嵌入式系統(tǒng)中TCP/IP協(xié)議的精簡與實現(xiàn)

摘要： 通過對TCP/IP協(xié)議的分析，結(jié)合嵌入式系統(tǒng)的特點，挑選出一套精簡、實用的TCP/IP協(xié)議子集，并詳細(xì)介紹各協(xié)議層的實現(xiàn)過程。為嵌入式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的開發(fā)提供一個較為簡單且可行的思路。
關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)，以太網(wǎng)，TCP/IP協(xié)議, UDP, ARP

1、引言

    嵌入式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)就是在嵌入式設(shè)備上實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)功能的系統(tǒng)，一般要求嵌入式設(shè)備在軟件上支持TCP/IP協(xié)議棧，實現(xiàn)有關(guān)的以太網(wǎng)通信協(xié)議。如何實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議是嵌入式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，在嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用TCP/IP協(xié)議的關(guān)鍵是，如何設(shè)計出精簡、高效的TCP/IP協(xié)議子集，以此來減少對系統(tǒng)資源的占用。

    目前使用廣泛的TCP/IP協(xié)議棧有LWIP(Light Weight)、uIP、Linux IP等，這些協(xié)議棧具有一定的通用性，包含的協(xié)議內(nèi)容比較全，同時也比較復(fù)雜。具體在移植到應(yīng)用系統(tǒng)的時候要考慮的問題較多，各個庫文件和全局變量相互交叉引用，若要針對特定系統(tǒng)進(jìn)行精簡，則牽一發(fā)而動全身，尤其是存儲器的管理及上層協(xié)議與底層網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動的接口是兩個最大的移植難題。

    為了能對TCP/IP協(xié)議有較深的了解，又利于后期進(jìn)行深入研究，我們在實現(xiàn)一具體的Internet網(wǎng)絡(luò)報警系統(tǒng)時，進(jìn)行自主的嵌入式TCP/IP協(xié)議開發(fā)。下文所介紹的TCP/IP協(xié)議系統(tǒng)由于精簡而利于實現(xiàn)，且無需進(jìn)行內(nèi)存管理，適合傳送數(shù)據(jù)量不大的嵌入式系統(tǒng)。在實現(xiàn)時，只要根據(jù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀格式，在各層完成相應(yīng)的功能即可。非常適合研究學(xué)習(xí)之用，為嵌入式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的開發(fā)提供一個較為可行且簡單的思路。

2、協(xié)議的分析與選擇

    眾所周知，TCP/IP是一個協(xié)議族，是幾百種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的集合。通用計算機系統(tǒng)有足夠的資源支持通信協(xié)議在內(nèi)核實現(xiàn)，但是嵌入式系統(tǒng)則不同，因為其CPU處理能力和系統(tǒng)存儲能力都受到成本限制，充分利用資源、提高系統(tǒng)性價比是開發(fā)嵌入式應(yīng)用的根本特點。所以要對TCP/IP協(xié)議進(jìn)行精簡以適應(yīng)嵌入式系統(tǒng)。

    下面我們以實際的Internet網(wǎng)絡(luò)報警系統(tǒng)為例，設(shè)計一個較為精簡的TCP/IP協(xié)議子系統(tǒng)。此系統(tǒng)采用32位ARM結(jié)構(gòu)的三星S3C440BX處理器，加SMSC公司的以太網(wǎng)控制芯片LAN91C113，以及另外一些外圍芯片組成。此系統(tǒng)要求經(jīng)Internet傳送一些現(xiàn)場采集的報警數(shù)據(jù)到遠(yuǎn)程站點，要求實時性好、傳輸速度快，但每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量很少，只是簡單的報警信息。根據(jù)這些要求，再經(jīng)詳細(xì)分析TCP/IP各協(xié)議層實現(xiàn)的功能，精簡出的協(xié)議子集如圖1：

圖1　精簡的TCP/IP協(xié)議子集

    首先在鏈路層上，由于采用以太網(wǎng)的接入方式，系統(tǒng)必須要實現(xiàn)IEEE802.3所規(guī)定的CDMA/CD協(xié)議。CDMA/CD協(xié)議不需用戶實現(xiàn)，此協(xié)議只要采用通用的以太網(wǎng)接口芯片就可支持。其次，為了保證系統(tǒng)在以太網(wǎng)中的通信，系統(tǒng)還需實現(xiàn)ARP應(yīng)答協(xié)議,該協(xié)議用于將IP地址映射成以太網(wǎng)MAC地址。ARP的執(zhí)行依靠維持一張表來完成IP地址和MAC的地址的映射。

