DeltaOS 3.0 -簡介(4)

DeltaOS的TCP/IP網絡協議棧（以下簡稱網絡協議棧）符合TCP/IP協議工業標準，支持多任務應用開發模型，利用DeltaOS的TCP/IP網絡協議棧，開發人員可以為一個嵌入式設備增加和配置網絡功能。

DeltaOS的網絡協議棧是一套完整的嵌入式TCP/IP協議棧，在應用上，網絡協議棧提供：

• 網絡應用編程界面（套接字，socket）：網絡的應用程序不是直接與TCP/IP核心、而是與網絡應用編程界面（套接字）打交道，編程界面構成了核心協議的用戶視圖。網絡協議棧支持流套接字（SOCK_STREAM）和數據報套接字（SOCK_DGRAM）。
• 對網絡參數進行設置的接口：網絡參數指IP地址、掩碼、網關地址、PPP撥號參數等，網絡協議棧提供對這些網絡基本參數進行讀取/設置的接口，應用程序中根據用戶需求直接調用，使應用網絡協議棧的終端或網絡設備能夠動態修改這些參數。
• 擴展的應用功能：網絡協議棧提供簡單的ping功能調用接口，應用程序可利用該接口實現檢測鏈路通斷的功能。

應用程序與操作系統以及網絡協議棧的關系如下圖：

圖：網絡協議棧體系結構

新版本的網絡協議棧包括如下特點：

• 以太網和撥號網絡可同時使用；
• 基于DLL/HAL技術的多網絡適配設備支持；
• 支持大數據量的穩定通信；
• 提供穩定、高效的多連接處理。

特性

應用特點

編程接口標準化

網絡協議棧提供的網絡編程接口（套接字）與Windows Socket版本1.1基本一致

可移植性 

• 除網絡設備驅動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；
• 網絡協議棧雖然是DeltaOS的網絡組件，但它與操作系統內核之間的接口僅為少量的系統調用，如任務管理、信號量管理、定時器管理、中斷管理和內存管理，因此很容易移植到其它的系統平臺上，比如：網絡協議棧成功支持了RTXC和ITRON等操作系統。

配置靈活

網絡協議棧提供系統配置表，用戶既可以配置自己所需要的網絡組件（如DNS、DHCP等）或硬件支持（如多網卡），也可以根據具體的需要配置一些相關的網絡參數（如IP地址、網關、撥號串等）。既提供靜態配置的方式，也提供部分調用接口，實現了參數的動態配置。

對多任務的支持

網絡協議棧中使用信號量機制，實現任務間及任務與中斷處理程序之間資源的互斥與共享，從而實現了對多任務環境的支持。

可擴充性

網絡協議棧使用模塊化設計模式，根據實際需要，可方便地添加新的協議模塊到網絡協議棧的TCP/IP協議棧軟件包中，實現對新的網絡協議的支持。

支持組播功能

基于網絡協議棧開發的應用程序通過調用setsockopt函數設置組播選項，能夠實現組播發送和接收。

性能特點

網絡協議棧在實現上采取了一些措施以提高其性能，如下：

采用“零拷貝”技術（Zero Copy）

用戶數據在通過TCP/IP協議從本地主機傳輸到遠地主機的過程中，需要不斷地拆包和打包。如果在拆包和打包時，各協議層之間均采用數據拷貝進行數據傳遞，則將大大增加系統開銷，從而降低系統性能。網絡協議棧采用零拷貝技術以解決該問題。

所謂“零拷貝”技術，是指TCP/IP協議棧沒有用于各層間數據傳遞的緩沖區，協議棧各層間傳遞的都是數據指針，只有當數據最終要被驅動程序發送出去或是被用戶應用程序取走時，才進行真正的數據搬移。

采用靜態分配技術

如果在網絡發送或接收的過程中，某一次傳送的數據超過了在一個物理網絡上能夠傳輸的最大數據量（MTU），則該數據處理任務往往會阻塞等待，直到上層重新調整需要處理的數據量的大小，才會繼續執行下去。{{分頁}}

網絡協議棧采用靜態分配技術，在網絡初始化時就靜態分配通信緩沖區，設置了專門的發送和接收緩沖（一般是小于或等于物理網絡上的MTU值），從而確保了每次發送或接收時處理的數據不會超過MTU值，也就避免了數據處理任務的阻塞等待。

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，創建一個接收任務，該任務首先發出一個接收信號，然后進入休眠狀態，當有新的報文到達時才被喚醒，并對接收到的新的報文進行處理；暫停方式則是指接收方在新的報文到來之前一直等待，直到有報文到達后進行相應的處理。

網絡協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算機和網絡通信的并行性，又能保證接收時響應的及時性。

協議特點

網絡協議棧遵從TCP/IP的四層協議體系結構，如下圖所示：

圖：網絡協議棧協議的體系結構

在不同的層次上，網絡協議棧在支持協議上有如下特點：

鏈路層

網絡協議棧支持以太網鏈路層和RS232串口鏈路層（PPP）。
數據鏈路層的實現主要表現為網絡驅動程序。網絡協議棧提供網絡驅動程序模板，用戶可根據模板編寫自己的驅動程序。

• 以太網
  網絡協議棧支持以太網傳輸，并且有以下特點：
  1. 支持10M/100M以太口、ISA/PCI接口；
  2. 提供多種以太網驅動供用戶選擇，也提供以太網驅動的模板，允許用戶添加自己的驅動；
  3. 支持多網卡。
• PPP
  網絡協議棧支持完整的PPP協議（包括LCP、IPCP、PAP和CHAP），既可以應用到傳統的有線撥號網絡、也可以應用到通過GPRS/CDMA無線上網的終端設備上，對物理鏈路的適應性強。

