【文章內(nèi)容簡介】 及，性價比高，而且形小體輕功耗低、軟硬件開發(fā)靈活方便。8051單片機的基本特性如下[15]：，CPU有運算器和控制器組成。；，一個全雙工串行接口。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。，可各尋址64K；6片內(nèi)中斷邏輯具有5個中斷源，兩個優(yōu)先級，并且每個中斷源都被設(shè)置固定的入口地址，是編程簡化；7．片內(nèi)有振蕩電路，還有總線控制邏輯等。要想實現(xiàn)數(shù)據(jù)在Internet上的傳輸，就需將單片機聯(lián)入Internet。我們選取RTL8019AS[16]芯片實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)。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。跟MCS51單片機的接口簡單；對于MCS51單片機來說RTLS8019AS的帶寬充裕。系統(tǒng)硬件總體功能結(jié)構(gòu)如圖41 所示。與網(wǎng)絡(luò)接口電路網(wǎng)卡芯片串行EEPROMMCU(89C51)鍵盤模塊LED顯示模塊圖41 硬件結(jié)構(gòu)框圖在系統(tǒng)功能的實現(xiàn)上，此次設(shè)計主要是在軟件上著手進行設(shè)計，對硬件設(shè)計并未深入。由于選取MCS51單片機，故而選取C語言作為開發(fā)語言。因為用C語言比匯編具有很多的優(yōu)勢。再有就是我自身而言C語言相對熟悉。C語言有如下特點[10]：1．語言簡潔、緊湊，使用靈活、方便。2．語法限制不太嚴(yán)格，程序設(shè)計自由度大。3．用C語言編寫的程序移植性好(與匯編語言比)?；旧喜豁毿薷木涂梢赃\用于各種計算機和操作系統(tǒng)。4．生成目標(biāo)代碼質(zhì)量高，程序執(zhí)行效率高。5．允許直接訪問物理地址，能進行位才做，可以直接對硬件進行操作。 6. 程序模塊化，便于資源共享，軟件的維護和升級。從而保證系統(tǒng)的可靠性和安全性。 TCP/IP協(xié)議層選擇及分析Internet網(wǎng)絡(luò)通信中，TCP/IP協(xié)議簇非常龐大，需要占用大量的系統(tǒng)資源。嵌入式系統(tǒng)對信息進行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。由于51系列單片機內(nèi)部資源有限，不可能實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的Internet的TCP/IP協(xié)議簇，也不需要實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議簇?？筛鶕?jù)具體應(yīng)用需求對標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議簇進行適當(dāng)?shù)牟眉粜薷? 形成一個真正適用的嵌入式TCP /IP 協(xié)議子集。通過裁減對原協(xié)議進行有選擇地實現(xiàn)。這樣在實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸上，我們就可以從TCP/IP協(xié)議子集上實現(xiàn)。考慮到51系列單片機資源有限，在對協(xié)議的選取上我們應(yīng)考慮到系統(tǒng)資源和保證協(xié)議在功能及機制上的完整性。 鏈路層協(xié)議選擇及分析鏈路層主要作用是為其上層協(xié)議提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)的。根據(jù)物理層的不同, 鏈路層有多種協(xié)議可以選擇。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。以太網(wǎng)上數(shù)據(jù)的傳輸是采用網(wǎng)絡(luò)的MAC地址來進行識別的。這就是要求系統(tǒng)有實現(xiàn)IP地址與MAC地址的轉(zhuǎn)換的功能, 即ARP協(xié)議。其可分為ARP請求和ARP響應(yīng)兩種協(xié)議, 系統(tǒng)要實現(xiàn)與其它計算機的通信, 就須實現(xiàn)ARP響應(yīng)協(xié)議, ARP請求協(xié)議在本地建立了一個IP地址與MAC地址的映像, 保證了對外通信的有的放矢。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)。 網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議選擇及分析IP是TCP/IP最重要的組成部分，是整個協(xié)議的基礎(chǔ)。目前版本號是4，也稱IPv4。所有的TCP、UDP、IGMP及ICMP都是以IP數(shù)據(jù)報格式傳輸。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?！安豢煽康摹卑词侵杆荒鼙ＷCIP分組成功地傳送到目的站?！盁o連接的”指的是IP數(shù)據(jù)包可以不按順序收發(fā)。IP提供的是“盡最大努力交付的”傳輸服務(wù)，就是說IP協(xié)議盡量的發(fā)送每一個IP數(shù)據(jù)包，不隨意放棄數(shù)據(jù)包，只有在資源用盡或底層網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)錯誤時才有可能出現(xiàn)不可靠性。