嵌入式精簡 TCPIPV6 協(xié)議棧的設(shè)計與實現(xiàn)

嵌入式精簡TCPIPV6協(xié)議棧的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：本文通過對常用IPV6技術(shù)的研究和分析，針對嵌入設(shè)備處理速度慢，存儲容量小等特點，對常用TCP/IPV6協(xié)議棧進行了裁減和簡化，裁減掉一些不常用但不影響基本通信功能的協(xié)議模塊，同時對要保留下來要實現(xiàn)的各個協(xié)議進行簡化，只實現(xiàn)其基本功能。設(shè)計完成實現(xiàn)后的協(xié)議棧，具有代碼量少，運行效率高和良好的可移植性等特點，適合于各種嵌入式設(shè)備，是一種解決嵌入式設(shè)備接入IPV6網(wǎng)絡(luò)的可行方案。關(guān)鍵詞：IPV6；嵌入式操作系統(tǒng)；鄰居發(fā)現(xiàn)；ICMPV6；地址解釋AbstractViatheresearchandanalysefortheIPV6techniqueinthisarticle.InallusiontotheMCUonembededsystemisnotfast，andthestoragecapabilityislow，wecutdownthecommonIPV6stack.Inthisdesignwecutdownsomeunusuaryusedbutnotaffectbasiccommunicationprotcols.Besides，forthesavedprotocolsweonlyrealizeit’sbasicfunction.Aftertheachievmentwefindthatthisstacklittle-codes，efficiency-runingandhavegoodgraftedability.Soitfitforembededsystemdevices，andbeconsideredasafeasibleschemeforembeddedsystemconnectingtoIPV6network.Keywords:PV6;EmbeddedOperatingSystem;NeighborDiscovery;ICMPV6;AddressResolution.1.引言嵌入式Internet技術(shù)是指把Internet技術(shù)應(yīng)用于嵌入式設(shè)備，實現(xiàn)嵌入式設(shè)備的信息交互，是嵌入式技術(shù)與Internet技術(shù)的結(jié)合，具有非常廣大的市場前景。目前不少廠商都在進行這方面研究，并推出了不少嵌入式Internet解決方案，比較常用的成熟的解決方案有，瑞士計算機科學(xué)院AdamDunkels寫的ulP和LWIP，它們以IPV4技術(shù)為基礎(chǔ)，以精簡為指導(dǎo)思想，把復(fù)雜的TCP/IP技術(shù)引入嵌入式設(shè)備，滿足嵌入式設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)的需求。而作為IPV4改良版本的IPV6，是對IPV4的升級和改進，是下一代網(wǎng)絡(luò)的核心，如何以IPV6技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計一款和嵌入設(shè)備結(jié)合的具有代碼量少，功能簡單的精簡TCP/IPV6協(xié)議棧是一件非?，F(xiàn)實意義的挑戰(zhàn)，也是本課題設(shè)計的目的所在。2.IPV6協(xié)議棧IPV6協(xié)議棧是基于IPV6網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議，和IPV4一樣，遵循現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)四層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)體系結(jié)構(gòu)，如圖1所示。從圖中我們可以看到，協(xié)議棧分為網(wǎng)絡(luò)接口層，互聯(lián)網(wǎng)層，傳輸層，應(yīng)用層四層。應(yīng)用層直接面向用戶，并提供訪問其它層服務(wù)的功能;傳輸層用于提供源主機和目的主機上的對等實體對話;網(wǎng)絡(luò)接口層屏蔽了具體的硬件實現(xiàn)細節(jié)，負(fù)責(zé)底層數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送；網(wǎng)絡(luò)層是整個TCP/IP體系結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部分，其主要功能是在網(wǎng)絡(luò)上提供可靠的主機到主機的數(shù)據(jù)傳送。IPv6協(xié)議正是位于該層，它包含的主要協(xié)議模塊有IPV6，ICMPV6，鄰居發(fā)現(xiàn)ND，IPsec等。2.1IPV6協(xié)議根據(jù)RFC2460對IPV6功能的描述，IPV6主要負(fù)責(zé)把上層來的數(shù)據(jù)段添加IPV6報頭，交由底層發(fā)送；把下層接收到的報文經(jīng)過處理和分析，交給TCP，UDP或ICMPV6處理。和IPv4相比IPv6的改變主要集中在以下幾個方面:地址容量的擴展，報頭格式的簡化，支持?jǐn)U展和選項的改進，數(shù)據(jù)流標(biāo)簽的能力，認(rèn)證和保密的能力等[1]。