【正文】 the application of embedded Internet has e into all aspects of people39。但是，由于嵌入式系統(tǒng)資源有限，一些傳統(tǒng)的Internet技術(shù)和設(shè)備無法直接應(yīng)用。如今嵌入式系統(tǒng)帶來的年產(chǎn)值早己超過萬億美元，1997年來自美國嵌入式系統(tǒng)大會的報告指出，未來幾年僅基于嵌入式的全數(shù)字電視產(chǎn)品，就將在美國產(chǎn)生一個每年上千億美元的新市場[2]。因此，研究嵌入式系統(tǒng)的Internet接入技術(shù)，將會有極具現(xiàn)實意義和經(jīng)濟價值。 本文主要工作 本文主要工作是將TCP/IP協(xié)議嵌入低檔單片機中。3. 對我們需要的協(xié)議進(jìn)行必要的精簡，以達(dá)到軟件的實現(xiàn)。在專用網(wǎng)中由PC網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議，并完成與Internet連接，實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)與Internet之間的信息交換。這種方案對嵌入式系統(tǒng)處理器和資源要求都比較低，開發(fā)相對容易，足以解決嵌入式系統(tǒng)與Internet之間通信的問題，特別適合在嵌入式系統(tǒng)多且集中的環(huán)境中應(yīng)用。EMIT由emMicro、emGateway 和網(wǎng)絡(luò)瀏覽器組成，并在MCU內(nèi)部以軟件方式嵌入emNet協(xié)議。這種方法的缺點是：對程序員的要求高，須對RTOS和TCP/IP協(xié)議都要很熟悉，開發(fā)周期也較長，難度較大。這些芯片固化了TCP/IP協(xié)議棧，支持HTTP，SMTP，MIME，POP3等協(xié)議，可進(jìn)行E_mail的收發(fā)及Web瀏覽。如圖23所示。這種方法實現(xiàn)起來比較簡單，而且可根據(jù)實際需要進(jìn)行功能擴展，但是需要在單片機上實現(xiàn)嵌入式TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，軟件編程的工作量比較大[8]。如表21所示，它可以分為4層，由低到高依次為：鏈路層、網(wǎng)際層、傳輸層和應(yīng)用層[9]。相反它定義像地址解析協(xié)議這樣的協(xié)議，提供TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和實際物理硬件之間的接口。l ICMP協(xié)議(網(wǎng)絡(luò)控制報文協(xié)議)：處理路由，協(xié)助IP層實現(xiàn)報文傳送的控制機制，提供錯誤和信息報告。其中TCP協(xié)議提供可靠的數(shù)據(jù)流運輸服務(wù)，UDP協(xié)議提供不可靠的用戶數(shù)據(jù)服務(wù)。(4) 第四層 應(yīng)用層對應(yīng)于OSI 7層參考模型的應(yīng)用層和表達(dá)層，應(yīng)用層作用是把應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絺鬏攲?，來進(jìn)行信息的交換。l HTTP 超文本傳輸協(xié)議：用來訪問在WWW服務(wù)器上的各種頁面。l RIP路由信息協(xié)議：用于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間交換路由信息。以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的物理特性是其長度必須在46B~1500B之間[10]。而鏈路接口分別要接收和發(fā)送IP、ARP和RARP數(shù)據(jù)，因此也需要在以太網(wǎng)幀首部中加入標(biāo)識，以指明生成數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層。每層協(xié)議盒都會檢查報文首部中的協(xié)議標(biāo)識，以確定接受數(shù)據(jù)的上層協(xié)議，這個過程稱作分用[10]。IP提供不可靠的、無連接的、盡最大努力交付的分組傳輸機制。這些規(guī)則指明了主機和路由器應(yīng)該如何處理IP分組、何時及如何發(fā)現(xiàn)錯誤信息以及在什么情況下可以放棄分組等等。IP地址有兩部分組成：網(wǎng)絡(luò)號和主機號。在IPv4中使用的IP地址是32位的二進(jìn)制地址。IP地址的4個域分別標(biāo)明了網(wǎng)絡(luò)號和主機號。最高兩位總置于二進(jìn)制的10，允許有16384個網(wǎng)絡(luò)。