LwIP的內存管理

TCP/IP是一種基于OSI參考模型的分層網絡體系結構，它由應用層、運輸層、網絡層、數據鏈路層、物理層組成。各層之間消息的傳遞通過數據報的形式進行。由于各層之間報頭長度不一樣，當數據在不同協議層之間傳遞時，對數據進行封裝和去封裝、增加和刪除操作將十分頻繁。

　　在嵌入式系統開發中也經常遇到類似問題。用戶數據從本地嵌入式設備傳輸到遠程主機的過程中，要經過各層協議，對消息的封裝、去封裝和拷貝操作幾乎是不可避免的。而通常所采用的用一段連續的內存區來存儲、傳遞數據的做法會有以下的缺陷：

　　(1)當從上層向下層傳遞數據時，下層協議需要對數據進行封裝，而上層在申請內存時沒有(也不應該)考慮下層的需要。這樣會導致下層協議處理時需要重新申請內存并進行內存拷貝，從而影響程序的效率。

　　(2)當從下層向上層傳遞數據時，下層協議專有的數據結構應當對上層協議不可見。因此也需要重新申請內存并進行內存拷貝。

　　(3)隨著數據的逐層處理，其內容可能有所增減，而連續內存很難處理這種動態的數據增刪。

　　因此，必須有一種能適應數據動態增刪、但在邏輯上又呈現連續性的數據結構，以滿足在各協議層之間傳遞數據而不需要進行內存拷貝。嵌入式TCP/IP協議棧要求簡單高效，并減少對內存的需求。這些都需要相應的內存管理機制實現。

　　1 LwIP協議棧中pbuf介紹

　　LwIP(Light weight IP)是瑞士計算機科學院Adam Dunkels等開發的一套用于嵌入式系統的開放源代碼TCP/IP協議棧。LwIP可以移植到操作系統上，也可以在無操作系統的情況下獨立運行。LwIP TCP/IP實現的重點是：在保持TCP協議主要功能的基礎上，減少對RAM的占用。這使LwIP協議棧適合在低端嵌入式系統中使用。

　　LwIP利用pbuf結構實現數據傳遞，它與BSD中的Mbuf很相似。pbuf的主要用途是保存在應用程序和網絡接口間互相傳遞的用戶數據。

　　pbuf的內部結構為：

　　struct pbuf{

　　struct pbuf *next;　　/*指向下一個pbuf*/

　　void *payload;　　　　/*指向pbuf數據中的起始位置*/

　　u16_t tot_len;　　　　/*該pbuf和后續pbuf中數據長度的總和*/

　　u16_t len;　　　　　　/*該pbuf中數據的長度*/

　　u16_t flags;　　　　　/*pbuf的類型*/

　　u16_t ref;　　　　　　/*該pbuf被引用的次數*/

　　}2 LwIP內存管理的實現

　　在運行TCP/IP協議棧的嵌入式系統中，可以把整個系統的存儲區域分為協議棧管理的存儲器和應用程序管理的存儲器兩部分。

　　2.1 協議棧管理的存儲器

　　協議棧管理的存儲器是指TCP/IP內核能夠操作的內存區域，主要用于裝載待接收和發送的網絡數據分組。當接收到分組或者有分組要發送時，TCP/IP協議棧為這些分組分配緩存;接收到的分組交付給應用程序或者分組已經發送完畢后，對分配的緩存回收重用。協議棧分配的緩存必須能容納各種大小的報文，例如從僅僅幾個字節的ICMP回答報文到幾百個字節的TCP分段報文。

　　LwIP中的pbuf有四種類型：PBUF_POOL、PBUF_RAM、PBUF_ROM、PBUF_REF。這四種類型的pbuf都是從TCP/IP協議棧管理的存儲器中分配的，其中PBUF_ROM和PBUF_REF與應用程序管理的存儲區域密切相關。

　　PBUF_POOL是具有固定容量的pbuf，主要供網絡設備驅動使用，為收到的數據分組分配緩存。在協議棧管理的內存中初始化了一個pbuf池(PBUF_POOL)，具有相同尺寸的pbuf都是從這個pbuf池中分配得到。一般使用多個PBUF_POOL鏈接成一個鏈表，用于存儲數據分組。如圖1所示。

　　LwIP用一個宏定義一個PBUF_POOL的大小。一個分組需要分配幾個PBUF_POOL，而在數據較少時分配一個PBUF_POOL即可。由于分配一個PBUF_POOL類型的pbuf很快，適合在中斷處理中使用，所以PBUF_POOL主要供網絡設備驅動使用，為收到的數據分組分配緩存。

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