(中文)lyranet ：嵌入式操作系统系统的一种零拷贝tcp ip协议栈

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1、lyranet：嵌入式操作系统系统的一种零拷贝TCP/IP协议栈李云陈，蒋美玲信息管理部国家池南大学埔里台湾中华民国s1213526@ncnu.edu.tw，joanna@ncnu.edu.tw摘要在嵌入式系统中处理能力，内存，以及功率消耗这些资源总是有限，因此，嵌入式TCP/IP应设计成充分利用有限的资源。申请零拷贝机制，可以减少内存的使用以及CPU传输数据的处理时间，功率消耗也可减少。在本文中，我们提出零拷贝机制的设计和实施方案的目标是嵌入式TCP/IP的组成部分lyranet（来自Linux的TCP/IP的代码并被改造成一个可重用的软件）从操作系统和硬件中独立出来。性

2、能评价表明，TCP/IP协议的处理开资可明显降低23-56.22％。此外，这个网络组件的对象代码的大小只有原始的Linux的TCP/IP协议栈的78％。这项研究的经验，可以作为嵌入Linux的TCP/IP协议栈成为一个指标体系的参考，并且提高零拷贝LinuxTCP/IP协议传输效率。1.导言由于互联网的爆炸，嵌入式系统要求加入互联网。TCP/IP协议是这个连接的核心技术。在为了适应有限的资源的嵌入式设备，一些商业产品实施TCP/IP协议栈以减少代码大小和CPU处理开销为目标的嵌入式系统。他们的代码不是自由索取。自从Linux开放源代码，此外，它很普遍的还具有稳定性，可靠性，

3、高性能，以及很好的文件，这些优势让利用现有的开放的源代码和整合的LinuxTCP/IP协议栈[6]变成一个目标作业系统成为一个符合成本效益的方法。不过，由于Linux是一块铁板内核，Linux的TCP/IP协议栈不是一个单独的组件它和其他Linux内核的功能，如档案系统，装置驱动程序和内核的核心有着密切的关系并且相互作用。这增加在指标体系中重用Linux的TCP/IP协议栈的困难。此外，对于嵌入式系统的特别需要，直接移植Linux的TCP/IP协议栈成为一个目标操作系统也不是最好的执行情况。特别是，在嵌入式系统中处理能力，内存，以及功率消耗这些资源总是有限。举例来说，Lin

4、uxTCP/IP协议代码的数据传输适合一般用途、共同资源丰富的台式电脑的操作系统。传输数据总是从用户缓冲区复制到内核缓冲区，然后从内核缓冲区发送到网络接口卡（NIC）。收到的数据从NIC带到内核网的缓冲区，然后从内核网络缓冲区复制到用户缓冲区。这些数据复制操作需要CPU的处理时间也增加了开销。因此，对于嵌入式系统TCP/IP协议的执行，应尽量减少数据量复制，以减少能量消耗和提供高回应的效率。零拷贝[2]是一个网卡中的数据直接接收到用户缓冲区而用户缓冲区的数据直接发送到网卡的机制。在用户缓冲器和内核缓冲区之间没有数据需要被复制。零拷贝的执行需要虚拟内存的操作，如页面重映和硬件

5、设备支持，如DMA控制器。必须保证TCP/IP数据传输的一致性。此外，由于虚拟内存操作和DMA需要实施零拷贝，通过网络接收或发送数据的内存缓冲器须受到限制。因为设备不支持DMA操作，从网卡到用户的缓冲区或从用户的缓冲到网卡的数据复制仍是需要的。因为重用Linux的TCP/IP代码，我们已我们以前的的研究中提取TCP/IP协议栈。这是当时作为一个独立于作业系统和硬件的软件组件所实施的，叫做lyranet。在组件的设计原则的基础上，[1]，可以得到模块化，可重构，构件更换和再利用的优势。作为一个自成一体的组成部分来实施的TCP/IP协议栈，需要修改Linux的TCP/IP的代码

6、，将它们从其他核心职能和整合Linux的TCP/IP协议目标操作系统的执行内核支持模块分开。为了使lyranet适应嵌入式系统，要求减少协议处理开销，内存使用，功率消耗。在本文中，我们的重点提出零拷贝机制，当将数据发送到网络时通过传送用户数据缓冲区的地址，和从网络中接收数据时逐页重，来减少TCP/IP传输的数据复制操作。此外，NIC的操作者需要修改融入零拷贝机制。在用消除复制到lyraos（基于组件的嵌入式操作系统）整合lyranet后，性能评价表明TCP/IP协议处理开销可降低23-56.22％。表1实验平台2.lyraos和lyranetlyraos是一个基于组件的操作

7、系统，它的目的是作为一个研究工具操作系统服务，并提供了一套为互联网的个人电脑，手提式电脑，嵌入式系统等精心设计的、明确界面的系统软件组件。它主要是在C++和少数集中代码中实施。它设计来概括电脑系统的硬件资源，如低层次机的依赖层明显是从高层次机系统的语义剪切的。因此，它可以很容易地移植到不同的硬件体系结构[3]。如图1所示lyraos系统的体系结构。每个系统组件是完全独立的，自我控制，和高度模块化的。它除了是一个重量轻的系统软件，还是一个时间共享多线程微内核。线程可以被动态地创建和删除，线程的优先次序可以被动态改变。