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1、精品学习资源嵌入式 TCP/IP 协议的分析与争论摘要： 嵌入式 TCP/IP协议不同于应用在PC 机上的 TCP/IP协议， Internet上面的各种通信协议对于运算机储备器、运算速度等的要求比较高，而嵌入式系统中大量存在的是8 位和 16 位 MCU ，支持 TCP/IP等 Internet协议将占用大量系统资源，或根本不行能；为了既实现相应的功能又节约系统资源，需要对协议进行有针对性的模块化裁剪，在单片机上嵌入 TCP/IP协议簇的一个子集；文章依据各种MCU自身的特性，实现TCP/IP协议的方法和实现嵌入式Internet的方案及 TCP 协议的机制裁减方法，同时用设计实例证明白嵌入
2、式 TCP/IP的可行性 ；关键词： 嵌入式 TCP/IP ；嵌入式 Internet； TCP 协议的机制裁减1绪论在 Internet 日益普及，信息共享程度不断提高的今日，人们的工作和生活方式发生了根本性的变化；单片机或微掌握器 MCU 已经在家庭和工业的各个领域得到了应用，通称嵌入式系统；但目前大多数嵌入式系统仍处于单独应用的阶段，一般都是孤立于 Internet 以外；假如嵌入式系统能够连接到Internet 上面，就可以便利、低廉地将信息传送到几乎世界上的任何一个地方；于是嵌入式Internet 技术就应运而生；将嵌入式系统与 Internet 结合起来的想法其实很早以前就有了，主
3、要的困难在于， Internet 上面的各种通信协议对于运算机储备器、运算速度等的要求比较高，而嵌入式系统中大量存在的是8 位和 16 位 MCU ，支持 TCP/IP 等 Internet协议将占用大量系统资源，或根本不行能；为了既实现相应的功能又节约系统资源，需要对协议进行有针对性的模块化裁剪，在单片机上嵌入TCP/IP 协议簇的一个子集；2TCP/IP 协议分析TCP/IP 通常被认为是一个四层协议系统,分别为：链路层、网络层、传输层、应用层，每一层都有相应的协议集合来实现不同的功能, 其层次结构和主要的网络协议如图 3.1所示；2.1 链路层协议分析链路层的主要作用是为上层协议发送和接
4、收数据包；链路层中重点分析的为ARP 协议；以太网上数据报的传输是采纳网络的MAC 地址来进行识别的，这就要求系统有实现 IP 地址到 MAC 地址的转换的功能，即 ARP 地址解读 协议；ARP 协议可以分成 ARP 恳求协议和 ARP 响应协议；系统要同其它运算机通信， 就必需要实现 ARP 响应协议； ARP 恳求协议建立了一个 IP 地址到 MAC 地址的映射；假如嵌入式系统的资源有限，可使用以太网广播帧发送数据分组，也可以 把数据分组发往固定的路由器，由路由器转发数据分组；欢迎下载精品学习资源应用层Telnet、FTP、HTTP传输层TCP、UDP网络层ICMP 、IP、IGMP链路
5、层ARP 、 RARP 、硬件接RARP 逆地址解读协议 主要用于无盘工作站中，嵌入式Internet中无须实现此协议；欢迎下载精品学习资源2.2 网络层协议分析图 2.1 TCP/IP层次结构图欢迎下载精品学习资源网络层处理分组在网络中的活动；其协议包括IP 协议网际协议）、 ICMP协议Internet 互联网掌握报文协议）以及 IGMP 协议和无连接的 UDP 用户数据报协议；TCP 是一种面对连接的协议，它供应高牢靠性服务；TCP 在传输前必需先通过“三重握手”在主机间建立 TCP 接入，它所传数据流采纳了次序号和应答措施，可以发觉数据的丢失、段的失序和对传输错误的排除，所以TCP协议
6、供应的是数据流的牢靠传输；但相对于UDP，它的牢靠性是以复杂性为代价的，需要复 杂巨大的程序来实现；UDP 供应的是无连接的不行靠的服务，可能显现数据包的丢失、重复和连接失败等错误；但是正由于没有保证牢靠性的机制，它可以实现高速发送，充分发挥物理传输设备的速度； UDP 适合用在通信介质特别牢靠的情形，例如以太网等；欢迎下载精品学习资源传输层有两个可挑选的协议，所以就应当考虑该用那个协议传输数据报；下面用例子来说明：对楼宇散布各处的温度和湿度传感器的每秒一次地集中监控来说，选用 UDP 或 TCP 都关系不大；而对独立的、又不太重要的传感器监控，选用 UDP 也够了；而进入数据库的传感器监控结
