基于LWIP協(xié)議棧對(duì)路由緩存數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)改進(jìn)設(shè)計(jì)

LWIP（Light Weight Internet Protoco1）是瑞士計(jì)算機(jī)科學(xué)院（Swedish Institute of Computer Science）AdamDunkels等人開發(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的含義是Light Weight（輕型）IP協(xié)議。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(dú)立運(yùn)行。LWIP TCP／IP實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)是在保持TCP協(xié)議主要功能的基礎(chǔ)上減少對(duì)RAM的占用。一般它只需要幾十KB的RAM和40 KB左右的ROM就可以運(yùn)行，這使LWIP協(xié)議棧適合在小型嵌入式系統(tǒng)中使用。比如，武漢大學(xué)的陳杰等把LWIP移植到了一個(gè)車輛監(jiān)控終端系統(tǒng)當(dāng)中，它可以實(shí)時(shí)采集車輛信息，在GIS地圖上顯示出車輛的位置，并根據(jù)需要對(duì)車輛進(jìn)行調(diào)度；南京大學(xué)的方懷東等將LWIP移植到了DSP系統(tǒng)中，這個(gè)嵌入式系統(tǒng)用于視頻的采集、處理與通信；Astechnix研究院的Jani Monoses將LWIP移植到了RedHats eCos；F1orian Schtdze則宣稱他將LWIP移植到了DJGPP／MS—DOS系統(tǒng)以及Visual C++6．O／Win32平臺(tái)。

1 LWIP設(shè)計(jì)思路

與許多其他的TCP／IP實(shí)現(xiàn)一樣，LWIP也是以分層的協(xié)議為參照來設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)TCP／IP。大部分的TCP／IP實(shí)現(xiàn)在應(yīng)用層和底層協(xié)議層之間進(jìn)行了嚴(yán)格的劃分，底層協(xié)議之間可以進(jìn)行或多或少的交叉存??；而LWIP在應(yīng)用層與低層協(xié)議則使用了內(nèi)存共享這種比較松散的通信機(jī)制。每一個(gè)協(xié)議作為一個(gè)模塊被實(shí)現(xiàn)。LWIP采取將所有協(xié)議駐留在同一個(gè)進(jìn)程的方式，以便獨(dú)立于操作系統(tǒng)內(nèi)核之外。應(yīng)用程序既可以駐留在LWIP的進(jìn)程中，也可以使用一個(gè)單獨(dú)的進(jìn)程。應(yīng)用程序與TCP／IP協(xié)議棧通信可以采用兩種方法：一種是函數(shù)調(diào)用，適用于應(yīng)用程序與LWIP使用同一個(gè)進(jìn)程的情況；另一種是使用更抽象的API。整個(gè)協(xié)議?？驁D如圖1所示。

由于在傳輸層UDP比TCP協(xié)議要簡(jiǎn)單得多，故僅以TCP為例。

在接收數(shù)據(jù)方面，鏈路層的ethernetifinpuIt（）函數(shù)在收到數(shù)據(jù)包后，將IP包交付ip_input（）函數(shù)，ARP包交付 etharp_arp_input（）函數(shù)處理。ip_input（）則負(fù)責(zé)拆解IP包，將ICMP包交付icmp_input（）函數(shù)處理，將TCP包交付tcp_input處理。tcp_input（）負(fù)責(zé)收到的TCP包，完成TCP頭部驗(yàn)證，放入相應(yīng)的狀態(tài)鏈，并交付tcp_process（）處理。tcp_process完成TCP無限狀態(tài)機(jī)的處理。tcp_receive（）將收到的包放在接收隊(duì)列中，這些接收隊(duì)列中的數(shù)據(jù)最終被應(yīng)用程序使用。

在發(fā)送數(shù)據(jù)方面，tcp_write（）檢查是否允許發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)允許發(fā)送時(shí)，就調(diào)用tcp_enqueue（）進(jìn)行發(fā)送。tcp_enqueue（）將數(shù)據(jù)放入發(fā)送隊(duì)列。tcp_output（）發(fā)送數(shù)據(jù)并在可能時(shí)捎帶確認(rèn)。ip_output_if（）在接到數(shù)據(jù)后，填充IP頭，交付netif 一》output，即etharp_output（）處理。etharp_output（）判斷是單播地址后，交付etharp_query（）。 etharp_query（）填入源、目標(biāo)mac地址，并最終交付low_level_output（）發(fā)送。

