【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 人在商務(wù)方面的信息交上，例如電子商務(wù) ebusiness 等，Inter 技術(shù)將會(huì)深入到人們?nèi)粘Ｉ詈凸ぷ鞯碾娮釉O(shè)備中，而且勢(shì)不可擋，隨著 IA(信息電器)的出現(xiàn)，嵌入式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)正逐步取代傳統(tǒng)的以 PC 為中的應(yīng)用，成為未來 Inter 發(fā)展中的主力軍，將會(huì)廣泛應(yīng)用于智能家居系統(tǒng)、工業(yè)智能化站系統(tǒng)、LED 網(wǎng)絡(luò)控制顯示屏系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)安全加密系統(tǒng)等各個(gè)領(lǐng)域的各個(gè)方面。各國(guó)信息界仁都在密切關(guān)注并積極研究電子設(shè)備與 Inter 的連接問題。DSP 芯片是專門為實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法而設(shè)計(jì)的、具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器，其卓越的性能、不斷上升的性價(jià)比、日漸完善的開發(fā)方式使其應(yīng)用越來越廣泛。將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入以 DSP 為核心的嵌入式系統(tǒng)，使其成為數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化相結(jié)合，集通信、計(jì)算機(jī)和視聽功能于一體的電子產(chǎn)品，必將大大提升DSP 系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)前景?！?基于 DSP 和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)”的研究工作解決了以 DSP 為核心的處理系統(tǒng)與 Inter 的連接問題，為 DSP 設(shè)備的應(yīng)用開辟了更為廣闊的前景。 本章小結(jié) 在本章中，主紹介紹了基于 DSP 和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的畢業(yè)設(shè)計(jì)的背景和依據(jù)，同時(shí)結(jié)合設(shè)計(jì)的現(xiàn)實(shí)意義及設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題做了一些簡(jiǎn)單分析，從而提出了簡(jiǎn)要的解決方案。做了有意的探索。 此外，對(duì)所設(shè)計(jì)課題的現(xiàn)狀和趨勢(shì)也做了必要的調(diào)查和了解，看到了它的潛在價(jià)值、意義和巨大的市場(chǎng)。第 2 章 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議概述及規(guī)范本章主要討論我們將要實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 TCP/IP 協(xié)議簇中一些相關(guān)協(xié)議的基本理論和概念，它們的具體實(shí)現(xiàn)形式這章不做進(jìn)一步的說明，待后續(xù)章節(jié)中再討論，本章是我們進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)睦碚摶A(chǔ)和行為規(guī)范，對(duì)設(shè)計(jì)圓滿完成起著重要的作用。 概述 引言 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)通信的基礎(chǔ),特別是 TCP/IP 協(xié)議簇已成為當(dāng)今計(jì)算機(jī)間最常用的網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)，是全球互聯(lián)網(wǎng)(Inter)的基礎(chǔ)。很多不同型號(hào)的計(jì)算機(jī)，運(yùn)行完全不同的操作系統(tǒng)，但 TCP/IP 協(xié)議簇卻允許它們之間相互通信，TCP/IP 協(xié)議簇的作用極其重要,在現(xiàn)代信息社會(huì)中的作用已經(jīng)超出了原來期望成為網(wǎng)絡(luò)通信的重要組成部分,發(fā)揮著越來越大的效能 [4]。 