【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 0B 20B 4B 應(yīng)用數(shù)據(jù) 應(yīng)用數(shù)據(jù) 應(yīng)用數(shù)據(jù) Appl首部 以太網(wǎng) 驅(qū)動(dòng)程序 以太網(wǎng) 首部 以太網(wǎng) 尾 部 應(yīng)用數(shù)據(jù) IP 首部 IP 首部 TCP 首部 TCP 首部 IP 報(bào)文段 TCP 報(bào)文段 以太網(wǎng)幀 TCP IP 以太網(wǎng) 四川理工學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)）論文 8 當(dāng)目的主機(jī)收到一個(gè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀是，數(shù)據(jù)就開(kāi)始從協(xié)議戰(zhàn)中由底向上傳送， 與此 同時(shí)去掉報(bào)文首部 被 各層協(xié)議加 上 的。每層協(xié)議盒都 會(huì) 檢查報(bào)文首部中的協(xié)議標(biāo)識(shí)，以確定接受數(shù)據(jù)的上層協(xié)議，這個(gè)過(guò)程稱作分用 [10]。圖 32 顯示這個(gè)如何過(guò)程如何發(fā)生的。 圖 32 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的分用過(guò)程 協(xié)議層簡(jiǎn)介 網(wǎng)際層協(xié)議 網(wǎng)際協(xié)議是 TCP/IP 協(xié)議最重要的組成部分，是整個(gè)協(xié)議族的核心，主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)層 IP 分組 的傳輸。它位于網(wǎng)際層，為運(yùn)輸層提供服務(wù)，并從網(wǎng)絡(luò)接入層請(qǐng)求服務(wù)。 IP 提供不可靠的、無(wú)連接的、盡最大努力交付的分組傳輸機(jī)制。 IP 提供了 3個(gè)重要定義 [11]： 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(jī)制。 3) 除了數(shù)據(jù)格式和路由機(jī)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(jī)和路由器應(yīng)該如何處理 IP 分組、何時(shí)及如何發(fā)現(xiàn)錯(cuò)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(shè)計(jì)里最基礎(chǔ)的部分。 應(yīng)用程序 應(yīng)用程序 應(yīng)用程序 應(yīng)用程序 UDP TCP ICMP IGMP IP ARP RARP 以太網(wǎng) 驅(qū)動(dòng)程序 進(jìn)入的幀 以 TCP 或 UDP 首部端口號(hào)進(jìn)行分用 以 IP 首部中的協(xié)議值進(jìn)行分用 以以太網(wǎng)首部中的幀類型進(jìn)行分用 基于單片機(jī)的 TCP/IP技術(shù)研究及應(yīng)用 9 IP 地址分配 地址 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的每臺(tái)計(jì)算機(jī)必須具有唯一的身份標(biāo)識(shí)符 [9]。在 TCP/IP 協(xié)議簇中，這種標(biāo)識(shí)符叫做 IP 地址。 IP 地址有兩部分組成：網(wǎng)絡(luò)號(hào)和主機(jī)號(hào)。其中網(wǎng)絡(luò)號(hào)標(biāo)識(shí)一個(gè)物理的網(wǎng)絡(luò)，同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上所有主機(jī)需要同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)號(hào)，該號(hào)在互聯(lián)網(wǎng)中是唯一的；而主機(jī)號(hào)確定網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)工作端、服務(wù)器、路由器或其它TCP/IP 主機(jī)。