2 ICMP層的不足

LWIP在ICMP層的處理流程如圖2所示。

ICMP模塊僅實(shí)現(xiàn)了echo_reply包的回應(yīng)處理，顯得過于簡(jiǎn)單。對(duì)小型的協(xié)議棧而言，其所在的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境相對(duì)簡(jiǎn)單，因而在大多數(shù)情況下都是適用的。

LWIP一般使用在終端設(shè)備上。終端設(shè)備所在的情形可作如下的劃分：一是單網(wǎng)卡、單網(wǎng)關(guān)的情形；二是單網(wǎng)卡、多網(wǎng)關(guān)的情形；三是多網(wǎng)卡、多網(wǎng)關(guān)的情形。單網(wǎng)卡、單網(wǎng)關(guān)的情形是LWIP最適合的情形。因?yàn)長(zhǎng)WIP本身沒有實(shí)現(xiàn)路由緩存，單網(wǎng)關(guān)的情形恰好不需要路由緩存，因?yàn)榇饲樾蜗戮W(wǎng)關(guān)總是唯一的，下一跳總是不變的。多網(wǎng)卡、多網(wǎng)關(guān)的情形可以看成是單網(wǎng)卡、多網(wǎng)關(guān)的特殊情形。

在單網(wǎng)卡、多網(wǎng)關(guān)的情形下，如果默認(rèn)網(wǎng)關(guān)的下一跳不是最優(yōu)下一跳，那么終端會(huì)收到一個(gè)路由重定向ICMP消息，告訴終端去往這個(gè)方向上，這個(gè)下一跳不是最優(yōu)的，并給出最優(yōu)下一跳。這就是所謂的路由重定向。如果終端一直不采用這個(gè)最優(yōu)下一跳，那么每一個(gè)發(fā)出的非最優(yōu)下一跳IP包都會(huì)收到路由器發(fā)來的一個(gè)重定向包。LWIP由于沒有實(shí)現(xiàn)路由緩存，不能記錄下網(wǎng)關(guān)發(fā)來的最優(yōu)下一跳，故對(duì)此消息的處理是忽略。忽略的結(jié)果是LWIP源源不斷地收到重定向包，這個(gè)包會(huì)經(jīng)過數(shù)據(jù)鏈路層、IP層，最終在ICMP層被丟棄，引起不必要的開銷。

3 改進(jìn)思路

改進(jìn)的思路是在多網(wǎng)關(guān)情況下，處理ICMP包；但LWIP并沒有路由緩存功能，所以需要引入路由緩存功能，將此重定向的路由記錄下來，以使得下次可使用。為降低內(nèi)存開銷，可以在收到ICMP重定向包的情況下（此時(shí)表明是多網(wǎng)關(guān)情形，下一跳非最優(yōu)），再開啟緩存，緩存這個(gè)下一跳地址。如果一段時(shí)間不用這個(gè)緩存，則清理出去。當(dāng)最后一條緩存也被清理后，就關(guān)閉緩存功能。這相當(dāng)于一個(gè)自適應(yīng)功能的路由緩存。在沒有重定向消息時(shí)，使用原有的LWIP工作方式，不會(huì)引起額外的開銷；在收到重定向消息時(shí)，開啟這個(gè)緩存功能，以避免重定向消息引起的額

對(duì)路由緩存的更新，可采用一種類似于LFU（LeastFrequently Used）的算法。為此引入一個(gè)計(jì)數(shù)器，跟蹤當(dāng)前條目被使用的情況，定義MAX_CA_COUNT表示已經(jīng)過期，O～MAX_CA_COUNT之間的數(shù)字表示當(dāng)前計(jì)數(shù)值，同時(shí)每隔一段時(shí)間增加這個(gè)計(jì)數(shù)值。當(dāng)這個(gè)計(jì)數(shù)值增至MAx_CA_COUNT時(shí)，認(rèn)為這個(gè)條目已經(jīng)過時(shí)。同時(shí)在插入條目時(shí)，可利用這個(gè)計(jì)數(shù)器，總是選用這個(gè)數(shù)值最大的條目作為被替換對(duì)象（LFU算法）。

