基于TCP/lP嵌入式網(wǎng)關(guān)的IP地址遠(yuǎn)程設(shè)置

摘要  提出一種全新的對(duì)嵌入式網(wǎng)關(guān)IP地址等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的設(shè)置方案及其具體實(shí)現(xiàn)方法。該方案通過(guò)在數(shù)據(jù)鏈路層架構(gòu)協(xié)議，在網(wǎng)絡(luò)底層和嵌入式網(wǎng)關(guān)通信，既回避了在傳輸層之上通信必須知道IP地址和端口號(hào)的矛盾，又實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化設(shè)置和管理的目的。采用Winpcap開(kāi)發(fā)包編寫服務(wù)囂端軟件，嵌入式網(wǎng)關(guān)添加必要的協(xié)議解析和服務(wù)器協(xié)同工作，真正建立一個(gè)快捷、便利的嵌入式網(wǎng)關(guān)參數(shù)設(shè)置的網(wǎng)絡(luò)化環(huán)境。
關(guān)鍵詞 嵌入式系統(tǒng) 以太網(wǎng) IP地址 MAC地址 遠(yuǎn)程設(shè)置

引 言 
    近年來(lái)，人們都把TCP/IP協(xié)議棧作必要裁減后移植到8位或16位微處理器上，完成嵌入式異型網(wǎng)關(guān)的構(gòu)建(如北京英貝多EM2002系列網(wǎng)關(guān)，海華信網(wǎng)絡(luò)通等)，從而使不同類型的數(shù)據(jù)包可以通過(guò)透明傳輸接入到現(xiàn)有的IP網(wǎng)絡(luò)，自此開(kāi)辟了網(wǎng)絡(luò)測(cè)控的新紀(jì)元。

    嵌入式網(wǎng)關(guān)的運(yùn)行必然遇到IP地址的設(shè)置問(wèn)題。傳統(tǒng)的方案是在設(shè)備出廠前直接燒寫在Flash中，或利用串口本地設(shè)置，或在已知IP的前提下利用以太網(wǎng)口設(shè)置。上述方案繁瑣和不靈活，希望有一種靈活、便捷、全新的IP設(shè)置方案。通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)各層協(xié)議的分析，實(shí)現(xiàn)一種在數(shù)據(jù)鏈路層完成對(duì)嵌入式網(wǎng)關(guān)IP遠(yuǎn)程設(shè)置方案。該方案的優(yōu)點(diǎn)集中表現(xiàn)在出廠無(wú)須固化IP、遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)設(shè)置、穿透子網(wǎng)、集中管理等。

1 技術(shù)對(duì)比
    目前，實(shí)現(xiàn)嵌入式網(wǎng)關(guān)的設(shè)置模式主要有圖l所示的兩種：一是本地化，二是網(wǎng)絡(luò)化，但具體實(shí)現(xiàn)方法不同。為了描述方便，把用于設(shè)置的PC機(jī)定義為上位機(jī)，嵌入式網(wǎng)關(guān)定義為下位機(jī)。

(1)直接燒寫法
    直接燒寫是在程序中給定1P、MAC地址端口號(hào)等參數(shù)，編譯后燒寫在Flash中。該方法明顯不夠靈活，每次修改都須重新編譯、重新下載。

(2)串口法
    串口法是通過(guò)串口通信修改存儲(chǔ)在EEPROM中的IP地址等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。該方案較前一種有一定的靈活性，但由于RS 232的傳輸距離和網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展難的限制，往往只能應(yīng)用在一對(duì)一的本地設(shè)置

(3)已知lP遠(yuǎn)程修改法
    該方法可以達(dá)到網(wǎng)絡(luò)化管理的目的，但設(shè)備須在出廠前一一預(yù)設(shè)不同的IP地址才能完成建立在傳輸層之上的網(wǎng)絡(luò)通信。一般此時(shí)設(shè)置的IP不滿足具體網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的要求，即意味著此次設(shè)置是一次不必要的重復(fù)勞動(dòng)。

    綜合上述方案的優(yōu)缺點(diǎn)，提出在數(shù)據(jù)鏈路層架構(gòu)協(xié)議，在網(wǎng)絡(luò)底層完成數(shù)據(jù)通信的方案，彌補(bǔ)了出廠前必須固化IP的不足，實(shí)現(xiàn)了在項(xiàng)目實(shí)施后統(tǒng)一對(duì)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化管理。該方案的優(yōu)點(diǎn)還表現(xiàn)在由于其回避TCP/IP包，這樣在一個(gè)節(jié)點(diǎn)可修改位于不同子網(wǎng)中的任意嵌入式網(wǎng)關(guān)的IP地址。該方案的實(shí)質(zhì)是省去了TCP、IP報(bào)頭，直接根據(jù)MAC地址完成目標(biāo)主機(jī)的識(shí)別和通信。

