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開源網路協議堆疊onps誕生記

2022-11-04 06:16:11 作業系統

        小孩沒娘,說來話長,一切都要從LwIP說起,大約是06年9月,本人在二姨的壇口發布了一篇小文——《uC/OS-II 平臺下的 LwIP 移植筆記》,自此一發不可收拾,開啟了一段我與LwIP從相識到相知的艱難歷程,一年多的時間,對LwIP的使用獲得的點點滴滴的知識聚沙成塔、集腋成裘,終于在08年匯成了一本大部頭的書《嵌入式網路系統設計——基于 Atmel ARM7 系列》,這本書詳細講解了如何從零開始構建一個帶實時作業系統的嵌入式網路通訊系統應用的完整技術實作程序,涉及單片機軟、硬體開發、uC/OS-II實時內核 、LwIP協議堆疊移植及應用等相關知識,這本書的反響相當不錯,好多人給我發 msn(可惜這么好的一個即時通訊工具就這么被微軟放棄了,好多聯系人就此失聯,??)或郵件咨詢相關問題,彼時的uC/OS-II和LwIP是單片機開發者眼中的兩大神器,屬于基礎的不能再基礎的核心軟體,是我長時間仰望的大神級別的存在,作為一名有夢想的程式猿,有朝一日能夠像這些大神一樣 ,參與甚至主導這樣的核心基礎軟體的研發,幸之甚哉,夢想的種子一旦種下,就會在心底的某個地方悄悄地生根、發芽直至成長為一顆參天大樹,清人山陰金先生言:”志之所趨,無遠弗屆,窮山距海,不能限也,”要想到達志之所趨之地,非一時一日之功可至,所以,寫筆記以至寫書都是為了讓自己靜下來,把腦海中那些有關uC/OS-II、LwIP的瑣碎知識、技巧重新整理、歸納形成系統的知識,在思想層面與大神在線交談,將大神的設計思想消化吸收,變成滋潤自己的豐富營養,

      在我原來的寫作計劃中,這本書的出版只是一個開始,接下來還要寫第二本——系統介紹 LwIP 包含的 ppp 協議堆疊的移植、應用及設計實作等相關內容,如此一步一步、踏踏實實地走下去,夢想終將得償,但,事與愿違,自08年書出版后,我的作業重心從單片機轉到了嵌入式Linux系統,用到LwIP的機會從此歸零,研發的產品也愈發復雜,可自由支配時間愈發變少,當然,最重要的一點是——ppp協議族在我的眼里還是太復雜了,涉及lcp、chap/pap、ipcp等多個協議之間的互動與協作,完成ppp移植并且應用只是第一步,要想變成鉛字,我必須了解全部的技術細節,完全清楚ppp的相關作業原理并消化吸收后才能變成指尖下流動的文字明明白白地展示給讀者,這也是我實作夢想必須要完成的作業,但可惜的是,那時的我對ppp沒有任何知識儲備,并且也無法拿出足夠的時間從一加一等于二開始研究,沒有完整時間、沒有知識儲備——能力、精力二者均不可得,信心自然就不足了,自然就沒有把握把這件事情做好了,自然就不敢“硬”擠出時間繼續我的寫作計劃了,于是,夢想的腳步在那時被按下了暫停鍵,LwIP、協議堆疊、核心基礎軟體這些標志性的東西被我悄悄地封存在了內心最隱秘的角落,

       如今時間已經來到了二零年代,一個疫情肆虐、暫未看到結束跡象的年代,我的自由可支配時間多了起來,十余年的時光,各種復雜專案的錘煉也讓我的知識儲備和技術能力突飛猛進,遠非當年的我可比,21年春節前與友人聊天,聊起開源軟體,特別是嵌入式網路協議堆疊,他說適用于資源受限的單片機系統的網路協議堆疊可選擇面很窄,主要就兩款:LwIP和ThreadX NetX,前者可適配RT-Thread、uC/OS-II之類的多種rtos,而后者只能適配ThreadX,咱們中國人自己的開源網路協議堆疊還沒有,說者無心,聽者有意,那一刻我知道夢想之樹到了開花結果的時候了,只不過時移勢易,計劃需要做些調整,沒必要繼續十余年前未竟的寫作計劃了,因為我的實力足以支撐我直接動手開發自己的網路協議堆疊了,無須從LwIP那里汲取營養了,于是,夢想的腳步在暫停十余年后再次向前邁出,

       動手之前,需要先取個名字,想來想去還是直白一些更好,既然我要研發的是開源網路協議堆疊,直譯成英文就是“open net protocol stack”,那就直接取英文全稱的每個單詞的首字母,就叫做onps堆疊,簡單明了,還容易記,終于,歷時6個月余,我順利地完成了onps堆疊的1.0版,1.0版提供完整地ethernet/ppp/tcp/ip 協議族實作,同時提供 sntp、dns、ping 等網路工具,支持以太網環境下 dhcp 動態 ip 地址申請,也支持動態及靜態路由表,不同于LwIP,協議堆疊還封裝實作了一個伯克利套接字(Berkeley sockets)層供用戶繼續按照以往的編程經驗與習慣使用onps堆疊開發自己的通訊應用,同時,為了方便用戶使用、簡化用戶編碼,協議堆疊還簡化了傳統BSD socket 編程需要的一些繁瑣操作,將一些不必要的操作細節改為底層實作,比如 select/poll 模型、阻塞及非阻塞讀寫操作等,

       為了適應單片機系統對記憶體使用極度變態的苛刻要求,onps 協議堆疊在設計之初即考慮采用寫時零復制(zero copy)技術,用戶層資料在向下層協議傳遞程序中,協議堆疊采用 buf list 鏈表技術將它們鏈接到一起,直至將其發送出去,均無須任何記憶體復制操作,另外,協議堆疊采用 buddy 演算法提供安全、可靠的動態記憶體管理功能,以期最大限度地提高協議堆疊運行程序中的記憶體利用率并盡可能地減少記憶體碎片,

       不同于本世紀 00 到 10 年代初,單片機的應用場景中 ucosii 等 rtos 尚未大規模普及,前后臺系統還大行其道的時代,現如今大部分的應用場景下開發人員選擇使用 rtos 已成為主流,因此,協議堆疊在設計之初即不支持前后臺模式,其架構設計建立在時下流行的 rtos(RT-Thread、ucosii/iii 等)之上,協議堆疊移植的主要作業也就自然是針對不同 rtos 撰寫相關 os 適配層功能函式了,當然,如果你有著極其特定的應用場景,需要將 onps 堆疊移植到采用前后臺模式的單片機上,我的建議是保留 tcp/udp 之下協議層的通訊處理邏輯,調整上層的系統架構使其適應目標系統運行模式,

       其實,協議堆疊完成開發只是實作夢想的第一步,用戶在使用程序中遇到的各種問題,協議堆疊的改進建議,新版本的發布都需要一個平臺,于是我又在阿里云購買了一臺云服務器,帶寬1Mbps??(資金有限,實在沒辦法),在上面部署了一個WEB服務器,作為onps堆疊的技術交流及官方資訊發布平臺,另外我還為onps堆疊注冊了一個域名:onps.org.cn,作為onps堆疊的官網訪問地址,onps堆疊的原始碼可以從碼云gihub上獲取,

       歷盡千辛萬苦,onps堆疊如今已開源,新鶯初啼,總免不了會有諸多不盡如人意的地方,期望各位多多使用,把使用程序中遇到的問題通過onps堆疊的技術交流社區提交給我,讓onps堆疊能夠快速迭代,早日比肩LwIP??,為國產核心基礎軟體的進步貢獻你我一份微薄的力量!

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