對(duì)于同一網(wǎng)絡(luò)號(hào)而言，主機(jī)號(hào)是唯一的。 IP 地址有兩種表示形式：二進(jìn)制表示和點(diǎn)分十進(jìn)制表示。在 IPv4 中使用的IP 地址是 32 位的二進(jìn)制地址。但是為了是 32 位的二進(jìn)制地址更簡(jiǎn)潔和便于 閱讀，通常采用點(diǎn)分十進(jìn)制。在點(diǎn)分十進(jìn)制中，每個(gè) IP 地址的長(zhǎng)度為 4 個(gè)字節(jié)，有 4 個(gè) 8 位域組成，稱之為八為體。八為體由句點(diǎn) “.” 分開(kāi)，來(lái)表示為一個(gè) 0~255之間的十進(jìn)制書。 IP 地址的 4 個(gè)域分別標(biāo)明了網(wǎng)絡(luò)號(hào)和主機(jī)號(hào)。 目前，因網(wǎng)絡(luò)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(kāi)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(luò)，最高位為 0，緊跟的 7 位表示網(wǎng)絡(luò)號(hào)，其余 24 為表示主機(jī)號(hào)，總共允許有 126 個(gè)網(wǎng)絡(luò)。 B 類地址：用于支持大型和中型網(wǎng)絡(luò)。最高兩位總置于二進(jìn)制的 10，允許有 16384 個(gè)網(wǎng)絡(luò)。 C 類地 址：用于局域網(wǎng)。高 3 位置為二進(jìn)制 110，允許 2097152 個(gè)網(wǎng)絡(luò)。 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(biāo)明客戶機(jī)所屬的組 E 類地址 :E 類地址沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)號(hào)和主機(jī)號(hào)之分，最高位置為 1111。整個(gè) E 類地址是一種不用的實(shí)驗(yàn)性地址。 四川理工學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)）論文 10 地址解析協(xié)議 要想在網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)通信，主機(jī)必須知道對(duì)方主機(jī)的硬件地址 [9]。 IP 地址編號(hào)只是一個(gè)邏輯地址，不是硬件地址。在網(wǎng)絡(luò)中傳遞的幀必須含有目的地址的硬件地址。所以在進(jìn)行底層數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)候必須將 IP 地址轉(zhuǎn)換為硬件地址，即介質(zhì)訪問(wèn)控制地址。 ARP 協(xié)議就是將 IP 地址映射為硬件地址的過(guò)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(dòng)態(tài)和靜態(tài)項(xiàng)。動(dòng)態(tài)是自動(dòng)添加和刪除的，靜態(tài)項(xiàng)則是保留 Cache 中 直 至計(jì)算機(jī)重啟。 2. 主機(jī) IP 地址解析為硬件地址 ARPS 是使用映射表進(jìn)行工作。映射表指的是地址解析協(xié)議高速緩存。 (1) 當(dāng)一臺(tái)主機(jī) 須 要與另 一臺(tái) 主機(jī)通信 時(shí) ，初始化 ARP 請(qǐng)求。當(dāng)該 IP 斷定IP 地址是本地 時(shí) ，源主機(jī) 開(kāi)始 在 ARP 緩存中 查找 目標(biāo)主機(jī)的硬件地址。 (2) 如果找不到映射， ARP 建立一個(gè)請(qǐng)求，源主機(jī) IP 地址和硬件地址都會(huì)包括 在請(qǐng)求中，這個(gè)請(qǐng)求通過(guò)廣播，是所有本地主機(jī)都可以接受處理。 (3) 本地網(wǎng)上的每個(gè)主機(jī)都收到廣播并尋找與之相符的 IP 地址。 (4) 當(dāng)目標(biāo)主機(jī)斷定請(qǐng)求的 IP 地址自己相符時(shí)，會(huì)直接發(fā)送一個(gè) ARP回復(fù)，將自己的硬件地址傳給源主機(jī)。讓源主機(jī)的 IP 地址和硬件地址更新它的 ARP 緩存。源主機(jī)收到回復(fù)后就建立起了通信。 3．解析遠(yuǎn)程 IP 地址 ARP 廣播的源主機(jī)是缺省網(wǎng)關(guān)的。目標(biāo) IP 地址如果是遠(yuǎn)程主機(jī)， ARP 將廣播一個(gè)路由器的地址。 (1) 通信請(qǐng)求初始化 時(shí) ， 得 知目標(biāo) IP 地址為遠(yuǎn)程地址。源主機(jī)將在本地路由表中查找，如 果沒(méi)有找到，將認(rèn)為是缺省網(wǎng)關(guān)的 IP 地址。在 ARP 緩存中查找符合網(wǎng)關(guān)記錄的 IP 地址。 (2) 如果沒(méi)有找該網(wǎng)關(guān)記錄， ARP 將廣播請(qǐng)求網(wǎng)關(guān)地址不在是目標(biāo)主機(jī)的地址。路由用自己的硬件地址回應(yīng)源主機(jī)的請(qǐng)求。源主機(jī)則將數(shù)據(jù)報(bào)傳送到路由器以傳送到目標(biāo)主機(jī)的網(wǎng)絡(luò)，最終到達(dá)目標(biāo)主機(jī)。 (3) 在路由器上，由 IP 決定目標(biāo) IP 地址是本地地址還是遠(yuǎn)程地址。若是本地，路由器用 ARP 獲得硬件地址。遠(yuǎn)程的話，路喲器則在路由表中找該網(wǎng)關(guān)，然后通過(guò) ARP 獲得硬件地址。數(shù)據(jù)報(bào)將直接發(fā)送下一個(gè)目標(biāo)主機(jī)。 (4) 目標(biāo)主機(jī)接收到請(qǐng)求后，形 成 ICMP 響應(yīng)。由于源主機(jī)在遠(yuǎn)程網(wǎng)上，將基于單片機(jī)的 TCP/IP技術(shù)研究及應(yīng)用 11 在本地路由表找源主機(jī)網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)。找到網(wǎng)關(guān)后， ARP 就獲得了它的硬件地址。 (5) 若該網(wǎng)關(guān)硬件地址不在 ARP 中，則通過(guò) ARP 廣播獲得。一旦獲得硬件地址， ICMP 響應(yīng)就傳送到路由器上，后傳到源主機(jī)。 IP 分片 /重組 正如上文 中描述的一樣，物理網(wǎng)絡(luò)層一般要限制每次發(fā)送幀的的最大長(zhǎng)度。任何時(shí)候 IP 層接受到一份要發(fā)送的 IP 數(shù)據(jù)報(bào)是，它要判斷向本地哪個(gè)接口發(fā)送數(shù)據(jù)，并查詢?cè)摻涌讷@得其 （ MTU 最大運(yùn)輸單元也稱最大數(shù)據(jù)長(zhǎng)度 ） ，IP 把 MTU 跟數(shù)據(jù)報(bào)長(zhǎng)度比較。若 數(shù)據(jù)報(bào)長(zhǎng)度大于 MTU 就需要分片。 IP 協(xié)議進(jìn)行分段的原則就是， 一個(gè)較長(zhǎng)的 IP 分組經(jīng)過(guò)一個(gè) MTU 值較小的物理網(wǎng)絡(luò)時(shí)，會(huì)把長(zhǎng)分組分割成較小的分組進(jìn)行傳輸。這個(gè)過(guò)程稱為分片，每個(gè)分片包含一個(gè)分片首部，用來(lái)控制數(shù)據(jù)的分片和重組，它含有標(biāo)識(shí)、標(biāo)志和分片偏移 3 個(gè)字段 [12]。 把一份數(shù)據(jù)報(bào)分片以后，只有到達(dá)目的地后才進(jìn)行重組。重組是由目的端 IP層完成。 IP 首部中包含的數(shù)據(jù)分為分片和重組提供了足夠的信息。 ICMP 協(xié)議 IP 協(xié)議不是一個(gè)可靠的協(xié)議，它不能保證數(shù)據(jù)被送達(dá)。自然地為保證數(shù)據(jù)的送達(dá)應(yīng)該由其它模 塊來(lái)完成。這個(gè)協(xié)議就是 ICMP 協(xié)議，經(jīng)常被認(rèn)為是 IP 層的一個(gè)組成部分 [13]。所有的 IP 服務(wù)器和主機(jī)都支持這個(gè)協(xié)議。 