DeltaOS 3.0 -簡介(4)

DeltaOS的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧（以下簡稱網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧）符合TCP/IP協(xié)議工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，支持多任務(wù)應(yīng)用開發(fā)模型，利用DeltaOS的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，開發(fā)人員可以為一個(gè)嵌入式設(shè)備增加和配置網(wǎng)絡(luò)功能。

DeltaOS的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧是一套完整的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧，在應(yīng)用上，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧提供：

• 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用編程界面（套接字，socket）：網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用程序不是直接與TCP/IP核心、而是與網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用編程界面（套接字）打交道，編程界面構(gòu)成了核心協(xié)議的用戶視圖。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧支持流套接字（SOCK_STREAM）和數(shù)據(jù)報(bào)套接字（SOCK_DGRAM）。
• 對網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置的接口：網(wǎng)絡(luò)參數(shù)指IP地址、掩碼、網(wǎng)關(guān)地址、PPP撥號參數(shù)等，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧提供對這些網(wǎng)絡(luò)基本參數(shù)進(jìn)行讀取/設(shè)置的接口，應(yīng)用程序中根據(jù)用戶需求直接調(diào)用，使應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的終端或網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能夠動(dòng)態(tài)修改這些參數(shù)。
• 擴(kuò)展的應(yīng)用功能：網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧提供簡單的ping功能調(diào)用接口，應(yīng)用程序可利用該接口實(shí)現(xiàn)檢測鏈路通斷的功能。

應(yīng)用程序與操作系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的關(guān)系如下圖：

圖：網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧體系結(jié)構(gòu)

新版本的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧包括如下特點(diǎn)：

• 以太網(wǎng)和撥號網(wǎng)絡(luò)可同時(shí)使用；
• 基于DLL/HAL技術(shù)的多網(wǎng)絡(luò)適配設(shè)備支持；
• 支持大數(shù)據(jù)量的穩(wěn)定通信；
• 提供穩(wěn)定、高效的多連接處理。

特性

應(yīng)用特點(diǎn)

編程接口標(biāo)準(zhǔn)化

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧提供的網(wǎng)絡(luò)編程接口（套接字）與Windows Socket版本1.1基本一致

可移植性 

• 除網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序可能需要使用匯編語言外，其它代碼全部使用ANSI C編寫，具有良好的可移植性；
• 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧雖然是DeltaOS的網(wǎng)絡(luò)組件，但它與操作系統(tǒng)內(nèi)核之間的接口僅為少量的系統(tǒng)調(diào)用，如任務(wù)管理、信號量管理、定時(shí)器管理、中斷管理和內(nèi)存管理，因此很容易移植到其它的系統(tǒng)平臺(tái)上，比如：網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧成功支持了RTXC和ITRON等操作系統(tǒng)。

配置靈活

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧提供系統(tǒng)配置表，用戶既可以配置自己所需要的網(wǎng)絡(luò)組件（如DNS、DHCP等）或硬件支持（如多網(wǎng)卡），也可以根據(jù)具體的需要配置一些相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)（如IP地址、網(wǎng)關(guān)、撥號串等）。既提供靜態(tài)配置的方式，也提供部分調(diào)用接口，實(shí)現(xiàn)了參數(shù)的動(dòng)態(tài)配置。

對多任務(wù)的支持

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧中使用信號量機(jī)制，實(shí)現(xiàn)任務(wù)間及任務(wù)與中斷處理程序之間資源的互斥與共享，從而實(shí)現(xiàn)了對多任務(wù)環(huán)境的支持。

可擴(kuò)充性

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧使用模塊化設(shè)計(jì)模式，根據(jù)實(shí)際需要，可方便地添加新的協(xié)議模塊到網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的TCP/IP協(xié)議棧軟件包中，實(shí)現(xiàn)對新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的支持。

支持組播功能

基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧開發(fā)的應(yīng)用程序通過調(diào)用setsockopt函數(shù)設(shè)置組播選項(xiàng)，能夠?qū)崿F(xiàn)組播發(fā)送和接收。