在IP進行數(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。由于IP自身沒有提供差錯報告和差錯糾正機制，這就需要其他協(xié)議來完成，這就是ICMP協(xié)議。ICMP配合IP使用，提高了數(shù)據(jù)包交付成功的機會。 傳輸層協(xié)議選擇及分析 TCP協(xié)議是一種提供可靠的端到端、面向字節(jié)流連接的服務(wù)。UDP也是IP之上的一個傳輸協(xié)議。UDP是一個簡單的快速的，但也是不可靠和無連接的。但是對于大多數(shù)Internet應(yīng)用而言，需要的是可靠的、能按序遞交的傳輸層協(xié)議。所以這次設(shè)計選取了TCP而不是UDP。TCP為IP服務(wù)增加了面向連接和可靠性的特點。TCP主要特點如下[17]：1. 面向連接：使用兩個TCP的應(yīng)用在發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸之前，必須建立一個連接，而在數(shù)據(jù)傳送完后要終止連接。2．全雙工：一旦建立連接，就支持?jǐn)?shù)據(jù)的雙向傳輸。3．字節(jié)流傳輸：TCP是面向字節(jié)流的。一個TCP連接就是一個字節(jié)流。4．可靠：利用重發(fā)和流控機制來保證通信的可靠。5．確認：TCP發(fā)送的每個報文都要被方確認。這樣就知道數(shù)據(jù)是否丟失，是否重傳丟失數(shù)據(jù)。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。TCP采用滑動窗口協(xié)議來進行流量控制，以防止數(shù)據(jù)發(fā)送過快導(dǎo)致接收方來不及處理。7．校驗和計算：校驗和是對是對偽首部、TCP首部和、用戶數(shù)據(jù)的計算結(jié)果。計算是為了提供額外的錯誤監(jiān)測。 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協(xié)議是常用的電子郵件傳送協(xié)議。它是基于TCP/IP的應(yīng)用層的協(xié)議，作用是：當(dāng)發(fā)送方與支持SMTP協(xié)議的服務(wù)器連接時，將郵件由發(fā)送方準(zhǔn)確無誤地傳送到接收方。SMTP是一種簡單的基于文本的電子郵件傳輸協(xié)議[18]。SMTP支持：l 文本、聲音、圖像和視頻的報文。l 可以郵件發(fā)送個一個或多個收信人。l 可以把報文發(fā)送給Internet以外的網(wǎng)上用戶。用戶文件系統(tǒng)發(fā)送SMTP接收SMTPSMTP命令郵件內(nèi)容SMTP響應(yīng)用戶文件SMTP的通信模型是基于TCP運輸協(xié)議的。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。 1. 連接建立客戶端主動與服務(wù)器建立一條TCP連接。服務(wù)器會返回一個響應(yīng)。若客戶端準(zhǔn)備就緒， 客戶端個向服務(wù)器發(fā)送HELO報文，以標(biāo)識發(fā)送方的身份。服務(wù)器給予響應(yīng)。2. 建立連接在客戶端與服務(wù)器建立連接后，就可以進行報文傳輸了。首先，客戶端發(fā)送MAIL報文標(biāo)識報文的發(fā)送發(fā)，服務(wù)器返回響應(yīng)。若服務(wù)器準(zhǔn)備接收，客戶端發(fā)送RCPT報文標(biāo)識報文接收方，服務(wù)器返回響應(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)?？蛻舳诉B續(xù)的將郵件按行發(fā)送，服務(wù)器檢測到郵件結(jié)束指示后，給予響應(yīng)。3. 連接終止報文傳送成功后，客戶就終止連接?？蛻舭l(fā)送QUIT命令終止連接。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。以太網(wǎng)卡的物理地址是48bit地址。所以就需要將IP地址轉(zhuǎn)換為MAC地址。這個協(xié)議就是地址解析協(xié)議。 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。圖51 用于以太網(wǎng)的ARP請求應(yīng)答格式圖51中，以太網(wǎng)報頭的頭兩個字段是以太網(wǎng)的源地址、目的地址，若目的地址為全1則為廣播地址，電纜上所有的以太網(wǎng)接口都接收廣播數(shù)據(jù)幀，幀類型字段是用來表示后面數(shù)據(jù)的類型，ARP請求或應(yīng)答，該字段的值是0x0806，硬件類型用來表示硬件地址的類型，它的值為1時表示的是以太網(wǎng)地址。協(xié)議類型字段表示所要映射的協(xié)議地址的類型，它的值為0x0800時表示的是IP地址。硬件地址和協(xié)議地址長度分別指出硬件地址和協(xié)議地址的長度。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。操作字段（OP）指出了4種操作類型，分別是ARP請求（值1）、ARP應(yīng)答（值2），這個字段是不可缺的，因為ARP請求和應(yīng)答的幀類型字段值是一樣的。最后面的4個字段分別指出源端和目的端的硬件地址（以太網(wǎng)地址）及協(xié)議地址（IP地址）。 ARP協(xié)議軟件實現(xiàn) ARP協(xié)議用來完成IP地址與以太網(wǎng)地址之間的轉(zhuǎn)換，此此次系統(tǒng)設(shè)計中僅響應(yīng)ARP請求和發(fā)送ARP應(yīng)答。