基于A(yíng)RM的嵌入式TCP/IP協(xié)議的實(shí)現

在網(wǎng)絡(luò )應用日益普遍的今天，越來(lái)越多的嵌入式設備實(shí)現Ｉｎｔｅｒｎｅｔ網(wǎng)絡(luò )化。ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議是一種目前被廣泛采用的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議。嵌入式Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的技術(shù)核心是在嵌入式系統中部分或完整地實(shí)現ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議。由于ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議比較復雜，而目前嵌入式系統中大量應用低速處理器，受內存和速度限制，有必要將ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議簡(jiǎn)化。


１ ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議的實(shí)現

嵌入式ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議一般實(shí)現：ＡＲＰ／ＲＡＲＰ、ＩＰ、ＩＣＭＰ、ＴＣＰ、ＵＤＰ、ＨＴＴＰ、ＳＭＴＰ、ＦＴＰ、ＴＥＬＮＥＴ等協(xié)議，協(xié)議處理的主要流程如圖１所示。

１．１ ＴＣＰ協(xié)議的實(shí)現

工業(yè)控制領(lǐng)域傳輸層采用ＴＣＰ協(xié)議、不用ＵＤＰ協(xié)議，是考慮到實(shí)時(shí)監控系統中傳輸量并不大，而可靠性要求較高。ＴＣＰ協(xié)議是面向連接的、端對端的可靠通信協(xié)議。它采用了許多機制來(lái)保證可靠傳輸，應用于嵌入式系統顯得過(guò)于復雜。

ＴＣＰ協(xié)議數據傳輸可分為三個(gè)階段：建立連接、傳輸數據和斷開(kāi)連接。它的實(shí)現過(guò)程可以用狀態(tài)機來(lái)描述。建立連接有兩種方法，即主動(dòng)打開(kāi)和被動(dòng)打開(kāi)。服務(wù)器端是一種被動(dòng)打開(kāi)，它一直在偵聽(tīng)連接請求；而客戶(hù)端是一種主動(dòng)打開(kāi)，它發(fā)送連接請求以建立連接。研究發(fā)現，如果ＴＣＰ層的上層實(shí)現服務(wù)器端的應用，可以將標準ＴＣＰ狀態(tài)機建立連接過(guò)程中客戶(hù)端建立連接的狀態(tài)機部分簡(jiǎn)化掉。同理，如果應用是基于客戶(hù)端的，可以將服務(wù)器端建立連接的狀態(tài)機部分簡(jiǎn)化掉。斷開(kāi)連接有兩種方式：一是主動(dòng)斷開(kāi)連接；另一是被動(dòng)斷開(kāi)連接。被動(dòng)斷開(kāi)連接的處理較為簡(jiǎn)單，但標準ＴＣＰ協(xié)議的主動(dòng)斷開(kāi)連接的狀態(tài)機部分過(guò)于復雜。經(jīng)過(guò)實(shí)驗發(fā)現，在需要主動(dòng)斷開(kāi)連接的時(shí)候，發(fā)送一個(gè)Ｆｉｎ數據報；接收到對Ｆｉｎ數據報的確認后，再發(fā)送一個(gè)Ｒｅｓｅｔ數據報，即可順利完成一次主動(dòng)斷開(kāi)連接。

標準的ＴＣＰ協(xié)議使用慢啟動(dòng)的滑動(dòng)窗口機制?；瑒?dòng)窗口是一種在流量控制和網(wǎng)絡(luò )傳輸效率之間折中的方案。它允許發(fā)送方在等待一個(gè)確認之前發(fā)送多個(gè)窗口，其確認是一種批量的確認。研究滑動(dòng)窗口協(xié)議發(fā)現，滑動(dòng)窗口的一個(gè)極限情況，是只使用單個(gè)窗口，就變成了一種簡(jiǎn)單確認的處理方法。使用該方法后，所有的處理只是對單個(gè)數據報的發(fā)送和確認，節約了系統的資源，也使維護更加方便。為了協(xié)議的兼容性，需要通信的另一方也使用簡(jiǎn)單確認方法。因為如果對方使用較大的窗口，就可能造成處理器被淹沒(méi)。這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)設置待發(fā)送數據報的ＴＣＰ頭部的Ｗｉｎｄｏｗｓ字段的大小解決。

在上述基礎上，簡(jiǎn)化實(shí)現ＴＣＰ協(xié)議的流程圖如圖２所示。其中“不同狀態(tài)的相應處理”指根據接收到的ＴＣＰ報文準備待發(fā)送數據報并將其發(fā)送到以太網(wǎng)上。這部分根據ＴＣＰ所處的不同狀態(tài)，所做的處理是不一樣的。

１．２ ＩＰ協(xié)議

ＩＰ協(xié)議是ＴＣＰ／ＩＰ的基礎，為不同網(wǎng)絡(luò )的主機之間發(fā)送數據報的操作序列提供無(wú)連接服務(wù)。通過(guò)在數據報前添加ＩＰ協(xié)議頭，使每個(gè)數據報具有尋址能力。嵌入式系統只把ＩＰ作為傳輸工具，進(jìn)行簡(jiǎn)化以完成主要的操作。得到ＩＰ包后，檢驗ＩＰ頭部的版本、目的地址、校驗和正確否，解析出協(xié)議類(lèi)型字段，由此交給相應的高層協(xié)議處理。發(fā)送ＩＰ包時(shí)，將緩沖區內的源地址與目的地址互換，設置校驗和，然后交給下層協(xié)議處理。不符合要求，則將此包丟棄。ＩＰ包最大可以為６５ＫＢ，可以分段傳輸，而在嵌入式系統里根本無(wú)法容納如此大的數據包，因此一般不支持分段傳輸。所以限制ＭＣＵ發(fā)送和接收數據包的方式以避免分段傳輸，從而減少程序復雜度。