MC68VZ328的智能家庭網(wǎng)關(guān)的解決方案

　　引言

　　智能家庭網(wǎng)絡(luò )是信息時(shí)代帶給人們的又一個(gè)高科技產(chǎn)物。它借助現有的計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，將家庭內部的各種家電和設備連網(wǎng)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )為人們提供各種豐富、多樣、個(gè)性、方便、舒適、安全和高效的服務(wù)。家庭網(wǎng)絡(luò )化也是整個(gè)社會(huì )信息化的一個(gè)重要的部分。智能家庭網(wǎng)絡(luò )系統的基本結構如圖1所示。

　　實(shí)現家庭內部信息與家庭外部信息的交換，無(wú)疑是家庭連網(wǎng)的目的所在，其實(shí)現需要設計一個(gè)理想的家庭網(wǎng)關(guān)。

　　1 家庭網(wǎng)關(guān)

　　家庭網(wǎng)關(guān)作為家庭網(wǎng)絡(luò )與Internet間的接口，如圖2所示。家庭網(wǎng)關(guān)應具有以下的基本功能：

　?、僮鳛樗型獠拷尤刖W(wǎng)連接到家庭內部，同時(shí)將家庭內部網(wǎng)絡(luò )連接到外部的一種物理接口;

　?、谑棺≌脩?hù)可以獲得各種家庭服務(wù)(包括現有的和未來(lái)可能出現的服務(wù))的平臺;

　?、蹫榧彝炔烤W(wǎng)絡(luò )中的設備分配IP地址，每個(gè)家庭網(wǎng)絡(luò )中的設備必須擁有唯一的IP地址(僅限于家庭網(wǎng)絡(luò )內部使用)，對于這種僅限于家庭內部使用的IP只能由家庭網(wǎng)關(guān)來(lái)配置;

　?、苈酚晒δ?，家庭網(wǎng)絡(luò )的復雜性使得內部可能存在多個(gè)具有不同物理協(xié)議的子協(xié)議，家庭網(wǎng)關(guān)必須具有路由的功能，將來(lái)自Internet的帶寬 信息發(fā)送給相應的設備，同時(shí)也可實(shí)現設備間通信及分工合作;

　?、莨蚕韺拵нB接，使家庭內部的多個(gè)PC及其它信息設備有效地共享寬帶接入。

　　2 智能家庭網(wǎng)關(guān)的實(shí)現

　　2.1 智能家庭網(wǎng)關(guān)的硬件體系結構

　　智能家庭網(wǎng)關(guān)的硬件體系結構如圖3所示.

　　智能家庭網(wǎng)關(guān)硬件系統選用Motorola公司的68VZ328處理器芯片，配合4MB的Flash和2MB的SDRAM存儲器，對外提供RS232/RS485、USB、I/O和以太網(wǎng)接口，并可以方便地擴展多種智能家庭網(wǎng)絡(luò )物理接口。

　　2.2 智能家庭網(wǎng)關(guān)的軟件體系結構

　　軟件體系結構如圖4所示。

　　在家庭網(wǎng)關(guān)的軟件系統中，選用Motorola提供的PPSM系統。由于PPSM系統沒(méi)有提供窗口系統，因此根據家庭網(wǎng)關(guān)系統中的實(shí)際需要作出適當的修改后，設計出一套窗口操作系統;又由于PPSM系統中沒(méi)有實(shí)現網(wǎng)絡(luò )功能，因此在對PPSM系統進(jìn)行修改時(shí)添加了TCP/IP協(xié)議棧，這樣就可以在這個(gè)操作系統中實(shí)現網(wǎng)絡(luò )功能了。

　　3 嵌入式TCP/IP協(xié)議棧開(kāi)發(fā)

　　嵌入式系統中對TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現方式有硬件固化和軟件實(shí)現兩種。硬件方式是指TCP/IP協(xié)議棧用硬件的方式實(shí)現，嵌入式系統中直接與TCP/IP協(xié)議棧硬件芯片連接，由它實(shí)現協(xié)議的轉換，從而使之與互聯(lián)網(wǎng)相連接。但這無(wú)疑增加了硬件成本，對一些功能單一的嵌入式設備，連接一個(gè)完整的TCP/IP硬件議棧，是一個(gè)極大的浪費，而且所增加的成本費用是難以議棧，是個(gè)極大的浪費，而且所增加的成本費用是難以接受的。因此在該系統中，選用軟件方式實(shí)現嵌入式TCP/IP協(xié)議具有更大的優(yōu)勢。