高4位總置為110，余下的為用于標(biāo)明客戶機所屬的組E類地址:E類地址沒有網(wǎng)絡(luò)號和主機號之分，最高位置為1111。在網(wǎng)絡(luò)中傳遞的幀必須含有目的地址的硬件地址。ARP緩存保存有動態(tài)和靜態(tài)項。(1) 當(dāng)一臺主機須要與另一臺主機通信時，初始化ARP請求。(4) 當(dāng)目標(biāo)主機斷定請求的IP地址自己相符時，會直接發(fā)送一個ARP回復(fù)，將自己的硬件地址傳給源主機。目標(biāo)IP地址如果是遠(yuǎn)程主機，ARP將廣播一個路由器的地址。(2) 如果沒有找該網(wǎng)關(guān)記錄，ARP將廣播請求網(wǎng)關(guān)地址不在是目標(biāo)主機的地址。若是本地，路由器用ARP獲得硬件地址。由于源主機在遠(yuǎn)程網(wǎng)上，將在本地路由表找源主機網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)。 IP分片/重組 ，物理網(wǎng)絡(luò)層一般要限制每次發(fā)送幀的的最大長度。這個過程稱為分片，每個分片包含一個分片首部，用來控制數(shù)據(jù)的分片和重組，它含有標(biāo)識、標(biāo)志和分片偏移3個字段[12]。 ICMP協(xié)議 IP協(xié)議不是一個可靠的協(xié)議，它不能保證數(shù)據(jù)被送達(dá)。 當(dāng)傳送的IP數(shù)據(jù)包發(fā)生錯誤，如主機不可達(dá)，路由不可達(dá)等，ICMP協(xié)議將會把錯誤信息封包，然后傳送給主機，讓主機處理錯誤。(3) 源站抑制 由于IP中沒有流量控制機制，源站抑制報文為IP增加了流量控制的能力。TCP中建立連接采用3次握手如圖33所示最簡單情況下進(jìn)行的連接。2. 服務(wù)器如果同意連接則發(fā)回報文段2，報文段2中ACK標(biāo)志為1，SYN標(biāo)志為1。報文段中ACK標(biāo)志為1，SYN標(biāo)志為0。當(dāng)雙方?jīng)]有數(shù)據(jù)發(fā)送時就發(fā)送一個終止位FIN。，當(dāng)服務(wù)器沒數(shù)據(jù)發(fā)送時，發(fā)送第三個報文段，即FIN報文段，F(xiàn)IN標(biāo)志置1。TCP用滑動窗口來實現(xiàn)流量控制機制，接收者用該字段告訴發(fā)送者還有多少緩沖空間可以用。TCP提供可靠的服務(wù)所使用的方法之一就是確認(rèn)和重傳。使用UDP數(shù)據(jù)服務(wù)的應(yīng)用程序須自己提供可靠性。以太網(wǎng)的接口芯片，負(fù)責(zé)收發(fā)以太數(shù)據(jù)包。 硬件總體功能結(jié)構(gòu)設(shè)計完整的TCP/IP協(xié)議是由許多個協(xié)議組成的協(xié)議簇，其功能強大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，占用系統(tǒng)資源較大。所以我選用MCS51系列單片機。串行接口內(nèi)帶有緩沖器；，作為片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器和4K ROM 程序存儲器，還有21個特殊功能寄存器SFR，用于編程控制；，分別為T0和T1。RTL8019AS是一種NE2000的兼容網(wǎng)卡芯片，支持以太網(wǎng)全雙工通信方式，軟件移植性好。由于選取MCS51單片機，故而選取C語言作為開發(fā)語言。2．語法限制不太嚴(yán)格，程序設(shè)計自由度大。5．允許直接訪問物理地址，能進(jìn)行位才做，可以直接對硬件進(jìn)行操作。嵌入式系統(tǒng)對信息進(jìn)行TCP/IP協(xié)議處理，使其變成在Internet上可傳輸?shù)腎P數(shù)據(jù)包。這樣在實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸上，我們就可以從TCP/IP協(xié)議子集上實現(xiàn)。其中主要有以太網(wǎng)、令牌環(huán)網(wǎng)、FDDI及RS 232串行線路協(xié)議等。RARP（逆向地址解析）協(xié)議主要用于解決如何從MAC地址得到IP地址, 主要用于無盤工作站中, 可以無需實現(xiàn)。IP提供不可靠的、無連接的、盡最大努力交付的分組傳輸機制。在IP進(jìn)行數(shù)據(jù)交付過程中，如果遇到不能正常交付的情況，則需要通知源站采取措施來補救。UDP也是IP之上的一個傳輸協(xié)議。TCP為IP服務(wù)增加了面向連接和可靠性的特點。一個TCP連接就是一個字節(jié)流。6．流控制：當(dāng)發(fā)送方以一定的速率發(fā)送數(shù)據(jù)時，而接收方來不及處理時。 