轻量级TCP/IP协议栈机制分析与优化
发布时间：2021-01-31 00:27
轻量级TCP/IP协议栈（Lw IP）主要应用于资源受限的嵌入式设备。为满足嵌入式设备对实时性的要求,分析Lw IP的内部机制,对其进行性能瓶颈分析,并根据分析结果设计、实施Lw IP的实时性和优先级管理优化方案。Lw IP的主要性能瓶颈是内存拷贝和校验过程,据此给出优化后的内存拷贝算法和校验算法。为满足紧急数据对更高优先级的要求,给出Lw IP协议栈优先级管理机制,能够确保高优先级标记的紧急数据包优先传输于普通数据包。实验结果表明,该优化方法可以显著提高Lw IP的实时性能。
【文章来源】：计算机工程. 2015,41(02)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
TCP协议数据发送流程
第41卷第2期袁中书，陆阳:轻量级TCP/IP协议栈机制分析与优化图2各函数占用时间3．4结果分析在发送数据过程中，进行了2次内存拷贝:函数tcp_enqueue()调用MEMCPY()(默认采用C库memcpy()函数实现)将应用程序数据拷贝到LwIP协议栈缓冲区;函数low_level_output()调用memcpy()将pbuf中的数据拷贝到发送缓冲区。2次内存拷贝耗时百分比分别为20%和16%，占总时间的36%。可见，内存拷贝是制约LwIP协议栈实时性性能的瓶颈之一。函数ethernet_send()调用驱动程序将发送缓冲区中的数据写入Tx队列，进而完成物理层的数据发送，其性能取决于驱动程序的效率以及网络控制器的硬件性能。API_EVENT通过信号量机制唤醒LwIP协议栈进程，占总时间的20%，其性能取决于操作系统对信号量机制的实现方式。函数inet_chksum_pseudo()负责TCP包头字段的校验;inet_chksum()负责IP报文头字段的校验。2次校验过程占总时间的11%，其效率与其本身算法实现方式以及CPU运算速度相关。函数netconn_connect()负责与服务端建立连接，占总时间的5%，邮箱操作占总时间的4%，其余代码的执行占总时间的12%。4优化方法4．1内存拷贝算法优化根据特定的体系架构，使用相应的汇编指令可以有效优化内存拷贝算法。本文的LwIP协议栈运行于AＲM体系架构下的嵌入式Linux平台。AＲM指令集中LDM(批量加载)和STM(批量存储)指令可以实现在一组寄存器和一块连续的内存单元之间传送数据［19］。使用LDM/STM指令传送内存数据对访问的目标内存地址以及数据长度有限制，目标内存地址必须按字对齐，数据长度必须是一次传送字节数的整数倍。缓冲区内存地址通常都是按字对齐的，而数据长度则因应用而异。当数据长度不是LDM/STM一次传送字节数的整数倍时，可以先使用LDM/STM指
栈运行于AＲM体系架构下的嵌入式Linux平台。AＲM指令集中LDM(批量加载)和STM(批量存储)指令可以实现在一组寄存器和一块连续的内存单元之间传送数据［19］。使用LDM/STM指令传送内存数据对访问的目标内存地址以及数据长度有限制，目标内存地址必须按字对齐，数据长度必须是一次传送字节数的整数倍。缓冲区内存地址通常都是按字对齐的，而数据长度则因应用而异。当数据长度不是LDM/STM一次传送字节数的整数倍时，可以先使用LDM/STM指令进行块数据传送，多余的字节使用LDＲB/STＲB指令传送。程序流程如图3所示。图3AＲM汇编指令内存拷贝流程算法主要代码如下:算法AＲM汇编指令内存拷贝算法_start:LDＲＲ0，=src;Ｒ0=源地址LDＲＲ1，=dst;Ｒ1=目的地址MOVＲ2，#len;Ｒ2=数据长度ADDＲ3，Ｒ1，Ｒ2;Ｒ3=结束传送地址MOVSＲ4，Ｒ2，LSＲ#4;Ｒ4=块传送次数BEQbyte_cpySTMFDSP!，{Ｒ5-Ｒ8};保存寄存器Ｒ5-Ｒ8block_cpy:LDMIAＲ0!，{Ｒ5-Ｒ8}STMIAＲ1!，{Ｒ5-Ｒ8}SUBSＲ4，Ｒ4，#1BNEblock_cpyLDMFDSP!，{Ｒ5-Ｒ8};恢复寄存器Ｒ5-Ｒ8byte_cpy:LDＲBＲ4，［Ｒ0］，#1STＲBＲ4，［Ｒ1］，#1CMPＲ1，Ｒ3BNEbyte_cpy4．2校验算法优化在LwIP中，校验函数inet_chksum_pseudo()与inet_chksum()都是通过循环调用LwIP协议栈内置校验函数LwIP_standard_chksum()实现的。LwIP_standard_chksum()有3种不同的实现方式，可以通过对宏LwIP_CHKSUM_ALGOＲITHM定义不同的值来选择合适的校验算法。3种校验算法复杂度依次降低，校验强度也依次减弱。LwIP默认选择第1种校验算法。该算法计算每个字节的校验和，校验强度高，但比较耗时。基于协319
