LwIP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(yùn)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(bào)的形式進(jìn)行。由于各層之間報(bào)頭長(zhǎng)度不一樣，當(dāng)數(shù)據(jù)在不同協(xié)議層之間傳遞時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(yuǎn)程主機(jī)的過程中，要經(jīng)過各層協(xié)議，對(duì)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(chǔ)、傳遞數(shù)據(jù)的做法會(huì)有以下的缺陷：

(1)當(dāng)從上層向下層傳遞數(shù)據(jù)時(shí)，下層協(xié)議需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，而上層在申請(qǐng)內(nèi)存時(shí)沒有(也不應(yīng)該)考慮下層的需要。這樣會(huì)導(dǎo)致下層協(xié)議處理時(shí)需要重新申請(qǐng)內(nèi)存并進(jìn)行內(nèi)存拷貝，從而影響程序的效率。

(2)當(dāng)從下層向上層傳遞數(shù)據(jù)時(shí)，下層協(xié)議專有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)對(duì)上層協(xié)議不可見。因此也需要重新申請(qǐng)內(nèi)存并進(jìn)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(dòng)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(dòng)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(jìn)行內(nèi)存拷貝。嵌入式TCP/IP協(xié)議棧要求簡(jiǎn)單高效，并減少對(duì)內(nèi)存的需求。這些都需要相應(yīng)的內(nèi)存管理機(jī)制實(shí)現(xiàn)。

　　1 LwIP協(xié)議棧中pbuf介紹

LwIP(Light weight IP)是瑞士計(jì)算機(jī)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(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。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(shí)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(gè)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(zhǎng)度的總和*/
u16_t len;　　　　　　/*該pbuf中數(shù)據(jù)的長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)

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

2.1 協(xié)議棧管理的存儲(chǔ)器

協(xié)議棧管理的存儲(chǔ)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(dāng)接收到分組或者有分組要發(fā)送時(shí)，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(duì)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(bào)文，例如從僅僅幾個(gè)字節(jié)的ICMP回答報(bào)文到幾百個(gè)字節(jié)的TCP分段報(bào)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(chǔ)器中分配的，其中PBUF_ROM和PBUF_REF與應(yīng)用程序管理的存儲(chǔ)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(dòng)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(gè)pbuf池(PBUF_POOL)，具有相同尺寸的pbuf都是從這個(gè)pbuf池中分配得到。一般使用多個(gè)PBUF_POOL鏈接成一個(gè)鏈表，用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)分組。如圖1所示。

LwIP用一個(gè)宏定義一個(gè)PBUF_POOL的大小。一個(gè)分組需要分配幾個(gè)PBUF_POOL，而在數(shù)據(jù)較少時(shí)分配一個(gè)PBUF_POOL即可。由于分配一個(gè)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(dòng)使用，為收到的數(shù)據(jù)分組分配緩存。

應(yīng)用程序發(fā)送動(dòng)態(tài)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)時(shí)，可以用PBUF_RAM類型的pbuf。PBUF_RAM在事先劃分好的內(nèi)存堆中分配。對(duì)該內(nèi)存堆的操作類似于C語言中的malloc/free。內(nèi)存堆分配的結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2中每個(gè)被分配的存儲(chǔ)塊附帶了一個(gè)小結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的兩個(gè)指針指向相鄰的內(nèi)存塊。used標(biāo)識(shí)位用來指示該內(nèi)存塊的分配情況，陰影部分表示已經(jīng)被分配了，此時(shí)used為1。當(dāng)需要一塊N字節(jié)的存儲(chǔ)塊時(shí)，就對(duì)整個(gè)存儲(chǔ)堆進(jìn)行搜索。如果找到一塊未用的(used=0)并且容量不小于N字節(jié)的區(qū)域就表示分配成功，并且置used為1。而分配的內(nèi)存塊使用完后需要釋放，為了不產(chǎn)生碎片，相鄰且未用的內(nèi)存塊需要進(jìn)行合并。

