嵌入式精簡TCP/IPV6協(xié)議棧的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
畢業(yè)論文
摘 要：本文通過對(duì)常用 IPV6 技術(shù)的研究和分析，針對(duì)嵌入設(shè)備處理速度慢，存儲(chǔ)容量小
等特點(diǎn)，對(duì)常用 TCP/IPV6 協(xié)議棧進(jìn)行了裁減和簡化，裁減掉1些不常用但不影響基本通信 功能的協(xié)議模塊,同時(shí)對(duì)要保留下來要實(shí)現(xiàn)的各個(gè)協(xié)議進(jìn)行簡化,只實(shí)現(xiàn)其基本功能。設(shè)計(jì)完 成實(shí)現(xiàn)后的協(xié)議棧，具有代碼量少，運(yùn)行效率高和良好的可移植性等特點(diǎn)，適合于各種嵌入 式設(shè)備，是1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
中圖分類號(hào)：TP311
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(shí)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(jìn)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(jì)算機(jī)科學(xué)院Adam Dunkels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(duì)IPV4 的升級(jí)和改進(jìn)，是下1代網(wǎng)絡(luò)的核心，如何 以IPV6技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)1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1件非�，F(xiàn)實(shí)意義的挑 戰(zhàn),也是本課題設(shè)計(jì)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IPV41樣,遵循現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)4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4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(jī)和目的主機(jī)上的對(duì)等 實(shí)體對(duì)話;網(wǎng)絡(luò)接口層屏蔽了具體的硬件實(shí)
現(xiàn)細(xì)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(gè)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(jī)到主機(jī) 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。
2.1 IPV6 協(xié)議
根據(jù)RFC2460對(duì)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(bào)頭， 交由底層發(fā)送；把下層接收到的報(bào)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(gè)方面:地址容量的擴(kuò)展，報(bào)頭格式的簡化， 支持?jǐn)U展和選項(xiàng)的改進(jìn)，數(shù)據(jù)流標(biāo)簽的能力，認(rèn)證和保密的能力等[1]。
2.2 ICMPV6 協(xié)議
ICMPV6協(xié)議合并了IPv4中ICMP(控制 報(bào)文協(xié)議)，I- GMP(組成員協(xié)議)、ARP(地 址解析協(xié)議)等多個(gè)協(xié)議的功能，實(shí)現(xiàn)差錯(cuò) 控制，地址解釋等功能，并支持Mobile IPv6。 ICMPV6報(bào)文封裝在IP報(bào)文中，是IP報(bào)文的 有效載荷數(shù)據(jù)，它通過它的各種錯(cuò)誤報(bào)文和 信息報(bào)文的交換來實(shí)現(xiàn)差錯(cuò)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)(Neighbor discovery) 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(diǎn)交互的1個(gè)重要 協(xié)議。它定義了下列問題的解決機(jī)制：路由 發(fā)現(xiàn)，前綴發(fā)現(xiàn)，參數(shù)發(fā)現(xiàn)，地址自動(dòng)配置， 地址解釋，下1跳決定，鄰居不可達(dá)，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(gè)ICMP報(bào)文（鄰居請(qǐng)求/鄰居通告報(bào) 文，路由器請(qǐng)求/路由器通告報(bào)文,重定向報(bào) 文）的交換來實(shí)現(xiàn)的。
