国产化某OS中轻量级网络协议栈的研究与应用

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近年来计算机硬件能力得到不断地提升,物联网、人工智能等不少领域也取得了长足的进步,其中嵌入式Internet技术研究也取得了一定创新突破。然而传统的TCP/IP协议栈中协议众多,占用内存大,很多嵌入式设备无法满足其苛刻的资源需求,现有的轻量级网络协议栈虽然占用内存少,但是有着应用环境特定、缺少实现某些协议和忽视了对数据缓冲区设计等问题,这也意味着不能直接使用现有的轻量级网络协议栈。本文基于这个背景下,为国产某OS设计了轻量级网络协议栈架构并基于传统TCP/IP协议栈提出了裁剪方案,同时重构了数据缓冲区并将其应用到了 UDP模块中。本文的主要研究工作如下:(1)提出了一种适用于国产化某OS的TCP/IP协议栈裁剪方案。研究和分析了现有轻量级协议栈架构,针对现有轻量级协议栈存在的主要问题,设计了一种适用于国产化某OS的轻量级网络协议栈架构并在传统TCP/IP协议栈基础上提出了裁剪方案。保留将要实现的应用层协议和所有与之相关的下层协议,裁剪部分协议中用不到的功能并改进某些协议的性能。该裁剪方案不仅能很好的满足国产某OS对嵌入式系统的高可靠性和强实时性要求,同时也能最大程度的减少对嵌入式设备存储空间的占用。(2)数据缓冲区的重构与实现。通过重构传统的数据缓冲区来保存在进程和网络接口之间传输的用户数据。重构的数据缓冲区dBuf借鉴了数据包缓冲区pbuf和内存缓存mbuf的思想,在继承两者优点的同时并对它们的缺点并进行了改进,使得重构的数据缓冲区具有结构简单、内存设计合理、类型少和“零拷贝”等优点。(3)嵌入式UDP设计与实现。传统嵌入式UDP的设计,在数据报上下行时主要的动作就是封装首部和解封装首部,缺乏对UDP报文的有效管理。因此,在设计UDP模块时,设计了包括UDP控制块、UDP功能模块和UDP数据报的收发流程,并将重构后的数据缓冲区应用于嵌入式UDP。该设计有助于协议栈更好的管理UDP报文并便于UDP模块后期的维护。(4)轻量级协议栈测试。在搭建好实验环境后对数据缓冲区dBuf和UDP模块分别进行了测试。dBuf测试后的实验结果表明,重构的数据缓冲区占用内存少并能很好的满足分配和释放缓冲区的需要,与未使用dBuf相比,使用dBuf可以提高协议栈的吞吐量、CPU利用率和减少对存储空间的占用;而UDP模块测试后的实验结果表明,UDP模块不仅能满足正常收发的基本功能,与普通UDP相比,其在高并发和高吞吐量指标方面表现更优。最后测试了协议栈整体的连通性,将UDP模块应用到了课题组其他同学实现的TFTP模块,实验结果表明,能满足文件上传和下载的基本功能,进而验证了本文设计的轻量级协议栈在整体连通性方面是没有问题的。
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