DeltaOS 3.0 -简介(4)

DeltaOS的TCP/IP网络协议栈（以下简称网络协议栈）符合TCP/IP协议工业标准，支持多任务应用开发模型，利用DeltaOS的TCP/IP网络协议栈，开发人员可以为一个嵌入式设备增加和配置网络功能。

DeltaOS的网络协议栈是一套完整的嵌入式TCP/IP协议栈，在应用上，网络协议栈提供：

• 网络应用编程界面（套接字，socket）：网络的应用程序不是直接与TCP/IP核心、而是与网络应用编程界面（套接字）打交道，编程界面构成了核心协议的用户视图。网络协议栈支持流套接字（SOCK_STREAM）和数据报套接字（SOCK_DGRAM）。
• 对网络参数进行设置的接口：网络参数指IP地址、掩码、网关地址、PPP拨号参数等，网络协议栈提供对这些网络基本参数进行读取/设置的接口，应用程序中根据用户需求直接调用，使应用网络协议栈的终端或网络设备能够动态修改这些参数。
• 扩展的应用功能：网络协议栈提供简单的ping功能调用接口，应用程序可利用该接口实现检测链路通断的功能。

应用程序与操作系统以及网络协议栈的关系如下图：

图：网络协议栈体系结构

新版本的网络协议栈包括如下特点：

• 以太网和拨号网络可同时使用；
• 基于DLL/HAL技术的多网络适配设备支持；
• 支持大数据量的稳定通信；
• 提供稳定、高效的多连接处理。

特性

应用特点

编程接口标准化

网络协议栈提供的网络编程接口（套接字）与Windows Socket版本1.1基本一致

可移植性 

• 除网络设备驱动程序可能需要使用汇编语言外，其它代码全部使用ANSI C编写，具有良好的可移植性；
• 网络协议栈虽然是DeltaOS的网络组件，但它与操作系统内核之间的接口仅为少量的系统调用，如任务管理、信号量管理、定时器管理、中断管理和内存管理，因此很容易移植到其它的系统平台上，比如：网络协议栈成功支持了RTXC和ITRON等操作系统。

配置灵活

网络协议栈提供系统配置表，用户既可以配置自己所需要的网络组件（如DNS、DHCP等）或硬件支持（如多网卡），也可以根据具体的需要配置一些相关的网络参数（如IP地址、网关、拨号串等）。既提供静态配置的方式，也提供部分调用接口，实现了参数的动态配置。

对多任务的支持

网络协议栈中使用信号量机制，实现任务间及任务与中断处理程序之间资源的互斥与共享，从而实现了对多任务环境的支持。

可扩充性

网络协议栈使用模块化设计模式，根据实际需要，可方便地添加新的协议模块到网络协议栈的TCP/IP协议栈软件包中，实现对新的网络协议的支持。

支持组播功能

基于网络协议栈开发的应用程序通过调用setsockopt函数设置组播选项，能够实现组播发送和接收。

性能特点

网络协议栈在实现上采取了一些措施以提高其性能，如下：

采用“零拷贝”技术（Zero Copy）

用户数据在通过TCP/IP协议从本地主机传输到远地主机的过程中，需要不断地拆包和打包。如果在拆包和打包时，各协议层之间均采用数据拷贝进行数据传递，则将大大增加系统开销，从而降低系统性能。网络协议栈采用零拷贝技术以解决该问题。

所谓“零拷贝”技术，是指TCP/IP协议栈没有用于各层间数据传递的缓冲区，协议栈各层间传递的都是数据指针，只有当数据最终要被驱动程序发送出去或是被用户应用程序取走时，才进行真正的数据搬移。

采用静态分配技术

如果在网络发送或接收的过程中，某一次传送的数据超过了在一个物理网络上能够传输的最大数据量（MTU），则该数据处理任务往往会阻塞等待，直到上层重新调整需要处理的数据量的大小，才会继续执行下去。{{分页}}

网络协议栈采用静态分配技术，在网络初始化时就静态分配通信缓冲区，设置了专门的发送和接收缓冲（一般是小于或等于物理网络上的MTU值），从而确保了每次发送或接收时处理的数据不会超过MTU值，也就避免了数据处理任务的阻塞等待。

通信采用非暂停方式

通信采用非暂停方式是指通信双方中的接收方在等待接收的过程中，创建一个接收任务，该任务首先发出一个接收信号，然后进入休眠状态，当有新的报文到达时才被唤醒，并对接收到的新的报文进行处理；暂停方式则是指接收方在新的报文到来之前一直等待，直到有报文到达后进行相应的处理。

网络协议栈中的通信采用非暂停方式。与暂停方式比较，非暂停方式既可以提高计算机和网络通信的并行性，又能保证接收时响应的及时性。

协议特点

网络协议栈遵从TCP/IP的四层协议体系结构，如下图所示：

图：网络协议栈协议的体系结构

在不同的层次上，网络协议栈在支持协议上有如下特点：

链路层

网络协议栈支持以太网链路层和RS232串口链路层（PPP）。
数据链路层的实现主要表现为网络驱动程序。网络协议栈提供网络驱动程序模板，用户可根据模板编写自己的驱动程序。

• 以太网
  网络协议栈支持以太网传输，并且有以下特点：
  1. 支持10M/100M以太口、ISA/PCI接口；
  2. 提供多种以太网驱动供用户选择，也提供以太网驱动的模板，允许用户添加自己的驱动；
  3. 支持多网卡。
• PPP
  网络协议栈支持完整的PPP协议（包括LCP、IPCP、PAP和CHAP），既可以应用到传统的有线拨号网络、也可以应用到通过GPRS/CDMA无线上网的终端设备上，对物理链路的适应性强。