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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(duì) 協(xié)議棧進(jìn)行協(xié)議模塊裁減和單個(gè)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1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(lán)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(hào)連接方式，去掉和 撥號(hào)連接方式相關(guān)的面向點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接的 PPP 協(xié)議和 SLIP 協(xié)議，這兩個(gè)協(xié)議在網(wǎng)絡(luò) 接口層占用的代碼量比較多；IP 層只實(shí)現(xiàn)基 本的報(bào)頭，不實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展報(bào)頭，去掉基于認(rèn)證 頭和封裝安全載荷頭選項(xiàng)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(shí)現(xiàn)也可以只實(shí)現(xiàn)1種，考慮的適應(yīng)性， 本設(shè)計(jì)中都給予實(shí)現(xiàn)。因此協(xié)議模塊裁減后 要實(shí)現(xiàn)的核 心協(xié)議族 為 802.3 ， IPV6 ，
ICMPV6，ND，TCP，UDP。
3.2 單個(gè)協(xié)議簡化
單個(gè)協(xié)議簡化是指以單個(gè)協(xié)議為目標(biāo)， 進(jìn)行功能和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的簡化。對(duì) IPV6 協(xié)議 來說，只接收，發(fā)送報(bào)文，不支持報(bào)文的分 片與重組，不支持?jǐn)U展報(bào)頭選項(xiàng)，對(duì)可靠連 接傳輸來講，包過大得不到確認(rèn)，會(huì)根據(jù)擁 塞控制機(jī)制和重傳機(jī)制，減少數(shù)據(jù)分組長 度，進(jìn)行重新發(fā)送，對(duì)大多數(shù)應(yīng)用來說這不 會(huì)產(chǎn)生其他嚴(yán)重問題。對(duì) ICMPV6 來說，只 實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤報(bào)文中的目的不可達(dá)報(bào)文，信息報(bào) 文中的應(yīng)答回復(fù)報(bào)文，不實(shí)現(xiàn)超時(shí)報(bào)文，報(bào) 文過大報(bào)文和應(yīng)答請(qǐng)求報(bào)文，1般包過大， 超時(shí)報(bào)文由路由器實(shí)現(xiàn)，應(yīng)答請(qǐng)求報(bào)文用于 主動(dòng)測試中發(fā)起測試的 PC 機(jī)1端。對(duì)鄰居 發(fā)現(xiàn) ND 模塊來說，只實(shí)現(xiàn)鄰居請(qǐng)求和鄰居 應(yīng)答報(bào)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(shí)發(fā)送的路由公 告報(bào)文，而不是主動(dòng)發(fā)送路由請(qǐng)求報(bào)文來獲 取，不需實(shí)現(xiàn)路由請(qǐng)求/路由應(yīng)答報(bào)文。嵌 入式設(shè)備連接的鄰居接點(diǎn)，路由1般簡單， 傳輸量少，不需重定向報(bào)文來進(jìn)行路由定 向。簡化的大塊在 TCP，TCP 是整個(gè)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(dòng)窗口，流量控制，擁塞控制，TCP 連接狀態(tài)機(jī)，往返時(shí)間估計(jì)，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(chǔ)量比 8 位和 16 位單片機(jī) 都有提高，不必采用分配固定緩沖區(qū)的形式 進(jìn)行接收1幀處理1幀，可以考慮采用分配 1個(gè)較大的緩沖區(qū)實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)窗口機(jī)制，用來 提高傳輸效率，實(shí)驗(yàn)證明，傳輸效率的提高 是明顯的，往返時(shí)間估計(jì)和重傳機(jī)制比較簡 單，代碼量不大，可以實(shí)現(xiàn)，TCP 狀態(tài)機(jī)表 示 TCP 進(jìn)程通信的狀態(tài)遷移，是 TCP 的核
