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

　　3. 2　網(wǎng)際協(xié)議—IP協(xié)議

　　IP協(xié)議是TCP/IP協(xié)議簇中最為核心的協(xié)議,提供不可靠的無連接的數(shù)據(jù)報傳送服務(wù)。所有的TCP、UDP和ICMP數(shù)據(jù)都以IP數(shù)據(jù)報的格式傳輸。IP協(xié)議非常重要,實現(xiàn)比較復(fù)雜。從實現(xiàn)Simplified TCP/IP協(xié)議棧的要求出發(fā),約簡IP協(xié)議需要把握兩個原則:①對接收到的IP數(shù)據(jù)報進(jìn)行處理,向上層協(xié)議進(jìn)行提交;②負(fù)責(zé)對UDP報文進(jìn)行封裝,交給數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行裝幀。當(dāng)設(shè)備收到發(fā)給自己的數(shù)據(jù)報時,首先判斷是否是自己的數(shù)據(jù)報,若不一致則丟棄該數(shù)據(jù)報;否則進(jìn)行IP校驗和的驗證,當(dāng)數(shù)據(jù)報無誤后,去掉IP頭部,將IP數(shù)據(jù)提交上層處理。

　　
一般情況下,數(shù)據(jù)包要經(jīng)過不同的物理網(wǎng)絡(luò),則IP層必須支持?jǐn)?shù)據(jù)包的分片和重裝。但I(xiàn)P的分片和重組所需的開銷比較大,而現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)一般都支持以太網(wǎng),并且在此次應(yīng)用的8/16位嵌入式系統(tǒng)中,傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都是一些數(shù)據(jù)量比較小的狀態(tài)信息或者控制信息。因此數(shù)據(jù)報都不會超過協(xié)議所限制的1500字節(jié)。如果極少數(shù)數(shù)據(jù)實在比較大,可以在程序中進(jìn)行處理,分批次進(jìn)行傳輸。因此可以裁減掉IP的分片和重組功能。而IP數(shù)據(jù)包的路由功能則交給默認(rèn)網(wǎng)關(guān)執(zhí)行。

　　3. 3　網(wǎng)際控制報文協(xié)議———ICMP協(xié)議

　　ICMP協(xié)議是IP網(wǎng)絡(luò)內(nèi)為控制、測試、管理功能而設(shè)計

的協(xié)議。ICMP的報文類型很多,不同類型的報文由類型和代碼字段共同決定。為了了解設(shè)備是否可達(dá), Simplified TCP/IP協(xié)議棧中主要實現(xiàn)了回顯請求和應(yīng)答報文的功能。該程序發(fā)送ICMP回顯請求報文給目的主機(jī),并等待ICMP回顯應(yīng)答。對于處于被動狀態(tài)設(shè)備而言,不需要主動發(fā)送回顯請求,只要能夠識別來自其他客戶的回顯請求并發(fā)送回顯應(yīng)答就可以了。為了能夠使用戶了解設(shè)備是否可達(dá),應(yīng)當(dāng)能夠?qū)ing的回顯請求給予應(yīng)答。

　　3. 4　用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議—UDP協(xié)議

　　Simplified TCP/IP協(xié)議棧中的傳輸層中,選用UDP作為傳輸層協(xié)議。從理論上看,TCP的可靠性是以許多復(fù)雜措施及由此而增加的開銷為代價換來的。TCP提供面向鏈接的、可靠的服務(wù),而UDP是無面向鏈接的。由于UDP沒有可靠性的保證機(jī)制,因此能全速地進(jìn)行數(shù)據(jù)通信(即充分發(fā)揮物理通信設(shè)備的速度);又因為UDP沒有點對點接入的要求,可以實現(xiàn)“一對多點”,“多對多點”的廣播和多點播發(fā)信息。UDP的不可靠傳輸?shù)娜毕?可以在使用UDP時,在應(yīng)用層增加提高UDP可靠性的代碼來彌補(bǔ)。譬如給數(shù)據(jù)添加順序標(biāo)記,因而能在應(yīng)用層發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的丟失和亂序,從而加以更正;采用應(yīng)答確認(rèn)機(jī)制,確保數(shù)據(jù)安全到達(dá)接收者等。