　　高級的操作系統可支持TCP/IP協(xié)議族，但我們選用的PPSM系統是不支持的，因此必須根據該系統的實(shí)際需要添加對TCP/IP協(xié)議族的支持功能。在添加TCP/IP協(xié)議族時(shí)，根據系統的特點(diǎn)和功能設計出獨特的TCP/IP協(xié)議族，實(shí)現與需要有關(guān)的部分，對不需要的協(xié)議則不予支持;其次，對于使用的協(xié)議根據具體應用作出了必要修改。

　　在該系統中，嵌入式TCP/IP協(xié)議棧實(shí)現ARP、IP、ICMP、TCP、UDP、HTTP等協(xié)議?；镜膮f(xié)議處理程序如力所示。

　　結合該系統的實(shí)際情況，構建嵌入式TCP用于控制動(dòng)作的有限機模型如圖6所示。在一些對于嵌入式系統不必要的地方做了修改、簡(jiǎn)化，但仍保持與標準TCP協(xié)議的一致性。

　　在設計嵌入式Web服務(wù)器，時(shí)系統中TCP中上只支持HTTP協(xié)議，嵌入式系統把數據采集、運行參數等當前實(shí)時(shí)數據存入存儲器中網(wǎng)頁(yè)的相關(guān)位置。對任何TC連接，每次只是支持HTTP協(xié)議發(fā)送風(fēng)頁(yè)服務(wù)，并且把每個(gè)網(wǎng)頁(yè)大小限制在一個(gè)數據包內，而不會(huì )出現IP包的分拆。作為嵌入式Web服務(wù)器，TCP連接時(shí)只處于被動(dòng)服務(wù)的狀態(tài)，所以可以將標準TCP有限狀態(tài)機主動(dòng)創(chuàng )建連接的SYN-ENT狀態(tài)、主動(dòng)關(guān)閉連接的FIN-AIT1、FIN-AIT2、CLOSING、TIME-AIT狀態(tài)省去。在設計中，還去掉了CLOSED狀態(tài)，讓它一開(kāi)始就處于LISTEN狀態(tài)，來(lái)監聽(tīng)客戶(hù)端的連接請求，避免了主動(dòng)或被動(dòng)打開(kāi)的操作，對此嵌入式場(chǎng)合，更加高效。

　　在三次握手建立連接的過(guò)程中，嵌入式系統作為監聽(tīng)狀態(tài)的服務(wù)器端，始終為被動(dòng)方，相當于被動(dòng)打開(kāi)后的LISTEN狀態(tài)，等對方發(fā)起連接。當它接收到SYN數據片，它發(fā)出SYN+ACK數據片并確認它已接收到對方的SYN，此時(shí)變?yōu)镾YN+RECIVED狀態(tài)。再接收到對方返回的一個(gè)僅含ACK的空數據片，則三次握手完成，進(jìn)入ESTABLISHED狀態(tài)，之后可以進(jìn)行TCP數據通信。

　　在操作系統中，為防止舊的重復連接請求引起混亂，可以用復位RESET控制攝文對這種情況進(jìn)行處理。收到復位RESET信號后，若處于非同步狀態(tài)(SYNRECIVED、SYN-SEND)，則回到LISTEN狀態(tài);若處于任意一種同步狀態(tài)，它就異常終止連接并通知它的用戶(hù)在該系統中取消了CLOSE狀態(tài)，所以收到復位RESET控制報文時(shí)，回到LISTEN狀態(tài)。實(shí)際處理時(shí)并沒(méi)有記憶當前的狀態(tài)，所以不需要作任何操作，并因為始終處于被動(dòng)狀態(tài)而從不發(fā)復位RESET報文。

