微型嵌入式TCP/IP協(xié)議棧開發(fā)

顏詩洋

（河海大學(xué) 計 算機(jī)與信息學(xué)院，江蘇 南 京 2 10098）

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是影響人類的重大技術(shù)之一，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了各種網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備。但是，以特定功能為中心的小型嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化越來越引起人們的注意。對于單片機(jī)技術(shù)為核心小型嵌入式設(shè)備，如何將其接入到互聯(lián)網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)信息與資源的共享成為研究的熱點(diǎn)問題。

目前嵌入式網(wǎng)絡(luò)的主要實(shí)現(xiàn)方法，就是在嵌入式設(shè)備中實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧。TCP/IP協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，如果能夠在嵌入式設(shè)備中實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧，也就能夠?qū)崿F(xiàn)了嵌入式設(shè)備之間及與其他接入設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。文中針對8位及16位機(jī)，開發(fā)了一種微型TCP/IP協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)了該協(xié)議族中主要的協(xié)議，并對其進(jìn)行了測試。

1 TCP/IP協(xié)議棧介紹

TCP/IP協(xié)議最先是在UNIX系統(tǒng)里實(shí)現(xiàn)的,后來的LINUX、DOS、Windows也實(shí)現(xiàn)了TCP/IP,隨后TCP/IP協(xié)議也被移植到其它嵌入式的處理器上。由于資源的原因，不可能在8位機(jī)上直接移植LINUX的協(xié)議棧。完整的TCP/IP協(xié)議族有幾百種通信協(xié)議組成，在小型嵌入式設(shè)備中，只需根據(jù)需要移植幾種最重要的協(xié)議即可。

下面對本文需要實(shí)現(xiàn)的不同層內(nèi)的協(xié)議進(jìn)行介紹：

1)應(yīng)用層

應(yīng)用層基本上是根據(jù)需求來進(jìn)行設(shè)計，如果需要網(wǎng)頁服務(wù)，則需要實(shí)現(xiàn)HTTP協(xié)議，類似的如果需要實(shí)現(xiàn)Email功能，則要實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的SMTP協(xié)議。

2)傳輸層

實(shí)現(xiàn)傳輸層協(xié)議需要與應(yīng)用層的協(xié)議相適應(yīng)[1]。如果只實(shí)現(xiàn)了UDP協(xié)議而沒有實(shí)現(xiàn)TCP協(xié)議，則應(yīng)用層與TCP協(xié)議對應(yīng)的HTTP,FTP，TELNET都無法實(shí)現(xiàn)，只能實(shí)現(xiàn)TFTP等協(xié)議[2]。為了能實(shí)現(xiàn)更多的應(yīng)用層協(xié)議，滿足實(shí)際需求，本文實(shí)現(xiàn)了傳輸層的TCP與UDP協(xié)議。

3)網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層的IP協(xié)議是整個TCP/IP協(xié)議族中最核心和最重要的協(xié)議[2]，它是不同網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行互聯(lián)的必要條件，也是其他高層協(xié)議賴以運(yùn)行的基礎(chǔ)，為了使TCP/IP協(xié)議棧能夠完成基本工作，必須實(shí)現(xiàn)IP協(xié)議。

而對于網(wǎng)絡(luò)層的ICMP協(xié)議，出于對系統(tǒng)資源的考慮,在嵌入式Web服務(wù)器應(yīng)用中,只要實(shí)現(xiàn)回送請求和回送應(yīng)答就足夠了。

一般都認(rèn)為ARP協(xié)議屬于網(wǎng)絡(luò)層，在以太網(wǎng)的協(xié)議中，數(shù)據(jù)傳輸都要以網(wǎng)卡的MAC地址作為唯一的標(biāo)識，因此需要將IP地址轉(zhuǎn)換為物理上的MAC地址，對于TCP/IP協(xié)議棧來說，這種轉(zhuǎn)換是必不可少的，因此要實(shí)現(xiàn)ARP協(xié)議。

4)鏈路層

由于現(xiàn)代集成電路技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了很多集成以太網(wǎng)協(xié)議的網(wǎng)卡，這些網(wǎng)卡能夠在硬件上實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的協(xié)議，只要開發(fā)相應(yīng)的驅(qū)動程序即可。

