基于Nagle算法的嵌入式TCP協議

隨著嵌入式系統的發展,在嵌入式系統中實現網絡連接已成為研究熱點,廣泛使用的廉價8/ 16 位嵌入式處理器的性能不足與網絡協議的復雜構成了尖銳的矛盾。 嵌入式Internet 技術的核心是在嵌入式系統中實現TCP/ IP 協議簇, TCP 協議的機制比較復雜,對8/ 16 位嵌入式處理器的存儲能力和運算能力要求較高,必須進行簡化。

本文提出了一種適用于8/ 16 位低速處理器的簡化TCP 協議。對其性能進行分析發現,在嵌入式網絡大量使用小數據包,造成網絡帶寬利用率低下并且容易造成網絡阻塞。 因此在簡化的TCP 協議中引入Nagle 算法,大幅度減少了嵌入式網絡中發送的小數據包個數,提高了吞吐率,并減少了所需的帶寬。

簡化TCP 協議的提出

TCP 協議的數據傳輸分為3 個階段: 建立連接、傳輸數據和斷開連接,可以用狀態機 來實現。8/ 16 位嵌入式微控制器要完整實現這樣復雜的狀態機是十分困難的。在嵌入式系統中簡化TCP 的實現已有相關的研究,本文進一步引入了Nagle 算法并且進行了網絡模擬,給出了實驗結果。

連接建立和斷開機制

TCP 建立連接有兩種方式:主動打開和被動打開。如果實現服務器端應用,可以將TCP 狀態機的主動打開連接部分簡化掉。同理客戶端應用,可以將狀態機的被動打開連接部分簡化掉。斷開連接也有兩種方式:主動斷開和被動斷開。其中被動斷開連接的處理較為簡單。但為了保證安全性,希望主動斷開連接。主動斷開連接簡化實現的方法是:發送一個Fin 數據報,在接收到對Fin 數據報的確認后,再發送一個Reset 數據報,就可完成主動斷開連接。

以服務器端的TCP 連接為例,簡化后的TCP狀態機如圖1。

單TCP 連接

在8/ 16 位微控制器上實現簡化TCP 協議,無需實現多個TCP 連接,只需實現單個TCP 連接即可。

簡單確認機制

嵌入式系統發送數據包不大,可以將TCP 協議的滑動窗口機制去掉,成為簡單確認機制,只對單個數據報而不是批量數據發送確認。實現方法是設置TCP 頭部windows 字段的大小為1 ,即可保證TCP協議雙方都使用簡單確認。

僅計算發送TCP 報文的校驗和

由于TCP 協議校驗和的計算對系統存儲和計算資源的占用都比較多,可以省去對接收數據報校驗和的計算,保留發送數據報TCP 校驗和的計算。

簡化TCP 方案小結

在上述4 個方面的基礎上,在嵌入式處理器中實現了簡化的TCP 協議,程序流程如圖2。其中“不同狀態的相應處理”指根據接收到的TCP 報文準備待發送數據報并將其發送到以太網上。