性能特點(diǎn)

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧在實(shí)現(xiàn)上采取了一些措施以提高其性能，如下：

采用“零拷貝”技術(shù)（Zero Copy）

用戶數(shù)據(jù)在通過TCP/IP協(xié)議從本地主機(jī)傳輸?shù)竭h(yuǎn)地主機(jī)的過程中，需要不斷地拆包和打包。如果在拆包和打包時(shí)，各協(xié)議層之間均采用數(shù)據(jù)拷貝進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，則將大大增加系統(tǒng)開銷，從而降低系統(tǒng)性能。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧采用零拷貝技術(shù)以解決該問題。

所謂“零拷貝”技術(shù)，是指TCP/IP協(xié)議棧沒有用于各層間數(shù)據(jù)傳遞的緩沖區(qū)，協(xié)議棧各層間傳遞的都是數(shù)據(jù)指針，只有當(dāng)數(shù)據(jù)最終要被驅(qū)動(dòng)程序發(fā)送出去或是被用戶應(yīng)用程序取走時(shí)，才進(jìn)行真正的數(shù)據(jù)搬移。

采用靜態(tài)分配技術(shù)

如果在網(wǎng)絡(luò)發(fā)送或接收的過程中，某一次傳送的數(shù)據(jù)超過了在一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)上能夠傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)量（MTU），則該數(shù)據(jù)處理任務(wù)往往會(huì)阻塞等待，直到上層重新調(diào)整需要處理的數(shù)據(jù)量的大小，才會(huì)繼續(xù)執(zhí)行下去。{{分頁}}

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧采用靜態(tài)分配技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)初始化時(shí)就靜態(tài)分配通信緩沖區(qū)，設(shè)置了專門的發(fā)送和接收緩沖（一般是小于或等于物理網(wǎng)絡(luò)上的MTU值），從而確保了每次發(fā)送或接收時(shí)處理的數(shù)據(jù)不會(huì)超過MTU值，也就避免了數(shù)據(jù)處理任務(wù)的阻塞等待。

通信采用非暫停方式

通信采用非暫停方式是指通信雙方中的接收方在等待接收的過程中，創(chuàng)建一個(gè)接收任務(wù)，該任務(wù)首先發(fā)出一個(gè)接收信號，然后進(jìn)入休眠狀態(tài)，當(dāng)有新的報(bào)文到達(dá)時(shí)才被喚醒，并對接收到的新的報(bào)文進(jìn)行處理；暫停方式則是指接收方在新的報(bào)文到來之前一直等待，直到有報(bào)文到達(dá)后進(jìn)行相應(yīng)的處理。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧中的通信采用非暫停方式。與暫停方式比較，非暫停方式既可以提高計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)通信的并行性，又能保證接收時(shí)響應(yīng)的及時(shí)性。

協(xié)議特點(diǎn)

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧遵從TCP/IP的四層協(xié)議體系結(jié)構(gòu)，如下圖所示：

圖：網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)

在不同的層次上，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧在支持協(xié)議上有如下特點(diǎn)：

鏈路層

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧支持以太網(wǎng)鏈路層和RS232串口鏈路層（PPP）。
數(shù)據(jù)鏈路層的實(shí)現(xiàn)主要表現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧提供網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序模板，用戶可根據(jù)模板編寫自己的驅(qū)動(dòng)程序。

• 以太網(wǎng)
  網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧支持以太網(wǎng)傳輸，并且有以下特點(diǎn)：
  1. 支持10M/100M以太口、ISA/PCI接口；
  2. 提供多種以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)供用戶選擇，也提供以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)的模板，允許用戶添加自己的驅(qū)動(dòng)；
  3. 支持多網(wǎng)卡。
• PPP
  網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧支持完整的PPP協(xié)議（包括LCP、IPCP、PAP和CHAP），既可以應(yīng)用到傳統(tǒng)的有線撥號網(wǎng)絡(luò)、也可以應(yīng)用到通過GPRS/CDMA無線上網(wǎng)的終端設(shè)備上，對物理鏈路的適應(yīng)性強(qiáng)。

