DeltaOS 3.0 -简介(4)

嵌入式系统 时间：2007-03-01来源：科银京成

DeltaOS的TCP/IP网络协议栈（以下简称网络协议栈）符合TCP/IP协议工业标准，支持多任务应用开发模型，利用DeltaOS的TCP/IP网络协议栈，开发人员可以为一个嵌入式设备增加和配置网络功能。

DeltaOS的网络协议栈是一套完整的嵌入式TCP/IP协议栈，在应用上，网络协议栈提供：

应用程序与操作系统以及网络协议栈的关系如下图：

图：网络协议栈体系结构

新版本的网络协议栈包括如下特点：

特性

应用特点

编程接口标准化

网络协议栈提供的网络编程接口（套接字）与Windows Socket版本1.1基本一致

可移植性 

配置灵活

网络协议栈提供系统配置表，用户既可以配置自己所需要的网络组件（如DNS、DHCP等）或硬件支持（如多网卡），也可以根据具体的需要配置一些相关的网络参数（如IP地址、网关、拨号串等）。既提供静态配置的方式，也提供部分调用接口，实现了参数的动态配置。

对多任务的支持

网络协议栈中使用信号量机制，实现任务间及任务与中断处理程序之间资源的互斥与共享，从而实现了对多任务环境的支持。

可扩充性

网络协议栈使用模块化设计模式，根据实际需要，可方便地添加新的协议模块到网络协议栈的TCP/IP协议栈软件包中，实现对新的网络协议的支持。

支持组播功能

基于网络协议栈开发的应用程序通过调用setsockopt函数设置组播选项，能够实现组播发送和接收。

性能特点

网络协议栈在实现上采取了一些措施以提高其性能，如下：

采用“零拷贝”技术（Zero Copy）

用户数据在通过TCP/IP协议从本地主机传输到远地主机的过程中，需要不断地拆包和打包。如果在拆包和打包时，各协议层之间均采用数据拷贝进行数据传递，则将大大增加系统开销，从而降低系统性能。网络协议栈采用零拷贝技术以解决该问题。

所谓“零拷贝”技术，是指TCP/IP协议栈没有用于各层间数据传递的缓冲区，协议栈各层间传递的都是数据指针，只有当数据最终要被驱动程序发送出去或是被用户应用程序取走时，才进行真正的数据搬移。

采用静态分配技术

如果在网络发送或接收的过程中，某一次传送的数据超过了在一个物理网络上能够传输的最大数据量（MTU），则该数据处理任务往往会阻塞等待，直到上层重新调整需要处理的数据量的大小，才会继续执行下去。{{分页}}

网络协议栈采用静态分配技术，在网络初始化时就静态分配通信缓冲区，设置了专门的发送和接收缓冲（一般是小于或等于物理网络上的MTU值），从而确保了每次发送或接收时处理的数据不会超过MTU值，也就避免了数据处理任务的阻塞等待。

通信采用非暂停方式

通信采用非暂停方式是指通信双方中的接收方在等待接收的过程中，创建一个接收任务，该任务首先发出一个接收信号，然后进入休眠状态，当有新的报文到达时才被唤醒，并对接收到的新的报文进行处理；暂停方式则是指接收方在新的报文到来之前一直等待，直到有报文到达后进行相应的处理。

网络协议栈中的通信采用非暂停方式。与暂停方式比较，非暂停方式既可以提高计算机和网络通信的并行性，又能保证接收时响应的及时性。

协议特点

网络协议栈遵从TCP/IP的四层协议体系结构，如下图所示：

图：网络协议栈协议的体系结构

在不同的层次上，网络协议栈在支持协议上有如下特点：

链路层

网络协议栈支持以太网链路层和RS232串口链路层（PPP）。
数据链路层的实现主要表现为网络驱动程序。网络协议栈提供网络驱动程序模板，用户可根据模板编写自己的驱动程序。

