LwIP內存管理分析

TCP/IP是一種基于OSI參考模型的分層網絡體系結構，它由應用層、運輸層、網絡層、數據鏈路層、物理層組成。各層之間消息的傳遞通過數據報的形式進行。由于各層之間報頭長度不一樣，當數據在不同協(xié)議層之間傳遞時，對數據進行封裝和去封裝、增加和刪除操作將十分頻繁。

在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中也經常遇到類似問題。用戶數據從本地嵌入式設備傳輸到遠程主機的過程中，要經過各層協(xié)議，對消息的封裝、去封裝和拷貝操作幾乎是不可避免的。而通常所采用的用一段連續(xù)的內存區(qū)來存儲、傳遞數據的做法會有以下的缺陷：

(1)當從上層向下層傳遞數據時，下層協(xié)議需要對數據進行封裝，而上層在申請內存時沒有(也不應該)考慮下層的需要。這樣會導致下層協(xié)議處理時需要重新申請內存并進行內存拷貝，從而影響程序的效率。

(2)當從下層向上層傳遞數據時，下層協(xié)議專有的數據結構應當對上層協(xié)議不可見。因此也需要重新申請內存并進行內存拷貝。

(3)隨著數據的逐層處理，其內容可能有所增減，而連續(xù)內存很難處理這種動態(tài)的數據增刪。

因此，必須有一種能適應數據動態(tài)增刪、但在邏輯上又呈現連續(xù)性的數據結構，以滿足在各協(xié)議層之間傳遞數據而不需要進行內存拷貝。嵌入式TCP/IP協(xié)議棧要求簡單高效，并減少對內存的需求。這些都需要相應的內存管理機制實現。

　　1 LwIP協(xié)議棧中pbuf介紹

LwIP(Light weight IP)是瑞士計算機科學院Adam Dunkels等開發(fā)的一套用于嵌入式系統(tǒng)的開放源代碼TCP/IP協(xié)議棧。LwIP可以移植到操作系統(tǒng)上，也可以在無操作系統(tǒng)的情況下獨立運行。LwIP TCP/IP實現的重點是：在保持TCP協(xié)議主要功能的基礎上，減少對RAM的占用。這使LwIP協(xié)議棧適合在低端嵌入式系統(tǒng)中使用。

LwIP利用pbuf結構實現數據傳遞，它與BSD中的Mbuf很相似。pbuf的主要用途是保存在應用程序和網絡接口間互相傳遞的用戶數據。

pbuf的內部結構為：
struct pbuf{
struct pbuf *next;　　/*指向下一個pbuf*/
void *payload;　　　　/*指向pbuf數據中的起始位置*/
u16_t tot_len;　　　　/*該pbuf和后續(xù)pbuf中數據長度的總和*/
u16_t len;　　　　　　/*該pbuf中數據的長度*/
u16_t flags;　　　　　/*pbuf的類型*/
u16_t ref;　　　　　　/*該pbuf被引用的次數*/
}

2 LwIP內存管理的實現

在運行TCP/IP協(xié)議棧的嵌入式系統(tǒng)中，可以把整個系統(tǒng)的存儲區(qū)域分為協(xié)議棧管理的存儲器和應用程序管理的存儲器兩部分。

2.1 協(xié)議棧管理的存儲器

協(xié)議棧管理的存儲器是指TCP/IP內核能夠操作的內存區(qū)域，主要用于裝載待接收和發(fā)送的網絡數據分組。當接收到分組或者有分組要發(fā)送時，TCP/IP協(xié)議棧為這些分組分配緩存;接收到的分組交付給應用程序或者分組已經發(fā)送完畢后，對分配的緩存回收重用。協(xié)議棧分配的緩存必須能容納各種大小的報文，例如從僅僅幾個字節(jié)的ICMP回答報文到幾百個字節(jié)的TCP分段報文。

LwIP中的pbuf有四種類型：PBUF_POOL、PBUF_RAM、PBUF_ROM、PBUF_REF。這四種類型的pbuf都是從TCP/IP協(xié)議棧管理的存儲器中分配的，其中PBUF_ROM和PBUF_REF與應用程序管理的存儲區(qū)域密切相關。

PBUF_POOL是具有固定容量的pbuf，主要供網絡設備驅動使用，為收到的數據分組分配緩存。在協(xié)議棧管理的內存中初始化了一個pbuf池(PBUF_POOL)，具有相同尺寸的pbuf都是從這個pbuf池中分配得到。一般使用多個PBUF_POOL鏈接成一個鏈表，用于存儲數據分組。如圖1所示。