　　由于嵌入式系統(tǒng)的CPU速度有限、代碼不能太長、傳輸率是關(guān)鍵等特殊要求,一般來講,在嵌入式設(shè)備接口時,快速、簡單地與嵌入式設(shè)備進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸是首為重要的。所以減少和嵌入式設(shè)備之間的往返信息,使網(wǎng)絡(luò)成為一種更為高效的通信媒介將是嵌入式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計的必由之路。而UDP協(xié)議的開銷很小,傳輸率比TCP高出很多,實時性更強(qiáng)。所以嵌入式TCP/IP協(xié)議中采用UDP協(xié)議作為運(yùn)輸層協(xié)議,不失為明智之舉。嵌入式系統(tǒng)中也可能存在對數(shù)據(jù)傳輸可靠性要求很高的情況。由于UDP協(xié)議沒有計時機(jī)制、流量控制或擁塞管理機(jī)制、應(yīng)答、緊急數(shù)據(jù)的加速傳送等功能,因此在應(yīng)用層協(xié)議中加入相應(yīng)的措施,如給數(shù)據(jù)報加上順序標(biāo)識、定時等待、采用重傳機(jī)制等輔助性的操作來彌補(bǔ)它的缺陷。從應(yīng)用的角度看, Simplified TCP/IP協(xié)議棧主要是應(yīng)用于家用電器上網(wǎng)。對于溫度、煙霧和濕度傳感器等的每秒一次地集中監(jiān)控來說,發(fā)送頻繁,包較小,只需前端設(shè)備向網(wǎng)絡(luò)中廣播實時狀態(tài)等數(shù)據(jù)即可,因此選用UDP較為合適。

　　4　Simplified TCP/IP協(xié)議棧處理流程

　　Simplified TCP/IP協(xié)議棧接收數(shù)據(jù)包的過程就是解析數(shù)據(jù)包的過程。首先當(dāng)一個數(shù)據(jù)幀到達(dá)時,網(wǎng)絡(luò)接口控制程序?qū)⑵渥x入緩沖區(qū),檢查協(xié)議類型字段,如值依次為0x0800,表示數(shù)據(jù)域內(nèi)為IP包;值依次為0x0806,表示數(shù)據(jù)域內(nèi)為ARP包[6]。由此以確定使用那種協(xié)議模塊來處理此分組。去掉以太網(wǎng)幀首部的數(shù)據(jù)包將被分配到IP緩存或者ARP緩存。接著,由IP協(xié)議處理模塊或ARP協(xié)議處理模塊繼續(xù)解析。ARP根據(jù)包的類型,或者更新ARP地址映射表或者發(fā)送ARP應(yīng)答。IP協(xié)議處理模塊對數(shù)據(jù)包解析后,將數(shù)據(jù)交給UDP協(xié)議處理模塊或ICMP協(xié)議處理模塊。ICMP協(xié)議模塊會發(fā)回一個ICMP回顯應(yīng)答包。Simplified TCP/IP協(xié)議棧發(fā)送數(shù)據(jù)包的過程是封裝數(shù)據(jù)包的過程,數(shù)據(jù)經(jīng)過某層協(xié)議的處理,就會在數(shù)據(jù)包首部增加某種

　　格式的頭部。在IP協(xié)議模塊處理數(shù)據(jù)包的過程,它要通過調(diào)用ARP協(xié)議獲得對方主機(jī)的物理地址。

　　Simplified TCP/IP協(xié)議棧處理流程如圖3所示。

　　圖3　Simplified TCP/IP協(xié)議棧處理流程圖

　　5　總結(jié)與展望

　　為了驗證方案的可行性,實驗中以簡單圖像的傳輸為研究對象,檢驗Simplified TCP/IP協(xié)議棧的運(yùn)行效果。從測試結(jié)果可看出,大流量的圖像傳輸系統(tǒng)中發(fā)生數(shù)據(jù)報的幾率還是比較大的。當(dāng)然,如果是應(yīng)用在數(shù)據(jù)流量不是很大,僅有一些少量數(shù)據(jù)和簡單的控制指令或反饋信息的應(yīng)用系統(tǒng)中,運(yùn)行的情況會更好一些。

　　目前Simplified TCP/IP協(xié)議棧技術(shù)還有一些不完善的地方。比如在數(shù)據(jù)量大的網(wǎng)絡(luò)中減小數(shù)據(jù)報的丟失率,更有效的進(jìn)行擁塞控制等,這些都是今后的努力方向。另外,還需要進(jìn)一步優(yōu)化代碼,提高SimplifiedTCP/IP協(xié)議棧的性能。