2 TCP/IP協(xié)議棧開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

2.1 ARP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

ARP（Address Resolution Protocol）稱作地址解析協(xié)議，是TCP/IP協(xié)議族中重要的組成部分，主要負(fù)責(zé)將IP地址轉(zhuǎn)換成物理MAC地址，ARP協(xié)議的基本功能就是根據(jù)IP地址，能夠查詢相應(yīng)的物理MAC地址，從而保證可靠的通信。

通用計算機(jī)系統(tǒng)中,ARP高速緩存一般設(shè)計成雙向數(shù)據(jù)鏈的形式,這樣整個緩存可以方便地進(jìn)行動態(tài)增減。但對資源有限的嵌入式系統(tǒng)來說，這顯然是不現(xiàn)實(shí)的。因此ARP的地址緩存采用了線性數(shù)組形式的結(jié)構(gòu)。它在內(nèi)存中是連續(xù)線性存儲的，這樣做的優(yōu)點(diǎn)是查找速度快。

ARP定時器在ARP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)時是必要的，當(dāng)嵌入式設(shè)備發(fā)送ARP請求后，網(wǎng)絡(luò)上并無反應(yīng)，這時，如果ARP定時時間到，就應(yīng)當(dāng)重新發(fā)送ARP請求。

對ARP表的維護(hù)在ARP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)中也是至關(guān)重要的，ARP表就是IP地址和MAC地址對應(yīng)的表項(xiàng)[3]，在嵌入式系統(tǒng)中，可以設(shè)置ARP表老化的時間為20分鐘，如果20分鐘時間到，則將ARP表項(xiàng)移除，從新的ARP請求—回應(yīng)關(guān)系來獲取新表項(xiàng)。

2.2 IP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

IP協(xié)議是TCP/IP協(xié)議族中最為核心的協(xié)議，所有TCP，UDP，ICMP都要通過IP封包的形式實(shí)現(xiàn)傳輸，但是IP提供的是無連接，不可靠的服務(wù)。

在通過計算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)中，IP比較復(fù)雜，但在嵌入式TCP/IP協(xié)議棧中，只需實(shí)現(xiàn)IP的發(fā)送，接受，和轉(zhuǎn)交即可。在通用計算機(jī)中，可以處理帶IP選項(xiàng)和IP分片數(shù)據(jù)包[3]，但在嵌入式設(shè)備中，沒有大量的數(shù)據(jù)要處理，這兩項(xiàng)功能可以不實(shí)現(xiàn)，而且對于鏈路層是以太網(wǎng)的協(xié)議棧，完全可以不考慮分片和重組的功能，這樣大大節(jié)省了寶貴的RAM資源，對于TCP/IP協(xié)議棧的功能沒有太大影響。

2.3 ICMP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

ICMP協(xié)議是TCP/IP協(xié)議族在網(wǎng)絡(luò)層的一個子協(xié)議，用于在IP主機(jī)、路由器之間傳遞控制消息?？刂葡⑹侵妇W(wǎng)路通不通、主機(jī)是否可達(dá)、路由是否可用等網(wǎng)絡(luò)本身的消息。這些控制消息雖然并不傳輸用戶數(shù)據(jù)，但是對于用戶數(shù)據(jù)的傳遞起著重要的作用。作為服務(wù)器方的小型嵌入式設(shè)備，只需實(shí)現(xiàn)ICMP的回顯請求和應(yīng)答報文即可[4]。PING是最常用的基于ICMP的服務(wù)，為了使用戶測試網(wǎng)絡(luò)連接，應(yīng)當(dāng)能對PING請求做出應(yīng)答。

2.4 UDP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

UDP與TCP協(xié)議同屬傳輸層，但是，與TCP協(xié)議不同的是，UDP協(xié)議提供的是無連接，不可靠的傳輸，因此，UDP主要是為那些需要一種簡單卻快速的運(yùn)輸協(xié)議的應(yīng)用而設(shè)計的。UDP協(xié)議沒有復(fù)雜的機(jī)制，只要按照協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)即可。

