用性和簡潔性。當有新的功能添加時，可以通過繼承實現(xiàn)新的接口方便地加入原有的框架，從而實現(xiàn)軟件的無縫升級。

(3)提高網(wǎng)絡通信的效率。一個高效的通信協(xié)議需要滿足：①上下文切換和定時器的輕型完成；②多個協(xié)議具有統(tǒng)一的使用界面；③在網(wǎng)絡設備，核心層和用戶層之間有高效的緩沖機制，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程間通信，則整個網(wǎng)絡協(xié)議棧便可以作為一個用戶態(tài)進程對用戶進程提供服務。如果進程上下文切換比較復雜，則整個網(wǎng)絡協(xié)議?？梢宰鳛閯討B(tài)鏈接庫鏈入用戶進程地址空間，但需要對多進程共享的數(shù)據(jù)加鎖，進行同步訪問控制。另外一種選擇是將網(wǎng)絡協(xié)議棧裝入內(nèi)核空間，也可以避免頻繁的進程上下文切換帶來的系統(tǒng)開銷。

因為采用了通用的SOCKET編程接口作為最終提供給用戶使用的接口，從而使多個協(xié)議具有統(tǒng)一的使用界面。同時，在采用細粒度構(gòu)建的網(wǎng)絡協(xié)議棧中，各層協(xié)議之間的接口也是精心構(gòu)造的統(tǒng)一接口。為了避免大量數(shù)據(jù)的拷貝，需要設計良好的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，同時采取“共享內(nèi)存”的方法。在網(wǎng)絡協(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)絡協(xié)議棧具有以下優(yōu)點：
(1)針對不同網(wǎng)絡應用的需求，能最大限度地利用領域相關知識進行調(diào)整，提高了性能。
(2)底層構(gòu)件可以在不影響頂層使用的情況下進行修改。
(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┕镜腃AR構(gòu)件技術在和欣操作系統(tǒng)上實現(xiàn)了一個構(gòu)件化的網(wǎng)絡協(xié)議棧。該網(wǎng)絡協(xié)議構(gòu)件既可以加載在內(nèi)核態(tài)，也可以加載在用戶態(tài)，方便開發(fā)調(diào)試，有利于開發(fā)新的網(wǎng)絡協(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域的網(wǎng)絡協(xié)議棧，可以方便地替換和欣操作系統(tǒng)上原有的網(wǎng)絡協(xié)議棧。使用構(gòu)件化的方法開發(fā)網(wǎng)絡協(xié)議棧也可以推廣到其他支持構(gòu)件的操作系統(tǒng)上。