網絡層

1. ARP/RARP
   ARP是幾乎每種TCP/IP實現中的基本協議，但它通常在應用程序或系統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，網絡協議棧將緩沖中每個表目綁定一定時器，用于管理過時的表目。
   
   許多無盤系統用RARP在啟動時獲得其IP地址。RARP數據包格式與ARP幾乎相同。RARP請求是廣播的，標識發送者的硬件地址，要求別人回答發送者的IP地址；其應答通常是單目的。
2. IP
   IP協議是網絡協議棧網絡層的主要組成部分，其主要功能包括：
   1. 提供一種無連接的、不可靠的、盡最大努力進行數據報傳遞的服務。
   2. 提供簡單的IP數據報的選路。IP選路基于IP選路表，該表存儲有關可能的目的網點及怎樣到達目的網點的信息，主機或路由器軟件需要傳送數據報時，它就查詢選路表來決定把數據報發往何處。網絡協議棧中的IP選路表為增加RIP及OSPF等動態路由協議提供了接口，進一步體現了網絡協議棧的可擴充性。
   3. 實現IP數據報的分片、重組
3. ICMP
   網絡協議棧的ICMP協議實現了所有標準ICMP協議的功能，包括差錯報告和控制。其中最常用的是ICMP回送請求和應答功能，并在此基礎上提供ping的簡單應用接口供應用程序調用，用于檢查鏈路的通斷。

傳輸層

網絡協議棧傳輸層提供兩種協議——UDP和TCP。

1. UDP
   網絡協議棧支持組播功能。組播（multicast）是一到多或者多到多的多方通信形式，遠程會議、交互式仿真、分布式內容系統、多方游戲等應用都對組播業務(multicast service)提出了需求。由于TCP是有連接的，決定了TCP之上的應用程序不能夠實現組播。基于UDP的應用程序能夠通過組播發送和接收大大提高網絡性能，合理利用網絡帶寬。
2. TCP
   網絡協議棧提供面向流的傳輸協議—TCP協議，它提供可靠的傳輸服務以確保數據無差錯、無亂碼的到達。為了這個目的，TCP協議軟件要進行協商，讓接收方回送確認信息及讓發送方重發丟失的分組。

應用層

網絡協議棧為應用層的開發提供了一套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絡應用。{{分頁}}

網絡協議棧也實現了應用層上一些常見的標準協議，如Telnet Client（遠程登錄客戶端）、FTP Client（文件傳輸客戶端）等。

• DNS
  網絡協議棧提供對DNS Client的支持，上層應用通過域名請求TCP打開一個連接或使用UDP發送一個數據報之前，必須調用網絡協議棧提供的系統調用將一個主機名轉換為一個IP地址。
• DHCP
  網絡協議棧協議棧支持DHCP Client，基于網絡協議棧的應用程序能夠調用相關接口發送DHCP請求，動態獲得IP地址。
• TELNET
  網絡協議棧支持TELNET Server功能，允許任何Telnet客戶終端通過TELNET命令進行遠程登錄，并提供菜單方式的界面，實現遠程配置和管理。
• FTP
• 網絡協議棧支持FTP Client功能，具有以下特點：

• 支持FTP通用命令；
• 提供獨有的FTP IO操作，用戶無需過多了解FTP協議就可完成遠程文件操作；
• 無需文件系統支持，體積較小。

• HTTP
  HTTP Server功能是網絡協議棧的可選組件，又名DeltaHTTPD。詳細說明請參見《DeltaHTTPD技術白皮書》。

基本規格

標準

網絡協議棧提供的Socket調用與Windows Socket 1.1調用基本一致。網絡協議棧支持標準TCP/IP模型中的多種協議，主要包括（每個協議對應的RFC編號，只是該協議早期版本的編號）：

支持的應用協議如下：

• 網絡應用層

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]

• 網絡傳輸層
  UDP[RFC 768]、TCP[RFC 793]
• 網絡層
  IP[RFC 791]、ICMP[RFC 792]
• 數據鏈路層
  PPP[RFC 1661]、ARP[RFC 826]、RARP[RFC 903]

資源占用情況

以DeltaCORE為例來介紹網絡協議棧所占用的操作系統內核資源。

網絡協議棧占用內存情況（注：不包括以選件方式提供的應用層協議）

靜態內存空間

下表列出了網絡協議棧在ARM7-4510B、x86平臺上運行Pinghost演示程序時，網絡協議棧占用內存資源的實際情況：

網絡協議棧的靜態內存需求（單位：字節）

注意：

• 網絡協議棧在編譯時未使用“優化”選項；
• 以上數據表示均采用十六進制方式。

動態內存空間

網絡協議棧在初始化時需要CRTL動態分配的空間為110776字節。這部分空間是為接收和發送緩沖、還有控制結構預留的，不會釋放。

網絡協議棧的七個DEMO在運行過程中也需要動態分配一部分空間，但是這部分空間在程序運行過程中會釋放掉的，不會產生內存泄漏等情況。各個DEMO需要分配的空間如下表所示：

網絡協議棧的動態內存需求（單位：字節）

注意：

• 創建demo任務時會分配一些空間，刪除此任務后，分配的空間將會被釋放。
• PingHost、TcpClnt、TcpServ、UdpClnt、UdpServ、FtpIoAPI任務創建需要分配11056字節空間。另外，TelServer在初始化時為任務的創建分配了11056字節空間。

在為每個DEMO進行內存配置時，CRTL堆的大小不能小于網絡協議棧初始化及DEMO任務創建、DEMO運行過程中動態分配的內存之和。

典型性能指標

測試環境：

CPU:Pentium 628MHZ CPU

內存:128M