2 實(shí)現(xiàn)原理
2.1 數(shù)據(jù)鏈路層幀格式的分析
    由于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備運(yùn)行于Ethernet(以太網(wǎng))，所以這里所涉及的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議是指Ethernet的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。IEEE 802項(xiàng)目將數(shù)據(jù)鏈路層分為L(zhǎng)Lc(邏輯鏈路控制)層和MAC(介質(zhì)訪問(wèn)控制)層。LLC層包含數(shù)據(jù)幀中和終端用戶相關(guān)的部分，如邏輯地址、控制信息和數(shù)據(jù);MAC層解決了共享介質(zhì)的競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題，包含同步、標(biāo)識(shí)、流量和差錯(cuò)控制。IEEE802.3制定了支持LAN標(biāo)準(zhǔn)CSMA/CD訪問(wèn)控制模式的Ethernet標(biāo)準(zhǔn)，其幀格式下：

2.2 幀格式的定義
    通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)鏈路層幀格式的分析，不難發(fā)現(xiàn)在數(shù)據(jù)鏈路層包含了能惟一標(biāo)識(shí)一臺(tái)主機(jī)的MAC地址。不需要ARP協(xié)議做IP和MAC地址映射，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)未知目的IP的鏈路層通信。

    為了滿足實(shí)現(xiàn)對(duì)嵌人式網(wǎng)關(guān)的遠(yuǎn)程設(shè)置要求，可根據(jù)Ethernet協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)定義幀格式，且命名為RSF幀(Remote Set Frame)：

    目的MAC地址，6字節(jié)；
    源MAC地址，6字節(jié)；
    幀類型(RSF=0801 IP=0800 ARP=0806 RARF=8035)，2字節(jié)；
    OP操作選項(xiàng)(RSF query=01，RSF setIp=02，RSFreplyr=03)，2字節(jié)；
    目的port，2字節(jié)；
    發(fā)送端MAC地址，6字節(jié)；
    發(fā)送端IP地址，4字節(jié)；
    目的MAC地址，6字節(jié)；
    目的IP地址，4字節(jié)；
    設(shè)置結(jié)果，1字節(jié)。

    該幀格式的定義類似于TCP/IP協(xié)議棧中的ARP協(xié)議幀，包含了以太網(wǎng)頭14個(gè)字節(jié)。幀類型，在該字段802項(xiàng)目定義的有效長(zhǎng)的值與以太網(wǎng)的有效類型值無(wú)一相同，這樣可以區(qū)分這兩種幀的格式，這里設(shè)定該幀類型為0801，以區(qū)別于已定義的幀類型；OP操作碼，RSF query=01表示服務(wù)器發(fā)送的數(shù)據(jù)包用于查詢網(wǎng)絡(luò)中的嵌入式網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的MAc地址，RsF setlp=02表示服務(wù)器發(fā)送的數(shù)據(jù)包用于設(shè)置嵌入式網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的IP地址，RsF reply=03用于設(shè)置信息的返回；端口號(hào)是目的端預(yù)設(shè)置的端口號(hào)：剩下的20字節(jié)為發(fā)送端和目的端的IP和MAC地址。

3 具體實(shí)現(xiàn)
    根據(jù)上述幀格式的定義和圖2所示的系統(tǒng)流程，分別在上位機(jī)和下位機(jī)添加相應(yīng)的接口和功能模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。

    上位機(jī)發(fā)出查詢下位機(jī)MAc地址的請(qǐng)求指令，下位機(jī)接收后響應(yīng)請(qǐng)求，返回本地MAC地址；上位機(jī)為查詢到的不同MAc地址分配不同的IP地址之后發(fā)送設(shè)置IP請(qǐng)求；下位機(jī)接收后響應(yīng)請(qǐng)求，并截取數(shù)據(jù)包中的信息來(lái)完成本地設(shè)置；最后上位機(jī)根據(jù)設(shè)置返回的狀態(tài)決定是否重新設(shè)置。其中給查詢到的MAc地址分配相應(yīng)的IP地址，分為手工和自動(dòng)方法。手工方法是由用戶根據(jù)自己的需要設(shè)置IP地址；自動(dòng)方法是根據(jù)ip pool(ip池)原理來(lái)實(shí)現(xiàn)IP的自動(dòng)分配。