    在網(wǎng)絡(luò)層，由于系統(tǒng)要求能夠在Internet進(jìn)行通信，因此系統(tǒng)要實現(xiàn)IP協(xié)議。IP層的代碼有兩個功能：驗證到來的IP報文報頭的正確性，并且對TCP和ICMP報文實行分流。因為不考慮IP的分片和重組,所以 IP層的代碼非常的精簡。為了能夠測試系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)的連接，系統(tǒng)需要實現(xiàn)ICMP協(xié)議中的Ping應(yīng)答協(xié)議,Ping應(yīng)答協(xié)議主要是檢查網(wǎng)絡(luò)是否連通

    在傳輸層， TCP為兩臺主機提供面向連接的、可靠的、無重復(fù)的雙向數(shù)據(jù)流傳輸服務(wù)，TCP協(xié)議設(shè)計了嚴(yán)格的3次建立連接握手過程、4次關(guān)閉連接握手過程,這些過程的實現(xiàn)對系統(tǒng)資源的耗費非常大。而UDP的實現(xiàn)比較簡單，它在某些嵌入式Internet的應(yīng)用場合可以很好地應(yīng)用?？紤]到系統(tǒng)的簡化及速度的要求，采用了UDP協(xié)議，為了確保UDP數(shù)據(jù)的到達(dá)，在應(yīng)用程序中采用了重復(fù)發(fā)送、回復(fù)確認(rèn)的方式來保證數(shù)據(jù)的正確性。

    由于本嵌入式系統(tǒng)無HTTP、FTP等應(yīng)用，所以應(yīng)用層中的協(xié)議無需實現(xiàn)。

3、協(xié)議的實現(xiàn)

    本系統(tǒng)由于協(xié)議比較精簡，只保留了必須使用的一些協(xié)議，所以實現(xiàn)過程相對簡單。實現(xiàn)過程中的一個總目標(biāo)是系統(tǒng)開銷要少，每一層之間要相互獨立，內(nèi)存操作簡單。為了實現(xiàn)每一層的獨立，實現(xiàn)上下層之間的數(shù)據(jù)透明傳輸。每層之間應(yīng)通過一系列的函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，同時為了減少由于數(shù)據(jù)拷貝引入的系統(tǒng)開銷，系統(tǒng)應(yīng)通過指針操作，而不是數(shù)據(jù)拷貝方式，將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)沿協(xié)議棧向上傳遞。

    由于TCP/IP的各層協(xié)議的各種數(shù)據(jù)格式，在各種資料中都有詳細(xì)說明，這里就不再一一介紹。只詳細(xì)介紹總的結(jié)構(gòu)、各層的功能及實現(xiàn)過程，為了便于調(diào)試，系統(tǒng)在實現(xiàn)時肯定是從底層開始，一層一層往上實現(xiàn)。

1) 首先公共數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義：如MAC地址格式、IP地址格式、系統(tǒng)的地址配置、緩沖區(qū)格式及大小。

    其中MAC、IP地址格式都是固定的，系統(tǒng)的配置用于確定系統(tǒng)的IP地址及端口以及MAC地址值。在本系統(tǒng)中由于傳送的數(shù)據(jù)有限，只定義了4個用于傳送和接收數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)每個長度為150字節(jié)。

2)網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動接口：由于網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動也是我們自己編制的，所以與上層結(jié)合起來很順利，接收時采用中斷機制，當(dāng)收到網(wǎng)絡(luò)中斷就讀取數(shù)據(jù)，根據(jù)包的種類分別傳給ARP或IP協(xié)議，由每一層自行處理數(shù)據(jù)。發(fā)送時采用查詢方式，應(yīng)用層準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)，一層層封裝并向下傳遞，最后經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序發(fā)送。

3) 鏈路層ARP協(xié)議的實現(xiàn)：

    首先定義ARP數(shù)據(jù)幀頭結(jié)構(gòu)及ARP高速緩沖表，數(shù)據(jù)幀必須根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)定義，高速緩沖表至少要含有IP地址及相對應(yīng)的MAC地址兩項。由于嵌入式系統(tǒng)所連接的對象數(shù)目較少且都比較固定，所以就去掉了緩沖表的定時刷新程序，這樣可以大大減少系統(tǒng)的刷新開銷。

    這一部分的主要工作是：

a、根據(jù)上層數(shù)據(jù)包中的IP地址，在高速緩沖表中查出對應(yīng)的MAC地址并填入包中相應(yīng)位置。若表中沒有相應(yīng)MAC地址，則按照格式組裝一個ARP請求包并發(fā)送，以得到對方MAC地址。

b、若收到ARP應(yīng)答包，則更新ARP緩存表。

主要函數(shù)有：

struct pbuf * arp_packet(struct arpdata *q)// 把要發(fā)送的ARP數(shù)據(jù)打包成網(wǎng)絡(luò)格式字節(jié)流；

struct mac *arp_lookup (struct ip *p) // 根據(jù)IP地址在ARP緩存表中查找MAC地址，若找不到則自動向網(wǎng)絡(luò)廣播ARP請求；

void arp_input(struct pbuf *p)// 從驅(qū)動程序傳入ARP幀數(shù)據(jù)，如果是ARP請求則發(fā)送一個ARP應(yīng)答包，如果是ARP應(yīng)答則更新ARP緩存表；