應(yīng)用層協(xié)議選擇 電子郵件協(xié)議是最流行的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)協(xié)議。SMTP支持：l 文本、聲音、圖像和視頻的報文。模型如圖42所示圖42 SMTP通信模型示意圖SMTP協(xié)議是一種請求響應(yīng)協(xié)議，發(fā)送方發(fā)送命令，接收方給予響應(yīng)，兩者通過這種方式進(jìn)行交付，以完成郵件傳輸?shù)娜齻€階段：建立連接、傳輸數(shù)據(jù)和終止連接。服務(wù)器給予響應(yīng)。若服務(wù)器能夠識別接收人，客戶端發(fā)送DATA報文，指示將要發(fā)送的郵件數(shù)據(jù)，服務(wù)器返回響應(yīng)。第5章 TCP/IP協(xié)議棧的實現(xiàn) ARP協(xié)議的實現(xiàn) 在網(wǎng)絡(luò)底層的物理傳輸過程中，是通過MAC地址(硬件地址)來識別主機的，它一般也是全球唯一的。 ARP分組格式以太網(wǎng)目的地址以太網(wǎng)源地址發(fā)送端以太網(wǎng)地址發(fā)送端IP地址目的以太網(wǎng)地址目的IP地址OP協(xié)議類型硬件類型幀類型硬件地址長度協(xié)議地址長度以太網(wǎng)首部ARP請求/應(yīng)答在以太網(wǎng)上解析IP地址時， ARP請求和應(yīng)答分組格式如圖51。對于以太網(wǎng)上IP地址的ARP請求或應(yīng)答，它們的值分別是6和4。ARP軟件可劃分為3個部分：處理進(jìn)入的ARP請求模塊、處理進(jìn)入的應(yīng)答模塊和一個ARP表緩存管理程序。管理程序?qū)崿F(xiàn)了高速緩存替換策略：檢查ARP表中的所有表項，并刪除不符合規(guī)定的表項。若沒有就要進(jìn)行ARP 操作，ARP發(fā)送一份稱作ARP請求的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀給以太網(wǎng)上的每個主機。就會開始識別發(fā)送端詢問的是不是自己的IP地址，如果就給予響應(yīng)，否則不給于響應(yīng)。當(dāng)緩存標(biāo)中增加一個新表項時，函數(shù)apr_init()初始化該表項,主要是把IP字段清0，函數(shù)apr_timer()設(shè)置最長的等待時間，隨時間的推移，高速緩存管理程序遞減等待時間，并當(dāng)其值達(dá)到零時，丟棄該表項。圖54 IP數(shù)據(jù)報格式版本號指的是當(dāng)前使用協(xié)議的版本，當(dāng)前使用的是IPv4，下一個協(xié)議版本是IPv6,這正是當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)研究熱點。沒有任何選項的IP數(shù)據(jù)報的首部長度是5；總長域指的是整個IP數(shù)據(jù)報的長度，利用首部長度字段和總長度字段，就可以知道IP數(shù)據(jù)報中數(shù)據(jù)內(nèi)容的起始位置和長度。 IP軟件實現(xiàn)為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)報的傳輸，IP協(xié)議采用以下幾個關(guān)鍵技術(shù)： 1. 生存時間： TTL確立了數(shù)據(jù)報最多可以經(jīng)過的路由器數(shù)。3. 報頭校驗和：IP報文頭中的檢驗和用于預(yù)防路由中轉(zhuǎn)過程中出錯。檢驗和算法使用頻率比較高，所以需要使用比較高效的檢驗和算法。IP進(jìn)程是從數(shù)據(jù)鏈路調(diào)用進(jìn)程ip_proces的執(zhí) 圖55 IP對數(shù)據(jù)的接收過程流程圖行開始，是個無限循環(huán)的過程。IP數(shù)據(jù)發(fā)送處理的過程由ip_send開始，ip_send填寫IP首部中的每個字段，協(xié)議類型、服務(wù)類型、優(yōu)先級、指定的目的地址。通常的IP層會建立一個路由表，當(dāng)數(shù)據(jù)報來自某一個網(wǎng)絡(luò)接口時，IP會檢查IP地址是否為本機的或是IP廣播地址，如果是該數(shù)據(jù)報就被送到由IP首部字段所指定的協(xié)議模塊進(jìn)行處理，如果不是IP層將會設(shè)置為路由器的功能，對數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。圖57 ICMP 報文格式在IP模塊發(fā)現(xiàn)傳輸出錯時，首先做的就是丟棄出錯的數(shù)據(jù)報，然后調(diào)用ICMP模塊往源端主機發(fā)送一個出錯報文。TCP報文段有首部和數(shù)據(jù)去組成，結(jié)構(gòu)如圖58所示。