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的分層 在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中要想做到有條不紊的交換數(shù)據(jù),就必須遵守一些事先約定好的規(guī)則,這些規(guī)則或標(biāo)準(zhǔn)就是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議通常分不同層次，每一層分別負(fù)責(zé)不同的通信功能。不同的協(xié)議簇就有不同的層次劃分，我們這次設(shè)計(jì)采用 TCP/IP協(xié)議簇。TCP/IP 協(xié)議通常被認(rèn)為是一個(gè)四層協(xié)議系統(tǒng)。每一層負(fù)責(zé)不同的功能: 鏈路層。有時(shí)也稱作數(shù)據(jù)鏈路層或網(wǎng)絡(luò)接口，通常包括操作系統(tǒng)中的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和計(jì)算機(jī)中對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)接口卡。在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)鏈路層的任務(wù)是將在網(wǎng)絡(luò)層交下來的 IP 數(shù)據(jù)報(bào)組裝成幀，在兩個(gè)相鄰接點(diǎn)間的鏈路上傳送以幀為單位的數(shù)據(jù)。 網(wǎng)絡(luò)層。有時(shí)也稱作互聯(lián)網(wǎng)層，負(fù)責(zé)為分組交換網(wǎng)上的不同主機(jī)提供通信。網(wǎng)絡(luò)層在處理分組在網(wǎng)絡(luò)中的各種活動(dòng)，例如分組的選路。在 TCP/IP 協(xié)議簇中，網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議包 IP 協(xié)議(網(wǎng)際協(xié)議)，ICMP 協(xié)議等。運(yùn)輸層。主要為兩臺(tái)主機(jī)上的應(yīng)用程序提供端到端的通信。在 TCP/IP 協(xié)議簇中，有兩個(gè)互不相同的傳輸協(xié)議:TCP(傳輸控制協(xié)議)和 UDP(用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議)。TCP 為兩臺(tái)主機(jī)提供高可靠性的數(shù)據(jù)通信。它所做的工作包括把應(yīng)用程序交給它的數(shù)據(jù)分成合適的小塊交給下面的網(wǎng)絡(luò)層，確認(rèn)接收到的分組，設(shè)置發(fā)送最后確認(rèn)分組的超時(shí)時(shí)鐘等。由于運(yùn)輸層提供了高可靠性的端到端的通信，因此應(yīng)用層可以忽略所有這些細(xì)節(jié)。UDP 則為應(yīng)用層提供一種非常簡(jiǎn)單的服務(wù)。它只是把稱作數(shù)據(jù)報(bào)的分組從一臺(tái)主機(jī)發(fā)送到另一臺(tái)主機(jī)，但并不保證該數(shù)據(jù)報(bào)能到達(dá)另一端。任何必需的可靠性必須由應(yīng)用層來提供。本課程設(shè)計(jì)采用了 UDP 用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議。應(yīng)用層。負(fù)責(zé)處理特定的應(yīng)用程序細(xì)節(jié)。幾乎各種不同的 TCP/ IP 實(shí)現(xiàn)都會(huì)提供下面這些通用的應(yīng)用程序: Tel 遠(yuǎn)程登錄、FTP 文件傳輸協(xié)議、SMTP 簡(jiǎn)單郵件傳送協(xié)議、SNMP 簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議 [4]。 協(xié)議規(guī)范 地址解析協(xié)議(ARP) 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(jìn)行識(shí)別的，這就要求系統(tǒng)有實(shí)現(xiàn) IP 地址到 MAC 地址的轉(zhuǎn)換的功能，即 ARP(地址解析協(xié)議)。系統(tǒng)要同其它計(jì)算機(jī)通信，需要根據(jù) IP 地址獲得 MAC 地址，就必須要支持 ARP 協(xié)議。 在 ARP 背后有一個(gè)基本概念，那就是網(wǎng)絡(luò)接口有一個(gè)硬件地址(一個(gè) 48 bit的值，標(biāo)識(shí)不同的 Ether 或令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò)接口)。在硬件層次上進(jìn)行的數(shù)據(jù)幀交換必須有正確的接口地址。