LwIP的內(nèi)存管理分析

TCP/IP是一種基于OSI參考模型的分層網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，它由應(yīng)用層、運輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層組成。各層之間消息的傳遞通過數(shù)據(jù)報的形式進行。由于各層之間報頭長度不一樣，當數(shù)據(jù)在不同協(xié)議層之間傳遞時，對數(shù)據(jù)進行封裝和去封裝、增加和刪除操作將十分頻繁。

　　在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中也經(jīng)常遇到類似問題。用戶數(shù)據(jù)從本地嵌入式設(shè)備傳輸?shù)竭h程主機的過程中，要經(jīng)過各層協(xié)議，對消息的封裝、去封裝和拷貝操作幾乎是不可避免的。而通常所采用的用一段連續(xù)的內(nèi)存區(qū)來存儲、傳遞數(shù)據(jù)的做法會有以下的缺陷：

　　(1)當從上層向下層傳遞數(shù)據(jù)時，下層協(xié)議需要對數(shù)據(jù)進行封裝，而上層在申請內(nèi)存時沒有(也不應(yīng)該)考慮下層的需要。這樣會導(dǎo)致下層協(xié)議處理時需要重新申請內(nèi)存并進行內(nèi)存拷貝，從而影響程序的效率。

　　(2)當從下層向上層傳遞數(shù)據(jù)時，下層協(xié)議專有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)當對上層協(xié)議不可見。因此也需要重新申請內(nèi)存并進行內(nèi)存拷貝。

　　(3)隨著數(shù)據(jù)的逐層處理，其內(nèi)容可能有所增減，而連續(xù)內(nèi)存很難處理這種動態(tài)的數(shù)據(jù)增刪。

　　因此，必須有一種能適應(yīng)數(shù)據(jù)動態(tài)增刪、但在邏輯上又呈現(xiàn)連續(xù)性的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以滿足在各協(xié)議層之間傳遞數(shù)據(jù)而不需要進行內(nèi)存拷貝。嵌入式TCP/IP協(xié)議棧要求簡單高效，并減少對內(nèi)存的需求。這些都需要相應(yīng)的內(nèi)存管理機制實現(xiàn)。

　　1 LwIP協(xié)議棧中pbuf介紹

　　LwIP(Light weight IP)是瑞士計算機科學(xué)院Adam Dunkels等開發(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)的情況下獨立運行。LwIP TCP/IP實現(xiàn)的重點是：在保持TCP協(xié)議主要功能的基礎(chǔ)上，減少對RAM的占用。這使LwIP協(xié)議棧適合在低端嵌入式系統(tǒng)中使用。

　　LwIP利用pbuf結(jié)構(gòu)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞，它與BSD中的Mbuf很相似。pbuf的主要用途是保存在應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)接口間互相傳遞的用戶數(shù)據(jù)。

　　pbuf的內(nèi)部結(jié)構(gòu)為：

　　struct pbuf{

　　struct pbuf *next;　　/*指向下一個pbuf*/

　　void *payload;　　　　/*指向pbuf數(shù)據(jù)中的起始位置*/

　　u16_t tot_len;　　　　/*該pbuf和后續(xù)pbuf中數(shù)據(jù)長度的總和*/

　　u16_t len;　　　　　　/*該pbuf中數(shù)據(jù)的長度*/

　　u16_t flags;　　　　　/*pbuf的類型*/

　　u16_t ref;　　　　　　/*該pbuf被引用的次數(shù)*/

　　}2 LwIP內(nèi)存管理的實現(xiàn)

　　在運行TCP/IP協(xié)議棧的嵌入式系統(tǒng)中，可以把整個系統(tǒng)的存儲區(qū)域分為協(xié)議棧管理的存儲器和應(yīng)用程序管理的存儲器兩部分。

　　2.1 協(xié)議棧管理的存儲器

　　協(xié)議棧管理的存儲器是指TCP/IP內(nèi)核能夠操作的內(nèi)存區(qū)域，主要用于裝載待接收和發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分組。當接收到分組或者有分組要發(fā)送時，TCP/IP協(xié)議棧為這些分組分配緩存;接收到的分組交付給應(yīng)用程序或者分組已經(jīng)發(fā)送完畢后，對分配的緩存回收重用。協(xié)議棧分配的緩存必須能容納各種大小的報文，例如從僅僅幾個字節(jié)的ICMP回答報文到幾百個字節(jié)的TCP分段報文。

　　LwIP中的pbuf有四種類型：PBUF_POOL、PBUF_RAM、PBUF_ROM、PBUF_REF。這四種類型的pbuf都是從TCP/IP協(xié)議棧管理的存儲器中分配的，其中PBUF_ROM和PBUF_REF與應(yīng)用程序管理的存儲區(qū)域密切相關(guān)。

　　PBUF_POOL是具有固定容量的pbuf，主要供網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動使用，為收到的數(shù)據(jù)分組分配緩存。在協(xié)議棧管理的內(nèi)存中初始化了一個pbuf池(PBUF_POOL)，具有相同尺寸的pbuf都是從這個pbuf池中分配得到。一般使用多個PBUF_POOL鏈接成一個鏈表，用于存儲數(shù)據(jù)分組。如圖1所示。

　　LwIP用一個宏定義一個PBUF_POOL的大小。一個分組需要分配幾個PBUF_POOL，而在數(shù)據(jù)較少時分配一個PBUF_POOL即可。由于分配一個PBUF_POOL類型的pbuf很快，適合在中斷處理中使用，所以PBUF_POOL主要供網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動使用，為收到的數(shù)據(jù)分組分配緩存。

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