當(dāng)傳送的 IP 數(shù)據(jù)包發(fā)生錯(cuò)誤，如主機(jī)不可達(dá)，路由不可達(dá)等， ICMP 協(xié)議將會(huì)把錯(cuò)誤信息封包，然后傳送給主機(jī)，讓主機(jī)處理錯(cuò)誤。為防止 ICMP 的無(wú)限產(chǎn)生和傳送， ICMP 差錯(cuò)報(bào)文不會(huì)產(chǎn)生 ICMP 報(bào)文。 ICMP 協(xié)議提供的差錯(cuò)服務(wù)有以下： (1) 目的站不可達(dá) 當(dāng)路由器無(wú)法轉(zhuǎn)發(fā)或者交付 IP 分組時(shí)，就丟棄這個(gè)分組，然后向源站發(fā)回目的站不可達(dá)的報(bào)文。 (2) 超時(shí) 為避免循環(huán)路由，每個(gè) IP 數(shù) 據(jù)報(bào)的 TTL 倒計(jì)時(shí)為 0 時(shí)，就丟棄該分組，同時(shí)向源站發(fā)送超時(shí)文本。 (3) 源站抑制 由于 IP 中沒(méi)有流量控制機(jī)制，源站抑制報(bào)文為 IP 增加了流量控制的能力。當(dāng)路由或目的站因?yàn)閾砣麃G棄分組時(shí)，它就向分組的源站發(fā)送抑制報(bào)文。 四川理工學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)）論文 12 傳輸控制協(xié)議 TCP 連接和釋放 TCP 是一種面向連接的、全手工的、可靠的數(shù)據(jù)流傳輸協(xié)議 [14]。它在每一次數(shù)據(jù)傳輸前先要在通信雙方建立一條連接。 TCP 中建立連接采用 3 次握手如圖33 所示最簡(jiǎn)單情況下進(jìn)行的連接。 圖 33 連接建立三次握手示意圖 步驟如下： 1. 客戶端發(fā)送第一個(gè)報(bào)文段，即 SYN 段，這個(gè) SYN 報(bào)文段為報(bào)文段 1。SYN 標(biāo)志置 1， ACK 標(biāo)志置 0。定義客戶端打算建立連接的愿望。 2. 服務(wù)器如果同意連接則發(fā)回報(bào)文段 2，報(bào)文段 2 中 ACK 標(biāo)志為 1， SYN標(biāo)志為 1。報(bào)文段 2 也稱為 SYN+ACK 文段。 3。這是一個(gè)確認(rèn)報(bào)文段。報(bào)文段中 ACK 標(biāo)志為 1，SYN 標(biāo)志為 0。 在這 3 個(gè)報(bào)文段的交換過(guò)程中，即 3 次握手過(guò)程完成連接。 在數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后，通信雙方都可以發(fā)出釋放連接請(qǐng)求。一個(gè) TCP 連接是全雙工的，每個(gè)方向須要單獨(dú)的進(jìn)行關(guān)閉。當(dāng)雙方?jīng)]有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí) 就發(fā)送一個(gè)終止位 FIN。 TCP 連接釋放需要 4 次握手，如圖 34 所示 步驟如下： TCP 發(fā)送第一個(gè)報(bào)文段，即 FIN 報(bào)文段， FIN 標(biāo)志置 1。執(zhí)行主動(dòng)關(guān)閉。 TCP 發(fā)送第二個(gè)報(bào)文段，即 ACK 報(bào)文段，用以確認(rèn) FIN 報(bào)文段。 TCP 可以繼續(xù)向客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)服務(wù)器沒(méi)數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，發(fā)送客戶 發(fā)送 SYN SEQ =x 服務(wù)器 接收到 SYN 信號(hào) 發(fā)送 SYN+ACK SEQ=y,ACK=x+1 接收到 SYN+ACK 發(fā)送 ACK SEQ=x+1,ACK=y+1 接收到 ACK 時(shí) 間 基于單片機(jī)的 TCP/IP技術(shù)研究及應(yīng)用 13 第三個(gè)報(bào)文段，即 FIN 報(bào)文段， FIN 標(biāo)志置 1。關(guān)閉數(shù)據(jù)傳送。 TCP 發(fā)送第四個(gè)報(bào)文段，即 ACK 報(bào)文段，以確認(rèn)服務(wù)器段 TCP 收到了 FIN 報(bào)文段。 