心必須實(shí)現(xiàn)，可以不實(shí)現(xiàn)流量控制機(jī)制，因
為流量不是很大。因此 TCP 模塊實(shí)現(xiàn)的功 能有：TCP 有限自動(dòng)機(jī)，滑動(dòng)窗口，往返時(shí) 間估計(jì)，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(shí)候，發(fā)送方收不到確認(rèn)就采用重 傳機(jī)制重發(fā)數(shù)據(jù)[2]。
4. 嵌入式精簡 IPV6 協(xié)議棧的設(shè)
計(jì)與實(shí)現(xiàn)
在設(shè)計(jì)協(xié)議棧過程中，我們?cè)谇度胧讲?作系統(tǒng)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)1個(gè)操作系統(tǒng)模 擬層，實(shí)現(xiàn)基本的時(shí)鐘，消息管理和進(jìn)程同 步等基本操作系統(tǒng)功能。協(xié)議進(jìn)程方面，把 所有的協(xié)議棧封裝到單獨(dú)進(jìn)程中，應(yīng)用程序 可以駐留在其中或作為1個(gè)單獨(dú)的進(jìn)程，這 樣既實(shí)現(xiàn)了與操作系統(tǒng)分離，又避免了層間 切換。對(duì)于內(nèi)存管理采用類 BSD buf 結(jié)構(gòu)， 把靜態(tài)緩沖區(qū)和動(dòng)態(tài)緩沖區(qū)鏈接起來[3]。
4.1 IPV6
IPV6 模塊主要用于完成對(duì)接收到的 IPv6 數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行處理，對(duì)需要發(fā)送的 IPV6 數(shù)據(jù)包進(jìn)行構(gòu)造并遞交底層發(fā)送。當(dāng)接收到 1個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí),網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)調(diào)用 ip_input() 函數(shù)來對(duì)其 IP 報(bào)頭進(jìn)行檢查，檢查其版本 號(hào)，報(bào)文長度，載荷長度，目的節(jié)點(diǎn)地址和 下1報(bào)頭，待檢查無誤后，根據(jù)下1包頭的 類型分別提交給不同的處理模塊。當(dāng)要發(fā)送 數(shù)據(jù)時(shí) , 必須要知道發(fā) 送報(bào)文的下 1跳 IPV6 地址,以及該地址的相對(duì)應(yīng) MAC 地址， ip_route()函數(shù)就是為實(shí)現(xiàn)這樣的功能而設(shè) 計(jì)的，其獲取下1跳 IPV6 地址與其對(duì)應(yīng)
MAC 地址的處理流程如圖 2 所示。 圖中,目的緩存用來存儲(chǔ)著1系列最近 的報(bào)文流量與對(duì)應(yīng)的.下1跳 IP 地址的關(guān)系，
前綴列表存儲(chǔ)著1系列子網(wǎng)前綴和其他地 址前綴及其對(duì)應(yīng)的下1跳 IP 地址的關(guān)系， 如果兩者中都沒有找到匹配的記錄，則再從 前綴列表中選擇默認(rèn)路由器作為傳輸?shù)南?1跳 IPV6 地址。
在成功獲取了下1跳 IPV6 地址后，數(shù)
據(jù)就進(jìn)入傳輸階段,傳輸階段由 ip_outputif() 函數(shù)控制，ip_output()函數(shù)填充好報(bào)頭,選擇 好發(fā)送網(wǎng)絡(luò)接口,然后激活發(fā)送網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn) 行數(shù)據(jù)發(fā)送[4]。
4.2 ICMPV6
