【文章內(nèi)容簡介】 協(xié)議棧。其難點在于：如何利用單片機自身有限的資源對信息進行TCP/IP協(xié)議處理，使之變成可以在Inter 上傳輸?shù)腎P 數(shù)據(jù)包。目前許多機構(gòu)都在積極探討利用MCU實現(xiàn)接入Inter技術(shù)。 單片機接入 Inter 方案1. PC 網(wǎng)關(guān)(Gateway)與專用網(wǎng)結(jié)合接入 Inter 首先嵌入式系統(tǒng)和嵌入式網(wǎng)關(guān)連接通信， 連接方式采用傳統(tǒng)的 RS232, RS482, RS485,IIC、SPI 、USB 、CAN、LIN 總線等輕量級網(wǎng)絡協(xié)議。再由嵌入式網(wǎng)關(guān)負責實現(xiàn) TCP/IP 協(xié)議，并與 Inter 連接，完成嵌入式系統(tǒng)和 Inter的信息交互。嵌入式網(wǎng)關(guān)向嵌入式系統(tǒng)提供 Inter 或 Intra 通信和管理服務。如防火墻、協(xié)議轉(zhuǎn)換、監(jiān)視嵌入式設備的運行狀態(tài)、向外界提供 Web 服務器等。這種技術(shù)需要一個專門的嵌入式網(wǎng)關(guān)，而且網(wǎng)關(guān)和嵌入式系統(tǒng)之間通信也會受到輕量級網(wǎng)絡協(xié)議的制約。它對嵌入式系統(tǒng)處理器速度、資源要求也比較低，開發(fā)難度低，可以解決各種嵌入式系統(tǒng)接入 Inter 的問題，特別適用于嵌入式系統(tǒng)多且較為集中的場合。缺點是接入成本比較高，不利于大規(guī)模推廣。該方案比較適合大型或較昂貴工業(yè)設備的上網(wǎng)需求，不適合用于低價格設備?；谶@種接入技術(shù)模型，EmWare 公司提出了嵌入式微 Inter 網(wǎng)絡技術(shù)EMIT ( embedded micro interworking technology)。EMIT 由emMicro、emGateway 和網(wǎng)絡瀏覽器組成，并在 MCU 內(nèi)部以軟件方式嵌入emGateway(PC 機)文件系統(tǒng) InterWeb BrowserRS232RS485emMirco應用系統(tǒng)+emMCUNetemNet 協(xié)議,如圖 22 所示。圖 22 圖 21 采用專用嵌入式網(wǎng)絡協(xié)議方式2. 高性能MCU+RTOS 即用軟件方式直接處理TCP/IP協(xié)議。目前RTOS 的功能越來越強大，大多數(shù)都帶有TCP/IP協(xié)議棧，還具有對圖像界面的支持能力。采用這種方法的缺點是：對開發(fā)人員的要求高，必須對操作系統(tǒng)和TCP/IP協(xié)議都要有一定的熟悉，開發(fā)周期也較長，難度相對較大。同時嵌入式操作系統(tǒng)的運行需要占用大量的處理器資源和存儲器空間，對硬件配置也有較高的要求，開發(fā)成本高。如圖23所示.圖 23 在嵌入式實時操作系統(tǒng) RTOS 上運行 TCP/IP3. 使用專用的嵌入式芯 專用嵌入式芯片是一種內(nèi)置了通信和控制功能的單片機，采用這種方案的芯片有UbiCom 公司的IP2022，Seiko Instruments公司的S7600A ,iReady公司的Inter Tuner，Connect One公司的iChip等。它們固化有 TCP/IP協(xié)議棧，支持HTTP，SMTP，POP3，MIME等多種協(xié)議，可進行 Web瀏覽和E_mail 的收發(fā)。也可用Scenix 公司的8位SX單片機加虛擬外設的方式接入Inter。該方式更方便，不需要操作系統(tǒng)，大大節(jié)省了資源，開發(fā)難度有所降低，但還是需要熟悉TCP/IP 協(xié)議和相關(guān)接口，技術(shù)實現(xiàn)上也比較困難，且對處理器的性能仍然要求較高，需要大容量的存儲器。這類芯片功能強，能夠?qū)崿F(xiàn)多種網(wǎng)絡協(xié)議，一般提供有相應的TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議棧。但是這種芯片價格偏高，用戶需要支付軟硬件費用，不易于實現(xiàn)市場的廣泛應用。如圖24所示。圖24 直接在嵌入式處理器上實現(xiàn)TCP/IP 協(xié)議4. 