2.2ICMPV6協(xié)議ICMPV6協(xié)議合并了IPv4中ICMP(控制報文協(xié)議)，I-GMP(組成員協(xié)議)、ARP(地址解析協(xié)議)等多個協(xié)議的功能，實現(xiàn)差錯控制，地址解釋等功能，并支持MobileIPv6。ICMPV6報文封裝在IP報文中，是IP報文的有效載荷數(shù)據(jù)，它通過它的各種錯誤報文和信息報文的交換來實現(xiàn)差錯控制，地址解釋和路由前綴信息獲取等功能。2.3鄰居發(fā)現(xiàn)(Neighbordiscovery)協(xié)議鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議ND是IPv6協(xié)議棧中的核心協(xié)議，是IPV6解決鄰節(jié)點交互的一個重要協(xié)議。它定義了下列問題的解決機制：路由發(fā)現(xiàn)，前綴發(fā)現(xiàn)，參數(shù)發(fā)現(xiàn)，地址自動配置，地址解釋，下一跳決定，鄰居不可達，重復(fù)地址檢測，重定向。鄰居發(fā)現(xiàn)的這些功能是通過5個ICMP報文（鄰居請求/鄰居通告報文，路由器請求/路由器通告報文，重定向報文）的交換來實現(xiàn)的。3.IPV6協(xié)議棧的精簡協(xié)議棧精簡的核心是“微型化”，我們對協(xié)議棧進行協(xié)議模塊裁減和單個協(xié)議簡化。3.1協(xié)議模塊裁減協(xié)議模塊裁減是指在保障基本通信功能的前提下盡可能去掉一些協(xié)議模塊，節(jié)省系統(tǒng)資源。網(wǎng)絡(luò)接口層我們只考慮802.3以太網(wǎng)協(xié)議（CSMA/CD，MAC，LLC），不考慮面向CAN，RS-232，RS-485，射頻，藍牙等相關(guān)的支持模塊。接入方式上只考慮用路由器接入方式，不考慮撥號連接方式，去掉和撥號連接方式相關(guān)的面向點對點連接的PPP協(xié)議和SLIP協(xié)議，這兩個協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)接口層占用的代碼量比較多；IP層只實現(xiàn)基本的報頭，不實現(xiàn)擴展報頭，去掉基于認(rèn)證頭和封裝安全載荷頭選項的IPsec協(xié)議，安全控制交給其他層。ICMPV6和ND是核心協(xié)議必須保留；傳輸層TCP和UDP可以全部實現(xiàn)也可以只實現(xiàn)一種，考慮的適應(yīng)性，本設(shè)計中都給予實現(xiàn)。因此協(xié)議模塊裁減后要實現(xiàn)的核心協(xié)議族為802.3，IPV6，ICMPV6，ND，TCP，UDP。3.2單個協(xié)議簡化單個協(xié)議簡化是指以單個協(xié)議為目標(biāo)，進行功能和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的簡化。對IPV6協(xié)議來說，只接收，發(fā)送報文，不支持報文的分片與重組，不支持?jǐn)U展報頭選項，對可靠連接傳輸來講，包過大得不到確認(rèn)，會根據(jù)擁塞控制機制和重傳機制，減少數(shù)據(jù)分組長度，進行重新發(fā)送，對大多數(shù)應(yīng)用來說這不會產(chǎn)生其他嚴(yán)重問題。對ICMPV6來說，只實現(xiàn)錯誤報文中的目的不可達報文，信息報文中的應(yīng)答回復(fù)報文，不實現(xiàn)超時報文，報文過大報文和應(yīng)答請求報文，一般包過大，超時報文由路由器實現(xiàn)，應(yīng)答請求報文用于主動測試中發(fā)起測試的PC機一端。對鄰居發(fā)現(xiàn)ND模塊來說，只實現(xiàn)鄰居請求和鄰居應(yīng)答報文，嵌入式設(shè)備剛接入網(wǎng)絡(luò)，它可以靜態(tài)的等待網(wǎng)絡(luò)上路由器定時發(fā)送的路由公告報文，而不是主動發(fā)送路由請求報文來獲取，不需實現(xiàn)路由請求/路由應(yīng)答報文。嵌入式設(shè)備連接的鄰居接點，路由一般簡單，傳輸量少，不需重定向報文來進行路由定向。簡化的大塊在TCP，TCP是整個協(xié)議簇中最復(fù)雜，代碼量最多的協(xié)議。它的功能模塊有：滑動窗口，流量控制，擁塞控制，TCP連接狀態(tài)機，往返時間估計，重傳協(xié)議。本協(xié)議棧的目標(biāo)是有操作系統(tǒng)支持的嵌入式系統(tǒng)，速度和存儲量比8位和16位單片機都有提高，不必采用分配固定緩沖區(qū)的形式進行接收一幀處理一幀，可以考慮采用分配一個較大的緩沖區(qū)實現(xiàn)滑動窗口機制，用來提高傳輸效率，實驗證明，傳輸效率的提高是明顯的，往返時間估計和重傳機制比較簡單，代碼量不大，可以實現(xiàn)，TCP狀態(tài)機表示TCP進程通信的狀態(tài)遷移，是TCP的核心必須實現(xiàn)，可以不實現(xiàn)流量控制機制，因為流量不是很大。因此TCP模塊實現(xiàn)的功能有：TCP有限自動機，滑動窗口，往返時間估計，重傳協(xié)議。忽略流量控制與擁塞控制模塊，在可靠連接中，當(dāng)因擁塞而發(fā)生數(shù)據(jù)丟失的時候，發(fā)送方收不到確認(rèn)就采用重傳機制重發(fā)數(shù)據(jù)[2]。4.嵌入式精簡IPV6協(xié)議棧的設(shè)計與實