通過對TCP/IP協(xié)議的分析，結合嵌入式系統(tǒng)的特點，挑選出一套精簡、實用的TCP/IP協(xié)議子集，并詳細介紹各協(xié)議層的實現(xiàn)過程。為嵌入式網(wǎng)絡系統(tǒng)的開發(fā)提供一個較為簡單且可行的思路。 1、引言 嵌入式網(wǎng)絡系統(tǒng)就是在嵌入式設備上實現(xiàn)了網(wǎng)絡互聯(lián)功能的系統(tǒng)，一般要求嵌入式設備在軟件上支持TCP/IP協(xié)議棧，實現(xiàn)有關的以太網(wǎng)通信協(xié)議。如何實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議是嵌入式網(wǎng)絡系統(tǒng)的關鍵技術之一，在嵌入式系統(tǒng)中應用TCP/IP協(xié)議的關鍵是，如何設計出精簡、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)議內容比較全，同時也比較復雜。具體在移植到應用系統(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)絡驅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，又利于后期進行深入研究，我們在實現(xiàn)一具體的Internet網(wǎng)絡報警系統(tǒng)時，進行自主的嵌入式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)，且無需進行內存管理，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)相應的數(shù)據(jù)幀格式，在各層完成相應的功能即可。非常適合研究學習之用，為嵌入式網(wǎng)絡系統(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)嵌入式應用的根本特點。所以要對TCP/IP協(xié)議進行精簡以適應嵌入式系統(tǒng)。 下面我們以實際的Internet網(wǎng)絡報警系統(tǒng)為例，設計一個較為精簡的TCP/IP協(xié)議子系統(tǒng)。此系統(tǒng)采用32位ARM結構的三星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： [align=center] 圖1　精簡的TCP/IP協(xié)議子集[/align] 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)絡層，由于系統(tǒng)要求能夠在Internet進行通信，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)絡的連接，系統(tǒng)需要實現(xiàn)ICMP協(xié)議中的Ping應答協(xié)議,Ping應答協(xié)議主要是檢查網(wǎng)絡是否連通 在傳輸層， TCP為兩臺主機提供面向連接的、可靠的、無重復的雙向數(shù)據(jù)流傳輸服務，TCP協(xié)議設計了嚴格的3次建立連接握手過程、4次關閉連接握手過程,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的應用場合可以很好地應用。考慮到系統(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，在應用程序中采用了重復發(fā)送、回復確認的方式來保證數(shù)據(jù)的正確性。 由于本嵌入式系統(tǒng)無HTTP、FTP等應用，所以應用層中的協(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是系統(tǒng)開銷要少，每一層之間要相互獨立，內存操作簡單。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。每層之間應通過一系列的函數(shù)進行數(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說明，這里就不再一一介紹。只詳細介紹總的結構、各層的功能及實現(xiàn)過程，為了便于調試，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)結構的定義：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)絡驅動接口：由于網(wǎng)絡驅動也是我們自己編制的，所以與上層結合起來很順利，接收時采用中斷機制，當收到網(wǎng)絡中斷就讀取數(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，應用層準備好數(shù)據(jù)，一層層封裝并向下傳遞，最后經(jīng)由網(wǎng)絡驅動程序發(fā)送。 3） 鏈路層ARP協(xié)議的實現(xiàn)： 首先定義ARP數(shù)據(jù)幀頭結構及ARP高速緩沖表，數(shù)據(jù)幀必須根據(jù)標準定義，高速緩沖表至少要含有IP地址及相對應的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的MAC地址并填入包中相應位置。若表中沒有相應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)絡廣播ARP請求； void arp_input（struct pbuf ＊p）// 從驅動程序傳入ARP幀數(shù)據(jù)，如果是ARP請求則發(fā)送一個ARP應答包，如果是ARP應答則更新ARP緩存表； 4）網(wǎng)絡層IP協(xié)議及Ping應答的實現(xiàn)： 首先定義數(shù)據(jù)結構IP及ICMP數(shù)據(jù)幀格式，這兩者都要根據(jù)標準來定義。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)一個應答包； 5）傳輸層UDP協(xié)議的實現(xiàn)： 根據(jù)標準定義UDP數(shù)據(jù)幀格式。這一部分的主要工作有：對應用層傳下來的數(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，進行校驗和檢查，若正確去掉UDP首部，提出數(shù)據(jù)送給應用層。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)絡層加IP首部，然后到鏈路層從ARP表中查詢相應的MAC地址，填入相應位置，并發(fā)給網(wǎng)絡驅動程序傳到以太網(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)絡協(xié)議應答過程，由于是第一次發(fā)送， ARP表為空。所以當發(fā)送UDP數(shù)據(jù)時找不到目的IP地址對應的MAC地址，系統(tǒng)先發(fā)ARP請求，等對方回一個ARP應答，得到對方MAC地址，然后再發(fā)UDP數(shù)據(jù)包。 [align=center] 圖2　一個實際UDP數(shù)據(jù)包發(fā)送全過程[/align] 4、結束語 由于嵌入式系統(tǒng)發(fā)展及互聯(lián)網(wǎng)絡的普及、遠程控制和信息家電的興起，嵌入式系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)絡的結合逐漸成為一種新的技術發(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，都容易被其復雜的體系結構所迷惑，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 1、李潤知,岳儉,李陽陽（2003）.基于Web的嵌入式網(wǎng)絡管理系統(tǒng).《計算機應用》.23（6）:95-97. 2、許海燕,付炎主編（2002）.嵌入式系統(tǒng)技術與應用.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)《計算機工程與應用》.2002（16）:118-121. 5、洪錫軍,汪德才（2000）.基于Internet的多功能遠程監(jiān)控報警系統(tǒng).《上海交通大學學報》.34（10）:1370-1371.