2.2.2 網際協(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)據包或ICMP數(shù)據包，計算IP數(shù)據包的檢驗和；(2)解析IP緩存中的數(shù)據包，檢查數(shù)據包的協(xié)議字段，以判斷該數(shù)據包應該交給ICMP協(xié)議還是TCP協(xié)議處理。基于嵌入式Web服務器與客戶端通信的信息量很小，數(shù)據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回復消息經常被用來調用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)椤癳cho reply”類型。改變IP首部的IP地址，將數(shù)據包送回發(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。每次連接在發(fā)送數(shù)據時，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 構件化的協(xié)議棧

采用構件化方法實現(xiàn)網絡協(xié)議棧的關鍵是：

(1)如何劃分構件的粒度。需要根據用戶的需要決定，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件劃分方式(如圖2所示)，即把整個網絡協(xié)議棧作為一個大的構件，繼承預先定義的構件。

(2)如何設計構件接口。要實現(xiàn)(1)所提到的構件的自由替換，必須設計良好的構件接口。所有的構件實現(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，則整個網絡協(xié)議棧可以作為動態(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)據加鎖，進行同步訪問控制。另外一種選擇是將網絡協(xié)議棧裝入內核空間，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，在采用細粒度構建的網絡協(xié)議棧中，各層協(xié)議之間的接口也是精心構造的統(tǒng)一接口。為了避免大量數(shù)據的拷貝，需要設計良好的數(shù)據結構，同時采取“共享內存”的方法。在網絡協(xié)議各層次間盡量以指針方式傳遞數(shù)據。

構件化的網絡協(xié)議棧具有以下優(yōu)點：
(1)針對不同網絡應用的需求，能最大限度地利用領域相關知識進行調整，提高了性能。
(2)底層構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)調試新的協(xié)議。

該文采用上?？铺┕镜?a class="contentlabel" href="http://www.antipu.com.cn/news/listbylabel/label/CAR構件技術">CAR構件技術在和欣操作系統(tǒng)上實現(xiàn)了一個構件化的網絡協(xié)議棧。該網絡協(xié)議構件既可以加載在內核態(tài)，也可以加載在用戶態(tài)，方便開發(fā)調試，有利于開發(fā)新的網絡協(xié)議棧。其他開發(fā)者采用構件的方法開發(fā)出了高效或者針對某特定領域的網絡協(xié)議棧，可以方便地替換和欣操作系統(tǒng)上原有的網絡協(xié)議棧。使用構件化的方法開發(fā)網絡協(xié)議棧也可以推廣到其他支持構件的操作系統(tǒng)上。