發(fā)布時間：2021-01-31 00:27

　　輕量級TCP/IP協(xié)議棧（Lw IP）主要應(yīng)用于資源受限的嵌入式設(shè)備。為滿足嵌入式設(shè)備對實時性的要求,分析Lw IP的內(nèi)部機制,對其進行性能瓶頸分析,并根據(jù)分析結(jié)果設(shè)計、實施Lw IP的實時性和優(yōu)先級管理優(yōu)化方案。Lw IP的主要性能瓶頸是內(nèi)存拷貝和校驗過程,據(jù)此給出優(yōu)化后的內(nèi)存拷貝算法和校驗算法。為滿足緊急數(shù)據(jù)對更高優(yōu)先級的要求,給出Lw IP協(xié)議棧優(yōu)先級管理機制,能夠確保高優(yōu)先級標記的緊急數(shù)據(jù)包優(yōu)先傳輸于普通數(shù)據(jù)包。實驗結(jié)果表明,該優(yōu)化方法可以顯著提高Lw IP的實時性能。 

【文章來源】：計算機工程. 2015,41(02)北大核心

【文章頁數(shù)】：5 頁

【部分圖文】：

TCP協(xié)議數(shù)據(jù)發(fā)送流程

第41卷第2期袁中書，陸陽:輕量級TCP/IP協(xié)議棧機制分析與優(yōu)化圖2各函數(shù)占用時間3．4結(jié)果分析在發(fā)送數(shù)據(jù)過程中，進行了2次內(nèi)存拷貝:函數(shù)tcp_enqueue()調(diào)用MEMCPY()(默認采用C庫memcpy()函數(shù)實現(xiàn))將應(yīng)用程序數(shù)據(jù)拷貝到LwIP協(xié)議棧緩沖區(qū);函數(shù)low_level_output()調(diào)用memcpy()將pbuf中的數(shù)據(jù)拷貝到發(fā)送緩沖區(qū)。2次內(nèi)存拷貝耗時百分比分別為20%和16%，占總時間的36%�？梢姡瑑�(nèi)存拷貝是制約LwIP協(xié)議棧實時性性能的瓶頸之一。函數(shù)ethernet_send()調(diào)用驅(qū)動程序?qū)l(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)寫入Tx隊列，進而完成物理層的數(shù)據(jù)發(fā)送，其性能取決于驅(qū)動程序的效率以及網(wǎng)絡(luò)控制器的硬件性能。API_EVENT通過信號量機制喚醒LwIP協(xié)議棧進程，占總時間的20%，其性能取決于操作系統(tǒng)對信號量機制的實現(xiàn)方式。函數(shù)inet_chksum_pseudo()負責(zé)TCP包頭字段的校驗;inet_chksum()負責(zé)IP報文頭字段的校驗。2次校驗過程占總時間的11%，其效率與其本身算法實現(xiàn)方式以及CPU運算速度相關(guān)。函數(shù)netconn_connect()負責(zé)與服務(wù)端建立連接，占總時間的5%，郵箱操作占總時間的4%，其余代碼的執(zhí)行占總時間的12%。4優(yōu)化方法4．1內(nèi)存拷貝算法優(yōu)化根據(jù)特定的體系架構(gòu)，使用相應(yīng)的匯編指令可以有效優(yōu)化內(nèi)存拷貝算法。本文的LwIP協(xié)議棧運行于AＲM體系架構(gòu)下的嵌入式Linux平臺。AＲM指令集中LDM(批量加載)和STM(批量存儲)指令可以實現(xiàn)在一組寄存器和一塊連續(xù)的內(nèi)存單元之間傳送數(shù)據(jù)［19］。使用LDM/STM指令傳送內(nèi)存數(shù)據(jù)對訪問的目標內(nèi)存地址以及數(shù)據(jù)長度有限制，目標內(nèi)存地址必須按字對齊，數(shù)據(jù)長度必須是一次傳送字節(jié)數(shù)的整數(shù)倍。緩沖區(qū)內(nèi)存地址通常都是按字對齊的，而數(shù)據(jù)長度則因應(yīng)用而異。當數(shù)據(jù)長度不是LDM/STM一次傳送字節(jié)數(shù)的整數(shù)倍時，可以先使用LDM/STM指

