基于LWIP协议栈对路由缓存数据结构实现改进设计

LWIP（Light Weight Internet Protoco1）是瑞士计算机科学院（Swedish Institute of Computer Science）AdamDunkels等人开发的一套用于嵌入式系统的开放源代码TCP／IP协议栈。LWIP的含义是Light Weight（轻型）IP协议。LWIP可以移植到操作系统上，也可以在无操作系统的情况下独立运行。LWIP TCP／IP实现的重点是在保持TCP协议主要功能的基础上减少对RAM的占用。一般它只需要几十KB的RAM和40 KB左右的ROM就可以运行，这使LWIP协议栈适合在小型嵌入式系统中使用。比如，武汉大学的陈杰等把LWIP移植到了一个车辆监控终端系统当中，它可以实时采集车辆信息，在GIS地图上显示出车辆的位置，并根据需要对车辆进行调度；南京大学的方怀东等将LWIP移植到了DSP系统中，这个嵌入式系统用于视频的采集、处理与通信；Astechnix研究院的Jani Monoses将LWIP移植到了RedHats eCos；F1orian Schtdze则宣称他将LWIP移植到了DJGPP／MS—DOS系统以及Visual C++6．O／Win32平台。

1 LWIP设计思路

与许多其他的TCP／IP实现一样，LWIP也是以分层的协议为参照来设计实现TCP／IP。大部分的TCP／IP实现在应用层和底层协议层之间进行了严格的划分，底层协议之间可以进行或多或少的交叉存取；而LWIP在应用层与低层协议则使用了内存共享这种比较松散的通信机制。每一个协议作为一个模块被实现。LWIP采取将所有协议驻留在同一个进程的方式，以便独立于操作系统内核之外。应用程序既可以驻留在LWIP的进程中，也可以使用一个单独的进程。应用程序与TCP／IP协议栈通信可以采用两种方法：一种是函数调用，适用于应用程序与LWIP使用同一个进程的情况；另一种是使用更抽象的API。整个协议栈框图如图1所示。

由于在传输层UDP比TCP协议要简单得多，故仅以TCP为例。

在接收数据方面，链路层的ethernetifinpuIt（）函数在收到数据包后，将IP包交付ip_input（）函数，ARP包交付 etharp_arp_input（）函数处理。ip_input（）则负责拆解IP包，将ICMP包交付icmp_input（）函数处理，将TCP包交付tcp_input处理。tcp_input（）负责收到的TCP包，完成TCP头部验证，放入相应的状态链，并交付tcp_process（）处理。tcp_process完成TCP无限状态机的处理。tcp_receive（）将收到的包放在接收队列中，这些接收队列中的数据最终被应用程序使用。

在发送数据方面，tcp_write（）检查是否允许发送数据，当允许发送时，就调用tcp_enqueue（）进行发送。tcp_enqueue（）将数据放入发送队列。tcp_output（）发送数据并在可能时捎带确认。ip_output_if（）在接到数据后，填充IP头，交付netif 一》output，即etharp_output（）处理。etharp_output（）判断是单播地址后，交付etharp_query（）。 etharp_query（）填入源、目标mac地址，并最终交付low_level_output（）发送。

2 ICMP层的不足

LWIP在ICMP层的处理流程如图2所示。

ICMP模块仅实现了echo_reply包的回应处理，显得过于简单。对小型的协议栈而言，其所在的网络环境相对简单，因而在大多数情况下都是适用的。

LWIP一般使用在终端设备上。终端设备所在的情形可作如下的划分：一是单网卡、单网关的情形；二是单网卡、多网关的情形；三是多网卡、多网关的情形。单网卡、单网关的情形是LWIP最适合的情形。因为LWIP本身没有实现路由缓存，单网关的情形恰好不需要路由缓存，因为此情形下网关总是唯一的，下一跳总是不变的。多网卡、多网关的情形可以看成是单网卡、多网关的特殊情形。

在单网卡、多网关的情形下，如果默认网关的下一跳不是最优下一跳，那么终端会收到一个路由重定向ICMP消息，告诉终端去往这个方向上，这个下一跳不是最优的，并给出最优下一跳。这就是所谓的路由重定向。如果终端一直不采用这个最优下一跳，那么每一个发出的非最优下一跳IP包都会收到路由器发来的一个重定向包。LWIP由于没有实现路由缓存，不能记录下网关发来的最优下一跳，故对此消息的处理是忽略。忽略的结果是LWIP源源不断地收到重定向包，这个包会经过数据链路层、IP层，最终在ICMP层被丢弃，引起不必要的开销。

