TCP/IP是一種基于OSI參考模型的分層網絡體系結構，它由應用層、運輸層、網絡層、數據鏈路層、物理層組成。各層之間消息的傳遞通過數據報的形式進行。由于各層之間報頭長度不一樣，當數據在不同協議層之間傳遞時，對數據進行封裝和去封裝、增加和刪除操作將十分頻繁。

　　在嵌入式系統開發(fā)中也經常遇到類似問題。用戶數據從本地嵌入式設備傳輸到遠程主機的過程中，要經過各層協議，對消息的封裝、去封裝和拷貝操作幾乎是不可避免的。而通常所采用的用一段連續(xù)的內存區(qū)來存儲、傳遞數據的做法會有以下的缺陷：

　　(1)當從上層向下層傳遞數據時，下層協議需要對數據進行封裝，而上層在申請內存時沒有(也不應該)考慮下層的需要。這樣會導致下層協議處理時需要重新申請內存并進行內存拷貝，從而影響程序的效率。

　　(2)當從下層向上層傳遞數據時，下層協議專有的數據結構應當對上層協議不可見。因此也需要重新申請內存并進行內存拷貝。

　　(3)隨著數據的逐層處理，其內容可能有所增減，而連續(xù)內存很難處理這種動態(tài)的數據增刪。

　　因此，必須有一種能適應數據動態(tài)增刪、但在邏輯上又呈現連續(xù)性的數據結構，以滿足在各協議層之間傳遞數據而不需要進行內存拷貝。嵌入式TCP/IP協議棧要求簡單高效，并減少對內存的需求。這些都需要相應的內存管理機制實現。

　　1 LwIP協議棧中pbuf介紹

　　LwIP(Light weight IP)是瑞士計算機科學院Adam Dunkels等開發(fā)的一套用于嵌入式系統的開放源代碼TCP/IP協議棧。LwIP可以移植到操作系統上，也可以在無操作系統的情況下獨立運行。LwIP TCP/IP實現的重點是：在保持TCP協議主要功能的基礎上，減少對RAM的占用。這使LwIP協議棧適合在低端嵌入式系統中使用。

　　LwIP利用pbuf結構實現數據傳遞，它與BSD中的Mbuf很相似。pbuf的主要用途是保存在應用程序和網絡接口間互相傳遞的用戶數據。

　　pbuf的內部結構為：

　　struct pbuf{

　　struct pbuf *next;　　/*指向下一個pbuf*/

　　void *payload;　　　　/*指向pbuf數據中的起始位置*/

　　u16_t tot_len;　　　　/*該pbuf和后續(xù)pbuf中數據長度的總和*/

　　u16_t len;　　　　　　/*該pbuf中數據的長度*/

　　u16_t flags;　　　　　/*pbuf的類型*/

　　u16_t ref;　　　　　　/*該pbuf被引用的次數*/

　　}2 LwIP內存管理的實現

　　在運行TCP/IP協議棧的嵌入式系統中，可以把整個系統的存儲區(qū)域分為協議棧管理的存儲器和應用程序管理的存儲器兩部分。

　　2.1 協議棧管理的存儲器

　　協議棧管理的存儲器是指TCP/IP內核能夠操作的內存區(qū)域，主要用于裝載待接收和發(fā)送的網絡數據分組。當接收到分組或者有分組要發(fā)送時，TCP/IP協議棧為這些分組分配緩存;接收到的分組交付給應用程序或者分組已經發(fā)送完畢后，對分配的緩存回收重用。協議棧分配的緩存必須能容納各種大小的報文，例如從僅僅幾個字節(jié)的ICMP回答報文到幾百個字節(jié)的TCP分段報文。

　　LwIP中的pbuf有四種類型：PBUF_POOL、PBUF_RAM、PBUF_ROM、PBUF_REF。這四種類型的pbuf都是從TCP/IP協議棧管理的存儲器中分配的，其中PBUF_ROM和PBUF_REF與應用程序管理的存儲區(qū)域密切相關。

　　PBUF_POOL是具有固定容量的pbuf，主要供網絡設備驅動使用，為收到的數據分組分配緩存。在協議棧管理的內存中初始化了一個pbuf池(PBUF_POOL)，具有相同尺寸的pbuf都是從這個pbuf池中分配得到。一般使用多個PBUF_POOL鏈接成一個鏈表，用于存儲數據分組。如圖1所示。

　　LwIP用一個宏定義一個PBUF_POOL的大小。一個分組需要分配幾個PBUF_POOL，而在數據較少時分配一個PBUF_POOL即可。由于分配一個PBUF_POOL類型的pbuf很快，適合在中斷處理中使用，所以PBUF_POOL主要供網絡設備驅動使用，為收到的數據分組分配緩存。

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