7、果，因其牢靠性要求，就需用TCP；另外， Web 和 Email 也采纳的是 TCP；2.4 应用层协议分析应用层协议是 TCP/IP 协议族中最大的一个子集，其种类特别繁多；最常用的有 Telnet远程登录协议）、 FTP文件传输协）、 SMTP简洁邮件传送协议）、 HTTP超文本传输协议）等；在设计中用到哪个应用程序，主要是依据嵌入式系统的用途来确定；假如系统要求采纳Email 来发送信息，就需要针对SMTP 协议来实现；假如系统要求通过浏览器的方式来拜访，那么系统就应当实现嵌入式 Web Server的相应协议；3 嵌入式 TCP/IP 协议概述传输掌握协议 / 网间协议 和无连接的 U
8、DP 用户数据报协议；TCP 是面对接入即传输前必需先通过“三重握手”在主机间建立TCP 接入，它所传数据流采纳了次序号和应答措施，可以发觉数据的丢失、段的失序和 对传输错误的排除，所以 TCP协议供应的是数据流的牢靠传输；但相对于UDP，它的牢靠性是以复杂性为代价的，需要复杂巨大的程序来实现；UDP 供应的是无连接的不行靠的服务，可能显现数据包的丢失，重复和连接失败等错误；但是正因没有接入机制，它可以实现高速发送，充分发挥物理传输设备的速度；UDP 适合用在通信介质特别牢靠的情形，例如以太网等；网络层处理分组在网络中的活动；其协议包括IP 协议网际协议）、 ARP 协议地址解读协议）、 IC
9、MP 协议Internet互联网掌握报文协议）以及 IGMP 协议Internet 组治理协议）； IP 协议是 TCP/IP 族的核心协议，它使异构网络之间的通信成为可能；因此假如嵌入式 Internet，需要跨过不同的网络进行通信就必需要实现 IP 协议； ARP 协议实现将规律 IP 地址映射为物理地址； ICMP 协议主要用来欢迎下载精品学习资源传递差错报文以及其他需要留意的信息；我们通常使用的应用程序PING 就是采纳 ICMP 协议来测试网络的连通情形；对于一般的嵌入式Internet的应用而言， 在 ICMP 协议中能够测试网络的连通情形即可，因此只需实现ICMP 中类型号为0、
10、代码为 0 的 PING 应答协议即可；通常嵌入式 Internet不考虑 IGMP；链路层主要作用是为其上层协议发送和接收数据包，依据物理层的不同，主要协议有以太网、令牌环网、 FDDI 光纤分布式数据接口）及 RS232 串行线路协议等；可由挑选的网络接口芯片完成；4 嵌入式 Internet 技术原理及方案嵌入式 Internet技术，也就是将嵌入式系统与 Internet 结合起来实现系统网络化，涉及的两个关键问题即传送信息的媒质和采纳的协议；与 Internet相联接的途径可以是以太网或者电话线等媒介；而在大多数工作场地都配有以太网，电子装置通过集线器，同时也可以嵌入完整的 TCP/
11、IP 协议；4.1.2 32 位 MCU 芯片32 位机也有足够的资源和才能运行TCP/IP 协议和一些嵌入式操作系统；所以原就上讲，实现思路和高档机一样；4.1.3 8/16 位 MCU 芯片由于 8 位和 16 位 MCU 的处理才能和储备问题，要实现TCP/IP 协议是比较困难的；因此要依据其特点，对TCP/IP 协议进行简化，保留其最基本的东西；同时，上层协议可不用或者简洁实现；即将原先的TCP/IP 协议转变成嵌入式TCP/IP 协议，我们随后会详细介绍；4.2 实现嵌入式 Internet 的方案4.2.1 通过专用的 WEB 服务器实现在现有的嵌入式系统中大量使用的是8 位或 1
12、6 位 MCU ，并不要求每个设备都直接连到 Internet上，用户可以通过 Internet接近设备，然后再用轻量级网络扩欢迎下载精品学习资源展到多个设备上；如电力线、 RS485、RS232、I2C 等；专用 WEB 服务器作为子网设备路由器来转换和实现嵌入式系统与外部网的通信；比如EmWare公司特地为嵌入式微掌握器设备设计的网络服务器；4.2.2 通过专用的嵌入式网关 emgateway相联即嵌入式系统使用轻网络通讯技术与专用嵌入式网关连接，运行TCP/IP 协议，并供应 TCP/IP 到用户的轻型网络的连接和路由功能；4.2.3 把标准网络技术始终扩展到嵌入式设备由嵌入式系统自身实