TCP 對(duì)所有的報(bào)文采取一種簡(jiǎn)單的 格式，包括攜帶數(shù)據(jù)的報(bào)文，甚至確認(rèn)和建立連接和釋放連的消息。 TCP 用滑動(dòng)窗口來(lái)實(shí)現(xiàn)流量控制機(jī)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。傳送者一次發(fā)送的數(shù)量總小于可用緩沖去，則不會(huì)引起溢出。當(dāng)接收者處理完一定的數(shù)據(jù)后，便向發(fā)送者發(fā)送 ACK，指出緩沖區(qū)空間已增加。發(fā)送者經(jīng)確認(rèn)及被告知窗口大小來(lái)決定發(fā)送數(shù)據(jù)的多少。 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。 圖 34 TCP 連接釋放的 4 次握手 用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議 UDP 也是 IP 之上的另外一個(gè)傳輸層協(xié)議。 UDP 與 TCP 不同，它是一個(gè)簡(jiǎn)單的面向數(shù)據(jù)報(bào)的運(yùn)輸層協(xié)議，它是一種無(wú)連接的傳輸層協(xié)議，它不提供可靠性的服務(wù)。 與 TCP 不同，它并不提供給 IP 協(xié)議可靠機(jī)制、流量控制及錯(cuò)誤恢復(fù)等功能。使用 UDP 數(shù)據(jù)服務(wù)的應(yīng)用程序須自己提供可靠性。另外， UDP 也不保證數(shù)據(jù)的傳輸順序。 UDP 是輕權(quán)協(xié)議，開(kāi)銷小，因其簡(jiǎn)單，適用于不需要可靠機(jī)制的情形。 客戶 （應(yīng)用程序關(guān)閉連接） 發(fā)送 FIN,SEQ=x 接收到 ACK 不發(fā)送報(bào)文 收到 FIN 發(fā)送 ACK， ACK=y+2,SEQ=x+1 時(shí)間 服務(wù)器 接收到 FIN，發(fā)送 ACK ACK=x+1 (應(yīng)用程序關(guān)閉 ) 發(fā)送 FIN ACK=x+1,SEQ=y+1 接收到 ACK 四川理工學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)）論文 14 第 4 章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 在本系統(tǒng)的解決方案中，以 MCS51 系列的單片機(jī)為 CPU，負(fù)責(zé) TCP/IP協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)的主體工作。以太網(wǎng)的接口芯片，負(fù)責(zé)收發(fā)以太數(shù)據(jù)包。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。在對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸方式上選取電子郵 件的方式，就是在單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)的電子郵件發(fā)送功能，也就實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。系統(tǒng)在單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)嵌入式TCP/IP 協(xié)議的方式上，選用 “ 單片機(jī) +以太網(wǎng)網(wǎng)卡 ” 方案實(shí)現(xiàn)，此種方案充分利用現(xiàn)有資源，節(jié)約成本，適合小系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。 硬件 總體功能結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì) 完整的 TCP/IP協(xié)議是由許多個(gè)協(xié)議組成的協(xié)議簇 ， 其功能強(qiáng)大 ， 結(jié)構(gòu)復(fù)雜 ，占用系統(tǒng)資源較大 。 目前嵌入式系統(tǒng)按性能可大致分為兩種： RTOS+高檔 3