网络层

  1. ARP/RARP
    ARP是几乎每种TCP/IP实现中的基本协议，但它通常在应用程序或系统管理员并未意识到的情况下完成工作。ARP缓冲是其操作的基础，网络协议栈将缓冲中每个表目绑定一定时器，用于管理过时的表目。

    许多无盘系统用RARP在启动时获得其IP地址。RARP数据包格式与ARP几乎相同。RARP请求是广播的，标识发送者的硬件地址，要求别人回答发送者的IP地址；其应答通常是单目的。
  2. IP
    IP协议是网络协议栈网络层的主要组成部分，其主要功能包括：
    1. 提供一种无连接的、不可靠的、尽最大努力进行数据报传递的服务。
    2. 提供简单的IP数据报的选路。IP选路基于IP选路表，该表存储有关可能的目的网点及怎样到达目的网点的信息，主机或路由器软件需要传送数据报时，它就查询选路表来决定把数据报发往何处。网络协议栈中的IP选路表为增加RIP及OSPF等动态路由协议提供了接口，进一步体现了网络协议栈的可扩充性。
    3. 实现IP数据报的分片、重组
  3. ICMP
    网络协议栈的ICMP协议实现了所有标准ICMP协议的功能，包括差错报告和控制。其中最常用的是ICMP回送请求和应答功能，并在此基础上提供ping的简单应用接口供应用程序调用，用于检查链路的通断。

传输层

网络协议栈传输层提供两种协议——UDP和TCP。

  1. UDP
    网络协议栈支持组播功能。组播（multicast）是一到多或者多到多的多方通信形式，远程会议、交互式仿真、分布式内容系统、多方游戏等应用都对组播业务(multicast service)提出了需求。由于TCP是有连接的，决定了TCP之上的应用程序不能够实现组播。基于UDP的应用程序能够通过组播发送和接收大大提高网络性能，合理利用网络带宽。
  2. TCP
    网络协议栈提供面向流的传输协议—TCP协议，它提供可靠的传输服务以确保数据无差错、无乱码的到达。为了这个目的，TCP协议软件要进行协商，让接收方回送确认信息及让发送方重发丢失的分组。

应用层

网络协议栈为应用层的开发提供了一套Socket编程接口，用户可以基于这套Socket编程接口来完成适合自己的网络应用。{{分页}}

网络协议栈也实现了应用层上一些常见的标准协议，如Telnet Client（远程登录客户端）、FTP Client（文件传输客户端）等。

基本规格

标准

网络协议栈提供的Socket调用与Windows Socket 1.1调用基本一致。网络协议栈支持标准TCP/IP模型中的多种协议，主要包括（每个协议对应的RFC编号，只是该协议早期版本的编号）：

支持的应用协议如下：

DHCP Client[RFC 1541]、[RFC 2131]、[RFC 3396]
DNS Client[RFC 1035]
TELNET Server[RFC 854]
FTP Client[RFC 765]
HTTP[RFC 2068]、[RFC 2616]

资源占用情况

以DeltaCORE为例来介绍网络协议栈所占用的操作系统内核资源。

任务数

>=4 （如果启动Telnet Server功能则要求>=9）

信号量数

>=14

中断栈空间

>=10K

任务额外堆栈空间

>=30K

网络协议栈占用内存情况（注：不包括以选件方式提供的应用层协议）

静态内存空间

下表列出了网络协议栈在ARM7-4510B、x86平台上运行Pinghost演示程序时，网络协议栈占用内存资源的实际情况：

网络协议栈的静态内存需求（单位：字节）

 

arm7-4510B

x86

CODE

0x33b9b

0x24cb4

BSS

0x2968c

0x29694

DATA

0x6c7

0x717

注意：

动态内存空间

网络协议栈在初始化时需要CRTL动态分配的空间为110776字节。这部分空间是为接收和发送缓冲、还有控制结构预留的，不会释放。

网络协议栈的七个DEMO在运行过程中也需要动态分配一部分空间，但是这部分空间在程序运行过程中会释放掉的，不会产生内存泄漏等情况。各个DEMO需要分配的空间如下表所示：

网络协议栈的动态内存需求（单位：字节）

DEMO

PingHost

TcpClnt

TcpServ

UdpClnt

UdpServ

FtpIoAPI

TelServer

动态分配空间

384

1968

3888

1752

1752

4136

14496（含任务堆栈空间）

注意：

在为每个DEMO进行内存配置时，CRTL堆的大小不能小于网络协议栈初始化及DEMO任务创建、DEMO运行过程中动态分配的内存之和。

典型性能指标

测试环境：

CPU:Pentium 628MHZ CPU

内存:128M

测试内容

测试结果（ms）

TCP连接数据吞吐量（发送,32字节）

0.026

TCP连接数据吞吐量（接收,32字节）

0.031

TCP连接数据吞吐量（发送,1430字节）

0.061

TCP连接数据吞吐量（接收,1430字节）

0.080

UDP连接数据吞吐量（发送,32字节）

0.018

UDP连接数据吞吐量（接收,32字节）

0.032

UDP连接数据吞吐量（发送,1430字节）

0.023

UDP连接数据吞吐量（接收,1430字节）

0.080

 

关键词： 嵌入式操作系统 嵌专题delta

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