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基于LWIP的ICMP路由重定向改进

时间:03-18 来源:互联网 点击:
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外处理开销。当IP包的流向在一定时间内集中于少数几个目的地时,这种方法会特别有效。
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。

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