3.1上位機(jī)部分
    由于該方案旨在利用數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議來(lái)解決對(duì)嵌入式網(wǎng)關(guān)的IP遠(yuǎn)程設(shè)置問(wèn)題，就必然要求上位機(jī)編程要繞過(guò)位于第4層與第5層問(wèn)的套接字編程接口(socket)。幸運(yùn)的是，位于第2與第3層間的NDIs(網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)器接口)提供了訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)底層的能力。其優(yōu)點(diǎn)在于屏蔽了下層各種網(wǎng)卡的差別，為上層提供了一個(gè)完備NDIS庫(kù)，可以完成原始數(shù)據(jù)包的捕獲，數(shù)據(jù)包的過(guò)濾，以及原始數(shù)據(jù)包的發(fā)送等強(qiáng)大的功能。另外，意大利的Fulvio Riss0、LorisDegioanni等專家開(kāi)發(fā)了一個(gè)Windows平臺(tái)下免費(fèi)公共的網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)系統(tǒng)，并提供Winpcap開(kāi)發(fā)包，方便地提供了一個(gè)訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)底層的接口。

    尋找到訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)底層的編程接口后，只需要定義相應(yīng)的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)，并調(diào)用庫(kù)中發(fā)包函數(shù)就能完成原始數(shù)據(jù)包的接收和發(fā)送功能。這里只給出關(guān)鍵的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義代碼。

    以太網(wǎng)頭的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：
Typedef structtag DLCHeader {
    unsigned char DesMAC[6]； //以太網(wǎng)目的地址
    unsigned char srcMAC[6]； //以太網(wǎng)源地址
    unsigned short Etherype； //幀類型
)；
    RSF幀結(jié)構(gòu)：
    typedef struct tagRSFFrame
    {unsigned short opcode； //操作碼
    unsigned short Prot //目標(biāo)端口號(hào)
    unsigned char Send_HW_Addr[6]；//發(fā)送端以太網(wǎng)地址
    unsigned long Send_Prot_Addr； //發(fā)送端IP地址
    unsigned char Targ_HW_Addr[6]；//目的以太網(wǎng)地址
    unsigned long Targ_Prot_Addr； //目的lP地址
    unsigned char ReturnValue //設(shè)置結(jié)果
}；
    RSF包結(jié)構(gòu)：
    typedef struct tagRSFPacket{
    DLCHEADER dlcHeader；
    RSFFRAME rsfFrame；
}；

3.2 下位機(jī)部分
    嵌入式網(wǎng)關(guān)的實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵在于TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)。目前主要有TCP/IP的軟移植(如ulP TCP/IP的移植)、硬移植(主要由專業(yè)芯片實(shí)現(xiàn))和嵌入式系統(tǒng)自帶TCP/IP協(xié)議棧。如果是利用嵌入式系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)嵌人式網(wǎng)關(guān)，就必須對(duì)操作系統(tǒng)內(nèi)核驅(qū)動(dòng)作相應(yīng)的改動(dòng)。這里只重點(diǎn)介紹TCP/IP在微處理器上軟移植的情況。在這種情況，只要在數(shù)據(jù)鏈路層模塊中添加幀的識(shí)別和處理功能模塊，就可以獲得數(shù)據(jù)幀中的IP地址等數(shù)據(jù)，并對(duì)本地IP進(jìn)行設(shè)置。具體設(shè)置是調(diào)用對(duì)EEPROM的讀寫程序模塊來(lái)完成的，關(guān)鍵代碼如下：
void eth_rcve(UCHAR xdata*inbuf)//數(shù)據(jù)鏈路層接收模塊
{ ……
    switch(etb->frame-type)
{ ……
    case RSF_PACKET：//在原協(xié)議棧中添加自定義協(xié)議調(diào)用修改本地IP模塊； break;
    case ARP_PACKET：調(diào)用ARP處理模塊； break；
……

  }
}
    void eth_send(UCHAR xdata*outbuf，UCHAR*hwaddr，UINT ptype，UINT Ien)//數(shù)據(jù)鏈路層發(fā)送模塊
{……}

結(jié)語(yǔ)
    通用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)鏈路層自定義幀的實(shí)現(xiàn)，可應(yīng)用于解決嵌入式網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的遠(yuǎn)程設(shè)置問(wèn)題，改進(jìn)了過(guò)去嵌入式網(wǎng)絡(luò)設(shè)備IP地址使用直接燒寫或串口本地配置等方法。該方案的特點(diǎn)是繞開(kāi)了套接字編程，直接將上位機(jī)與下位機(jī)的通信建立在數(shù)據(jù)鏈路層的基礎(chǔ)之上。相對(duì)于依靠上層協(xié)議通信，在數(shù)據(jù)鏈路層直接通信，可以避開(kāi)上層協(xié)議的約束，從而達(dá)到對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)更直接和靈活處理的目的。