LwIP用一個宏定義一個PBUF_POOL的大小。一個分組需要分配幾個PBUF_POOL，而在數據較少時分配一個PBUF_POOL即可。由于分配一個PBUF_POOL類型的pbuf很快，適合在中斷處理中使用，所以PBUF_POOL主要供網絡設備驅動使用，為收到的數據分組分配緩存。

應用程序發(fā)送動態(tài)產生的數據時，可以用PBUF_RAM類型的pbuf。PBUF_RAM在事先劃分好的內存堆中分配。對該內存堆的操作類似于C語言中的malloc/free。內存堆分配的結構如圖2所示。圖2中每個被分配的存儲塊附帶了一個小結構，該結構的兩個指針指向相鄰的內存塊。used標識位用來指示該內存塊的分配情況，陰影部分表示已經被分配了，此時used為1。當需要一塊N字節(jié)的存儲塊時，就對整個存儲堆進行搜索。如果找到一塊未用的(used=0)并且容量不小于N字節(jié)的區(qū)域就表示分配成功，并且置used為1。而分配的內存塊使用完后需要釋放，為了不產生碎片，相鄰且未用的內存塊需要進行合并。

PBUF_POOL和PBUF_RAM都可以根據需要從存儲器中動態(tài)分配，這種分配機制又稱為動態(tài)存儲器分配機制。該分配機制不僅能為應用程序的數據分配存儲空間，而且能為協(xié)議首部分配存儲空間。在層與層之間傳遞數據時，真正需要修改的只是數據的格式，使之符合各層的規(guī)范，而數據本身不需要變動。實際上數據格式反應的是各層的首部，當數據在各層之間傳送時，需要動態(tài)地添加和移去相應的首部，用動態(tài)分配機制可以很好地實現。

2.2 應用程序管理的存儲器

應用程序管理的存儲器是指應用程序管理、操作的存儲區(qū)域，一般從該區(qū)域為應用程序發(fā)送數據分配緩存。雖然該存儲區(qū)域不由TCP/IP協(xié)議棧管理，但在不嚴格分層的協(xié)議棧中，該存儲區(qū)域必須與TCP/IP管理的存儲器協(xié)同工作。為節(jié)省內存,LwIP不采取分級訪問模式，而是通過指針訪問數據。這樣就不需要為數據的傳遞分配存儲空間。應用程序發(fā)送的數據在交付LwIP后，LwIP就認為這些數據是不能被改動的，因此應用程序的數據被認為是永遠存在并且不能被改變的。這一點與ROM很相似，類型名PBUF_ROM也由此而來。

如圖3所示，PBUF_ROM的數據指針payload指向External memory(外部存儲區(qū))。External memory指不由TCP/IP協(xié)議棧管理的存儲區(qū)，它可以是應用程序管理的存儲器為用戶數據分配的緩存，也可以是ROM區(qū)域，如靜態(tài)網頁中的字符串常量等。由于由應用程序交付的數據不能被改動，因此就需要動態(tài)地分配一個PBUF_RAM來裝載協(xié)議的首部，然后將PBUF_RAM(首部)添加到PBUF_ROM(數據)的前面。這樣就構成了一個完整的數據分組。

圖3中的PBUF_ROM還可以是PBUF_REF。

REF和PBUF_ROM的特性非常相似，都可以實現數據的零拷貝。但是當發(fā)送的數據需要排隊時就表現出PBUF_REF的特性了。例如在發(fā)送分組時，待發(fā)送的分組需要在ARP隊列中排隊，假如這些分組中有PBUF_ROM類型的pbuf，則說明該類型pbuf中的數據位于應用程序的存儲區(qū)域，是通過指針被PBUF_ROM引用的。這樣直到分組被處理之前，被引用的應用程序的這塊存儲區(qū)域都不能另作它用。在此情況下要用到PBUF_REF類型的pbuf。在排隊時，LwIP會為PBUF_REF類型的pbuf分配緩存(PBUF_POOL或PBUF_RAM)，并將引用的應用程序的數據拷貝到分配的緩存中。這樣應用程序中被引用數據的存儲區(qū)域就能被釋放。

pbuf結構實現了層與層之間的數據傳遞，但其非常消耗內存，并且需要TCP/IP協(xié)議棧為之分配存儲空間，例如協(xié)議控制udp_pcb、tcp_pcb等。通常，嵌入式TCP/IP協(xié)議棧都不是嚴格分層的，盡量減少對內存的需求是實現嵌入式TCP/IP的重點，內核的內存管理機制直接關系到嵌入式TCP/IP協(xié)議棧的性能。