棧運行于AＲM體系架構(gòu)下的嵌入式Linux平臺。AＲM指令集中LDM(批量加載)和STM(批量存儲)指令可以實現(xiàn)在一組寄存器和一塊連續(xù)的內(nèi)存單元之間傳送數(shù)據(jù)［19］。使用LDM/STM指令傳送內(nèi)存數(shù)據(jù)對訪問的目標內(nèi)存地址以及數(shù)據(jù)長度有限制，目標內(nèi)存地址必須按字對齊，數(shù)據(jù)長度必須是一次傳送字節(jié)數(shù)的整數(shù)倍。緩沖區(qū)內(nèi)存地址通常都是按字對齊的，而數(shù)據(jù)長度則因應(yīng)用而異。當數(shù)據(jù)長度不是LDM/STM一次傳送字節(jié)數(shù)的整數(shù)倍時，可以先使用LDM/STM指令進行塊數(shù)據(jù)傳送，多余的字節(jié)使用LDＲB/STＲB指令傳送。程序流程如圖3所示。圖3AＲM匯編指令內(nèi)存拷貝流程算法主要代碼如下:算法AＲM匯編指令內(nèi)存拷貝算法_start:LDＲＲ0，=src;Ｒ0=源地址LDＲＲ1，=dst;Ｒ1=目的地址MOVＲ2，#len;Ｒ2=數(shù)據(jù)長度ADDＲ3，Ｒ1，Ｒ2;Ｒ3=結(jié)束傳送地址MOVSＲ4，Ｒ2，LSＲ#4;Ｒ4=塊傳送次數(shù)BEQbyte_cpySTMFDSP!，{Ｒ5-Ｒ8};保存寄存器Ｒ5-Ｒ8block_cpy:LDMIAＲ0!，{Ｒ5-Ｒ8}STMIAＲ1!，{Ｒ5-Ｒ8}SUBSＲ4，Ｒ4，#1BNEblock_cpyLDMFDSP!，{Ｒ5-Ｒ8};恢復(fù)寄存器Ｒ5-Ｒ8byte_cpy:LDＲBＲ4，［Ｒ0］，#1STＲBＲ4，［Ｒ1］，#1CMPＲ1，Ｒ3BNEbyte_cpy4．2校驗算法優(yōu)化在LwIP中，校驗函數(shù)inet_chksum_pseudo()與inet_chksum()都是通過循環(huán)調(diào)用LwIP協(xié)議棧內(nèi)置校驗函數(shù)LwIP_standard_chksum()實現(xiàn)的。LwIP_standard_chksum()有3種不同的實現(xiàn)方式，可以通過對宏LwIP_CHKSUM_ALGOＲITHM定義不同的值來選擇合適的校驗算法。3種校驗算法復(fù)雜度依次降低，校驗強度也依次減弱。LwIP默認選擇第1種校驗算法。該算法計算每個字節(jié)的校驗和，校驗強度高，但比較耗時�；趨f(xié)319

【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于ARM11的嵌入式視頻采集系統(tǒng)設(shè)計[J]. 許剛.  測控技術(shù). 2013(12)
[2]網(wǎng)絡(luò)化預(yù)測控制系統(tǒng)的設(shè)計、分析與實時實現(xiàn)(英文)[J]. 劉國平,孫鍵,趙云波.  自動化學(xué)報. 2013(11)
[3]嵌入式軟件性能分析方法研究與工具設(shè)計[J]. 張惠臻,王超,陳雁.  計算機應(yīng)用與軟件. 2013(10)
[4]一種ZigBee-TCP/IP無縫網(wǎng)關(guān)模型[J]. 王建平,周辰飛,朱程輝,徐曉冰.  合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版). 2013(09)
[5]移動機器人網(wǎng)絡(luò)的嵌入式Web系統(tǒng)設(shè)計[J]. 孫鶴旭,邵巖,邢關(guān)生,劉寧,田雙娜.  計算機工程. 2013(09)
[6]基于μC/OS-Ⅲ的LwIP協(xié)議棧的移植與實現(xiàn)[J]. 韓德強,楊淇善,王宗俠,高雪園.  電子技術(shù)應(yīng)用. 2013(05)
[7]嵌入式TCP/IP協(xié)議LwIP的內(nèi)存管理機制研究[J]. 蔡雄飛,王新華,郭淑琴.  杭州電子科技大學(xué)學(xué)報. 2012(04)
[8]Lwip協(xié)議棧在嵌入式Linux下的移植與實現(xiàn)[J]. 張潔,傅明.  微計算機信息. 2011(04)
[9]基于Gprof的函數(shù)調(diào)用順序研究[J]. 孫曉穎,曾文藝.  微計算機信息. 2010(36)
[10]輕量級協(xié)議棧LWIP的分析與改進[J]. 張齊,勞熾元.  計算機工程與設(shè)計. 2010(10)

碩士論文
[1]數(shù)字機頂盒以太網(wǎng)接入的設(shè)計與實現(xiàn)[D]. 湯維維.武漢理工大學(xué) 2008
[2]基于μC/OS-Ⅱ網(wǎng)絡(luò)模塊的擴展及任務(wù)調(diào)度算法的研究[D]. 陳華兵.武漢理工大學(xué) 2007
[3]嵌入式TCP/IP協(xié)議棧的設(shè)計與實現(xiàn)[D]. 周海瑞.西北工業(yè)大學(xué) 2007



本文編號：3009865