ICMPV6 負(fù)責(zé)接收， 解釋和發(fā) 送 ICMPV6 報(bào)文。收到報(bào)文后，如果為鄰居信 息報(bào)文則轉(zhuǎn)交給鄰居發(fā)現(xiàn)模塊，如果為診斷 報(bào)文則交給 ICMPV6 診斷模塊。ICMPV6 模 塊只實(shí)現(xiàn)了應(yīng)答回復(fù)報(bào)文，目的不可達(dá)報(bào) 文。當(dāng)處理到達(dá)的 IP 報(bào)文時(shí)，如果下1報(bào) 頭既不是 TCP，UDP 也不是 ICMPV6，那么 表示在嵌入式設(shè)備端的協(xié)議棧的已經(jīng)到達(dá) IP 層，是端口不可達(dá)，發(fā)送目的不可達(dá)報(bào)文。 當(dāng)收到 ICMPV6 的應(yīng)答請(qǐng)求報(bào)文時(shí)，就發(fā)送 應(yīng)答回復(fù)報(bào)文,其格式與請(qǐng)求報(bào)文相似，在收 到的請(qǐng)求報(bào)文的基礎(chǔ)上改變報(bào)文類型，重新 計(jì)算校驗(yàn)和，
在 IP 報(bào)頭中將源，目的地址對(duì)調(diào)就可 以了。
4.3 鄰居發(fā)現(xiàn)
鄰居發(fā)現(xiàn)是精簡 IPV6 協(xié)議簇最核心的 協(xié)議，它利用鄰居請(qǐng)求報(bào)文和鄰居公告報(bào)文 的交換，實(shí)現(xiàn)地址解釋，地址重復(fù)性檢測， 以及地址自動(dòng)配置功能。不實(shí)現(xiàn)路由器請(qǐng)求
/路由器公告報(bào)文,和重定向報(bào)文。
●鄰居請(qǐng)求報(bào)文
類型值為 135，報(bào)文 IP 頭的源地址域?yàn)?發(fā)送鄰居請(qǐng)求報(bào)文接口的地址或者未指定， 目的地址域?yàn)榕c被請(qǐng)求目標(biāo)地址相關(guān)聯(lián)的 被請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)組播地址，或者就是被請(qǐng)求目標(biāo) 地址本身。ICMPV6 報(bào)頭域中的目標(biāo)地址域 為被請(qǐng)求目標(biāo)地址。選項(xiàng)域可以包含源鏈路 層地址選項(xiàng)，用來告訴對(duì)方發(fā)送請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)的 MAC 地址，當(dāng)源地址為指定
地址時(shí)必須包含該選項(xiàng)。
●鄰居公告報(bào)文
類型值為 136，用來響應(yīng)鄰居請(qǐng)求報(bào)文， 或者用來告知節(jié)點(diǎn)其鏈路層地址的改變，報(bào) 文 IP 頭的源地址為發(fā)送鄰居公告報(bào)文的接 口地址，目的地址為發(fā)送鄰居請(qǐng)求的單播地 址，或者是用來公告給所有鄰居節(jié)點(diǎn)其鏈路 層地址改變的全節(jié)點(diǎn)多播地址。目標(biāo)地址就 是被解釋的 IPV6 地址，或者在地址唯1性
驗(yàn)證中將要采用的 IPV6 地址。 地址解釋就是節(jié)點(diǎn)僅僅知道鄰居節(jié)點(diǎn)
IP 地址的情況下，通過發(fā)送鄰居請(qǐng)求報(bào)文和 接收鄰居公告報(bào)文，來得到對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)鏈路層 地址的過程，是鄰居發(fā)現(xiàn)模塊中最重要的1 個(gè)功能模塊，其處理過程如圖 3 所示。
節(jié)點(diǎn) A 知道節(jié)點(diǎn) B 的鏈路 IPV6 地址
FEC0:0:0:1::B 但不知道節(jié)點(diǎn) B 的鏈路層地 址 00-10-5C-F7-5C-96,沿箭頭方向,A 發(fā)送鄰 居請(qǐng)求報(bào)文,IP 域的目的地址是要求被解釋
的目標(biāo)地址 FEC0：0：0：1：：B。節(jié)點(diǎn) B
收到鄰居請(qǐng)求報(bào)文后，查看目標(biāo)地址就是屬 于本機(jī)，是則發(fā)送1個(gè)單播的鄰居公告報(bào)文 給 A，在鄰居公告報(bào)文的目的鏈路層地址選 項(xiàng) 里 包含節(jié) 點(diǎn) B 的鏈 路層 地址
00-10-5C-F7-5C-96。這樣
節(jié)點(diǎn) A 知道了節(jié)點(diǎn) B 的鏈路層地址， 地址解釋過程完成[5]。
5. 測試與驗(yàn)證
5.1 在 Altera De2 上的實(shí)現(xiàn)與測試
課題的開發(fā)環(huán)境： Altera De2（硬件平 臺(tái)）， Quartus II 5.1 和 Nios II 5.1（軟件平 臺(tái)），整個(gè)開發(fā)過程以 LWIP1.1.0 為參考， 在理解了 LWIP 的結(jié)構(gòu)后在結(jié)合開發(fā)環(huán)境改 寫。完成后對(duì)協(xié)議棧進(jìn)行了測試和驗(yàn)證，測 試主要集中在網(wǎng)絡(luò)層的 ND，IPV6，ICMPV6 模塊。由 于鄰居發(fā) 現(xiàn)模塊建 立在 IPV6,ICMPV6 基礎(chǔ)上的,對(duì)鄰居模塊的測試 相當(dāng)于對(duì) IPV6 和 ICMPV6 也進(jìn)行了測試，
