嵌入式系統(tǒng)中TCP/IP協(xié)議的精簡(jiǎn)與實(shí)現(xiàn)

摘要： 通過(guò)對(duì)TCP/IP協(xié)議的分析，結(jié)合嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)，挑選出一套精簡(jiǎn)、實(shí)用的TCP/IP協(xié)議子集，并詳細(xì)介紹各協(xié)議層的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。為嵌入式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供一個(gè)較為簡(jiǎn)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(shí)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(shí)現(xiàn)有關(guān)的以太網(wǎng)通信協(xié)議。如何實(shí)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(jì)出精簡(jiǎn)、高效的TCP/IP協(xié)議子集，以此來(lái)減少對(duì)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(shí)也比較復(fù)雜。具體在移植到應(yīng)用系統(tǒng)的時(shí)候要考慮的問(wèn)題較多，各個(gè)庫(kù)文件和全局變量相互交叉引用，若要針對(duì)特定系統(tǒng)進(jìn)行精簡(jiǎn)，則牽一發(fā)而動(dòng)全身，尤其是存儲(chǔ)器的管理及上層協(xié)議與底層網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)的接口是兩個(gè)最大的移植難題。

    為了能對(duì)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?cè)趯?shí)現(xiàn)一具體的Internet網(wǎng)絡(luò)報(bào)警系統(tǒng)時(shí)，進(jìn)行自主的嵌入式TCP/IP協(xié)議開(kāi)發(fā)。下文所介紹的TCP/IP協(xié)議系統(tǒng)由于精簡(jiǎn)而利于實(shí)現(xiàn)，且無(wú)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(shí)現(xiàn)時(shí)，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(kāi)發(fā)提供一個(gè)較為可行且簡(jiǎn)單的思路。

2、協(xié)議的分析與選擇

    眾所周知，TCP/IP是一個(gè)協(xié)議族，是幾百種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的集合。通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有足夠的資源支持通信協(xié)議在內(nèi)核實(shí)現(xiàn)，但是嵌入式系統(tǒng)則不同，因?yàn)槠銫PU處理能力和系統(tǒng)存儲(chǔ)能力都受到成本限制，充分利用資源、提高系統(tǒng)性?xún)r(jià)比是開(kāi)發(fā)嵌入式應(yīng)用的根本特點(diǎn)。所以要對(duì)TCP/IP協(xié)議進(jìn)行精簡(jiǎn)以適應(yīng)嵌入式系統(tǒng)。

    下面我們以實(shí)際的Internet網(wǎng)絡(luò)報(bào)警系統(tǒng)為例，設(shè)計(jì)一個(gè)較為精簡(jiǎn)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(chǎng)采集的報(bào)警數(shù)據(jù)到遠(yuǎn)程站點(diǎn)，要求實(shí)時(shí)性好、傳輸速度快，但每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量很少，只是簡(jiǎn)單的報(bào)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(shí)現(xiàn)的功能，精簡(jiǎn)出的協(xié)議子集如圖1：

圖1　精簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)IEEE802.3所規(guī)定的CDMA/CD協(xié)議。CDMA/CD協(xié)議不需用戶(hù)實(shí)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(shí)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(lái)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(shí)現(xiàn)IP協(xié)議。IP層的代碼有兩個(gè)功能：驗(yàn)證到來(lái)的IP報(bào)文報(bào)頭的正確性，并且對(duì)TCP和ICMP報(bào)文實(shí)行分流。因?yàn)椴豢紤]IP的分片和重組,所以 IP層的代碼非常的精簡(jiǎn)。為了能夠測(cè)試系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)的連接，系統(tǒng)需要實(shí)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(tái)主機(jī)提供面向連接的、可靠的、無(wú)重復(fù)的雙向數(shù)據(jù)流傳輸服務(wù)，TCP協(xié)議設(shè)計(jì)了嚴(yán)格的3次建立連接握手過(guò)程、4次關(guān)閉連接握手過(guò)程,這些過(guò)程的實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)資源的耗費(fèi)非常大。而UDP的實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，它在某些嵌入式Internet的應(yīng)用場(chǎng)合可以很好地應(yīng)用?？紤]到系統(tǒng)的簡(jiǎn)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(lái)保證數(shù)據(jù)的正確性。