但是，TCP/IP 有自己的地址，即:32 bit 的 IP 地址。知道主機(jī)的 IP 地址并不能讓內(nèi)核發(fā)送一幀數(shù)據(jù)給主機(jī)。內(nèi)核 (如 Ether 驅(qū)動(dòng)程序)必須知道目的端的硬件地址才能發(fā)送數(shù)據(jù)。ARP 的功能是在 32 bit 的 IP 地址和采用不同網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的硬件地址之間提供動(dòng)態(tài)映射。在 ARP 協(xié)議中，將檢索的地址(MAC 地址) 作為硬件地址，將檢索地址的原來地址(IP 地址)作為協(xié)議地址。 在 ARP 協(xié)議中的操作，對(duì)于連接在同一個(gè) Ether 段上的所有主機(jī)來講，需要發(fā)送一個(gè)查詢包，即 ARP 請(qǐng)求包。對(duì)于指定地址的接口而言，要求通知其MAC 地址。在同一個(gè) Ether 段上的所有主機(jī)都可以收到該 ARP 請(qǐng)求包，并且，ARP 協(xié)議將接收端的 IP 地址與接口的 IP 地址作比較，若相同，則使用 ARP 應(yīng)答包來通知其 MAC 地址。我們還要檢索對(duì)應(yīng)于 IP 地址的 MAC 地址。使用 ARP 協(xié)議檢索到的信息都記錄在一個(gè) ARP 表中，ARP 表作為高速緩存器進(jìn)行操作，在發(fā)送同一個(gè) IP 地址的時(shí)候，從該表中可以檢索到 MAC 地址，值得注意的是，該標(biāo)記錄的信息，在寫入數(shù)分鐘后就會(huì)被刪除，這是因?yàn)橥?NIC 可以設(shè)定任意的IP 地址，在表中記錄的信息刪除后，同一 IP 若要發(fā)送數(shù)據(jù)，則需再次執(zhí)行 ARP協(xié)議的操作。 網(wǎng)際協(xié)議(IP) IP 是 TCP/IP 協(xié)議簇中最為核心的協(xié)議。所有的 TCP, UDP, ICMP 及 IGMP 數(shù)據(jù)都以 IP 數(shù)據(jù)報(bào)格式傳輸如圖 21。IP 提供不可靠、無連接的數(shù)據(jù)報(bào)傳送服務(wù) [6]。圖21 IP數(shù)據(jù)報(bào)格式IP協(xié)議中各字段的含意為：版本：目前的協(xié)議版本號(hào)是4，因此IP有時(shí)也稱作 IPv4。新的協(xié)議版本號(hào)為Ipv6，但還沒有廣泛使用。首部長(zhǎng)度：指的是首部占32 bit字的數(shù)目包括任何選項(xiàng)。由于它是一個(gè)4比特字段，因此首部最長(zhǎng)為60個(gè)字節(jié)。普通IP數(shù)據(jù)報(bào)（沒有任何選擇）項(xiàng)字段的值是5，即頭部長(zhǎng)度為20字節(jié)。服務(wù)類型字段：包括一個(gè)3bit的優(yōu)先權(quán)子字段，現(xiàn)在已被忽略，4bit的TOS子字段和1 bit未用位，但必須置0，4bit的TOS分別代表：最小時(shí)延、最大吞吐量、最高可靠性和最小費(fèi)用，4 bit中只能置其中1 bit，如果所有4 bit均為0，那么就意味著是一般服務(wù)，現(xiàn)在大多數(shù)的TCP/IP實(shí)現(xiàn)都不支持TOS特性。該項(xiàng)一般設(shè)為全0?？傞L(zhǎng)度字段：是指整個(gè)IP數(shù)據(jù)報(bào)的長(zhǎng)度以字節(jié)為單位。利用首部長(zhǎng)度字段和總長(zhǎng)度字段，就可以知道IP數(shù)據(jù)報(bào)中數(shù)據(jù)內(nèi)容的起始位置和長(zhǎng)度。由于該字段長(zhǎng)16比特，所以IP數(shù)據(jù)報(bào)最長(zhǎng)可達(dá)65535字節(jié)。標(biāo)識(shí)、標(biāo)志、片偏移字段：這3個(gè)字段用來控制數(shù)據(jù)報(bào)的分片與重組。標(biāo)識(shí)4位版本 4位首部長(zhǎng)度 8位服務(wù)類型（TOS）16位總長(zhǎng)度（字節(jié)數(shù)）16位標(biāo)識(shí) 3位標(biāo)識(shí) 13位片偏移8位生存時(shí)間 8位協(xié)議 16位首部檢驗(yàn)和32位源IP地址32位目的IP地址選項(xiàng)數(shù)據(jù)字段唯一地標(biāo)識(shí)主機(jī)發(fā)送的每一份數(shù)據(jù)報(bào)，通常每發(fā)送一份報(bào)文它的值就會(huì)加1。3bit的標(biāo)志字段中的第一位決定是否進(jìn)行分片，當(dāng)該位置1時(shí)表示不分片，在該系統(tǒng)中傳輸只是在以太網(wǎng)中進(jìn)行，其MTU（maximum transfer unit）為1500字節(jié)，而實(shí)際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不會(huì)超過一個(gè)數(shù)據(jù)包，所以對(duì)IP 數(shù)據(jù)報(bào)不分片。