13、现 WEB 服务器功能，每个设备都可与 Internet 相连；这种方法是目前正确的解决方案，也是将来电器、设备的进展方向；第三种方案的 TCP/IP 协议实现又分硬件固化和软件两种方式；硬件方式是指用网络芯片实现 TCP/IP 协议，形成独立于各种微掌握器的专用芯片，通过其标准的输入输出口，可与绝大多数单片机相连；软件方式是把TCP/IP 协议以软件方式嵌入到 ROM 中；在软件方式详细实现时，又有以下两种不同设计思想： 第一种设计是针对高档MCU 片上系统，如 ARM 7 或 386EX 等，可运行嵌入式实时操作系统，实现较完整的 TCP/IP 协议；采纳这种方式最敏捷，能按用户需求实现许
14、多复杂的功能，但是采纳这种方式对开发人员的要求比较高，开发周期也较长；其次种设计是针对低档的8/16 位 MCU 的嵌入式系统，考虑到其系统速度和内存的限制，不行能实现完整的TCP/IP 协议，只能实现精简的TCP/IP 协议；5TCP 协议的机制裁减在传统传感器中嵌入式 WEB 服务器，远程用户就可以对传感器实现远程监控，这就是通常所说的基于 Internet的网络传感器，通常数据传输量很小；作为一种嵌入式 Internet技术应用，在 TCP 之上实现有限的 WEB 服务，只需要一部分 TCP 服务机制，或者并不对 TCP 全部机制都有很高的要求；针对这个这个特点，我们可以从前面争论的四个
15、方面对TCP 协议进行裁减：确认与超时重传机制、流量和拥塞掌握、 TCP 连接状态和 TCP 运行状态机；5.1 确认与超时重传5.1.1 捎带确认机制通信过程中，通信双方都必需对对方上一次发送来的数据赐予确认；这是保证传输牢靠性的基本方法；但是，假如接收方对每一个数据报文都返回独立的应答报文，会在很大程度上铺张带宽，造成通信效率的降低；我们可以让发送方发送数据时捎带对上一次接收到的数据确认；这样只需要在发送的TCP头部中设置一个应答标志位和一个确认序列号；这样做不会额外增加网络上的数据报流量，可以有效提高通信质量；5.1.2 应用层参加重传欢迎下载精品学习资源假如发出的数据包在肯定时间 RT
16、T ，Round Trip Time，发出数据到收到确认所需的来回时间）内没有收到确认，发送方由TCP 执行重传；假如储备空间答应，可以定义安排两个缓冲区，一个存放待发送数据，另一个存放已发送数据，这样重发就变得很便利了；但是，为了节约储备空间，TCP 对已发送的数据不进行任何缓存，由应用程序重新生成数据，重复上一次发送过程；当周期计时器减至 0 时，激活 TCP 重传事务，然后调用 HTTP 回调函数 HTTP_Appcall ），检测重传标志位，进行重传工作；假如在连接已经建立阶段，就重新生成重传数据，假如在连接建立或关闭过程中，说明丢失的是确认或应答包，依据不同的TCP 连接状态，重发不
17、同类型的数据包；这样并不会增加应用程序的复杂性，由于确认重传的时机是 TCP 的责任，而应用程序只需要重发时使应用层数据指针重新指向上一次发送的数据即可；应用层参加重传机制的实现，有效降低了对微处理器储备才能的要求；5.2 流量掌握和拥塞掌握由于网络传感器传输数据量很小，我们没有必要牺牲大量的储备空间实现滑动窗口机制换取对流量和拥塞的掌握；我们可以采纳停等协议，它是滑动取窗口协议的一个极限情形，只使用一个窗口；发送方每发送一个分组，都等待确认；收到确认后再发送下一个分组；这样做即能够保证传输的肯定牢靠，在数据量不大的情形下，传输的实时性也不会有明显的折扣；更重要的是，化解了流量和拥塞问题；当然
