嵌入式IPv6协议栈的设计与实现

1、嵌入式IPv6协议栈的设计与实现论文导读：由于嵌入式系统的广泛使用和网络互联的需要，嵌入式Internet是当前研究的热点。IPv6属于IPng下一代网络协议技术，IPv6解决了IPv4耗竭的问题，与之相比还有扩展性好，平安性高，更好地支持QoS，支持移动性等优点。本文实现了一个裁剪于LwIP协议栈的可运行于嵌入式实时系统C/OS-上的嵌入式IPv6协议栈。关键词：嵌入式系统，IPv6，IPng，C/OS-0 引 言由于嵌入式系统的广泛使用和网络互联的需要，嵌入式Internet是当前研究的热点。采用嵌入式协议栈的直接连接方式是解决嵌入式Internet问题的一个比拟好的方案。IPv6属于IP

2、ng下一代网络协议技术，IPv6解决了IPv4耗竭的问题，与之相比还有扩展性好，平安性高，更好地支持QoS，支持移动性等优点。现在的Internet也处在由IPv4向IPv6过渡的时期。因此在嵌入式系统中实现IPv6功能具有重要的现实意义。虽然目前在商用系统和Linux操作系统中已经有了对IPv6功能的支持，但由于系统本钱或代码体积的原因，并不能满足所有嵌入式应用的要求。本文实现了一个裁剪于LwIP协议栈的可运行于嵌入式实时系统C/OS-上的嵌入式IPv6协议栈。1嵌入式协议栈的特点由于嵌入式系统的硬件和软件资源有限，因此需要对通用的TCP/IP协议栈进行必要的修改以满足嵌入式应用的特殊需求。

3、一般说来，嵌入式协议栈具有以下几个特点【1】：1.1可裁剪性由于嵌入式应用的要求不同，其对网络功能的要求也各不相同，而且嵌入式系统对产品的本钱、功耗等比拟敏感，因此嵌入式协议栈应该是可裁剪的，能根据嵌入式系统的功能要求选择所需的协议局部。1.2实时性传统的TCP/IP协议栈的层次特性非常明显，每个协议层都有相应的数据格式。在用户数据从本地主机传送至目标主机的过程中，需要不断地打包和拆包，增加了系统开销，降低了系统性能。在嵌入式TCP/IP网络系统中，普遍采用共享内存方式解决这个问题。这是指协议栈没有用于各层数据传递的缓冲区，各层间传递的都是数据指针。只有当数据最终要被驱动程序发送出去(最低层)

4、或是被应用程序取走时(最高层)时，才进行真正的数据传递移出。1.3可扩展性由于嵌入式系统的多样性，使得网络接口和应用多样化，这就要求嵌入式TCP/IP协议栈提供便于扩展有网络接口，方便不同驱动程序和网络应用的开发;并且根据实际的需要，可以添加新的协议模块到嵌入式TCP/IP协议栈中。1.4使用静态分配技术如果在网络发送或接收的过程中，某一次传送的数据超过了一个物理网络上能够传送的最大数据量(MTU)，那么处理该数据的任务往往会阻塞，直到上层重新调整需要处理的数据量的大小，它才会继续执行。嵌入式TCP/IP协议栈通常采用静态分配技术，在网络初始化时就静态分配通信缓冲区，设置了专门的发送和接收缓冲

5、区，并硬性规定这个区的大小一般小于或等于物理网络上的MTU值，从而确保每次发送或接收时处理的数据不会超过MTU值，防止阻塞等待，提高网络效率。2嵌入式协议栈的裁剪相对于IPv4而言，IPv6协议栈最大的变化在网络层，网络层包括IPv6和ICMPv6两个协议。网络层协议的变化必然会影响到TCP/IP层次结构的其他层协议，因此在设计嵌入式IPv6协议栈时，不光要对网络层的协议重点研究，对其下层和上层协议的影响也不容无视。如图1所示【2】。图1 嵌入式IPv6协议与传统TCP/IP协议各层比拟对IPv6的要求和嵌入式系统的特点，对LwIP协议栈中各个协议进行源代码的修改，开发的精简的嵌入式IPv6协

6、议栈结构如图2所示。图2 嵌入式IPv6协议栈实现结构图嵌入式IPv6协议栈与IPv4协议栈最大的变化在IP层，由于IP报头的变化，影响到ICMP、ND、TCP、UDP等协议，都需要进行相应修改【4】。2.1 IP层协议栈实现了IP层的根本功能，对数据包的发送，接收和转发，不发送或接收分割的IP碎片，也不处理带IP选项的包。这是因为嵌入式系统中数据量比拟小，可以规定在网络中发送的数据包的大小，这样就可以尽量的减少IP碎片的产生，也不需要进行分片和重组。1IPv6报头IPv6报头的结构体定义如下:struct ipv6_hdru8_t v:4,tclass:4; /*版本号和流量类型*/u16_