所以，在系統(tǒng)中不必考慮數(shù)據(jù)報(bào)的分片與重組。TTL（ timetolive）：生存時(shí)間字段設(shè)置了數(shù)據(jù)報(bào)可以經(jīng)過的最多路由器數(shù)。它指定了數(shù)據(jù)報(bào)的生存時(shí)間，TTL的初始值由源主機(jī)設(shè)置，通常為32bit或64bit，一旦經(jīng)過一個(gè)處理它的路由器，它的值就減去1，當(dāng)該字段的值為0時(shí)，數(shù)據(jù)報(bào)就被丟棄，并發(fā)送ICMP報(bào)文通知源主機(jī)。協(xié)議字段：該字段長(zhǎng)度為8bit，標(biāo)識(shí)IP包攜帶的是何種協(xié)議數(shù)據(jù)包。1表示為ICMP協(xié)議，2表示為IGMP協(xié)議，6表示為TCP協(xié)議，17表示為UDP協(xié)議。在本系統(tǒng)中，只用到了ICMP協(xié)議和 UDP協(xié)議。首部校驗(yàn)和：為了計(jì)算一份數(shù)據(jù)報(bào)的IP檢驗(yàn)和，首先把檢驗(yàn)和字段置為 0，然后對(duì)首部中每個(gè)16bit進(jìn)行二進(jìn)制反碼求和，整個(gè)首部看成是由一串16 bit的字組成，結(jié)果存在檢驗(yàn)和字段中。當(dāng)收到一份IP數(shù)據(jù)報(bào)后，同樣對(duì)首部中每個(gè) 16bi進(jìn)行二進(jìn)制反碼的求和，由于接收方在計(jì)算過程中包含了發(fā)送方存在首部中的檢驗(yàn)和，因此，如果首部在傳輸過程中沒有發(fā)生任何差錯(cuò)，那么接收方計(jì)算的結(jié)果應(yīng)該為全1；如果結(jié)果不是全1，即檢驗(yàn)和錯(cuò)誤，那么I P就丟棄收到的數(shù)據(jù)報(bào)。但是不生成差錯(cuò)報(bào)文，由上層去發(fā)現(xiàn)丟失的數(shù)據(jù)報(bào)并進(jìn)行重傳。接下來是源IP地址與目的IP地址，長(zhǎng)度都為32位。系統(tǒng)只接收目的地址為本地IP的及廣播地址的數(shù)據(jù)報(bào)。目的地址為廣播地址的數(shù)據(jù)報(bào)用于DHCP 協(xié)議中，對(duì)系統(tǒng)IP 地址的獲得。發(fā)送數(shù)據(jù)前，程序?qū)⒏邔訁f(xié)議傳遞過來的數(shù)據(jù)包封裝成IP報(bào)文。在發(fā)送一份IP數(shù)據(jù)報(bào)之前，首先要在ARP 緩存表中查找目的IP 地址對(duì)應(yīng)的硬件地址（以太網(wǎng)地址），然后按照硬件地址進(jìn)行以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包封裝。如果不能查到目的IP地址對(duì)應(yīng)的硬件地址，則發(fā)送查找該目的IP地址的ARP 請(qǐng)求（如果該IP 地址不是本地局域網(wǎng)內(nèi)IP 地址，則發(fā)送查找網(wǎng)關(guān)的IP地址的ARP 請(qǐng)求），將待發(fā)送的 IP數(shù)據(jù)包設(shè)置為等待發(fā)送狀態(tài)，在收到對(duì)應(yīng)的ARP響應(yīng)并建立完整的地址映射之后再發(fā)送出去。IP提供不可靠、無連接的數(shù)據(jù)報(bào)傳送。不可靠的就是它不保證IP 數(shù)據(jù)報(bào)能成功地到達(dá)目的地。無連接就是IP并不維護(hù)任何關(guān)于后續(xù)數(shù)據(jù)報(bào)的狀態(tài)信息，每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)的處理是相互獨(dú)立的，也就是IP數(shù)據(jù)報(bào)可以不按發(fā)送順序接收。接收到的每一個(gè)數(shù)據(jù)包，系統(tǒng)程序都根據(jù)首部檢驗(yàn)和、版本號(hào)和分片標(biāo)志等字段的內(nèi)容檢測(cè)數(shù)據(jù)是否正確，如果數(shù)據(jù)內(nèi)容正確再根據(jù)協(xié)議字段的內(nèi)容交給相應(yīng)的協(xié)議處理。 互聯(lián)網(wǎng)控制報(bào)文協(xié)議(ICMP) ICMP 經(jīng)常被認(rèn)為是 IP 層的一個(gè)組成部分。它傳遞差錯(cuò)報(bào)文以及其他需要注意的信息。ICMP 報(bào)文通常被 IP 層或更高層協(xié)議(TCP 或 UDP )使用。