使用普通單片機和網(wǎng)絡控制芯片 通過在系統(tǒng)中集成網(wǎng)絡接口芯片, 采用軟件方式實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧, 使得嵌入式系統(tǒng)具備網(wǎng)絡功能從而接入Internt。單片機加載TCP/IP協(xié)議控制以太網(wǎng)網(wǎng)卡進行數(shù)據(jù)傳輸，并通過TCP/IP協(xié)議聯(lián)接到互聯(lián)網(wǎng)。遠程控制端的操作通過路RTOSMCUTCP/IP Inter MCU 固化TCP/IP 協(xié)議棧TCP/IP Inter由器找到目標后，由網(wǎng)卡芯片的接口傳入單片機，通過在單片機中加載的驅(qū)動程序轉(zhuǎn)換成物理幀格式，再由TCP/IP協(xié)議轉(zhuǎn)換成應用層的控制命令。這種方法實現(xiàn)起來比較簡單，而且可根據(jù)實際需要進行功能擴展，但是需要在單片機上實現(xiàn)嵌入式TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議，軟件編程的工作量比較大。由于采用普通單片機，所以其優(yōu)點是成本低，單片機體積小，易于以極高的性價比向諸多需要實現(xiàn)嵌入式接入Inter的場合推廣。本文設計的系統(tǒng)就是采用這種技術(shù)方案。第 3 章 網(wǎng)絡協(xié)議 TCP/IP 分層模型TCP/IP 采用分層體系結(jié)構(gòu)，它與開放系統(tǒng)互聯(lián) OSI 模型的層次結(jié)構(gòu)相似。如表 21 所示，它可以分為 4 層，由低到高一次為：網(wǎng)絡接口層、網(wǎng)際層、傳輸層和應用層。表 21 OSI 參考模型與 TCP/IP 參考模型比較OSI 參考模型 OSI 層次號 TCP/IP 層次描述 主要應用協(xié)議應用層 7表示層 6 應用層FTP、 和 Tel等會話層 5傳輸層 4運輸層 TCP 和 UDP網(wǎng)絡層 IP、ICMP 和 IGMP網(wǎng)絡層 3數(shù)據(jù)鏈路層 2物理層 1鏈路層 設備驅(qū)動及接口卡TCP/IP 分層模型的四個協(xié)議層分層完成如下功能。(1) 第一層 網(wǎng)絡接口層 網(wǎng)絡接口層包括用于協(xié)作 IP 數(shù)據(jù)在已有網(wǎng)絡介質(zhì)上傳輸協(xié)議。實際上TCP/IP 標準并不定義與 ISO 數(shù)據(jù)鏈路層和物理層相對應的功能。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。(2) 第二層 網(wǎng)際層對應于 OSI 7 層參考模型的網(wǎng)絡層，網(wǎng)絡層主要解決計算機之間的通信問題，它負責管理不同設備之間的數(shù)據(jù)交換，它是 Inter 通信子網(wǎng)的最高層，它所提供的是不可靠的無連接數(shù)據(jù)報服務，無論傳輸是否正確，不做驗證、不發(fā)確認，也不保證分組的正確 順序。網(wǎng)際層主要有以下協(xié)議。? IP 協(xié)議( 網(wǎng)際協(xié)議)：使用 IP 地址確定收發(fā)端，提供端到端的“數(shù)據(jù)報” 傳遞，也是 TCP/IP 協(xié)議簇中處于核心地位的協(xié)議。? ICMP 協(xié)議( 網(wǎng)絡控制報文協(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。? ARP 協(xié)議( 正向地址解析協(xié)議)：將網(wǎng)絡層地址轉(zhuǎn)換為鏈路層地址。? RARP 協(xié)議(逆向地址解析協(xié)議)：將鏈路層地址轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡層地址。(3) 第三層 傳輸層對應于 OSI 7 層參考模型的傳輸層，提供兩種端到端的通信服務。其中TCP 協(xié)議提供可靠的數(shù)據(jù)流運輸服務，UDP 協(xié)議提供不可靠的用戶數(shù)據(jù)服務。該層有以下協(xié)議。? TCP 協(xié)議：傳輸控制協(xié)議，提供可靠的面向連接的數(shù)據(jù)傳輸服務。? UDP 協(xié)議：用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議,采用無連接數(shù)據(jù)報傳送方式，一次傳輸少量的情況，如數(shù)據(jù)查詢等，當通信子網(wǎng)相當可靠是，UDP 協(xié)議的優(yōu)越性更為突出。