基于SF0020芯片的嵌入式TCP/IP協(xié)議族設計與實(shí)現

1、 引言
TCP/IP起源于60年代末美國政府資助的一個(gè)分組交換網(wǎng)絡(luò )研究項目，到現今已發(fā)展成為計算機之間最常應用的組網(wǎng)形式。盡管標準的TCP/IP協(xié)議族在數據傳輸的可靠性與數據流量的控制上作的很好，但是8位微控制器性能的限制下，標準的TCP/IP協(xié)議族的實(shí)現占用大量系統資源是實(shí)際應用所不允許的。因此要在不改變TCP/IP協(xié)議族標準的前提下對其進(jìn)行裁剪，使其實(shí)時(shí)性提高同時(shí)保證可靠性以滿(mǎn)足嵌入式系統的要求。
SF0020是NEC公司推出的兼容80C51的8位微控制器芯片。根據系統在網(wǎng)絡(luò )監控系統控制終端應用的需要，外部接25MHz晶體，內部倍頻至50MHz。該芯片內嵌有10M/100Mbps的MAC模塊并提供MII界面，可與外部的Ethernet PHY芯片方便連接。芯片有256字節內部數據存儲器，外部可擴充至512K字節。具備的DMA通道實(shí)現了在RAM中和在MAC與RAM之間進(jìn)行快速數據傳輸的功能；支持校驗和模塊，在實(shí)現TCP/IP時(shí)可以節省控制器運算開(kāi)銷(xiāo)。指令周期為4個(gè)時(shí)鐘周期（標準80C51為12時(shí)鐘周期/指令周期）。其性能滿(mǎn)足實(shí)現嵌入式TCP/IP協(xié)議族的基本要求。
2、 協(xié)議族總體框架設計與裁剪策略
為了實(shí)現在局域網(wǎng)環(huán)境中作為客戶(hù)端控制前端監控設備(硬盤(pán)錄像機、編碼器、解碼、視頻服務(wù)器等)的應用要求，必須在有限的硬件資源的條件下保證數據傳輸的可靠性和實(shí)時(shí)性。因此數據鏈路層采用目前應用最為廣泛的以太網(wǎng)協(xié)議；上層利用TCP/IP的實(shí)現采用在運輸層直接采用可靠的TCP協(xié)議，然后對其進(jìn)行適當裁剪的方法。這是因為考慮到通用性、兼容性和通信的可靠程度，而沒(méi)有使用在應用層加入控制策略運輸層使用簡(jiǎn)單UDP協(xié)議的方案。本地數據的流動(dòng)要實(shí)現向應用程序提供可靠的數據，與底層以太網(wǎng)驅動(dòng)程序交互數據報功能。
協(xié)議族系統結構框架如下圖1所示，其中虛線(xiàn)部分是本文所要完成的，包括socket子層、運輸層的TCP協(xié)議、網(wǎng)絡(luò )層的IP和ICMP協(xié)議、ARP協(xié)議和以太網(wǎng)子層。

圖1 協(xié)議族系統框架
2.1 接口子層實(shí)現
以太網(wǎng)子層提供了與以太網(wǎng)驅動(dòng)程序的接口，其實(shí)現驅動(dòng)程序存儲空間和協(xié)議空間之間數據搬移的功能；以及數據報流入的分路和流出的封裝處理。
Socket（插口）子層向上層提供了創(chuàng )建一個(gè)socket描述符，將本地的IP地址與端口號綁定到一個(gè)socket上，TCP連接的建立、斷開(kāi)，數據的接收與發(fā)送的功能。
2.2 網(wǎng)絡(luò )層實(shí)現
網(wǎng)絡(luò )層實(shí)現包括IP協(xié)議（Internet Protocol網(wǎng)際協(xié)議）和基于IP協(xié)議的ICMP協(xié)議（Internet Control Messages Protocol控制報文協(xié)議）。圖1中該層下部的ARP（Address Resolution Protocol 地址解析協(xié)議）為IP提供動(dòng)態(tài)地址解析服務(wù)。
IP是TCP/IP協(xié)議族中最為核心的協(xié)議。所有的網(wǎng)絡(luò )層和運輸層數據都以IP數據報格式傳輸。為了減小TCP/IP協(xié)議族的負擔，接收時(shí)首先要檢查數據報的正確性，其次還要過(guò)濾目的地址不是本機的報文；此外如果收到被IP分片的數據報立即丟棄。最后判斷協(xié)議交給TCP或ICMP協(xié)議處理。因為禁止IP層分片可以提高通信的效率和可靠性，根據以太網(wǎng)最大傳輸單元（MTU）的限制，socket子層控制了用戶(hù)每次傳輸分組的最大字節數。同樣服務(wù)端也對IP分片加以限制使IP無(wú)需把有限的系統資源消耗在IP報文重裝上，這正是丟棄被分片的IP數據報的原因。
ICMP提供主機或路由器報告差錯或提供查詢(xún)信息的服務(wù)。ICMP報文可以分成兩類(lèi)：差錯和查詢(xún)。查詢(xún)報文是用一對請求和回答定義的。ICMP差錯報文通常包含了引起錯誤的IP數據報的第一個(gè)分片的IP首部(和選項)，加上該分片數據部分的前8個(gè)字節。由于運輸層僅僅使用TCP協(xié)議，ICMP也進(jìn)行了裁剪。協(xié)議支持ping命令請求回顯應答，用于檢查協(xié)議族的運行狀況；差錯控制全部交給運輸層TCP協(xié)議處理。