輕量級TCP-IP協(xié)議棧LwIP的改進(jìn)與優(yōu)化研究.pdf

1、近年來智能硬件的發(fā)展使得傳統(tǒng)硬件與軟件的結(jié)合更加緊密，很多智能硬件產(chǎn)品都需要具備網(wǎng)絡(luò)連接能力以便實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，LwIP（A lightweight TCP/IP Stack）作為一款開源的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧被廣泛運用到智能硬件產(chǎn)品中。
　　LwIP是一款可移植到不同平臺的開源TCP/IP協(xié)議棧，在有無底層操作系統(tǒng)的情況下都可以運行，為了保證其平臺通用性特點，和具備豐富的接口的特點，因此LwIP未針對特定的嵌入式環(huán)境做優(yōu)化設(shè)計。當(dāng)嵌入式資

2、源受限時，例如采用主頻只有72MHz的Cortex M主控制器，內(nèi)存小于96KB時，若系統(tǒng)需要存儲并傳輸一張實時圖片，則很容易出現(xiàn)LwIP占用內(nèi)存資源較多、傳輸效率較低的現(xiàn)象。類似情況下，就需要針對LwIP的內(nèi)存使用及傳輸效率進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。
　　本文針對硬件資源受限時，LwIP內(nèi)存管理方式及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議接口所存在的問題，研究分析了LwIP內(nèi)存管理機(jī)制、內(nèi)核工作原理及傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。通過對相關(guān)問題的深入分析提出了改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計方案

3、，實現(xiàn)了LwIP協(xié)議棧在內(nèi)存使用及數(shù)據(jù)收發(fā)效率上的優(yōu)化與改進(jìn)，并通過測試檢驗了改進(jìn)方案對系統(tǒng)內(nèi)存及效率等性能的影響。本文主要完成了以下工作：
　　1）深入分析了LwIP協(xié)議棧的內(nèi)存管理方式、TCP/IP內(nèi)核消息注冊機(jī)制及多層傳輸層接口調(diào)用，從硬件架構(gòu)及軟件源碼的角度上指出了其內(nèi)存管理方式的不足以及傳輸層的低效。
　　2）設(shè)計并實現(xiàn)了一種統(tǒng)一管理擇優(yōu)分配的內(nèi)存管理機(jī)制，減少了嵌入式系統(tǒng)中多內(nèi)存管理機(jī)制同時作用產(chǎn)生的額外開銷，并

4、提高了內(nèi)存的分配利用率。
　　3）設(shè)計并實現(xiàn)了一種精簡傳輸層接口，以該接口取代了LwIP原有的兩種傳輸層接口，可減少內(nèi)存的占用并提高數(shù)據(jù)的收發(fā)效率。
　　4）基于改進(jìn)LwIP實現(xiàn)了一種通用MQTT客戶端框架，并將整體方案實現(xiàn)應(yīng)用于實際項目，通過一系列的測試分析，驗證和對比了改進(jìn)LwIP的實用性及使用效果。
　　本文重點對LwIP內(nèi)存管理、內(nèi)核消息注冊機(jī)制及傳輸層接口進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，并在相應(yīng)場景下實現(xiàn)了改進(jìn)方案，對于低