网络层

1. ARP/RARP
   ARP是几乎每种TCP/IP实现中的基本协议，但它通常在应用程序或系统管理员并未意识到的情况下完成工作。ARP缓冲是其操作的基础，网络协议栈将缓冲中每个表目绑定一定时器，用于管理过时的表目。
   
   许多无盘系统用RARP在启动时获得其IP地址。RARP数据包格式与ARP几乎相同。RARP请求是广播的，标识发送者的硬件地址，要求别人回答发送者的IP地址；其应答通常是单目的。
2. IP
   IP协议是网络协议栈网络层的主要组成部分，其主要功能包括：
   1. 提供一种无连接的、不可靠的、尽最大努力进行数据报传递的服务。
   2. 提供简单的IP数据报的选路。IP选路基于IP选路表，该表存储有关可能的目的网点及怎样到达目的网点的信息，主机或路由器软件需要传送数据报时，它就查询选路表来决定把数据报发往何处。网络协议栈中的IP选路表为增加RIP及OSPF等动态路由协议提供了接口，进一步体现了网络协议栈的可扩充性。
   3. 实现IP数据报的分片、重组
3. ICMP
   网络协议栈的ICMP协议实现了所有标准ICMP协议的功能，包括差错报告和控制。其中最常用的是ICMP回送请求和应答功能，并在此基础上提供ping的简单应用接口供应用程序调用，用于检查链路的通断。

传输层

网络协议栈传输层提供两种协议——UDP和TCP。

1. UDP
   网络协议栈支持组播功能。组播（multicast）是一到多或者多到多的多方通信形式，远程会议、交互式仿真、分布式内容系统、多方游戏等应用都对组播业务(multicast service)提出了需求。由于TCP是有连接的，决定了TCP之上的应用程序不能够实现组播。基于UDP的应用程序能够通过组播发送和接收大大提高网络性能，合理利用网络带宽。
2. TCP
   网络协议栈提供面向流的传输协议—TCP协议，它提供可靠的传输服务以确保数据无差错、无乱码的到达。为了这个目的，TCP协议软件要进行协商，让接收方回送确认信息及让发送方重发丢失的分组。

应用层

网络协议栈为应用层的开发提供了一套Socket编程接口，用户可以基于这套Socket编程接口来完成适合自己的网络应用。{{分页}}

网络协议栈也实现了应用层上一些常见的标准协议，如Telnet Client（远程登录客户端）、FTP Client（文件传输客户端）等。

• DNS
  网络协议栈提供对DNS Client的支持，上层应用通过域名请求TCP打开一个连接或使用UDP发送一个数据报之前，必须调用网络协议栈提供的系统调用将一个主机名转换为一个IP地址。
• DHCP
  网络协议栈协议栈支持DHCP Client，基于网络协议栈的应用程序能够调用相关接口发送DHCP请求，动态获得IP地址。
• TELNET
  网络协议栈支持TELNET Server功能，允许任何Telnet客户终端通过TELNET命令进行远程登录，并提供菜单方式的界面，实现远程配置和管理。
• FTP
• 网络协议栈支持FTP Client功能，具有以下特点：

• 支持FTP通用命令；
• 提供独有的FTP IO操作，用户无需过多了解FTP协议就可完成远程文件操作；
• 无需文件系统支持，体积较小。

• HTTP
  HTTP Server功能是网络协议栈的可选组件，又名DeltaHTTPD。详细说明请参见《DeltaHTTPD技术白皮书》。

基本规格

标准

网络协议栈提供的Socket调用与Windows Socket 1.1调用基本一致。网络协议栈支持标准TCP/IP模型中的多种协议，主要包括（每个协议对应的RFC编号，只是该协议早期版本的编号）：

支持的应用协议如下：

• 网络应用层

DHCP Client[RFC 1541]、[RFC 2131]、[RFC 3396]
DNS Client[RFC 1035]
TELNET Server[RFC 854]
FTP Client[RFC 765]
HTTP[RFC 2068]、[RFC 2616]

• 网络传输层
  UDP[RFC 768]、TCP[RFC 793]
• 网络层
  IP[RFC 791]、ICMP[RFC 792]
• 数据链路层
  PPP[RFC 1661]、ARP[RFC 826]、RARP[RFC 903]

资源占用情况

以DeltaCORE为例来介绍网络协议栈所占用的操作系统内核资源。

网络协议栈占用内存情况（注：不包括以选件方式提供的应用层协议）

静态内存空间

下表列出了网络协议栈在ARM7-4510B、x86平台上运行Pinghost演示程序时，网络协议栈占用内存资源的实际情况：

网络协议栈的静态内存需求（单位：字节）

注意：

• 网络协议栈在编译时未使用“优化”选项；
• 以上数据表示均采用十六进制方式。

动态内存空间

网络协议栈在初始化时需要CRTL动态分配的空间为110776字节。这部分空间是为接收和发送缓冲、还有控制结构预留的，不会释放。

网络协议栈的七个DEMO在运行过程中也需要动态分配一部分空间，但是这部分空间在程序运行过程中会释放掉的，不会产生内存泄漏等情况。各个DEMO需要分配的空间如下表所示：

网络协议栈的动态内存需求（单位：字节）

注意：

• 创建demo任务时会分配一些空间，删除此任务后，分配的空间将会被释放。
• PingHost、TcpClnt、TcpServ、UdpClnt、UdpServ、FtpIoAPI任务创建需要分配11056字节空间。另外，TelServer在初始化时为任务的创建分配了11056字节空间。

在为每个DEMO进行内存配置时，CRTL堆的大小不能小于网络协议栈初始化及DEMO任务创建、DEMO运行过程中动态分配的内存之和。

典型性能指标

测试环境：

CPU:Pentium 628MHZ CPU

内存:128M