如何基于Nagle算法設(shè)計(jì)嵌入式TCP協(xié)議？

隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展,在嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接已成為研究熱點(diǎn),廣泛使用的廉價(jià)8/ 16 位嵌入式處理器的性能不足與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的復(fù)雜構(gòu)成了尖銳的矛盾。 嵌入式Internet 技術(shù)的核心是在嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)TCP/ IP 協(xié)議簇, TCP 協(xié)議的機(jī)制比較復(fù)雜,對(duì)8/ 16 位嵌入式處理器的存儲(chǔ)能力和運(yùn)算能力要求較高,必須進(jìn)行簡(jiǎn)化。

本文提出了一種適用于8/ 16 位低速處理器的簡(jiǎn)化TCP 協(xié)議。對(duì)其性能進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),在嵌入式網(wǎng)絡(luò)大量使用小數(shù)據(jù)包,造成網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率低下并且容易造成網(wǎng)絡(luò)阻塞。 因此在簡(jiǎn)化的TCP 協(xié)議中引入Nagle 算法,大幅度減少了嵌入式網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送的小數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù),提高了吞吐率,并減少了所需的帶寬。

簡(jiǎn)化TCP 協(xié)議的提出

TCP 協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸分為3 個(gè)階段: 建立連接、傳輸數(shù)據(jù)和斷開連接,可以用狀態(tài)機(jī) 來實(shí)現(xiàn)。8/ 16 位嵌入式微控制器要完整實(shí)現(xiàn)這樣復(fù)雜的狀態(tài)機(jī)是十分困難的。在嵌入式系統(tǒng)中簡(jiǎn)化TCP 的實(shí)現(xiàn)已有相關(guān)的研究,本文進(jìn)一步引入了Nagle 算法并且進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)模擬,給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

連接建立和斷開機(jī)制

TCP 建立連接有兩種方式:主動(dòng)打開和被動(dòng)打開。如果實(shí)現(xiàn)服務(wù)器端應(yīng)用,可以將TCP 狀態(tài)機(jī)的主動(dòng)打開連接部分簡(jiǎn)化掉。同理客戶端應(yīng)用,可以將狀態(tài)機(jī)的被動(dòng)打開連接部分簡(jiǎn)化掉。斷開連接也有兩種方式:主動(dòng)斷開和被動(dòng)斷開。其中被動(dòng)斷開連接的處理較為簡(jiǎn)單。但為了保證安全性,希望主動(dòng)斷開連接。主動(dòng)斷開連接簡(jiǎn)化實(shí)現(xiàn)的方法是:發(fā)送一個(gè)Fin 數(shù)據(jù)報(bào),在接收到對(duì)Fin 數(shù)據(jù)報(bào)的確認(rèn)后,再發(fā)送一個(gè)Reset 數(shù)據(jù)報(bào),就可完成主動(dòng)斷開連接。

以服務(wù)器端的TCP 連接為例,簡(jiǎn)化后的TCP狀態(tài)機(jī)如圖1。

單TCP 連接

在8/ 16 位微控制器上實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化TCP 協(xié)議,無需實(shí)現(xiàn)多個(gè)TCP 連接,只需實(shí)現(xiàn)單個(gè)TCP 連接即可。

簡(jiǎn)單確認(rèn)機(jī)制

嵌入式系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)包不大,可以將TCP 協(xié)議的滑動(dòng)窗口機(jī)制去掉,成為簡(jiǎn)單確認(rèn)機(jī)制,只對(duì)單個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)而不是批量數(shù)據(jù)發(fā)送確認(rèn)。實(shí)現(xiàn)方法是設(shè)置TCP 頭部windows 字段的大小為1 ,即可保證TCP協(xié)議雙方都使用簡(jiǎn)單確認(rèn)。

僅計(jì)算發(fā)送TCP 報(bào)文的校驗(yàn)和

由于TCP 協(xié)議校驗(yàn)和的計(jì)算對(duì)系統(tǒng)存儲(chǔ)和計(jì)算資源的占用都比較多,可以省去對(duì)接收數(shù)據(jù)報(bào)校驗(yàn)和的計(jì)算,保留發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)TCP 校驗(yàn)和的計(jì)算。

簡(jiǎn)化TCP 方案小結(jié)

在上述4 個(gè)方面的基礎(chǔ)上,在嵌入式處理器中實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)化的TCP 協(xié)議,程序流程如圖2。其中“不同狀態(tài)的相應(yīng)處理”指根據(jù)接收到的TCP 報(bào)文準(zhǔn)備待發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)并將其發(fā)送到以太網(wǎng)上。