網(wǎng)絡(luò)層

1. ARP/RARP
   ARP是幾乎每種TCP/IP實(shí)現(xiàn)中的基本協(xié)議，但它通常在應(yīng)用程序或系統(tǒng)管理員并未意識到的情況下完成工作。ARP緩沖是其操作的基礎(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧將緩沖中每個(gè)表目綁定一定時(shí)器，用于管理過時(shí)的表目。
   
   許多無盤系統(tǒng)用RARP在啟動(dòng)時(shí)獲得其IP地址。RARP數(shù)據(jù)包格式與ARP幾乎相同。RARP請求是廣播的，標(biāo)識發(fā)送者的硬件地址，要求別人回答發(fā)送者的IP地址；其應(yīng)答通常是單目的。
2. IP
   IP協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)層的主要組成部分，其主要功能包括：
   1. 提供一種無連接的、不可靠的、盡最大努力進(jìn)行數(shù)據(jù)報(bào)傳遞的服務(wù)。
   2. 提供簡單的IP數(shù)據(jù)報(bào)的選路。IP選路基于IP選路表，該表存儲(chǔ)有關(guān)可能的目的網(wǎng)點(diǎn)及怎樣到達(dá)目的網(wǎng)點(diǎn)的信息，主機(jī)或路由器軟件需要傳送數(shù)據(jù)報(bào)時(shí)，它就查詢選路表來決定把數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)往何處。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧中的IP選路表為增加RIP及OSPF等動(dòng)態(tài)路由協(xié)議提供了接口，進(jìn)一步體現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的可擴(kuò)充性。
   3. 實(shí)現(xiàn)IP數(shù)據(jù)報(bào)的分片、重組
3. ICMP
   網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的ICMP協(xié)議實(shí)現(xiàn)了所有標(biāo)準(zhǔn)ICMP協(xié)議的功能，包括差錯(cuò)報(bào)告和控制。其中最常用的是ICMP回送請求和應(yīng)答功能，并在此基礎(chǔ)上提供ping的簡單應(yīng)用接口供應(yīng)用程序調(diào)用，用于檢查鏈路的通斷。

傳輸層

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧傳輸層提供兩種協(xié)議——UDP和TCP。

1. UDP
   網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧支持組播功能。組播（multicast）是一到多或者多到多的多方通信形式，遠(yuǎn)程會(huì)議、交互式仿真、分布式內(nèi)容系統(tǒng)、多方游戲等應(yīng)用都對組播業(yè)務(wù)(multicast service)提出了需求。由于TCP是有連接的，決定了TCP之上的應(yīng)用程序不能夠?qū)崿F(xiàn)組播?；赨DP的應(yīng)用程序能夠通過組播發(fā)送和接收大大提高網(wǎng)絡(luò)性能，合理利用網(wǎng)絡(luò)帶寬。
2. TCP
   網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧提供面向流的傳輸協(xié)議—TCP協(xié)議，它提供可靠的傳輸服務(wù)以確保數(shù)據(jù)無差錯(cuò)、無亂碼的到達(dá)。為了這個(gè)目的，TCP協(xié)議軟件要進(jìn)行協(xié)商，讓接收方回送確認(rèn)信息及讓發(fā)送方重發(fā)丟失的分組。

應(yīng)用層

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧為應(yīng)用層的開發(fā)提供了一套Socket編程接口，用戶可以基于這套Socket編程接口來完成適合自己的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。{{分頁}}

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧也實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用層上一些常見的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，如Telnet Client（遠(yuǎn)程登錄客戶端）、FTP Client（文件傳輸客戶端）等。