4)網(wǎng)絡(luò)層IP協(xié)議及Ping應(yīng)答的實現(xiàn)：

    首先定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)IP及ICMP數(shù)據(jù)幀格式，這兩者都要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)來定義。這一部分的主要工作有：

a、對上一層傳下來的數(shù)據(jù)包，加上IP首部和IP校驗和，發(fā)往下一層。以及對下一層傳上來的數(shù)據(jù)包，進(jìn)行校驗和檢查，若正確去掉IP首部，送往上一層。

b、為了便于測試要響應(yīng)主機的PING程序，即如收到ICMP的回顯請求包，則按照格式組裝一個ICMP的回顯應(yīng)答包并發(fā)送。

主要函數(shù)有：

int ip_input(struct pbuf* p);//輸入下一層的數(shù)據(jù)包，去掉IP首部傳給上一層；

int ip_send_data(struct pbuf *p,int len,int type,struct ip dst_ip);//將上一層的數(shù)據(jù)加上IP首部，并向下一層發(fā)送；

void ip_packet(struct pbuf *p,struct IP_data *q,int len);//IP首部和數(shù)據(jù)打包；

U16 ip_chksum(U8 *p,int len);//IP檢驗和計算；

void icmp_input(struct pbuf *p)　如果ICMP的回顯請求，則發(fā)一個應(yīng)答包；

5)傳輸層UDP協(xié)議的實現(xiàn)：

    根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)定義UDP數(shù)據(jù)幀格式。這一部分的主要工作有：對應(yīng)用層傳下來的數(shù)據(jù)包，加上UDP首部和UDP校驗和，發(fā)往下一層。以及對下一層傳上來的數(shù)據(jù)包，進(jìn)行校驗和檢查，若正確去掉UDP首部，提出數(shù)據(jù)送給應(yīng)用層。需注意的是，要產(chǎn)生一個偽首部用于UDP數(shù)據(jù)檢驗和計算。

主要函數(shù)有：

void udp_input(struct pbuf *p)；//從下一層輸入UDP數(shù)據(jù)

void udp_output(U8 *str,struct ip dst_ip,U16 dst_port)；//向下一層發(fā)送UDP數(shù)據(jù)

void makeup_pheader(struct ip *p,U16 len ,U8 *q)；//產(chǎn)生偽首部用于UDP檢驗和計算

U16 udp_chksum(U8 *p,int len,U8 *p1,int len1)；//計算UDP檢驗和

6）執(zhí)行過程：

    當(dāng)本地系統(tǒng)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，首先在傳輸層將數(shù)據(jù)加上UDP首部，再到網(wǎng)絡(luò)層加IP首部，然后到鏈路層從ARP表中查詢相應(yīng)的MAC地址，填入相應(yīng)位置，并發(fā)給網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序傳到以太網(wǎng)上。

    圖2是用SPYNET軟件截取的本系統(tǒng)啟動后第一次發(fā)送一串字符的整個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議應(yīng)答過程，由于是第一次發(fā)送， ARP表為空。所以當(dāng)發(fā)送UDP數(shù)據(jù)時找不到目的IP地址對應(yīng)的MAC地址，系統(tǒng)先發(fā)ARP請求，等對方回一個ARP應(yīng)答，得到對方MAC地址，然后再發(fā)UDP數(shù)據(jù)包。

圖2　一個實際UDP數(shù)據(jù)包發(fā)送全過程

4、結(jié)束語

       由于嵌入式系統(tǒng)發(fā)展及互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的普及、遠(yuǎn)程控制和信息家電的興起，嵌入式系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合逐漸成為一種新的技術(shù)發(fā)展方向，嵌入式TCP/IP協(xié)議的選擇與實現(xiàn)是這一技術(shù)必須要面對的。很多時候在涉及TCP/IP協(xié)議時，都容易被其復(fù)雜的體系結(jié)構(gòu)所迷惑，而不敢輕易動手，本文提出的這種嵌入式TCP/IP協(xié)議的選擇思路及給出的一套精簡TCP/IP協(xié)議子集的實現(xiàn)過程，對于這一方面的研究很具有參考價值。

參 考 文 獻(xiàn)

1、李潤知,岳儉,李陽陽(2003).基于Web的嵌入式網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng).《計算機應(yīng)用》.23(6):95-97.

2、許海燕,付炎主編(2002).嵌入式系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用.北京：機械工業(yè)出版社。

3 、(美)W.Richard Stevens著,范建華等譯(2000).TCP/IP詳解 卷1：協(xié)議.機械工業(yè)出版社。

4、李明,康靜秋,賈智平(2002).嵌入式TCP/IP協(xié)議棧的研究與開發(fā)《計算機工程與應(yīng)用》.2002(16):118-121.

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