18、，假如只是用一个窗口，仍要求对方也使用简洁的确认机制；这可以通过设置 TCP头部 Windows 字段来通知对方自己的接收缓冲区大小，防止对方连续发送大量数据造成接收缓冲区溢出，以至丢包；5.3 同时支持少数 TCP 连接每个 TCP 连接由套接字唯独标识； TCP 初始化后处于端口侦听状态，当接到客户机建立 TCP连接的恳求时，除了发送“恳求应答”报文以外，仍要记录该TCP 的状态，包括源端 IP 地址、源端口号、目的IP 地址、目的端口号、序列号等大量连接信息，以便对接收和发送的TCP 段进行跟踪；经过简化TCP 机制， 去除滑动窗口协议，我们尽量使用较少的TCP状态数据，这样可以节约储备
19、开 销；另外，远程检测需要多用户同时拜访检测页面，所以，应当同时支持多个TCP 连接；但是，假如同时处理多个连接的恳求和应答，除了记录各个连接的状态信息之外，仍要在不同状态之间切换，无疑会增加RAM 的使用；所以，可以仅支持十个 TCP连接同时存在，即最多有 10 个用户同时拜访服务器；对于 8 位单片机来讲，这是合适的挑选；5.4 TCP 状态机欢迎下载精品学习资源TCP 的面对连接和牢靠性传输等特性打算了每一个标准的TCP 协议连接都要经过三次握手建立和拆除连接，这个过程可以用状态图机描述；为了状态机的正常工作，即各种状态之间的正准确换，必需储备每种状态的相关信息；因此，状态机越复杂， T
20、CP 协议实现的规模越大，保护状态机的开销就越多，对处理器储备才能的要求也越高；一个标准的状态机可以分为服务器和客户机两部分，服务器状态机又分为被 动建立连接和主动拆除连接两部分，而拆除和客户机之间的连接过程很复杂；但 是，服务器发送完数据，向客户机发送关闭连接恳求后，客户机一般没有余外的 数据要发送，所以当接收到服务器的关闭连接恳求后客户机会直接发送 FIN+ACK ，服务器接到应答后，回应 ACK ，并直接进入“计时等待”状态，等待关闭；这样服务器关闭 TCP连接的过程就大大简化了；通过以上分析可以，作为一种嵌入式 Internet技术，我们可以依据特定的应用不失一般性的裁减掉复杂和冗余的
21、机制；这样，除去标准状态机中的客户端部分，简化服务器关闭连接过 程不失一般性），就得到图 5.1 的服务器状态机模型；图中 CLOSED、LISTEN 、SYN_RCVD 、ESTABLISHED 、FIN_WAIT 、TIME_WAIT分别代表“已关闭”、“监听”、“接收到SYN”、“连接已建立”、“ FIN 等待 1”、“计时等待”等状态； .被动打开CLOSELISTENRx:SYNTx:SYN+ACKSYN_RCVD关闭超时TDEOUT重启Rx:RESERx:RRSEFIN_WAIT关闭Tx:FINRx:ACKTIME_WAITRx:PIN+ACKTx:ACK关闭Tx:FINESTAB
22、LISHED欢迎下载精品学习资源6 设计实例图 5.1简化的 TCP状态机欢迎下载精品学习资源应用一般 8/16 位 MCU 形成嵌入式网关是最具进展潜力的一大热点；而应用TCP/IP 协议的以太网已经成为最流行的分组交换局域网技术，整个网络只有一种底层通讯协议，同时也具有开放的TCP/IP 网络技术；它可满意掌握系统各个层次的要求 ；工业掌握领域中常用的现场总线和串行通信可以通过嵌入式网关与以太网相连，从而便利的实现掌握网络与Internet连接，目前基于以太网的工业掌握网络已经成为将来的进展趋势；所以本设计采纳在16 位 MCU 中嵌入“裁欢迎下载精品学习资源剪”后的 TCP/IP 协议栈
23、及以太网掌握芯片驱动程序，并通过以太网接入Internet网络；这种方案第一要求在链路层上，由于采纳以太网的接人方式，系统必需要实现 IEEE802.3 标准，这可采纳通用的以太网接口芯片RTL8019AS 来完成；其次，为了保证系统在以太网的通信，系统仍需实现ARP 应答协议；在网络层上要实现 IP 协议，为了能够测试系统与网络的连接，系统需要实现ICMP 协议中的ping 应答协议；在传输层上我们挑选UDP 协议；应用层上单片机系统传递来自Ethernet和数据终端的数据，应用层只对大的数据报作打包拆报处理；RTL8019AS 是 REALTEK 公司生产的一种全双工以太网掌握器，符合Et