7、t flow; /*流标签*/u16_t len;/*载荷长度*/u8_t nexthdr; /*下一报头*/u8_t hoplim; /*跳数限制*/struct ip_addr src, dest; /*源地址和目的地址*/;2IPv6包根据IPv6的协议标准，原本只支持IPv4的LwIP中的IP包也要做出相应修改，包括IP接收包、IP发送包和IP转发包。相对于IPv4，IPv6简化了包头结构，因此代码量大幅减少，在此不再一一赘述。2.2 ICMPv6协议ICMPv6协议，包括信息报文和错误报文等多种类型。根据嵌入式应用的特点和需求，协议栈实现了目的不可达、超时两个错误报文和简单的ECHO

8、信息报文。1ICMP数据处理首先由ip_input()将收到的ICMP包移交到icmp_input()，它解析ICMP报头并且进行以下处理。1) 解析ICMP报头时，用类型字段和代码字段的值代表不同的状况type =(u8_t*)p-payload);switch (type) case ICMP6_ECHO;LWIP_DEBUGF(ICMP_DEBUG，(icmp_input: ping ;);2)交换目标地址和目的地址，以便将ECHO信息送回：ip_addr_set(tmpaddr，(iphdr-src);ip_addr_set(iphdr-src)，(iphdr-dest);ip_add

9、r_set(iphdr-dest)，tmpaddr);3)重新计算校验和，进行性能优化:if iecho-chksum=htons(0 xffff- (ICMP6_ECHOiecho-chksum+=htons(ICMP6_ECHO else iecho-chksum +=htons(ICMP6_ECHO 4)将包交到IP层，等待传送ip_output_if ( p ,(ip_hdr-src), IP_HDRINCL, ip_hdr-hoplim,IP_PROTO_ICMP, inp);2错误报文当UDP中检索不到匹配的端口时，就发送一个目的不可达报文。对于多播地址，不发送ICMP错误报文。而

10、超时的判断主要是对IP报头中Hoplim域值的判断，所以直接在IP协议中实现更为妥当。转发包时，首先判断跳数限制的值：if -ip_hdr-hoplim=0 if (ip_hdr-nexthdr!=IP_PROTO_ICMP) icmp_time_exceeded ( p,ICMP_TE_TTL);pbuf free(p) ;return;对于其它传输过程中出现的问题，不发送ICMP信息，而是直接将包丢弃。2.3 UDP协议和TCP协议UDP协议和TCP协议属于传输层协议，在嵌入式IPv6协议栈中不需要更改协议模式，只需要基于LwIP提供的相应功能对数据格式如地址格式等进行适当修改即可。在此不

11、再详述。2.4 ND协议IPv4中用ARP协议完成MAC地址和IP地址的解析，在IPv6中使用NDNeighbor Discovery邻居发现协议实现这一功能，协议栈设计了邻居请求报文和邻居宣告报文的数据结构和函数，通过这两个报文对接口的MAC地址和IPv6地址进行绑定并且保存在对方的地址缓存区中。1)邻居请求报文IPv6通过邻居请求报文来获得链路层地址。当下一跳IP对应的MAC地址为NULL时，调用邻居请求模块，把数据包按照邻居请求报文格式封装，然后传送给IPv6输出模块in-out()，把数据包发送到网络上。if (netif-hwaddr=NULL)ndrequest(struct pb

12、fs p);当从IPv6输入模块ip_input()中接收到邻居宣告报文时，从数据包中取出IP地址和MAC物理地址存到邻居缓存表中。:tgaddr=p-ip6_addr;macaddr=netif-hwaddr;2)邻居宣告报文按照结构体定义设计完成即可。3移植和测试本课题采用博创公司的UP-NETARM2410-S开发平台。将移植工作完成后，建立与运行微软IPv6协议栈的PC机对等通信的实验环境进行测试。设置好相应的IPv6地址后，可以通过ping命令顺利地得到开发板的响应，如图3所示。图3 IPv6测试示意图4结语本文针对嵌入式系统的特点和要求，基于轻载协议栈LwIP3.0，设计并实现了一个嵌入式IPv6协议栈。利用三星S3C2410处理器(ARM9内核)和C/OS-操作系统搭建了一个嵌入式系统平台，将该协议栈加载在该系统中并进行了验证，并通过连通性测试说明该协议栈可以满