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嵌入式精簡TCPIPV6協(xié)議棧的設計與實現(xiàn)
摘要:本文通過對常用IPV6技術的研究和分析,針對嵌入設備處理速度慢,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備,是一種解決嵌入式設備接入IPV6網(wǎng)絡的可行方案。關鍵詞: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技術是指把Internet技術應用于嵌入式設備,實現(xiàn)嵌入式設備的信息交互,是嵌入式技術與Internet技術的結合,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,瑞士計算機科學院AdamDunkels寫的ulP和LWIP,它們以IPV4技術為基礎,以精簡為指導思想,把復雜的TCP/IP技術引入嵌入式設備,滿足嵌入式設備接入網(wǎng)絡的需求。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)絡的核心,如何以IPV6技術為基礎,設計一款和嵌入設備結合的具有代碼量少,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),也是本課題設計的目的所在。2.IPV6協(xié)議棧IPV6協(xié)議棧是基于IPV6網(wǎng)絡層的協(xié)議,和IPV4一樣,遵循現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)四層網(wǎng)絡互聯(lián)體系結構,如圖1所示。從圖中我們可以看到,協(xié)議棧分為網(wǎng)絡接口層,互聯(lián)網(wǎng)層,傳輸層,應用層四層。應用層直接面向用戶,并提供訪問其它層服務的功能;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)絡接口層屏蔽了具體的硬件實現(xiàn)細節(jié),負責底層數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送;網(wǎng)絡層是整個TCP/IP體系結構的關鍵部分,其主要功能是在網(wǎng)絡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主要負責把上層來的數(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,支持擴展和選項的改進,數(shù)據(jù)流標簽的能力,認證和保密的能力等[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,考慮的適應性,本設計中都給予實現(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,進行功能和數(shù)據(jù)結構的簡化。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,不支持擴展報頭選項,對可靠連接傳輸來講,包過大得不到確認,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)應用來說這不會產(chǎn)生其他嚴重問題。對ICMPV6來說,只實現(xiàn)錯誤報文中的目的不可達報文,信息報文中的應答回復報文,不實現(xiàn)超時報文,報文過大報文和應答請求報文,一般包過大,超時報文由路由器實現(xiàn),應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)鄰居請求和鄰居應答報文,嵌入式設備剛接入網(wǎng)絡,它可以靜態(tài)的等待網(wǎng)絡上路由器定時發(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/路由應答報文。嵌入式設備連接的鄰居接點,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)議棧的設計與實
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