很具有代表性[6]。
受周圍網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中無 IPV6 路由器所 限，測試在 IPV6 局域網(wǎng)上進(jìn)行，Altera de2 通過以太網(wǎng)與 PC 機(jī)直接相連。測試對(duì)象電 路板 MAC 地址為 00-10-5C-F7-5F-
5D，其經(jīng)過地址轉(zhuǎn)換算法得到的本地 IPV6 地址為：fe80:210:5cff:fef7:5f5d，當(dāng)它 接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，為了對(duì)自己將要配置的地址進(jìn) 行唯1性驗(yàn)證，它要發(fā)送鄰居請(qǐng)求報(bào)文，通 過 PC 端網(wǎng)絡(luò)抓包工具 Sniffer,我們抓到了由 目標(biāo)板發(fā)出的鄰居請(qǐng)求報(bào)文，如圖 4 所示：
圖 4 鄰居請(qǐng)求報(bào)文
從圖中看到其報(bào)文的類型值為 135。目
標(biāo)地址為 fe80:210:5cff:fef7:5f5d。
測試協(xié)議棧在獲取鏈路地址后，我們?cè)?
PC 機(jī)端執(zhí)行 ping6 fe80::210:5cff:fef7:5f5d。 這個(gè)過程中要知道目標(biāo)板的鏈路層地址，于 是發(fā)起針對(duì)目標(biāo)板 IPV6 地址的地址解釋。 在地址解釋過程中，我們抓到了目標(biāo)協(xié)議棧 發(fā)送的，包含自己鏈路層地址的單播鄰居公 告報(bào)文，如圖 5 所示。
圖 5 鄰居公告報(bào)文
由圖可得知，報(bào)文類型值為 136，目標(biāo)
地址為目
標(biāo)板本地 IPV6 地址
fe80::210:5cff:fef7:5f5d。
5.2 在 s3c4410box 上的移植
移植目標(biāo)平臺(tái)：基于 s3c4410box 處理器的 ARM7 開發(fā)板，按照通用的方法，先移植了 uc/os-ii 嵌入式操作系統(tǒng)，在移植好 的基礎(chǔ)上用操作系統(tǒng)函數(shù)編寫了操作系統(tǒng) 模擬層，把網(wǎng)絡(luò)接口層的函數(shù)指針指向電路 板提供的網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序，在系統(tǒng)啟動(dòng)初試化 函數(shù)中添加針對(duì) IPV6 協(xié)議棧的啟動(dòng)代碼。 完成這些后我們使用 altera de2 上1樣的測試方法進(jìn)行測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明協(xié)議棧滿足基本通信功能。證明協(xié)議�？梢栽谠撾娐钒� 上進(jìn)行移植[7]。
6. 結(jié)束語
本文介紹了嵌入式精簡 TCP/IPV6 的設(shè) 計(jì)思想和實(shí)現(xiàn)方法，精簡性和可移植性是其 考慮的主要方面，該協(xié)議棧是1種解決了嵌 入設(shè)備和接入 IPV6 網(wǎng)絡(luò)的可行解決方案。
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College of computer and communication, Hunan University, Changsha (410082)
Abstract
Via the research and analyse for the IPV6 technique in this article.In allusion to the MCU on embeded system is not fast,and the storage capability is low,we cut down the common IPV6 stack. In this design
we cut down some unusuary used but not affect basic communication protcols.Besides, for the saved protocols we only realize it’s basic function.After the achievment we find that this stack little-codes,
efficiency-runing and have good grafted ability. So it fit for em
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