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于ARM11的嵌入式视频采集系统设计[J]. 许刚. 测控技术. 2013(12)
[2]网络化预测控制系统的设计、分析与实时实现(英文)[J]. 刘国平,孙键,赵云波. 自动化学报. 2013(11)
[3]嵌入式软件性能分析方法研究与工具设计[J]. 张惠臻,王超,陈雁. 计算机应用与软件. 2013(10)
[4]一种ZigBee-TCP/IP无缝网关模型[J]. 王建平,周辰飞,朱程辉,徐晓冰. 合肥工业大学学报(自然科学版). 2013(09)
[5]移动机器人网络的嵌入式Web系统设计[J]. 孙鹤旭,邵岩,邢关生,刘宁,田双娜. 计算机工程. 2013(09)
[6]基于μC/OS-Ⅲ的LwIP协议栈的移植与实现[J]. 韩德强,杨淇善,王宗侠,高雪园. 电子技术应用. 2013(05)
[7]嵌入式TCP/IP协议LwIP的内存管理机制研究[J]. 蔡雄飞,王新华,郭淑琴. 杭州电子科技大学学报. 2012(04)
[8]Lwip协议栈在嵌入式Linux下的移植与实现[J]. 张洁,傅明. 微计算机信息. 2011(04)
[9]基于Gprof的函数调用顺序研究[J]. 孙晓颖,曾文艺. 微计算机信息. 2010(36)
[10]轻量级协议栈LWIP的分析与改进[J]. 张齐,劳炽元. 计算机工程与设计. 2010(10)
硕士论文
[1]数字机顶盒以太网接入的设计与实现[D]. 汤维维.武汉理工大学 2008
[2]基于μC/OS-Ⅱ网络模块的扩展及任务调度算法的研究[D]. 陈华兵.武汉理工大学 2007
[3]嵌入式TCP/IP协议栈的设计与实现[D]. 周海瑞.西北工业大学 2007
本文编号：3009865
【文章来源】：计算机工程. 2015,41(02)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
TCP协议数据发送流程
第41卷第2期袁中书，陆阳:轻量级TCP/IP协议栈机制分析与优化图2各函数占用时间3．4结果分析在发送数据过程中，进行了2次内存拷贝:函数tcp_enqueue()调用MEMCPY()(默认采用C库memcpy()函数实现)将应用程序数据拷贝到LwIP协议栈缓冲区;函数low_level_output()调用memcpy()将pbuf中的数据拷贝到发送缓冲区。2次内存拷贝耗时百分比分别为20%和16%，占总时间的36%。可见，内存拷贝是制约LwIP协议栈实时性性能的瓶颈之一。函数ethernet_send()调用驱动程序将发送缓冲区中的数据写入Tx队列，进而完成物理层的数据发送，其性能取决于驱动程序的效率以及网络控制器的硬件性能。API_EVENT通过信号量机制唤醒LwIP协议栈进程，占总时间的20%，其性能取决于操作系统对信号量机制的实现方式。函数inet_chksum_pseudo()负责TCP包头字段的校验;inet_chksum()负责IP报文头字段的校验。2次校验过程占总时间的11%，其效率与其本身算法实现方式以及CPU运算速度相关。函数netconn_connect()负责与服务端建立连接，占总时间的5%，邮箱操作占总时间的4%，其余代码的执行占总时间的12%。4优化方法4．1内存拷贝算法优化根据特定的体系架构，使用相应的汇编指令可以有效优化内存拷贝算法。本文的LwIP协议栈运行于AＲM体系架构下的嵌入式Linux平台。AＲM指令集中LDM(批量加载)和STM(批量存储)指令可以实现在一组寄存器和一块连续的内存单元之间传送数据［19］。使用LDM/STM指令传送内存数据对访问的目标内存地址以及数据长度有限制，目标内存地址必须按字对齐，数据长度必须是一次传送字节数的整数倍。缓冲区内存地址通常都是按字对齐的，而数据长度则因应用而异。当数据长度不是LDM/STM一次传送字节数的整数倍时，可以先使用LDM/STM指
