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

1　引言

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

　　如何通過(guò)Internet共享嵌入式設備的信息,實(shí)現設備的遠程訪(fǎng)問(wèn)、控制和管理,對接入到網(wǎng)絡(luò )上各個(gè)節點(diǎn)的設備實(shí)時(shí)監控,這就是設備接入互聯(lián)網(wǎng)需要解決的問(wèn)題。TCP/IP協(xié)議是標準的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議,如果能把TCP/IP協(xié)議嵌入到設備的MCU中,就可以通過(guò)它在設備和Internet之間建立通信鏈路,這樣就解決了設備與網(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)

　　和嵌入式系統面向特定的應用一樣,分析嵌入式TCP/IP協(xié)議棧的特點(diǎn)和對傳統的TCP/IP協(xié)議棧進(jìn)行簡(jiǎn)化也要針對特定的系統環(huán)境和應用背景。離開(kāi)了特定的系統環(huán)境和應用背景來(lái)討論嵌入式TCP/IP協(xié)議棧的特點(diǎn)和對TCP/IP協(xié)議棧進(jìn)行簡(jiǎn)化是沒(méi)有意義的。這里所討論的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧是針對那些低檔的8位/16位嵌入式系統能支持嵌入式Internet直連體系結構而提出的。

　　嵌入式系統有限的處理能力以及存儲資源相對缺乏,因此在嵌入式Internet環(huán)境里使用標準TCP/IP協(xié)議棧是不合適的。把TCP/IP協(xié)議棧從普通的PC機移植到MCU,內存和內存管理成了瓶頸。為了既實(shí)現相應的網(wǎng)絡(luò )功能又節省系統資源,需要對協(xié)議棧進(jìn)行有針對的模塊化裁減。針對家電系統中的8位/16位MCU結構設計了一個(gè)TCP/IP協(xié)議簇的子集,稱(chēng)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,對協(xié)議進(jìn)行了有選擇的實(shí)現,盡最大可能保持協(xié)議功能和機制上的完整。

　　Simplified TCP/IP協(xié)議棧按照網(wǎng)絡(luò )體系分層思想設計,如圖1所示。其中每一層都被設計成一個(gè)功能相對獨立的模塊,負責處理各自的數據,通過(guò)函數調用把控制權交給上層或下層的模塊。

　　低檔嵌入式系統中一般沒(méi)有實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統支持,所以Simplified TCP/IP協(xié)議棧直接面對硬件。MCU中的程序結構一般是順序執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、數據總線(xiàn)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,勢必影響其他中斷和任務(wù)的執行。當系統中有實(shí)時(shí)數據采集、串口通信中斷、鍵盤(pán)中斷等實(shí)時(shí)任務(wù)時(shí),則會(huì )造成沖突。設計時(shí)需要合理劃分中斷處理程序,將無(wú)實(shí)時(shí)要求和費時(shí)的SimplifiedTCP/IP協(xié)議棧處理放在主程序順序循環(huán)中。對網(wǎng)絡(luò )接口控制芯片采用查詢(xún)式,即在其他中斷任務(wù)的執行間隙處理Simplified TCP/IP協(xié)議棧,以犧牲響應速度換取系統可靠性,如圖2所示。

　　3　TCP/IP協(xié)議棧的裁減

　　
普通操作系統可支持完整的TCP/IP協(xié)議族,但嵌入式系統中大多很難做到,也不需做到。嵌入式系統中實(shí)現的協(xié)議要根據各個(gè)系統的特點(diǎn)及功能來(lái)進(jìn)行設計。TCP/IP協(xié)議族中,只實(shí)現與實(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地址和數據鏈路層使用的硬件地址提供動(dòng)態(tài)地址映射。通用計算機系統中,ARP高速緩存一般設計成雙向數據鏈的形式,這樣整個(gè)緩存可以方便地動(dòng)態(tài)增減。但是這種非線(xiàn)性存儲的鏈表式緩存結構,在進(jìn)行表項匹配查找時(shí)比較費時(shí),不適用于嵌入式系統。因此ARP的地址緩存采用了線(xiàn)性數組形式的結構。它在內存中是連續線(xiàn)性存儲的,查找速度快。嵌入式應用中節點(diǎn)不是很多,即ARP緩存容量不需要很大,因此將ARP高速緩存設計成固定大小。被動(dòng)的嵌入式服務(wù)器主要是接收來(lái)自客戶(hù)的服務(wù)請求,為客戶(hù)提供服務(wù),即嵌入式服務(wù)器不會(huì )主動(dòng)向某一主機發(fā)數據幀。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發(fā)送ARP請求,設備只要能處理ARP請求并返回ARP應答即可。鑒于這種情況,ARP協(xié)議中選擇對ARP應答部分進(jìn)行實(shí)現。