一種新的嵌入式Simplified TCP/IP協(xié)議棧的研究與實(shí)現(xiàn)

1　引言

　　嵌入式nternet是近幾年隨著嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展而興起的一項(xiàng)新興概念和技術(shù)。單片機(jī)或微控制器(MCU,Micro ControllerUnit)被廣泛應(yīng)用在家庭和工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域,通稱嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)具有以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪等特點(diǎn),贏得了巨大的市場(chǎng),在應(yīng)用數(shù)量上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了各種通用計(jì)算機(jī)。隨著Internet/Intranet的發(fā)展,各種家用電器,從空調(diào)到微波爐,都產(chǎn)生了連入互聯(lián)網(wǎng)的要求。

　　如何通過Internet共享嵌入式設(shè)備的信息,實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程訪問、控制和管理,對(duì)接入到網(wǎng)絡(luò)上各個(gè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控,這就是設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)需要解決的問題。TCP/IP協(xié)議是標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,如果能把TCP/IP協(xié)議嵌入到設(shè)備的MCU中,就可以通過它在設(shè)備和Internet之間建立通信鏈路,這樣就解決了設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的關(guān)鍵技術(shù)。

　　2　Simplified TCP/IP協(xié)議棧的特點(diǎn)

　　和嵌入式系統(tǒng)面向特定的應(yīng)用一樣,分析嵌入式TCP/IP協(xié)議棧的特點(diǎn)和對(duì)傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議棧進(jìn)行簡(jiǎn)化也要針對(duì)特定的系統(tǒng)環(huán)境和應(yīng)用背景。離開了特定的系統(tǒng)環(huán)境和應(yīng)用背景來(lái)討論嵌入式TCP/IP協(xié)議棧的特點(diǎn)和對(duì)TCP/IP協(xié)議棧進(jìn)行簡(jiǎn)化是沒有意義的。這里所討論的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧是針對(duì)那些低檔的8位/16位嵌入式系統(tǒng)能支持嵌入式Internet直連體系結(jié)構(gòu)而提出的。

　　嵌入式系統(tǒng)有限的處理能力以及存儲(chǔ)資源相對(duì)缺乏,因此在嵌入式Internet環(huán)境里使用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議棧是不合適的。把TCP/IP協(xié)議棧從普通的PC機(jī)移植到MCU,內(nèi)存和內(nèi)存管理成了瓶頸。為了既實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)功能又節(jié)省系統(tǒng)資源,需要對(duì)協(xié)議棧進(jìn)行有針對(duì)的模塊化裁減。針對(duì)家電系統(tǒng)中的8位/16位MCU結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一個(gè)TCP/IP協(xié)議簇的子集,稱之為Simplified TCP/IP協(xié)議棧。其中包括IP、UDP、ARP和ICMP等協(xié)議的全部或部分功能,對(duì)協(xié)議進(jìn)行了有選擇的實(shí)現(xiàn),盡最大可能保持協(xié)議功能和機(jī)制上的完整。

　　Simplified TCP/IP協(xié)議棧按照網(wǎng)絡(luò)體系分層思想設(shè)計(jì),如圖1所示。其中每一層都被設(shè)計(jì)成一個(gè)功能相對(duì)獨(dú)立的模塊,負(fù)責(zé)處理各自的數(shù)據(jù),通過函數(shù)調(diào)用把控制權(quán)交給上層或下層的模塊。

　　低檔嵌入式系統(tǒng)中一般沒有實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)支持,所以Simplified TCP/IP協(xié)議棧直接面對(duì)硬件。MCU中的程序結(jié)構(gòu)一般是順序執(zhí)行和硬件中斷相配合的方式。嵌入式處理器的時(shí)鐘頻率低,地址、數(shù)據(jù)總線窄,所以一個(gè)IP包的處理要花很多的時(shí)間。如果采用中斷處理方式,勢(shì)必影響其他中斷和任務(wù)的執(zhí)行。當(dāng)系統(tǒng)中有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、串口通信中斷、鍵盤中斷等實(shí)時(shí)任務(wù)時(shí),則會(huì)造成沖突。設(shè)計(jì)時(shí)需要合理劃分中斷處理程序,將無(wú)實(shí)時(shí)要求和費(fèi)時(shí)的SimplifiedTCP/IP協(xié)議棧處理放在主程序順序循環(huán)中。對(duì)網(wǎng)絡(luò)接口控制芯片采用查詢式,即在其他中斷任務(wù)的執(zhí)行間隙處理Simplified TCP/IP協(xié)議棧,以犧牲響應(yīng)速度換取系統(tǒng)可靠性,如圖2所示。

　　3　TCP/IP協(xié)議棧的裁減

　　
普通操作系統(tǒng)可支持完整的TCP/IP協(xié)議族,但嵌入式系統(tǒng)中大多很難做到,也不需做到。嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的協(xié)議要根據(jù)各個(gè)系統(tǒng)的特點(diǎn)及功能來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。TCP/IP協(xié)議族中,只實(shí)現(xiàn)與實(shí)際需要有關(guān)的部分,而不使用的協(xié)議則一概不支持。Simplified TCP/IP協(xié)議棧中支持的協(xié)議。

　　3. 1　地址轉(zhuǎn)換協(xié)議—ARP協(xié)議

　　ARP協(xié)議是某些網(wǎng)絡(luò)接口(如以太網(wǎng)和令牌環(huán)網(wǎng))使用的特殊協(xié)議,ARP的地址解析功能是為IP地址和數(shù)據(jù)鏈路層使用的硬件地址提供動(dòng)態(tài)地址映射。通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中,ARP高速緩存一般設(shè)計(jì)成雙向數(shù)據(jù)鏈的形式,這樣整個(gè)緩存可以方便地動(dòng)態(tài)增減。但是這種非線性存儲(chǔ)的鏈表式緩存結(jié)構(gòu),在進(jìn)行表項(xiàng)匹配查找時(shí)比較費(fèi)時(shí),不適用于嵌入式系統(tǒng)。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(chǔ)的,查找速度快。嵌入式應(yīng)用中節(jié)點(diǎn)不是很多,即ARP緩存容量不需要很大,因此將ARP高速緩存設(shè)計(jì)成固定大小。被動(dòng)的嵌入式服務(wù)器主要是接收來(lái)自客戶的服務(wù)請(qǐng)求,為客戶提供服務(wù),即嵌入式服務(wù)器不會(huì)主動(dòng)向某一主機(jī)發(fā)數(shù)據(jù)幀。既然如此始終處于被動(dòng)狀態(tài)的服務(wù)器完全不需要向任何主機(jī)發(fā)送ARP請(qǐng)求,設(shè)備只要能處理ARP請(qǐng)求并返回ARP應(yīng)答即可。鑒于這種情況,ARP協(xié)議中選擇對(duì)ARP應(yīng)答部分進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。