ARP軟件可劃分為3個部分：處理進入的ARP請求模塊、處理進入的應(yīng)答模塊和一個ARP表緩存管理程序。在發(fā)送數(shù)據(jù)報時，上層協(xié)議調(diào)用請求模塊中的一個過程，將IP地址與相應(yīng)的物理地址綁定。輸出過程返回一個綁定，上層協(xié)議利用它封裝和發(fā)送分組。響應(yīng)模塊處理來自網(wǎng)絡(luò)的ARP分組，并通過增加新的綁定來修改ARP表中的內(nèi)容。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。 在這個模塊里ARP協(xié)議將IP地址轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的物理地址，具體過程如圖52所示。開始收到的ARP請求查找ARP緩存表分配空間ARP分組請求結(jié)束是否與之對應(yīng)的映射YN根據(jù)輸入的IP地址,首先檢查ARP表是否有有效的地址對記錄與要解析的IP 地址相對應(yīng)。如果有,就可以直接取出硬件地址,然后返回硬件地址，并發(fā)送該報文。若沒有就要進行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。這個過程稱作廣播，ARP請求數(shù)據(jù)幀中包含目的主機IP地址，意思就是“如果你是這個IP地址的擁有者，請回答你的硬件地址”。圖52 處理進入的ARP請求模塊流程圖2. 應(yīng)答模塊 開始收到ARP數(shù)據(jù)幀是否請求幀？自己是請求目標(biāo)？給予響應(yīng)結(jié)束讀取收到的ARP數(shù)據(jù)幀更新緩存表YYNN當(dāng)網(wǎng)上主機的ARP層收到這份廣播報文后，會對這份廣播報文進行處理。處理過程如圖53。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)。若收到的是ARP應(yīng)答幀則會更新緩存表。圖53 處理進入的ARP應(yīng)答模塊流程圖3. ARP表管理程序 為提高ARP的解析速度，為了記錄ARP 協(xié)議解析到的IP 地址與相應(yīng)的硬件地址對應(yīng)關(guān)系,設(shè)計使用ARP表。使用ARP與IP對應(yīng)的ARP 表,記錄下解析的MAC 地址,以減少在一定時間內(nèi)對同一IP地址的多次重復(fù)解析,從而加快TCP/IP 協(xié)議棧的運行。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)其值達到零時，丟棄該表項。若緩存表已滿，ARP表管理程序循環(huán)的方式，刪除一個舊的表項，函數(shù)apr_update()函數(shù)更新IP地址與MAC地址的對應(yīng)關(guān)系,再將記錄刪除標(biāo)志指針下移一個表項，以此類推進行替換。 IP協(xié)議及其實現(xiàn) IP數(shù)據(jù)報格式版本 頭標(biāo)長度 服務(wù)類型標(biāo)識 標(biāo)識 片偏移生存時間 協(xié)議 頭標(biāo)校驗和任選項 填充域目的IP地址源IP地址數(shù)據(jù)0 4 8 15 16 19 24 31 IP數(shù)據(jù)報是典型的詩句分組的一般格式：報頭和數(shù)據(jù)兩個部分。如圖54所示。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。版本號規(guī)定了數(shù)據(jù)報的格式。IP數(shù)據(jù)報報頭含有頭標(biāo)長和總長兩個長度域，頭標(biāo)長是一個4比特域，它給出了32比特字長為單位的報頭長度。除了IP選項和填充域之外，首部所有字段的長度都是一定的。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。標(biāo)志字段是用于標(biāo)識主機發(fā)送每一份數(shù)據(jù)報。最長生存時間確定了數(shù)據(jù)報最多可以經(jīng)過的路由器數(shù)。任何一個IP數(shù)據(jù)報都包含源IP地址和目的IP地址。 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)。它指定了數(shù)據(jù)報的存留時間。TTL的初始值是有源主機設(shè)定的（通常為32或是64），每經(jīng)過一個使用它的路由器，它的值就減少1，當(dāng)值為0時，數(shù)據(jù)報就被丟棄，同時發(fā)送ICMP報文通知源主機。2．任選項： 這些選項包括：安全和處理限制、記錄路由、時間戳等等。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。在TCP、IP、ICMP協(xié)議中，檢驗和的算法是相同的。在協(xié)議封裝時，需要產(chǎn)生檢驗和。在收到信包后，需要檢驗。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。校驗和是IP報頭部分計算出來的校驗和碼，若傳輸沒出現(xiàn)問題這個值應(yīng)全是1，由于路由器經(jīng)常僅將TTL減少1，因此當(dāng)路由器將TTL減少1的同時給它加1，而不需要對整個IP首部進行全新的計算。開始遍歷網(wǎng)絡(luò)接口輸入隊列IP進程阻塞選取數(shù)據(jù)報，初始化TTL是否為空？其它進程添加的數(shù)據(jù)報校驗和正確？存在路由？TTL=TTL—1TTL=0?丟棄數(shù)據(jù)報報ICMP目的站不可達報文ICMP超時報文直接可達目的機？將數(shù)據(jù)報放入輸出隊列YYY