24、hernet II、IEEE802.3，从而为数据处理供应了很大的缓存，同时它也有地址锁存和地址译码功能；使用E2PROM93C46，可以将网卡物理地址和其他参数储存在里面；这里的 RTL8019AS 就是处理以太网协议 IEEE802.3 ）的；数据的流向为： 恳求信息从局域网中来，通过 RJ45 送到 RTL8019AS ，处理后的数据包送入80C196协议栈，由协议栈对数据包进行解读，得到原始恳求信息；恳求信息再经 过 80C196的处理，产生回复信息；回复信息到局域网的过程与上面正好相反；RJ45 为此系统与局域网的接口；数据段的个数可从 46Byte-1500 Byte，不足 46B
25、yte 时用零补足；超过1500Byte 时，需要拆成多个帧传送；前导位、帧起始位和帧校验序列仅供掌握器本身用，主处理器收到的数据帧的组成依次包括：接收状态、下一帧的页地址指 针、目的地址、源地址、数据长度、数据段；IEEE802.3 标准中的数据长度值小于或等于 0x0600 时，表示数据段的长度；反之，表示数据帧的类型；例如值为0x0800，表示数据段为 IP 包；值为 0x0806，表示数据段为 ARP 包；在选定硬件，完成各芯片间地址线、数据线及状态线连接后，开头软件设计；软件设计主要包括：芯片初始化程序、以太网掌握器驱动程序、TCP/IP 协议栈程序、系统网络配置程序；芯片初始化程序
26、用于设置MCU 工作模式及外围芯片挑选；以太网掌握器驱动程序用于设置以太网掌握芯片的工作状态及工作方式，安排收发数据的缓冲区；系统网络配置程序用于给监测系统安排IP 地址及域名；当网络有数据时， RTL8019AS 在接收和处理完以太网数据帧后传送给单片机， 80C196对数据包进行分析，假如是 ARP生成 UDP 校验 建立 IP 头 生成Ethernet头 放到网卡发送缓冲区 发送7 嵌入式 TCP/IP 与 UNIX 中 TCP/IP 的区分TCP/IP 最先是在 UNIX 系统里实现的，后来的LINUX 、DOS、WINDOWS 也实现了 TCP/IP，随后 TCP/IP 协议也被移植
27、到其它嵌入式的处理器上；由于嵌入式系统与 PC机的差别很大，在嵌入式系统中实现TCP/IP 协议与 UNIX系统的实现有很大的不同，主要区分有以下几点：7.1 操作系统不论是 WINDOWS 、UNIX 、LINUX ，它们都有一个多任务操作系统，这使得代码编写简洁化；嵌入式系统的TCP/IP 是直接面对硬件，没有一个多任务操作系统平台， MCU 中的程序结构一般是次序执行和硬件中断相结合的方式，与高级操作系统中的多线程并发执行的方式截然不同；因此，对于程序执行结构， 单片机要考虑更多；7.2 内存安排UNIX 操作系统的储备治理策略能有效进行内存治理与安排， TCP/IP 在实现时可以不考虑
28、内存大小的问题，比如缓冲的处理上， mbuf、TCB 等数据结构是一个储备链，这个链可以动态地增加和减小，依据需要随时安排，随时撤消；而在嵌入式统中储备空间一般只有几十KB ；所以在设计时不但要考虑程序代码本身大小，仍要认真考虑缓冲区的设置；一个最大的以太网数据包有1500 多个字节，而嵌入式系统只能供应几十K 字节的空间，并要被各个协议所用，所以只能开创 1536 个字节的缓冲区来存放接收到的数据，收到一包就处理一包，其储备地址是固定的，而不是动态安排的；7.3 参数传递在 UNIX 实现的 TCP/IP 源代码中，一般有许多的参数传递，而在单片机里答应传递的参数是有限的，同时参数传递的过程
29、要铺张程序代码空间，也降低单片 机的执行速度；所以在单片机的实现里，一般不要做太多的参数传递，而多使用 公共的全局变量来实现调用的过程；7.4 硬件接口在 UNIX 里，对网卡驱动无一例外都是采纳中断方式；而在单片机的应用中，大部分的方案都是查询式的；由于在单片机里处理一次中断、收取一个数据包一般要几毫秒的时间，这将封锁其它中断的产生；另外电脑往往采纳即插即用方式来驱动网卡，从而有良好的兼容性；在单片机中，为了节约代码和I/O 接口资源，网络接口掌握芯片一般使用跳线方式，数据总线也采纳8 位 DMA 方式；欢迎下载精品学习资源8 结论随着科技不断进展和人们对嵌入式系统之间进行互联的要求，嵌入式
