EI环境下TCP协议裁减的研究与应用

论文摘要

随着嵌入式系统与网络技术的日益结合,在嵌入式系统中引入TCP/IP协议栈,以支持嵌入式设备接入网络,成为嵌入式领域重要的研究方向。 TCP/IP是Internet的基本协议,以其实用性、高效性已经成为事实上的工业标准。嵌入式设备要与Internet网络直接交换信息,就必须支持TCP/IP协议。TCP/IP是一簇非常复杂的协议,尤其是TCP协议,因此实现它需要很大的程序空间和数据空间。而在嵌入式Internet(EI)坏境中,可以利用的资源非常有限,要在这种条件下实现TCP/IP是非常困难的,传统的做法是扩充系统资源、使用高端的处理器、移植完整的TCP/IP协议栈,这样虽然解决了Internet的接口问题,但增加了系统成本,限制了嵌入式Internet的应用范围。 TCP协议是TCP/IP协议栈中最主要、最复杂的协议,在一般的TCP/IP协议栈的实现中,TCP协议一般会占据整个系统40%的代码量。本文在对几种TCP/IP实现分析的基础上,针对嵌入式Internet应用的特点,提出了一种TCP协议的裁减方法:减少状态机中的状态个数,将状态机中的双向输入输出简化为单向,减少每个TCP连接的保持时间,减少超时状态在状态机中出现的机会。这种裁减方法将状态机中的状态数和跳转条数进行了裁减与合并,减少了状态机的处理流程,将复杂状态变换转化为简单变化,大大减少了系统的代码量,提高了系统的处理效率。同时,在不改变协议接口的前提下在原有资源空间内实现了TCP/IP协议栈的基本功能,保证了协议功能上的完备性。 最后,根据这套裁减方法,本文对WebitOS中TCP协议的实现进行了裁减。并通过一个嵌入式Web Server对裁减前和裁减后两个版本的TCP/IP协议栈在功能完备性以及处理效率上进行了测试和分析。分析结果说明了本文提出的TCP协议裁减方法的有效性和合理性。

论文目录

• 独创性声明
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 课题的背景
• 1.2 课题的提出
• 1.3 论文的组织
• 第二章 相关技术背景
• 2.1 嵌入式系统
• 2.1.1 嵌入式系统的基本概念
• 2.1.2 嵌入式系统的基本特征
• 2.2 嵌入式 Internet技术
• 2.2.1 嵌入式 Internet的原理和特点
• 2.2.2 嵌入式 Internet技术实现方案
• 2.2.3 TCP/ IP协议栈
• 2.2.4 TCP/ IP协议进程模型
• 2.2.5 嵌入式 TCP/ IP协议栈的实现要素
• 2.2.6 嵌入式 Web Server技术
• 第三章 研究基础
• 3.1 硬件环境 Internet Access Server
• 3.2 软件环境 WebitOS
• 3.2.1 WebitOS中任务调度机制
• 3.2.2 WebitOS中对临界资源访问的控制
• 3.2.3 WebitOS中的事件队列机制
• 3.2.4 WebitOS中的内存管理
• 3.2.5 WebitOS中的文件系统
• 3.2.6 WebitOS中的网络
• 第四章 TCP协议裁减的研究
• 4.1 传输控制协议 TCP
• 4.1.1 TCP的封装与报文格式
• 4.1.2 TCP的编号与确认
• 4.1.3 TCP的流量控制
• 4.1.4 TCP的重发机制
• 4.1.5 TCP中的拥塞控制
• 4.1.6 糊涂窗口综合症
• 4.1.7 TCP中的定时器
• 4.1.8 TCP状态机
• 4.2 TCP协议的裁减
• 4.2.1 应用目标分析
• 4.2.2 TCP状态机裁减
• 4.2.3 定时器裁减
• 4.2.4 裁减后 TCP协议完备性
• 第五章 WebitOS中TCP的裁减
• 5.1 WebitOS中 TCP/IP协议栈设计思想
• 5.1.1 以太网任务eth
• 5.1.2 ARP缓存更新任务arpx
• 5.1.3 TCP状态机任务tcpsm
• 5.1.4 应用程序任务
• 5.2 协议栈中的缓冲区管理
• 5.3 WebitOS中TCP的裁减
• 5.3.1 基本数据结构定义
• 5.3.2 TCP状态机任务tcpsm
• 5.3.3 TCP状态变迁
• 第六章 性能分析与比较
• 6.1 TCP实现的代码量的比较
• 6.2 测试方法
• 6.3 传输速度的测试与分析
• 6.4 系统稳定性测试
• 6.5 结论
• 第七章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 科研经历