簡(jiǎn)化TCP 協(xié)議的性能分析

這種簡(jiǎn)化的TCP 協(xié)議的性能可以通過在NS-2

網(wǎng)絡(luò)模擬器中進(jìn)行模擬實(shí)現(xiàn)。

通常在嵌入式的環(huán)境中,應(yīng)用層產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包是很小的,經(jīng)常是每個(gè)包只有幾個(gè)、十幾、幾十個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù),這樣就產(chǎn)生了一個(gè)問題: TCP 協(xié)議的報(bào)頭開銷太大。假設(shè)數(shù)據(jù)僅有一個(gè)字節(jié),而TCP 的包頭有40 個(gè)字節(jié),這樣的數(shù)據(jù)報(bào)對(duì)底層網(wǎng)絡(luò)的利用率僅僅只有1/ 41 ,考慮到分組之間的間隙和網(wǎng)絡(luò)硬件組成幀還需要一些比特,實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)利用率更低。 嵌入式系統(tǒng)的這種常見的小的數(shù)據(jù)包造成了網(wǎng)絡(luò)帶寬的極大浪費(fèi)。除了網(wǎng)絡(luò)利用率不高之外,還有另外一個(gè)問題是產(chǎn)生TCP 數(shù)據(jù)包數(shù)量極多,網(wǎng)關(guān)和路由器會(huì)由于這些極大數(shù)量的小數(shù)據(jù)包而發(fā)生阻塞。

組塊技術(shù)與其不足

通過以上分析,很自然的想到采用組塊技術(shù)(clumping) 把一定數(shù)量的數(shù)據(jù)包組成一個(gè)幀,這樣既能減小報(bào)頭開銷,又能減小TCP 數(shù)據(jù)包的數(shù)量,而且代碼量增加很少。但是,這樣組包會(huì)產(chǎn)生一個(gè)問題,TCP 在數(shù)據(jù)幀未達(dá)到一定大小之前不會(huì)傳輸數(shù)據(jù),這樣產(chǎn)生的延時(shí)會(huì)影響到數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。因此,有必要對(duì)怎樣避免這種延時(shí)進(jìn)行研究。

Nagle 算法的由來

在因特網(wǎng)發(fā)展初期,由于bbs 和新聞組的流行,網(wǎng)絡(luò)上充斥著大量的telnet 產(chǎn)生的小的數(shù)據(jù)包,數(shù)量極大的這些數(shù)據(jù)包使得路由器和網(wǎng)關(guān)發(fā)生了嚴(yán)重的阻塞現(xiàn)象,這和嵌入式系統(tǒng)中的情形類似。JoneNagle 提出了一種算法來對(duì)付這種棘手的小數(shù)據(jù)包問題,后來被稱為Nagle 算法。

Nagle 算法與簡(jiǎn)單的組包( clumping) 技術(shù)不同,它和慢啟動(dòng)一樣使用自計(jì)時(shí)( self clocking) 、用確認(rèn)的到達(dá)來觸發(fā)其余數(shù)據(jù)的傳輸。因此它沒有引入額外的延時(shí),而且能有效地減少網(wǎng)絡(luò)上小數(shù)據(jù)包的流量。

Nagle 算法的描述

在一個(gè)連接上已經(jīng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)還沒有被確認(rèn)的情況下,發(fā)送方的應(yīng)用程序又生成了后續(xù)數(shù)據(jù),并照常將數(shù)據(jù)送到輸出緩沖區(qū)中,但這時(shí)并不發(fā)送后續(xù)報(bào)文段,而是等到有足夠的數(shù)據(jù)填滿一個(gè)達(dá)到最大長(zhǎng)度的報(bào)文段之后再把緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

如果某個(gè)應(yīng)用程序每次僅產(chǎn)生一個(gè)八位組的數(shù)據(jù), TCP 會(huì)立即發(fā)送最初的那個(gè)八位組,但是在確認(rèn)到達(dá)之前, TCP 會(huì)把后續(xù)數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)中。因此當(dāng)應(yīng)用程序生成數(shù)據(jù)的速率比網(wǎng)絡(luò)的速率快很多時(shí)(如傳送文件) ,后續(xù)的報(bào)文段將包含大量的數(shù)據(jù),而當(dāng)應(yīng)用程序比網(wǎng)絡(luò)速度更慢時(shí)(如用戶敲鍵盤) ,就會(huì)發(fā)送較短的報(bào)文段而不必經(jīng)過長(zhǎng)的延時(shí)。

Nagle 算法在嵌入式環(huán)境的適用性

在嵌入式系統(tǒng)的環(huán)境中,嵌入式TCP 協(xié)議會(huì)面臨著各種情況,比如一兩個(gè)開關(guān)量的傳輸,或者是傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的傳輸,而Nagle 算法能夠自動(dòng)適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)速率和應(yīng)用層數(shù)據(jù)流量的各種情況,因?yàn)樗且源_認(rèn)來觸發(fā)的自計(jì)時(shí)的協(xié)議。

網(wǎng)絡(luò)模擬

NS-2 是一個(gè)應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)研究的離散事件模擬器,它充分支持有線與無線網(wǎng)絡(luò)上對(duì)于TCP、路由和多播協(xié)議的模擬。它自問世以來受到學(xué)術(shù)界的充分信賴,成為設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)新的協(xié)議和算法的權(quán)威網(wǎng)絡(luò)模擬測(cè)試平臺(tái)。

網(wǎng)絡(luò)模擬環(huán)境的構(gòu)建

圖3 是本文構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)模擬環(huán)境:節(jié)點(diǎn)0 使用本文提出的嵌入式TCP 協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù),節(jié)點(diǎn)1 使用用戶投文協(xié)議(UDP) 組播協(xié)議來發(fā)送大量的數(shù)據(jù),用于測(cè)試嵌入式TCP 協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)阻塞情況下的性能,節(jié)點(diǎn)2 和節(jié)點(diǎn)3 之間是瓶頸路徑,模擬交換機(jī)之間的線路情況。