(4) 第四層 應用層對應于 OSI 7 層參考模型的應用層和表達層，應用層是將應用程序的數(shù)據(jù)傳送給傳輸層，以便進行信息交換。它主要為各種應用程序提供使用協(xié)議，標注的應用層主要有以下協(xié)議。? FTP 文件傳輸協(xié)議：為文件傳輸提供路徑，它允許數(shù)據(jù)從一臺主機傳送到另一臺主機上，我們可以從 FTP 服務器上下載文件，或者向 FTP服務器上傳文件。? HTTP 超文本傳輸協(xié)議：用來訪問在 WWW 服務器上的各種頁面。? DNS 域名服務系統(tǒng)：用于實現(xiàn)主機域名到 IP 地址之間的轉(zhuǎn)換。? SMTP 簡單郵件傳輸協(xié)議：實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)中電子郵件的傳輸功能。? TELNE 虛擬終端服務：實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)中的工作站登陸到遠程服務器的能力。? NFS 網(wǎng)絡文件系統(tǒng)：用于實現(xiàn)網(wǎng)絡中不同主機之間的文件共享。? RIP 路由信息協(xié)議：用于網(wǎng)絡設備之間交換路由信息。 數(shù)據(jù)封裝當應用程序用 TCP 傳送數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)被傳送入?yún)f(xié)議棧中，之后逐個通過每一層直到被當做一串比特流送入網(wǎng)絡。其中每一層對收到的信息都要增加一些首部信息，必要時還要增加尾部信息，這個過程如圖 31 所示。TCP 傳給 IP 的數(shù)據(jù)單元稱作 TCP 報文段， IP 傳給網(wǎng)絡接口層的數(shù)據(jù)單元稱作 IP 數(shù)據(jù)報，通過以太網(wǎng)傳輸?shù)谋忍亓鞣Q作幀。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。確切的說，圖 31 中所示 IP 和網(wǎng)絡接口傳送的數(shù)據(jù)單元應該是分組，分組可以是一個 IP 數(shù)據(jù)報，也可以是 IP 數(shù)據(jù)報的一個片。圖 31 數(shù)據(jù)進入?yún)f(xié)議棧時的封裝過程TCP 和 UDP 都用一個 16bit 的端口號來表示不同的應用程序，并把源端口號和目的端口號分別存入報文首部中，由于 TCP、UDP、ICMP 跟 IGMP 都要向 IP 傳送數(shù)據(jù)，因此 IP 必須在生成的 IP 首部中加入某種標勢。 1 表示 ICMP協(xié)議，2 表示 IGMP 協(xié)議，6 表示 TCP 協(xié)議，17 表示 UDP 協(xié)議。而網(wǎng)絡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)幀首部中加入標用戶數(shù)據(jù)用戶數(shù)據(jù)TCP 首部14B 20B 20B 4B應用數(shù)據(jù)應用數(shù)據(jù)應用數(shù)據(jù)Appl首部以太網(wǎng)驅(qū)動程序以太網(wǎng)首部以太網(wǎng) 尾部應用數(shù)據(jù)IP 首部IP 首部TCP 首部TCP 首部IP 報文段TCP 報文段以太網(wǎng)幀TCPIP以太網(wǎng)識，以指明生成數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡協(xié)議層。所以，以太網(wǎng)的幀首部也有一個 16bit 的幀類型域這就是數(shù)據(jù)報文的封裝，應用層數(shù)據(jù)是被逐層封裝，直到數(shù)據(jù)鏈路層。要指出的是 UDP 數(shù)據(jù)與 TCP 數(shù)據(jù)唯一不同是 UDP 傳給 IP 的信息單元稱作UDP 數(shù)據(jù)報，而且 UDP 的首部長為 8B。 數(shù)據(jù)幀分用 當目的主機收到一個以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀是，數(shù)據(jù)就開始從協(xié)議戰(zhàn)中由底向上傳送，同時去掉各層協(xié)議加上的報文首部。