　　在操作系統中，將端口號、IP地址、序列號、窗口尺寸等和響應的傳輸控制塊TCB結構表示不同的連接，為不同的客戶(hù)請求建立多個(gè)連接，一一對應，并發(fā)執行。而在嵌入式TC宮實(shí)現如此復雜的操作并不現實(shí)，故設計中沒(méi)有記錄TCP連接所處的當前狀態(tài)，也沒(méi)有分開(kāi)建立多個(gè)TCP連接。分析如下：每從下層協(xié)議傳來(lái)一個(gè)報文后，并不能比較報文段中的信息和TCP中的信息來(lái)進(jìn)行處理，因為并沒(méi)有記憶過(guò)去所建連接的有關(guān)信息，所以并不知道此連接是否存在及所處狀態(tài)等，僅僅根據接收包內的有關(guān)信息(控制位和有無(wú)數據)，來(lái)判斷所處連接狀態(tài)來(lái)進(jìn)行回應。連接的概述在一定程度上，只是對客戶(hù)端PC來(lái)說(shuō)的，給它維持一個(gè)連接存在的假象。而嵌入式報務(wù)器端因為不存儲連接的信息，相當于沒(méi)有連接的存在，對所有連接都響應，才可以在有限系統資源的條件下實(shí)現了多連接。

　　在TCP的連接中，一方由于崩潰等原因造成異常終止或關(guān)閉一個(gè)連接，會(huì )產(chǎn)生半開(kāi)連接的問(wèn)題，由于異常的一方丟失了存儲的信息，若任一方發(fā)數據去，對方會(huì )回復復位信號，連接復位。對嵌入式系統來(lái)說(shuō)，當客戶(hù)機異常且嵌入式系統發(fā)數據時(shí)，會(huì )被回復復位信號;當嵌入式系統異常后，又重新開(kāi)始時(shí)，由于它本來(lái)就無(wú)存儲信息，故沒(méi)有什么影響。

　　當網(wǎng)絡(luò )出現超時(shí)、丟失包時(shí)，一般用超時(shí)重傳機制間來(lái)重發(fā)，而嵌入式系統發(fā)包之后，并未保存此包，此不考慮重發(fā)問(wèn)題。當丟包后，繹方接不到確認包，為自己的所發(fā)的包丟失，超時(shí)重發(fā)，而嵌入式系統此時(shí)再響應并發(fā)包，仍可保證可靠性。

　　嵌入式系統不記憶TCP連接的序列號，除了第一次建立連接時(shí)初始化序列號外，是根據對方發(fā)包中的值來(lái)確定序列號，因此它不能識別重復報文，而照?；貞?。把此重復報文的處理工作交給對方處理，仍可滿(mǎn)足基本工作要求。對依靠TCP連接的HTTP服務(wù)來(lái)說(shuō)，嵌入式服務(wù)器僅僅在服務(wù)器端響應客戶(hù)端請求，所接收的一個(gè)報文數據報即可傳輸完成，故不需要考慮失序問(wèn)題。

　　在設計實(shí)現TCP有限狀態(tài)機時(shí)，使用過(guò)程驅動(dòng)方案為每個(gè)輸入狀態(tài)啟動(dòng)一個(gè)過(guò)程。當某一事件發(fā)生時(shí)，TCP利用當前狀態(tài)來(lái)選取一個(gè)適當的過(guò)程。該過(guò)程處理輸入事件并更新當前狀態(tài)變量值，即每個(gè)狀態(tài)對應一個(gè)過(guò)程，當一個(gè)輸入報文段到達時(shí)，TCP調用當前狀態(tài)對應的過(guò)程，進(jìn)行處理。程序主要如下：

　　…

　　if(SYN_IN && port_right)tcp_send_SYN_ACK 0;

　　else if(SYN_IN && port_num_wrong)tcp_send_RST_ACK 0;

　　else if(ACK_IN && port_num_right && have_data)http_process (tcp_ACK);

　　else if(FIN_IN && port_num_right && have_data)http_process

　　(tcp_FIN);

　　else if(FIN_IN && port_num_right && no_data)tcp_send_FIN 0;

　　else

　　…

　　4 總結

　　該解決方案中只實(shí)現了家庭網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò )控制功能，在下一步中將逐漸加入使用電話(huà)對家庭網(wǎng)關(guān)的控制功能。這樣就使人們在不能上網(wǎng)的情況下只需要使用電話(huà)，就能通過(guò)智能家庭網(wǎng)關(guān)實(shí)現人們只有在網(wǎng)上才能實(shí)現的功能。