基于TCP/IP的浮標網絡通信系統(tǒng)設計

引言

水聲信道匹配基礎研究是建立在水聲學、海洋物理聲學以及現代信號處理技術基礎上的新興研究領域。為滿足研究需要而構建的局部海域水聲信道測量平臺（圖 1），能夠實現環(huán)境信息和信道參量的系統(tǒng)采集和實時傳遞，對信道寬容匹配方法的可行性進行檢驗。

浮標系統(tǒng)以它的靈活、高效、自身干擾小等特點，在水聲信道研究中發(fā)揮著其它設備不可替代的作用?，F有的浮標系統(tǒng)大多采用直接序列擴頻電臺直接進行水面通訊，這種方式往往不使用網絡協(xié)議或使用自定義的網絡協(xié)議。而采用無線網橋進行水面通訊，以TCP/IP作為網絡協(xié)議，將大大增強浮標系統(tǒng)網絡化。同時由于TCP/IP協(xié)議是目前最為成熟的網絡協(xié)議之一，浮標網絡的穩(wěn)定性、可擴展性都得以提高，甚至通過互聯網直接控制浮標系統(tǒng)也成為可能。因此，本文基于TCP/IP網絡協(xié)議設計并實現了浮標網絡通信系統(tǒng)。

1、浮標網絡通訊系統(tǒng)設計

1.1 基于TCP/IP網絡協(xié)議的浮標通訊系統(tǒng)

水聲信道匹配基礎研究所使用的浮標具有水下傳感器單元、信號處理單元及水面通訊單元。其中水面通訊單元負責浮標與岸基控制站、測量船及其它浮標的信息交換，要求具備網絡通訊功能。

　　浮標網絡通訊系統(tǒng)由無線網橋、TCP/IP協(xié)議控制單元及微控制器(MCU)組成，如圖 2所示。無線網橋采用較為成熟網橋產品，如BreezeNET無線網橋，其功能是通過無線網路傳輸TCP/IP數據包。MCU負責對TCP/IP協(xié)議棧的進行設置，并寫入待發(fā)數據及讀出接收數據。

TCP/IP協(xié)議棧的實現是浮標網絡通訊系統(tǒng)的核心部分。其實現方式可以采用軟件實現，但該方法一般要求處理速度較高的MCU，而且占用大量代碼空間，同時編程需要對整個TCP/IP 協(xié)議的機制和細節(jié)十分熟悉，開發(fā)難度大。而硬件實現方式則把MCU從繁重的網絡協(xié)議運行工作中解放出來，從而提高了系統(tǒng)效率。

數據或指令由無線網橋發(fā)送或接收。它通過RJ45接口經變壓器與10Base-T通用以太網接口控制器RTL8201相連。RTL8201通過MII標準接口與W3100A交換數據。RTL8201從W3100A處接收以太幀，然后進行曼徹斯特編碼，發(fā)送以太網幀時，先在幀前端加上幀起始標志。當監(jiān)聽到網絡中有以太網幀存在時，RTL8201接收模塊首先用鎖相環(huán)電路實現與物理信號同步，然后對物理信號采樣接收并送給曼徹斯特解碼功能塊，最后得到W3100A能識別的歸“0”碼（已把幀前導碼分離），并將其通過MII接口送入網絡接口層模塊。發(fā)送數據時，數據由MCU數據接口寫入W3100A的發(fā)送緩沖區(qū)，通過控制各個協(xié)議層的相關控制寄存器，數據在TCP層中添加上各個控制標志等，封裝成為TCP段，實現面向連接的可靠傳輸；TCP段接著交給IP層進行打包，IP層的一個重要功能是實現對TCP段的分片，以達到IP數據報能夠最大效率利用以太網幀的數據區(qū)的目的。完整的IP數據報繼續(xù)傳給網絡接口層，LLC子層使用物理層提供的不可靠的比特鏈路，實現可靠的分組傳輸服務，MAC子層為數據分組添加目的節(jié)點的物理地址，MAC實現不可靠的分組傳輸。經過網絡接口層后，最終封裝成幀格式，然后再經過MII接口送入RTL8201，在RTL8201里進行曼徹斯特編碼并添加前導信號等。當RTL8201監(jiān)聽到物理鏈路空閑時，立即通過RJ45接口把數據幀發(fā)送到以太網上。接收數據時則進行相反的操作，收發(fā)器接收以太網上的物理信號把前導碼分離出來并進行曼徹斯特解碼，把結果傳送給網絡接口層，網絡接口層MAC子層檢查幀的物理目的地址是否與自己的相同，以決定是否交給LLC子層，LLC用差錯檢測位判斷分組是否正確。正確的分組被送入IP層，在IP層中檢測錯誤、拆封并進行分片重組后送給TCP層，TCP層實現面向連接的可靠傳輸，所以TCP層將進行嚴格的差錯控制，再從TCP段中取出數據，然后通過數據接口傳送回MCU。物理幀經過各個協(xié)議層進行解包，最終把數據傳回MCU，但在各層解包時如果IP地址或數據出錯等，數據包將被丟棄，并要求重傳。如果處理的報文是ICMP、UDP 或ARP等時，其大致流程是一樣的，不同報文的區(qū)別會在相應的包頭指示出來，供協(xié)議識別。