考慮到LWIP是個(gè)小型協(xié)議棧，不應(yīng)設(shè)置過于復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及針對(duì)此種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的操作，把路由緩存的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義為結(jié)構(gòu)體數(shù)組。數(shù)組的條目也不宜過多，以免占用過多資源；另外作為終端設(shè)備，在一小段既定的時(shí)間內(nèi)，與其通信的對(duì)端具有一定的確定性，一般來說比較少，重定向的條目也比較少，這也為使用較小的數(shù)組提供了一個(gè)理由。

4 實(shí)現(xiàn)

對(duì)ICMP層改進(jìn)的實(shí)現(xiàn)代碼主要集中于3處。

第一處位于ICMP模塊的icmp_input（）函數(shù)，針對(duì)ICMP的消息處理機(jī)制，增加了路由重定向的處理。整個(gè)函數(shù)的處理流程如圖3所示。其中虛線框起來的部分為我們?cè)黾拥墓δ?。首先檢查是不是重定向包，然后檢驗(yàn)包的完整性和有效性。在這些檢查都通過以后，判斷緩存功能是否啟用。啟用與否由一個(gè)全局變量控制，默認(rèn)是關(guān)閉的。如果沒有啟用緩存，則對(duì)重定向包進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)達(dá)到上限后，啟用緩存功能。重定向計(jì)數(shù)器應(yīng)當(dāng)定時(shí)歸零，這樣在一段時(shí)間內(nèi)沒有收到足夠的重定向包，緩存功能仍然不會(huì)開啟。這可以把這個(gè)重定向計(jì)數(shù)器加入其他需要定時(shí)執(zhí)行的函數(shù)中來實(shí)現(xiàn)（比如arp_timer（）函數(shù)）。開啟緩存后，初始化緩存表，將每個(gè)條目的老化計(jì)數(shù)器置為最大，表示已過期，即所有條目都是空閑可用狀態(tài)。然后啟用定時(shí)老化功能。LWIP提供 sys_timeout（interval，func_handler，arg）函數(shù)，用于每隔interval時(shí)間后，執(zhí)行函數(shù) func_handler（arg）。定向老化功能可以將函數(shù)實(shí)現(xiàn)后，向這個(gè)sys_timeout（）注冊(cè)來實(shí)現(xiàn)。如果緩存已經(jīng)開啟，那么緩存這個(gè)收到的重定向包，總是把它插入老化計(jì)數(shù)器最大的條目，以實(shí)現(xiàn)LFU算法。

第二處改進(jìn)仍然位于ICMP模塊，但添加了一個(gè)函數(shù)rou_cache_timer（）。它是一個(gè)定時(shí)老化路由緩存的函數(shù)，用于老化、清理緩存條目，并再次向sys_timeout（）注冊(cè)自己。其函數(shù)流程如圖4所示。

在所有緩存條目都已過圖4定時(shí)老化、清理路由緩存期后，應(yīng)當(dāng)關(guān)閉緩存功能，同時(shí)注銷定時(shí)老化函數(shù)。這些功能由rou_cache_timer（）來完成。

第三處改進(jìn)位于數(shù)據(jù)鏈路層的etharp_output（）函數(shù)內(nèi)。這個(gè)函數(shù)負(fù)責(zé)將下一跳的IP地址對(duì)應(yīng)的MAC地址填入。

顯然，路由緩存的使用正在于此。在它使用默認(rèn)網(wǎng)關(guān)地址前，應(yīng)當(dāng)查詢一下緩存中是否已將此路由重定向了。如果確實(shí)重定向了，那么在此下一跳IP被使用前，應(yīng)該替換已重定向的IP。整個(gè)函數(shù)的流程如圖5所示。虛線框起來的部分是加入的功能。

結(jié)語

本設(shè)計(jì)針對(duì)LWIP在多網(wǎng)關(guān)情況下不處理重定向IC—MP消息而作出了改進(jìn)。這種改進(jìn)包括接收這個(gè)ICMP消息并緩存路由信息，為此加入了自適應(yīng)路由緩存的功能，即只在有重定向消息的時(shí)候自動(dòng)開啟緩存，在緩存全部老化后又自動(dòng)關(guān)閉緩存。路由緩存在比較完整的TCP／IP協(xié)議棧上都得到實(shí)現(xiàn)，但復(fù)雜度較高。這里使用一種較簡(jiǎn)單的路由緩存結(jié)構(gòu)以降低代碼量及資源使用開銷。本文提出的思路不僅適用于LWIP，在其他的小型協(xié)議棧上也適用。

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