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

3、協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

    本系統(tǒng)由于協(xié)議比較精簡(jiǎn)，只保留了必須使用的一些協(xié)議，所以實(shí)現(xiàn)過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單。實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的一個(gè)總目標(biāo)是系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)要少，每一層之間要相互獨(dú)立，內(nèi)存操作簡(jiǎn)單。為了實(shí)現(xiàn)每一層的獨(dú)立，實(shí)現(xiàn)上下層之間的數(shù)據(jù)透明傳輸。每層之間應(yīng)通過(guò)一系列的函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，同時(shí)為了減少由于數(shù)據(jù)拷貝引入的系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)，系統(tǒng)應(yīng)通過(guò)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(shuō)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(shí)現(xiàn)過(guò)程，為了便于調(diào)試，系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)時(shí)肯定是從底層開(kāi)始，一層一層往上實(shí)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(gè)用于傳送和接收數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)每個(gè)長(zhǎng)度為150字節(jié)。

2)網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)接口：由于網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)也是我們自己編制的，所以與上層結(jié)合起來(lái)很順利，接收時(shí)采用中斷機(jī)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(lèi)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(shí)采用查詢(xún)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(dòng)程序發(fā)送。

3) 鏈路層ARP協(xié)議的實(shí)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(duì)應(yīng)的MAC地址兩項(xiàng)。由于嵌入式系統(tǒng)所連接的對(duì)象數(shù)目較少且都比較固定，所以就去掉了緩沖表的定時(shí)刷新程序，這樣可以大大減少系統(tǒng)的刷新開(kāi)銷(xiāo)。

    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(duì)應(yīng)的MAC地址并填入包中相應(yīng)位置。若表中沒(méi)有相應(yīng)MAC地址，則按照格式組裝一個(gè)ARP請(qǐng)求包并發(fā)送，以得到對(duì)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(dòng)向網(wǎng)絡(luò)廣播ARP請(qǐng)求；

void arp_input(struct pbuf *p)// 從驅(qū)動(dòng)程序傳入ARP幀數(shù)據(jù)，如果是ARP請(qǐng)求則發(fā)送一個(gè)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(shí)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(lái)定義。這一部分的主要工作有：

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

b、為了便于測(cè)試要響應(yīng)主機(jī)的PING程序，即如收到ICMP的回顯請(qǐng)求包，則按照格式組裝一個(gè)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(yàn)和計(jì)算；

void icmp_input(struct pbuf *p)　如果ICMP的回顯請(qǐng)求，則發(fā)一個(gè)應(yīng)答包；

5)傳輸層UDP協(xié)議的實(shí)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(duì)應(yīng)用層傳下來(lái)的數(shù)據(jù)包，加上UDP首部和UDP校驗(yàn)和，發(fā)往下一層。以及對(duì)下一層傳上來(lái)的數(shù)據(jù)包，進(jìn)行校驗(yàn)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(gè)偽首部用于UDP數(shù)據(jù)檢驗(yàn)和計(jì)算。

主要函數(shù)有：

void udp_input(struct pbuf *p)；//從下一層輸入U(xiǎn)DP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(yàn)和計(jì)算

U16 udp_chksum(U8 *p,int len,U8 *p1,int len1)；//計(jì)算UDP檢驗(yàn)和

6）執(zhí)行過(guò)程：

    當(dāng)本地系統(tǒng)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，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(xún)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(dòng)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(dòng)后第一次發(fā)送一串字符的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議應(yīng)答過(guò)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(shí)找不到目的IP地址對(duì)應(yīng)的MAC地址，系統(tǒng)先發(fā)ARP請(qǐng)求，等對(duì)方回一個(gè)ARP應(yīng)答，得到對(duì)方MAC地址，然后再發(fā)UDP數(shù)據(jù)包。

圖2　一個(gè)實(shí)際UDP數(shù)據(jù)包發(fā)送全過(guò)程

4、結(jié)束語(yǔ)

       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(shí)現(xiàn)是這一技術(shù)必須要面對(duì)的。很多時(shí)候在涉及TCP/IP協(xié)議時(shí)，都容易被其復(fù)雜的體系結(jié)構(gòu)所迷惑，而不敢輕易動(dòng)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(jiǎn)TCP/IP協(xié)議子集的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，對(duì)于這一方面的研究很具有參考價(jià)值。

參 考 文 獻(xiàn)

1、李潤(rùn)知,岳儉,李陽(yáng)陽(yáng)(2003).基于Web的嵌入式網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng).《計(jì)算機(jī)應(yīng)用》.23(6):95-97.

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