每層協(xié)議盒都要去檢查報文首部中的協(xié)議標識，以確定接受數(shù)據(jù)的上層協(xié)議，這個過程稱作分用。圖 32 顯示這個如何過程如何發(fā)生的。圖 32 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的分用過程 協(xié)議層簡介 網(wǎng)際層協(xié)議網(wǎng)際協(xié)議時 TCP/IP 協(xié)議最重要的組成部分，是整個協(xié)議族的核心，主要負責網(wǎng)絡層 IP 分組的傳輸。它位于網(wǎng)際層，為運輸層提供服務，并從網(wǎng)絡接入層請求服務。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。IP 提供了應用程序 應用程序 應用程序 應用程序UDPTCP ICMPIGMPIPARP RARP以太網(wǎng)驅(qū)動程序進入的幀以 TCP 或 UDP 首部端口號進行分用以 IP 首部中的協(xié)議值進行分用以以太網(wǎng)首部中的幀類型進行分用3 個重要定義：1) IP 定義了數(shù)據(jù)傳輸所用的基本單元，及規(guī)定了傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式。2) IP 規(guī)定了 IP 分組的路由機制。3) 除了數(shù)據(jù)格式和路由機制以外，IP 還包括了一組體現(xiàn)不可靠分組交付思路的規(guī)則。這些規(guī)則指明了主機和路由器應該如何處理 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 是 TCP/IP 互聯(lián)網(wǎng)設計里最基礎的部分。 IP 地址分配 地址 計算機網(wǎng)絡內(nèi)的每臺計算機必須具有唯一的身份標識符。在 TCP/IP 協(xié)議簇中，這種標識符叫做 IP 地址。IP 地址有兩部分組成：網(wǎng)絡號和主機號。其中網(wǎng)絡號標識一個物理的網(wǎng)絡，同一個網(wǎng)絡上所有主機需要同一個網(wǎng)絡號，該號在互聯(lián)網(wǎng)中是唯一的；而主機號確定網(wǎng)絡中的一個工作端、服務器、路由器或其它 TCP/IP 主機。對于同一網(wǎng)絡號而言，主機號是唯一的。IP 地址有兩種表示形式：二進制表示和點分十進制表示。在 IPv4 中使用的 IP 地址是 32 位的二進制地址。但是為了是 32 位的二進制地址更簡潔和便于閱讀，通常采用點分十進制。在點分十進制中，每個 IP 地址的長度為 4 個字節(jié)，有 4 個 8 位域組成，稱之為八為體。八為體由句點“.” 分開，來表示為一個0~255 之間的十進制書。IP 地址的 4 個域分別標明了網(wǎng)絡號和主機號。目前，因網(wǎng)絡大小不同，Inter 定義了 5 種 IP 地址類型：A 類、B 類、C 類、 D 類、E 類。如表 所示。表 IP 地址分類地址類型 特征地址位 開始地址 結(jié)束地址A 類 0B B 類 10B C 類 110B D 類 1110B E 類 1111B A 類地址：用于支持特大型的網(wǎng)絡，最高位為 0，緊跟的 7 位表示網(wǎng)絡號，其余 24 為表示主機號，總共允許有 126 個網(wǎng)絡。 B 類地址：用于支持大型和中型網(wǎng)絡。最高兩位總置于二進制的 10，允許有 16384 個網(wǎng)絡。 C 類地址：用于局域網(wǎng)。高 3 位置為二進制 110，允許 2097152 個網(wǎng)絡。D 類地址：用于多路廣播組用戶。高 4 位總置為 110，余下的為用于標明客戶機所屬的組E 類地址:E 類地址沒有網(wǎng)絡號和主機號之分，最高位置為 1111。整個 E類地址是一種不用的實驗性地址。 地址解析協(xié)議 要想在網(wǎng)上實現(xiàn)通信，主機必須知道對方主機的硬件地址。IP 地址編號只是一個邏輯地址，不是硬件地址。在網(wǎng)絡中傳遞的幀必須含有目的地址的硬件地址。所以在進行底層數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r候必須將 IP 地址轉(zhuǎn)換為硬件地址，即介質(zhì)訪問控制地址。ARP 協(xié)議就是將 IP 地址映射為硬件地址的過程。1. ARP 緩存ARP 在緩存中保存地址映射以備用。ARP 緩存保存有動態(tài)和靜態(tài)項。動態(tài)是自動添加和刪除的，靜態(tài)項則是保留 C