• DNS
  網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧提供對DNS Client的支持，上層應(yīng)用通過域名請求TCP打開一個(gè)連接或使用UDP發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)之前，必須調(diào)用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧提供的系統(tǒng)調(diào)用將一個(gè)主機(jī)名轉(zhuǎn)換為一個(gè)IP地址。
• DHCP
  網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧協(xié)議棧支持DHCP Client，基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的應(yīng)用程序能夠調(diào)用相關(guān)接口發(fā)送DHCP請求，動(dòng)態(tài)獲得IP地址。
• TELNET
  網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧支持TELNET Server功能，允許任何Telnet客戶終端通過TELNET命令進(jìn)行遠(yuǎn)程登錄，并提供菜單方式的界面，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程配置和管理。
• FTP
• 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧支持FTP Client功能，具有以下特點(diǎn)：

• 支持FTP通用命令；
• 提供獨(dú)有的FTP IO操作，用戶無需過多了解FTP協(xié)議就可完成遠(yuǎn)程文件操作；
• 無需文件系統(tǒng)支持，體積較小。

• HTTP
  HTTP Server功能是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的可選組件，又名DeltaHTTPD。詳細(xì)說明請參見《DeltaHTTPD技術(shù)白皮書》。

基本規(guī)格

標(biāo)準(zhǔn)

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧提供的Socket調(diào)用與Windows Socket 1.1調(diào)用基本一致。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧支持標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP模型中的多種協(xié)議，主要包括（每個(gè)協(xié)議對應(yīng)的RFC編號，只是該協(xié)議早期版本的編號）：

支持的應(yīng)用協(xié)議如下：

• 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層

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]

• 網(wǎng)絡(luò)傳輸層
  UDP[RFC 768]、TCP[RFC 793]
• 網(wǎng)絡(luò)層
  IP[RFC 791]、ICMP[RFC 792]
• 數(shù)據(jù)鏈路層
  PPP[RFC 1661]、ARP[RFC 826]、RARP[RFC 903]

資源占用情況

以DeltaCORE為例來介紹網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧所占用的操作系統(tǒng)內(nèi)核資源。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧占用內(nèi)存情況（注：不包括以選件方式提供的應(yīng)用層協(xié)議）

靜態(tài)內(nèi)存空間

下表列出了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧在ARM7-4510B、x86平臺(tái)上運(yùn)行Pinghost演示程序時(shí)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧占用內(nèi)存資源的實(shí)際情況：

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的靜態(tài)內(nèi)存需求（單位：字節(jié)）

注意：

• 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧在編譯時(shí)未使用“優(yōu)化”選項(xiàng)；
• 以上數(shù)據(jù)表示均采用十六進(jìn)制方式。

動(dòng)態(tài)內(nèi)存空間

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧在初始化時(shí)需要CRTL動(dòng)態(tài)分配的空間為110776字節(jié)。這部分空間是為接收和發(fā)送緩沖、還有控制結(jié)構(gòu)預(yù)留的，不會(huì)釋放。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的七個(gè)DEMO在運(yùn)行過程中也需要?jiǎng)討B(tài)分配一部分空間，但是這部分空間在程序運(yùn)行過程中會(huì)釋放掉的，不會(huì)產(chǎn)生內(nèi)存泄漏等情況。各個(gè)DEMO需要分配的空間如下表所示：

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的動(dòng)態(tài)內(nèi)存需求（單位：字節(jié)）

注意：

• 創(chuàng)建demo任務(wù)時(shí)會(huì)分配一些空間，刪除此任務(wù)后，分配的空間將會(huì)被釋放。
• PingHost、TcpClnt、TcpServ、UdpClnt、UdpServ、FtpIoAPI任務(wù)創(chuàng)建需要分配11056字節(jié)空間。另外，TelServer在初始化時(shí)為任務(wù)的創(chuàng)建分配了11056字節(jié)空間。

在為每個(gè)DEMO進(jìn)行內(nèi)存配置時(shí)，CRTL堆的大小不能小于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧初始化及DEMO任務(wù)創(chuàng)建、DEMO運(yùn)行過程中動(dòng)態(tài)分配的內(nèi)存之和。

典型性能指標(biāo)

測試環(huán)境：

CPU:Pentium 628MHZ CPU

內(nèi)存:128M