2.5 TCP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

TCP協(xié)議提供的是面向連接，可靠的通信服務(wù)。因此，TCP的實(shí)現(xiàn)機(jī)制比較復(fù)雜。TCP通過端口號來實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用之間的端到端的連接。在TCP協(xié)議中，往返時間估計、定時重傳、滑動窗口協(xié)議、流量控制、擁塞控制、TCP連接狀態(tài)等都是比較重要的機(jī)制。對于通用計算機(jī)來說，由于沒有資源的限制，一般都實(shí)現(xiàn)了滑動窗口協(xié)議，但是對于8位及16位嵌入式設(shè)備來說，由于資源的限制，實(shí)現(xiàn)比較困難。在8位和16位嵌入式系統(tǒng)中流量控制和擁塞控制也不需要考慮。TCP連接狀態(tài)是TCP有限狀態(tài)機(jī)的必要條件。嵌入式設(shè)備是需要作為服務(wù)器，因此，可以將標(biāo)準(zhǔn)TCP有限狀態(tài)機(jī)中的FIN_SENT,FIN_WAIT1,FIN_WAIT2,TIME_WAIT狀態(tài)都略去，只實(shí)現(xiàn)服務(wù)器端的狀態(tài)轉(zhuǎn)換機(jī)制。這樣,既節(jié)省了系統(tǒng)開銷,同時也保證了所有的數(shù)據(jù)段都能安全正確地到達(dá)目的端[4]。本協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)了TCP的超時重傳機(jī)制，提高了傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

圖1 TCP連接狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖Fig.1 State diagram of the TCP connection

2.6 協(xié)議棧的總體結(jié)構(gòu)

在協(xié)議棧運(yùn)行的初始階段，需要進(jìn)行系統(tǒng)初始化，并啟動所有定時器。接下來，判斷以太網(wǎng)數(shù)據(jù)有沒有到達(dá)，若到達(dá)，則進(jìn)行相應(yīng)的處理。對于以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理的流程圖在圖3中給出。若ARP定時器定時時間到，且沒有ARP應(yīng)答，則重新發(fā)送ARP請求。若TCP在連接狀態(tài)且無活動一定時間，則啟動關(guān)閉連接。同時，如果TCP超時重發(fā)時間到，則啟動TCP超時重發(fā)機(jī)制。根據(jù)TCP/IP協(xié)議的規(guī)定，到達(dá)一定時間后，ARP表項(xiàng)就會老化，啟動更新ARP表。

圖2 協(xié)議?？傮w流程圖Fig.2 Flowchart of the TCP/IP stack

圖3 數(shù)據(jù)接收流程圖Fig.3 Flowchart of data receiving

3 測試

采用Silicon labs公司的8位機(jī)C8051F340及8位以太網(wǎng)卡CP2200搭建平臺，對TCP/IP協(xié)議棧進(jìn)行測試。需移植本協(xié)議棧，并編寫網(wǎng)卡驅(qū)動程序，除網(wǎng)卡初始化部分外，網(wǎng)卡驅(qū)動被封裝成兩個函數(shù)，eth_send()和eth_receive()。其中,eth_send()發(fā)送以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，在上層發(fā)送數(shù)據(jù)時被調(diào)用。eth_receive()接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，接收到數(shù)據(jù)包后，即啟動數(shù)據(jù)接收流程。系統(tǒng)初始化后，設(shè)置嵌入式設(shè)備的IP地址為固定IP地址，編寫HTTP協(xié)議作為應(yīng)用層，構(gòu)建Web服務(wù)器。測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 測試結(jié)果圖Fig.4 Diagram of testing result

4 結(jié)論

本文針對TCP/IP協(xié)議和嵌入式設(shè)備的特點(diǎn)，對TCP/IP協(xié)議族進(jìn)行了裁剪，使之能夠?yàn)榍度胧皆O(shè)備提供服務(wù)，同時保證TCP/IP基本功能能夠?qū)崿F(xiàn)。不同于其他精簡協(xié)議棧[5]，為了能夠?qū)崿F(xiàn)Web服務(wù)器功能以及其他重要應(yīng)用層協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了TCP協(xié)議。基于C8051F340和CP2200的平臺，對Web服務(wù)器進(jìn)行了測試，測試成功。如果條件成熟，可以考慮將協(xié)議棧移植到無線平臺，這樣，各種信息家電和工業(yè)設(shè)備的就可以更加方便的接入網(wǎng)絡(luò)。

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