確認(rèn)序號指出了發(fā)送確認(rèn)一端望想接收到的下一個序號。窗口大小的值標(biāo)識這接收段期望收到的字節(jié)數(shù)。它具有保證數(shù)據(jù)可靠性傳輸和數(shù)據(jù)流控制等一些功能。但是，實際上這幾個進(jìn)程關(guān)系密切，相互影響。TCP的連接管理是非常復(fù)雜的，它要處理連接端得標(biāo)識問題，傳輸連接的建立、連接的建立及釋放等，TCP專門為此引入數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來管理和維護(hù)數(shù)據(jù)傳輸細(xì)節(jié)。輸入過程流程圖如圖59所示。輸出流程圖如圖510所示。14248 ∧要有高效的管理定時事件。圖511所示，用來安排將來的1120和28單位圖511 鏈表的結(jié)構(gòu)時間發(fā)生，而表中記錄時間值分別是：18，第一個事件在從第一個表項從現(xiàn)在算起的第14單位時間發(fā)生，第二個事件則發(fā)生在第一個事件發(fā)生后的第2個單位時間，以此類推。這樣的話，定時進(jìn)程就不需要知道每個報文中的含義，當(dāng)一個事件發(fā)生時，它將采取動作。每當(dāng)主循環(huán)被調(diào)用時，tcp_timer調(diào)用sleep延遲時間t后，檢查delta表中的第一項。執(zhí)行刪除事件時，為了直接將delta值與保存在各個表項中的時間值進(jìn)行比較，tcp_timer通過遞減事件的時間值來更新delta的值，這樣 delta值總是一個相對時間值?？蛻羰盏?20報文后，會發(fā)送一個HELLO命令要求建立連接，一旦連接建立，郵件事務(wù)便開始執(zhí)行。流程如圖513所示。命令字符串用來發(fā)送給接收端的命令，應(yīng)答碼字符串是一種字符串編碼的數(shù)字型字符串，給接收端發(fā)出表示成功運行?？梢詫崿F(xiàn)基于嵌入Internet遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的傳送、控制、信息家電、無線網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用提供支持。選用了單片機加載TCP/IP協(xié)議控制以太網(wǎng)網(wǎng)卡進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆桨高M(jìn)行實現(xiàn)，這方案硬件成本很少，適合民用產(chǎn)品的開發(fā)和推廣。對ARP協(xié)議、IP協(xié)議、ICMP協(xié)議、TCP協(xié)議和SMTP協(xié)議的設(shè)計和精簡。 當(dāng)然，這些只是簡單的實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，對于嵌入式Internet的研究而言，只是極小的一部分。致謝四年的大學(xué)生活即將結(jié)束，這是一段令我難以忘懷的歲月。老師知識淵博，治學(xué)態(tài)度嚴(yán)謹(jǐn)，質(zhì)樸謙和誨人不倦的師者風(fēng)范，給我留下了深深的印象。同時還要感謝幫助和鼓勵我的老師和同學(xué)，他們無論是從生活上，還是學(xué)習(xí)上都給予了很大的幫助。iInt nwords{unsigned long sum。sum=(sum16)+(sumamp。} 2. TCB結(jié)構(gòu)的定義 typedef long tcpseqstruct tcb{short tcb_state。 /*tcb mutual exclusion*/short tcb_code。 /*remote IP address*/unsigned long tcb_lip。 /*pointer to our interface*/u_long tcb_swindow。 /*congestion window size(octets)*/u_int tcb_smss。 /*data character count*/u_int tcb_rmss。 /*retransmit timeout value*/int tcb_rexmtcount。struct tcb*ptcb。pip=(struct ip*)pepep_data。}ptcp=(struct tcp*)pipip_data。if(ptcp==0){++TcpInerrs。}if(!tcpok(ptcp,pep))tcpackit(ptcp,pep)。}}4. 數(shù)據(jù)輸出處理tcp_out部分代碼 PROCESS tcpout(void){struct tcb*ptcb。ptcb=amp。if(ptcbtcb_state=TCPS_CLOSED)continue。unsigned len。unsigned long tcksun。for(i=