隨著嵌入式系統的發展,在嵌入式系統中實現網絡連接已成為研究熱點,廣泛使用的廉價8/ 16 位嵌入式處理器的性能不足與網絡協議的復雜構成了尖銳的矛盾。 嵌入式Internet 技術的核心是在嵌入式系統中實現TCP/ IP 協議簇, TCP 協議的機制比較復雜,對8/ 16 位嵌入式處理器的存儲能力和運算能力要求較高,必須進行簡化。

本文提出了一種適用于8/ 16 位低速處理器的簡化TCP 協議。對其性能進行分析發現,在嵌入式網絡大量使用小數據包,造成網絡帶寬利用率低下并且容易造成網絡阻塞。 因此在簡化的TCP 協議中引入Nagle 算法,大幅度減少了嵌入式網絡中發送的小數據包個數,提高了吞吐率,并減少了所需的帶寬。

簡化TCP 協議的提出

TCP 協議的數據傳輸分為3 個階段: 建立連接、傳輸數據和斷開連接,可以用狀態機 來實現。8/ 16 位嵌入式微控制器要完整實現這樣復雜的狀態機是十分困難的。在嵌入式系統中簡化TCP 的實現已有相關的研究,本文進一步引入了Nagle 算法并且進行了網絡模擬,給出了實驗結果。

連接建立和斷開機制

TCP 建立連接有兩種方式:主動打開和被動打開。如果實現服務器端應用,可以將TCP 狀態機的主動打開連接部分簡化掉。同理客戶端應用,可以將狀態機的被動打開連接部分簡化掉。斷開連接也有兩種方式:主動斷開和被動斷開。其中被動斷開連接的處理較為簡單。但為了保證安全性,希望主動斷開連接。主動斷開連接簡化實現的方法是:發送一個Fin 數據報,在接收到對Fin 數據報的確認后,再發送一個Reset 數據報,就可完成主動斷開連接。

以服務器端的TCP 連接為例,簡化后的TCP狀態機如圖1。

單TCP 連接

在8/ 16 位微控制器上實現簡化TCP 協議,無需實現多個TCP 連接,只需實現單個TCP 連接即可。

簡單確認機制

嵌入式系統發送數據包不大,可以將TCP 協議的滑動窗口機制去掉,成為簡單確認機制,只對單個數據報而不是批量數據發送確認。實現方法是設置TCP 頭部windows 字段的大小為1 ,即可保證TCP協議雙方都使用簡單確認。

僅計算發送TCP 報文的校驗和

由于TCP 協議校驗和的計算對系統存儲和計算資源的占用都比較多,可以省去對接收數據報校驗和的計算,保留發送數據報TCP 校驗和的計算。

簡化TCP 方案小結

在上述4 個方面的基礎上,在嵌入式處理器中實現了簡化的TCP 協議,程序流程如圖2。其中“不同狀態的相應處理”指根據接收到的TCP 報文準備待發送數據報并將其發送到以太網上。

簡化TCP 協議的性能分析

這種簡化的TCP 協議的性能可以通過在NS-2

網絡模擬器中進行模擬實現。

通常在嵌入式的環境中,應用層產生的數據包是很小的,經常是每個包只有幾個、十幾、幾十個字節的數據,這樣就產生了一個問題: TCP 協議的報頭開銷太大。假設數據僅有一個字節,而TCP 的包頭有40 個字節,這樣的數據報對底層網絡的利用率僅僅只有1/ 41 ,考慮到分組之間的間隙和網絡硬件組成幀還需要一些比特,實際的網絡利用率更低。 嵌入式系統的這種常見的小的數據包造成了網絡帶寬的極大浪費。除了網絡利用率不高之外,還有另外一個問題是產生TCP 數據包數量極多,網關和路由器會由于這些極大數量的小數據包而發生阻塞。

組塊技術與其不足

通過以上分析,很自然的想到采用組塊技術(clumping) 把一定數量的數據包組成一個幀,這樣既能減小報頭開銷,又能減小TCP 數據包的數量,而且代碼量增加很少。但是,這樣組包會產生一個問題,TCP 在數據幀未達到一定大小之前不會傳輸數據,這樣產生的延時會影響到數據的實時傳輸。因此,有必要對怎樣避免這種延時進行研究。

Nagle 算法的由來

在因特網發展初期,由于bbs 和新聞組的流行,網絡上充斥著大量的telnet 產生的小的數據包,數量極大的這些數據包使得路由器和網關發生了嚴重的阻塞現象,這和嵌入式系統中的情形類似。JoneNagle 提出了一種算法來對付這種棘手的小數據包問題,后來被稱為Nagle 算法。

Nagle 算法與簡單的組包( clumping) 技術不同,它和慢啟動一樣使用自計時( self clocking) 、用確認的到達來觸發其余數據的傳輸。因此它沒有引入額外的延時,而且能有效地減少網絡上小數據包的流量。

Nagle 算法的描述

在一個連接上已經傳輸的數據還沒有被確認的情況下,發送方的應用程序又生成了后續數據,并照常將數據送到輸出緩沖區中,但這時并不發送后續報文段,而是等到有足夠的數據填滿一個達到最大長度的報文段之后再把緩沖區中的數據發送出去。

如果某個應用程序每次僅產生一個八位組的數據, TCP 會立即發送最初的那個八位組,但是在確認到達之前, TCP 會把后續數據存入緩沖區中。因此當應用程序生成數據的速率比網絡的速率快很多時(如傳送文件) ,后續的報文段將包含大量的數據,而當應用程序比網絡速度更慢時(如用戶敲鍵盤) ,就會發送較短的報文段而不必經過長的延時。

Nagle 算法在嵌入式環境的適用性

在嵌入式系統的環境中,嵌入式TCP 協議會面臨著各種情況,比如一兩個開關量的傳輸,或者是傳感器數據實時的傳輸,而Nagle 算法能夠自動適應網絡速率和應用層數據流量的各種情況,因為它是以確認來觸發的自計時的協議。

網絡模擬

NS-2 是一個應用于網絡研究的離散事件模擬器,它充分支持有線與無線網絡上對于TCP、路由和多播協議的模擬。它自問世以來受到學術界的充分信賴,成為設計和檢驗新的協議和算法的權威網絡模擬測試平臺。

網絡模擬環境的構建

圖3 是本文構建的網絡模擬環境:節點0 使用本文提出的嵌入式TCP 協議發送數據,節點1 使用用戶投文協議(UDP) 組播協議來發送大量的數據,用于測試嵌入式TCP 協議在網絡阻塞情況下的性能,節點2 和節點3 之間是瓶頸路徑,模擬交換機之間的線路情況。