PBUF_POOL和PBUF_RAM都可以根據(jù)需要從存儲(chǔ)器中動(dòng)態(tài)分配，這種分配機(jī)制又稱為動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器分配機(jī)制。該分配機(jī)制不僅能為應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)分配存儲(chǔ)空間，而且能為協(xié)議首部分配存儲(chǔ)空間。在層與層之間傳遞數(shù)據(jù)時(shí)，真正需要修改的只是數(shù)據(jù)的格式，使之符合各層的規(guī)范，而數(shù)據(jù)本身不需要變動(dòng)。實(shí)際上數(shù)據(jù)格式反應(yīng)的是各層的首部，當(dāng)數(shù)據(jù)在各層之間傳送時(shí)，需要?jiǎng)討B(tài)地添加和移去相應(yīng)的首部，用動(dòng)態(tài)分配機(jī)制可以很好地實(shí)現(xiàn)。

2.2 應(yīng)用程序管理的存儲(chǔ)器

應(yīng)用程序管理的存儲(chǔ)器是指應(yīng)用程序管理、操作的存儲(chǔ)區(qū)域，一般從該區(qū)域?yàn)閼?yīng)用程序發(fā)送數(shù)據(jù)分配緩存。雖然該存儲(chǔ)區(qū)域不由TCP/IP協(xié)議棧管理，但在不嚴(yán)格分層的協(xié)議棧中，該存儲(chǔ)區(qū)域必須與TCP/IP管理的存儲(chǔ)器協(xié)同工作。為節(jié)省內(nèi)存,LwIP不采取分級(jí)訪問模式，而是通過指針訪問數(shù)據(jù)。這樣就不需要為數(shù)據(jù)的傳遞分配存儲(chǔ)空間。應(yīng)用程序發(fā)送的數(shù)據(jù)在交付LwIP后，LwIP就認(rèn)為這些數(shù)據(jù)是不能被改動(dòng)的，因此應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)被認(rèn)為是永遠(yuǎn)存在并且不能被改變的。這一點(diǎn)與ROM很相似，類型名PBUF_ROM也由此而來。

如圖3所示，PBUF_ROM的數(shù)據(jù)指針payload指向External memory(外部存儲(chǔ)區(qū))。External memory指不由TCP/IP協(xié)議棧管理的存儲(chǔ)區(qū)，它可以是應(yīng)用程序管理的存儲(chǔ)器為用戶數(shù)據(jù)分配的緩存，也可以是ROM區(qū)域，如靜態(tài)網(wǎng)頁中的字符串常量等。由于由應(yīng)用程序交付的數(shù)據(jù)不能被改動(dòng)，因此就需要?jiǎng)討B(tài)地分配一個(gè)PBUF_RAM來裝載協(xié)議的首部，然后將PBUF_RAM(首部)添加到PBUF_ROM(數(shù)據(jù))的前面。這樣就構(gòu)成了一個(gè)完整的數(shù)據(jù)分組。

圖3中的PBUF_ROM還可以是PBUF_REF。

REF和PBUF_ROM的特性非常相似，都可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的零拷貝。但是當(dāng)發(fā)送的數(shù)據(jù)需要排隊(duì)時(shí)就表現(xiàn)出PBUF_REF的特性了。例如在發(fā)送分組時(shí)，待發(fā)送的分組需要在ARP隊(duì)列中排隊(duì)，假如這些分組中有PBUF_ROM類型的pbuf，則說明該類型pbuf中的數(shù)據(jù)位于應(yīng)用程序的存儲(chǔ)區(qū)域，是通過指針被PBUF_ROM引用的。這樣直到分組被處理之前，被引用的應(yīng)用程序的這塊存儲(chǔ)區(qū)域都不能另作它用。在此情況下要用到PBUF_REF類型的pbuf。在排隊(duì)時(shí)，LwIP會(huì)為PBUF_REF類型的pbuf分配緩存(PBUF_POOL或PBUF_RAM)，并將引用的應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)拷貝到分配的緩存中。這樣應(yīng)用程序中被引用數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)區(qū)域就能被釋放。

pbuf結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了層與層之間的數(shù)據(jù)傳遞，但其非常消耗內(nèi)存，并且需要TCP/IP協(xié)議棧為之分配存儲(chǔ)空間，例如協(xié)議控制udp_pcb、tcp_pcb等。通常，嵌入式TCP/IP協(xié)議棧都不是嚴(yán)格分層的，盡量減少對(duì)內(nèi)存的需求是實(shí)現(xiàn)嵌入式TCP/IP的重點(diǎn)，內(nèi)核的內(nèi)存管理機(jī)制直接關(guān)系到嵌入式TCP/IP協(xié)議棧的性能。