栈运行于AＲM体系架构下的嵌入式Linux平台。AＲM指令集中LDM(批量加载)和STM(批量存储)指令可以实现在一组寄存器和一块连续的内存单元之间传送数据［19］。使用LDM/STM指令传送内存数据对访问的目标内存地址以及数据长度有限制，目标内存地址必须按字对齐，数据长度必须是一次传送字节数的整数倍。缓冲区内存地址通常都是按字对齐的，而数据长度则因应用而异。当数据长度不是LDM/STM一次传送字节数的整数倍时，可以先使用LDM/STM指令进行块数据传送，多余的字节使用LDＲB/STＲB指令传送。程序流程如图3所示。图3AＲM汇编指令内存拷贝流程算法主要代码如下:算法AＲM汇编指令内存拷贝算法_start:LDＲＲ0，=src;Ｒ0=源地址LDＲＲ1，=dst;Ｒ1=目的地址MOVＲ2，#len;Ｒ2=数据长度ADDＲ3，Ｒ1，Ｒ2;Ｒ3=结束传送地址MOVSＲ4，Ｒ2，LSＲ#4;Ｒ4=块传送次数BEQbyte_cpySTMFDSP!，{Ｒ5-Ｒ8};保存寄存器Ｒ5-Ｒ8block_cpy:LDMIAＲ0!，{Ｒ5-Ｒ8}STMIAＲ1!，{Ｒ5-Ｒ8}SUBSＲ4，Ｒ4，#1BNEblock_cpyLDMFDSP!，{Ｒ5-Ｒ8};恢复寄存器Ｒ5-Ｒ8byte_cpy:LDＲBＲ4，［Ｒ0］，#1STＲBＲ4，［Ｒ1］，#1CMPＲ1，Ｒ3BNEbyte_cpy4．2校验算法优化在LwIP中，校验函数inet_chksum_pseudo()与inet_chksum()都是通过循环调用LwIP协议栈内置校验函数LwIP_standard_chksum()实现的。LwIP_standard_chksum()有3种不同的实现方式，可以通过对宏LwIP_CHKSUM_ALGOＲITHM定义不同的值来选择合适的校验算法。3种校验算法复杂度依次降低，校验强度也依次减弱。LwIP默认选择第1种校验算法。该算法计算每个字节的校验和，校验强度高，但比较耗时。基于协319
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于ARM11的嵌入式视频采集系统设计[J]. 许刚. 测控技术. 2013(12)
[2]网络化预测控制系统的设计、分析与实时实现(英文)[J]. 刘国平,孙键,赵云波. 自动化学报. 2013(11)
[3]嵌入式软件性能分析方法研究与工具设计[J]. 张惠臻,王超,陈雁. 计算机应用与软件. 2013(10)
[4]一种ZigBee-TCP/IP无缝网关模型[J]. 王建平,周辰飞,朱程辉,徐晓冰. 合肥工业大学学报(自然科学版). 2013(09)
[5]移动机器人网络的嵌入式Web系统设计[J]. 孙鹤旭,邵岩,邢关生,刘宁,田双娜. 计算机工程. 2013(09)
[6]基于μC/OS-Ⅲ的LwIP协议栈的移植与实现[J]. 韩德强,杨淇善,王宗侠,高雪园. 电子技术应用. 2013(05)
[7]嵌入式TCP/IP协议LwIP的内存管理机制研究[J]. 蔡雄飞,王新华,郭淑琴. 杭州电子科技大学学报. 2012(04)
[8]Lwip协议栈在嵌入式Linux下的移植与实现[J]. 张洁,傅明. 微计算机信息. 2011(04)
[9]基于Gprof的函数调用顺序研究[J]. 孙晓颖,曾文艺. 微计算机信息. 2010(36)
[10]轻量级协议栈LWIP的分析与改进[J]. 张齐,劳炽元. 计算机工程与设计. 2010(10)
硕士论文
[1]数字机顶盒以太网接入的设计与实现[D]. 汤维维.武汉理工大学 2008
[2]基于μC/OS-Ⅱ网络模块的扩展及任务调度算法的研究[D]. 陈华兵.武汉理工大学 2007
[3]嵌入式TCP/IP协议栈的设计与实现[D]. 周海瑞.西北工业大学 2007
本文编号：3009865
本文链接：https://www.wllwen.com/guanlilunwen/ydhl/3009865.html
