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

　　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(wú)連接的數據報傳送服務(wù)。所有的TCP、UDP和ICMP數據都以IP數據報的格式傳輸。IP協(xié)議非常重要,實(shí)現比較復雜。從實(shí)現Simplified TCP/IP協(xié)議棧的要求出發(fā),約簡(jiǎn)IP協(xié)議需要把握兩個(gè)原則:①對接收到的IP數據報進(jìn)行處理,向上層協(xié)議進(jìn)行提交;②負責對UDP報文進(jìn)行封裝,交給數據鏈路層進(jìn)行裝幀。當設備收到發(fā)給自己的數據報時(shí),首先判斷是否是自己的數據報,若不一致則丟棄該數據報;否則進(jìn)行IP校驗和的驗證,當數據報無(wú)誤后,去掉IP頭部,將IP數據提交上層處理。

　　
一般情況下,數據包要經(jīng)過(guò)不同的物理網(wǎng)絡(luò ),則IP層必須支持數據包的分片和重裝。但IP的分片和重組所需的開(kāi)銷(xiāo)比較大,而現有的網(wǎng)絡(luò )一般都支持以太網(wǎng),并且在此次應用的8/16位嵌入式系統中,傳輸的數據都是一些數據量比較小的狀態(tài)信息或者控制信息。因此數據報都不會(huì )超過(guò)協(xié)議所限制的1500字節。如果極少數數據實(shí)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數據包的路由功能則交給默認網(wǎng)關(guān)執行。

　　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 )內為控制、測試、管理功能而設計

的協(xié)議。ICMP的報文類(lèi)型很多,不同類(lèi)型的報文由類(lèi)型和代碼字段共同決定。為了了解設備是否可達, Simplified TCP/IP協(xié)議棧中主要實(shí)現了回顯請求和應答報文的功能。該程序發(fā)送ICMP回顯請求報文給目的主機,并等待ICMP回顯應答。對于處于被動(dòng)狀態(tài)設備而言,不需要主動(dòng)發(fā)送回顯請求,只要能夠識別來(lái)自其他客戶(hù)的回顯請求并發(fā)送回顯應答就可以了。為了能夠使用戶(hù)了解設備是否可達,應當能夠對Ping的回顯請求給予應答。

　　3. 4　用戶(hù)數據報協(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雜措施及由此而增加的開(kāi)銷(xiāo)為代價(jià)換來(lái)的。TCP提供面向鏈接的、可靠的服務(wù),而UDP是無(wú)面向鏈接的。由于UDP沒(méi)有可靠性的保證機制,因此能全速地進(jìn)行數據通信(即充分發(fā)揮物理通信設備的速度);又因為UDP沒(méi)有點(diǎn)對點(diǎn)接入的要求,可以實(shí)現“一對多點(diǎn)”,“多對多點(diǎn)”的廣播和多點(diǎn)播發(fā)信息。UDP的不可靠傳輸的缺陷,可以在使用UDP時(shí),在應用層增加提高UDP可靠性的代碼來(lái)彌補。譬如給數據添加順序標記,因而能在應用層發(fā)現數據的丟失和亂序,從而加以更正;采用應答確認機制,確保數據安全到達接收者等。

　　由于嵌入式系統的CPU速度有限、代碼不能太長(cháng)、傳輸率是關(guān)鍵等特殊要求,一般來(lái)講,在嵌入式設備接口時(shí),快速、簡(jiǎn)單地與嵌入式設備進(jìn)行雙向數據傳輸是首為重要的。所以減少和嵌入式設備之間的往返信息,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)議設計的必由之路。而UDP協(xié)議的開(kāi)銷(xiāo)很小,傳輸率比TCP高出很多,實(shí)時(shí)性更強。所以嵌入式TCP/IP協(xié)議中采用UDP協(xié)議作為運輸層協(xié)議,不失為明智之舉。嵌入式系統中也可能存在對數據傳輸可靠性要求很高的情況。由于UDP協(xié)議沒(méi)有計時(shí)機制、流量控制或擁塞管理機制、應答、緊急數據的加速傳送等功能,因此在應用層協(xié)議中加入相應的措施,如給數據報加上順序標識、定時(shí)等待、采用重傳機制等輔助性的操作來(lái)彌補它的缺陷。從應用的角度看, Simplified TCP/IP協(xié)議棧主要是應用于家用電器上網(wǎng)。對于溫度、煙霧和濕度傳感器等的每秒一次地集中監控來(lái)說(shuō),發(fā)送頻繁,包較小,只需前端設備向網(wǎng)絡(luò )中廣播實(shí)時(shí)狀態(tài)等數據即可,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)議棧接收數據包的過(guò)程就是解析數據包的過(guò)程。首先當一個(gè)數據幀到達時(shí),網(wǎng)絡(luò )接口控制程序將其讀入緩沖區,檢查協(xié)議類(lèi)型字段,如值依次為0x0800,表示數據域內為IP包;值依次為0x0806,表示數據域內為ARP包[6]。由此以確定使用那種協(xié)議模塊來(lái)處理此分組。去掉以太網(wǎng)幀首部的數據包將被分配到IP緩存或者ARP緩存。接著(zhù),由IP協(xié)議處理模塊或ARP協(xié)議處理模塊繼續解析。ARP根據包的類(lèi)型,或者更新ARP地址映射表或者發(fā)送ARP應答。IP協(xié)議處理模塊對數據包解析后,將數據交給UDP協(xié)議處理模塊或ICMP協(xié)議處理模塊。ICMP協(xié)議模塊會(huì )發(fā)回一個(gè)ICMP回顯應答包。Simplified TCP/IP協(xié)議棧發(fā)送數據包的過(guò)程是封裝數據包的過(guò)程,數據經(jīng)過(guò)某層協(xié)議的處理,就會(huì )在數據包首部增加某種

　　格式的頭部。在IP協(xié)議模塊處理數據包的過(guò)程,它要通過(guò)調用ARP協(xié)議獲得對方主機的物理地址。

　　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　總結與展望

　　為了驗證方案的可行性,實(shí)驗中以簡(jiǎn)單圖像的傳輸為研究對象,檢驗Simplified TCP/IP協(xié)議棧的運行效果。從測試結果可看出,大流量的圖像傳輸系統中發(fā)生數據報的幾率還是比較大的。當然,如果是應用在數據流量不是很大,僅有一些少量數據和簡(jiǎn)單的控制指令或反饋信息的應用系統中,運行的情況會(huì )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。比如在數據量大的網(wǎng)絡(luò )中減小數據報的丟失率,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。