基于Nagle算法的嵌入式TCP協(xié)議

隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展,在嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接已成為研究熱點,廣泛使用的廉價8/ 16 位嵌入式處理器的性能不足與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的復(fù)雜構(gòu)成了尖銳的矛盾。 嵌入式Internet 技術(shù)的核心是在嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)TCP/ IP 協(xié)議簇, TCP 協(xié)議的機制比較復(fù)雜,對8/ 16 位嵌入式處理器的存儲能力和運算能力要求較高,必須進行簡化。

本文提出了一種適用于8/ 16 位低速處理器的簡化TCP 協(xié)議。對其性能進行分析發(fā)現(xiàn),在嵌入式網(wǎng)絡(luò)大量使用小數(shù)據(jù)包,造成網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率低下并且容易造成網(wǎng)絡(luò)阻塞。 因此在簡化的TCP 協(xié)議中引入Nagle 算法,大幅度減少了嵌入式網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送的小數(shù)據(jù)包個數(shù),提高了吞吐率,并減少了所需的帶寬。

簡化TCP 協(xié)議的提出

TCP 協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸分為3 個階段: 建立連接、傳輸數(shù)據(jù)和斷開連接,可以用狀態(tài)機 來實現(xiàn)。8/ 16 位嵌入式微控制器要完整實現(xiàn)這樣復(fù)雜的狀態(tài)機是十分困難的。在嵌入式系統(tǒng)中簡化TCP 的實現(xiàn)已有相關(guān)的研究,本文進一步引入了Nagle 算法并且進行了網(wǎng)絡(luò)模擬,給出了實驗結(jié)果。

連接建立和斷開機制

TCP 建立連接有兩種方式:主動打開和被動打開。如果實現(xiàn)服務(wù)器端應(yīng)用,可以將TCP 狀態(tài)機的主動打開連接部分簡化掉。同理客戶端應(yīng)用,可以將狀態(tài)機的被動打開連接部分簡化掉。斷開連接也有兩種方式:主動斷開和被動斷開。其中被動斷開連接的處理較為簡單。但為了保證安全性,希望主動斷開連接。主動斷開連接簡化實現(xiàn)的方法是:發(fā)送一個Fin 數(shù)據(jù)報,在接收到對Fin 數(shù)據(jù)報的確認(rèn)后,再發(fā)送一個Reset 數(shù)據(jù)報,就可完成主動斷開連接。

以服務(wù)器端的TCP 連接為例,簡化后的TCP狀態(tài)機如圖1。

單TCP 連接

在8/ 16 位微控制器上實現(xiàn)簡化TCP 協(xié)議,無需實現(xiàn)多個TCP 連接,只需實現(xiàn)單個TCP 連接即可。

簡單確認(rèn)機制

嵌入式系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)包不大,可以將TCP 協(xié)議的滑動窗口機制去掉,成為簡單確認(rèn)機制,只對單個數(shù)據(jù)報而不是批量數(shù)據(jù)發(fā)送確認(rèn)。實現(xiàn)方法是設(shè)置TCP 頭部windows 字段的大小為1 ,即可保證TCP協(xié)議雙方都使用簡單確認(rèn)。

僅計算發(fā)送TCP 報文的校驗和

由于TCP 協(xié)議校驗和的計算對系統(tǒng)存儲和計算資源的占用都比較多,可以省去對接收數(shù)據(jù)報校驗和的計算,保留發(fā)送數(shù)據(jù)報TCP 校驗和的計算。

簡化TCP 方案小結(jié)

在上述4 個方面的基礎(chǔ)上,在嵌入式處理器中實現(xiàn)了簡化的TCP 協(xié)議,程序流程如圖2。其中“不同狀態(tài)的相應(yīng)處理”指根據(jù)接收到的TCP 報文準(zhǔn)備待發(fā)送數(shù)據(jù)報并將其發(fā)送到以太網(wǎng)上。