3 改进思路

改进的思路是在多网关情况下，处理ICMP包；但LWIP并没有路由缓存功能，所以需要引入路由缓存功能，将此重定向的路由记录下来，以使得下次可使用。为降低内存开销，可以在收到ICMP重定向包的情况下（此时表明是多网关情形，下一跳非最优），再开启缓存，缓存这个下一跳地址。如果一段时间不用这个缓存，则清理出去。当最后一条缓存也被清理后，就关闭缓存功能。这相当于一个自适应功能的路由缓存。在没有重定向消息时，使用原有的LWIP工作方式，不会引起额外的开销；在收到重定向消息时，开启这个缓存功能，以避免重定向消息引起的额

对路由缓存的更新，可采用一种类似于LFU（LeastFrequently Used）的算法。为此引入一个计数器，跟踪当前条目被使用的情况，定义MAX_CA_COUNT表示已经过期，O～MAX_CA_COUNT之间的数字表示当前计数值，同时每隔一段时间增加这个计数值。当这个计数值增至MAx_CA_COUNT时，认为这个条目已经过时。同时在插入条目时，可利用这个计数器，总是选用这个数值最大的条目作为被替换对象（LFU算法）。

考虑到LWIP是个小型协议栈，不应设置过于复杂的数据结构及针对此种数据结构的操作，把路由缓存的数据结构定义为结构体数组。数组的条目也不宜过多，以免占用过多资源；另外作为终端设备，在一小段既定的时间内，与其通信的对端具有一定的确定性，一般来说比较少，重定向的条目也比较少，这也为使用较小的数组提供了一个理由。

4 实现

对ICMP层改进的实现代码主要集中于3处。

第一处位于ICMP模块的icmp_input（）函数，针对ICMP的消息处理机制，增加了路由重定向的处理。整个函数的处理流程如图3所示。其中虚线框起来的部分为我们增加的功能。首先检查是不是重定向包，然后检验包的完整性和有效性。在这些检查都通过以后，判断缓存功能是否启用。启用与否由一个全局变量控制，默认是关闭的。如果没有启用缓存，则对重定向包进行计数，当达到上限后，启用缓存功能。重定向计数器应当定时归零，这样在一段时间内没有收到足够的重定向包，缓存功能仍然不会开启。这可以把这个重定向计数器加入其他需要定时执行的函数中来实现（比如arp_timer（）函数）。开启缓存后，初始化缓存表，将每个条目的老化计数器置为最大，表示已过期，即所有条目都是空闲可用状态。然后启用定时老化功能。LWIP提供 sys_timeout（interval，func_handler，arg）函数，用于每隔interval时间后，执行函数 func_handler（arg）。定向老化功能可以将函数实现后，向这个sys_timeout（）注册来实现。如果缓存已经开启，那么缓存这个收到的重定向包，总是把它插入老化计数器最大的条目，以实现LFU算法。

第二处改进仍然位于ICMP模块，但添加了一个函数rou_cache_timer（）。它是一个定时老化路由缓存的函数，用于老化、清理缓存条目，并再次向sys_timeout（）注册自己。其函数流程如图4所示。

在所有缓存条目都已过图4定时老化、清理路由缓存期后，应当关闭缓存功能，同时注销定时老化函数。这些功能由rou_cache_timer（）来完成。

第三处改进位于数据链路层的etharp_output（）函数内。这个函数负责将下一跳的IP地址对应的MAC地址填入。

显然，路由缓存的使用正在于此。在它使用默认网关地址前，应当查询一下缓存中是否已将此路由重定向了。如果确实重定向了，那么在此下一跳IP被使用前，应该替换已重定向的IP。整个函数的流程如图5所示。虚线框起来的部分是加入的功能。

结语

本设计针对LWIP在多网关情况下不处理重定向IC—MP消息而作出了改进。这种改进包括接收这个ICMP消息并缓存路由信息，为此加入了自适应路由缓存的功能，即只在有重定向消息的时候自动开启缓存，在缓存全部老化后又自动关闭缓存。路由缓存在比较完整的TCP／IP协议栈上都得到实现，但复杂度较高。这里使用一种较简单的路由缓存结构以降低代码量及资源使用开销。本文提出的思路不仅适用于LWIP，在其他的小型协议栈上也适用。

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