30、TCP/IP 协议也必将不断的应用于我们嵌入式系统中，来实现嵌入式系统与Internet之间 便利、低廉地进行信息的传递；但是，目前在嵌入式系统中实现TCP/IP 协议时，没有考虑安全性和地址自动配置等问题，而这些问题将是我们以后要考虑的重点问题；信任随着嵌入式 Internet技术的进展，在不久的将来，这些问题会得到解决；欢迎下载精品学习资源参考文献： 指导老师：同晓荣 欢迎下载精品学习资源1 王峰, 张雄伟等 .嵌入式 Internet技术及其实现方案J.微运算机信息,2003,1219:23 262 王勇, 陈抗生 .嵌入式 Internet中的协议挑选 J.电信科学 ,2002,42:
31、36383 李明. 康静秋 .嵌入式 TCP/IP 协议栈的争论与开发 J.运算机工程与应用,2002,1605:56604 Kenneth D .Reed,3com公司译 . TCP/IP基础 M.北京 : 电子工业出版社 ,20045 Kenneth D .Reed,孙坦 , 张学锋等译 .协议分析 M.北京 : 电子工业出版社 ,20036 陶波, 丁汉等 .基于嵌入式 Internet的工业掌握 J.测控技术 ,2002,208:42 467 万静华 , 丁亚军 .以太网掌握器的嵌入式设备网络互连J.单片机与嵌入式系统应用,2001,125:12 168 周明天 , 汪文勇 . TCP
32、/IP网络原理与技术 M.北京 : 清华高校出版社 ,19939 J.Benthem著, 陈向群译 . TCP/IP Lean:嵌入式系统 WEB服务器 M.北京 : 机械工业出版社,200310 李金梁 , 景博.一种嵌入式 WEB服务器的设计及在SAW 压力传感器中的应用 J.第五届全国嵌入式系统大会论文集 ,2004,912:78 90The Analysis and Research of Embedded TCP/IP ProtocolAbstract:The embedded TCP / IP protocol used in PC-different from the TCP /
33、 IP protocol, above all Internet communication protocols for computer memory, such as the requirements of computing speed is relatively high, and there are a lot of embedded system is 8 and 16 - bit MCU, and supports TCP / IP and other Internet protocol will take up much of system resources, or impo
34、ssible. In order to achieve both savings and the corresponding functionof system resources, the need foragreement targeted modular tailoring,in the SCMembedded TCP / IP protocol subset of a cluster. According to various articles MCUs characteristics and realize the TCP /IP protocol and implementation of the programme and embedded Internet protocol TCP reduction mechanism, at the same time using design proof of embedded TCP / IP feasibility.欢迎下载精品学习资源Keywords:The embedded TCP/IP ； Theembedded Internet ； TCP protocol mechanism reductionl欢迎下载