一些 ICMP報(bào)文把差錯(cuò)報(bào)文返回給用戶進(jìn)程。ICMP 報(bào)文的格式如圖 22 所示。所有報(bào)文的前 4 個(gè)字節(jié)都是一樣的，但是剩下的其他字節(jié)則互不相同。類型字段可以有巧個(gè)不同的值，以描述特定類型的ICMP 報(bào)文，某些 ICMP 報(bào)文還使用代碼字段的值來進(jìn)一步描述不同的條件。例如:報(bào)文“ICMP 不能到達(dá)目的地”為類型 8，又可分為 “由于網(wǎng)絡(luò)原因不能到達(dá)目的地”( 編碼 0) ,“由于主機(jī)原因無法到達(dá)目的地”(編碼 1) ,“由于協(xié)議原因無法到達(dá)目的地”( 編碼 2) .....,等等 [6]。8 位類型 8 位代碼 16 位檢驗(yàn)和不同類型和代碼有不同的內(nèi)容圖 22 ICMP 報(bào)文的格式 當(dāng)發(fā)送一份 ICMP 差錯(cuò)報(bào)文時(shí)，報(bào)文始終包含 IP 的首部和產(chǎn)生 ICMP 差錯(cuò)報(bào)文的 IP 數(shù)據(jù)報(bào)的前 8 個(gè)字節(jié)。這樣，接收 ICMP 差錯(cuò)報(bào)文的模塊就會(huì)把它與某個(gè)特定的協(xié)議(根據(jù) I P 數(shù)據(jù)報(bào)首部中的協(xié)議字段來判斷)和用戶進(jìn)程(根據(jù)包含在 IP數(shù)據(jù)報(bào)前 8 個(gè)字節(jié)中的 TCP 或 UDP 報(bào)文首部中的 TCP 或 UDP 端口號(hào)來判斷) 聯(lián)系起來。 用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議(UDP) UDP 是一個(gè)簡(jiǎn)單的面向數(shù)據(jù)報(bào)的運(yùn)輸層協(xié)議:進(jìn)程的每個(gè)輸出操作都正好產(chǎn)生一個(gè) UDP 數(shù)據(jù)報(bào)，并組裝成一份待發(fā)送的 IP 數(shù)據(jù)報(bào)。這與面向流字符的協(xié)議不同，如 TCP，應(yīng)用程序產(chǎn)生的全體數(shù)據(jù)與真正發(fā)送的單個(gè) IP 數(shù)據(jù)報(bào)可能沒有什么聯(lián)系。 UDP 不提供可靠性:它把應(yīng)用程序傳給 IP 層的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，但是并不保證它們能到達(dá)目的地。應(yīng)用程序必須關(guān)心 IP 數(shù)據(jù)報(bào)的長(zhǎng)度。如果它超過網(wǎng)絡(luò)的MTU，那么就要對(duì) IP 數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行分片。如果需要，源端到目的端之間的每個(gè)網(wǎng)絡(luò)都要進(jìn)行分片，并不只是發(fā)送端主機(jī)連接第一個(gè)網(wǎng)絡(luò)才這樣做。UDP 數(shù)據(jù)報(bào)和 TCP 段都包含一個(gè) 12 字節(jié)長(zhǎng)的偽首部。偽首部包含 IP 首部一些字段。其目的是讓 UDP 兩次檢查數(shù)據(jù)是否己經(jīng)正確到達(dá)目的地(例如，IP 沒有接收地址不是本主機(jī)的數(shù)據(jù)報(bào)，以及 IP 沒有把應(yīng)傳給另一高層的數(shù)據(jù)報(bào)傳給UDP )。UDP 協(xié)議首部字段包括 12 字節(jié)的偽首部和 8 字節(jié)的 UDP 首部。UDP 偽首部的作用不是用戶數(shù)據(jù)的真正首部，只是為了計(jì)算檢驗(yàn)和時(shí)，臨時(shí)和 UDP 用戶數(shù)據(jù)連接在一起，得到一個(gè)過度的 UDP 數(shù)據(jù)報(bào)，用于就算檢驗(yàn)和，偽首部即不向下傳輸，也不向上傳輸。UDP 首部和偽首部結(jié)構(gòu)如圖 23 所示：圖 23 UDP 首部和偽首部結(jié)構(gòu)UDP長(zhǎng)度字段指的是UDP首部和UDP 數(shù)據(jù)的字節(jié)總長(zhǎng)度。該字段的最小值為8字節(jié)（沒有純數(shù)據(jù)的UDP數(shù)據(jù)報(bào)）。IP數(shù)據(jù)報(bào)長(zhǎng)度指的是數(shù)據(jù)報(bào)全長(zhǎng)，因此程序接收到裝載UDP 數(shù)據(jù)的IP數(shù)據(jù)報(bào)后計(jì)算UDP 數(shù)據(jù)報(bào)長(zhǎng)度時(shí)，只是用IP 數(shù)據(jù)報(bào)的全長(zhǎng)減去IP 首部的長(zhǎng)度（該值在I