节点间轻量级通信协议栈的设计与研究

摘要

近年来，随着计算机网络技术的不断发展以及嵌入式系统的普遍运用，嵌入式Internet技术的研究也获得了长足的进步。然而由于传统的TCP/IP协议栈比较复杂，效率也比较低，更关键在于它的代码量很大，无法在资源紧张的嵌入式系统或者一些硬件芯片上实现其全部功能。
　　针对特定的组网方式及网络环境，我们可以对传统TCP/IP协议栈进行裁剪和改进，从而实现节点间高效率、高可靠、低时延、轻量级的通信。本课题研究的重点在于，在现有协议栈的基础上，对所需的各个协议进行简化，使之满足丢包率、可靠性以及吞吐量等方面的性能需求。特别是对TCP协议的裁剪，通过减少TCP协议的状态机数量以缩减协议栈的代码量，采用合适的最小重传超时值来提高通信效率，增加显式拥塞控制机制来降低丢包率。为了解决组网中出现的网络拥塞问题，本文还设计了一种新型的交换机队列管理算法，以缓解网络的拥塞压力。
　　本文首先概括性地介绍了轻量级协议栈，指出当前国内外的研究背景与现状，并给出轻量级协议栈的设计思路。接下来简要概述传统的TCP/IP协议栈，分别对ARP协议、IP协议、ICMP协议、UDP协议、TCP协议以及静态路由协议做详尽的分析。在此基础上针对本课题特定的网络拓扑需求，给出轻量级协议栈中主要协议的裁剪方案并做进一步改进。接着设计了一种新型的交换机队列管理算法，目的在于更好地解决网络的拥塞问题。最后简要介绍OPNET仿真平台，并设计了本课题的仿真平台模型。利用该平台模型，对改进前后的TCP/IP协议栈并所设计的交换机队列管理算法进行对比仿真。仿真结果表明，所设计的队列管理算法和改进后的协议在丢包率、传输时延和吞吐量等性能指标上有了显著提高。

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第一章 绪 论

1.1 轻量级协议栈概述

1.2 轻量级协议栈的设计思路

1.3 本文主要工作

1.4 本文内容安排和结构

第二章 TCP/IP协议栈分析

2.1 TCP/IP协议栈概要

2.2 ARP协议分析

2.3 IP协议分析

2.4 ICMP协议分析

2.5 UDP协议分析

2.6 TCP协议分析

2.7 静态路由协议

2.8 本章小结

第三章 轻量级协议栈的裁剪

3.1 方案的拓扑分析

3.2 方案的IP编址

3.3 协议栈的裁剪

3.4 协议栈的改进

3.5 本章小结

第四章 交换机队列管理算法的设计与仿真

4.1 相关技术背景介绍

4.2 交换机队列管理的现有技术方案

4.3 交换机队列管理方法的设计

4.4 交换机队列管理方法的仿真及结果分析

4.5 本章小结

第五章 仿真平台的构建与仿真性能分析

5.1 仿真软件简介

5.2 轻量级TCP/IP仿真平台的模型设计

5.3 仿真参数设置

5.4 仿真过程及性能分析

5.5 本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果