【文章內(nèi)容簡介】 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 報文段 TCP 報文段 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）論文 8 當(dāng)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， 與此 同時去掉報文首部 被 各層協(xié)議加 上 的。每層協(xié)議盒都 會 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 [10]。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)議是 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(zé)網(wǎng)絡(luò)層 IP 分組 的傳輸。它位于網(wǎng)際層，為運輸層提供服務(wù)，并從網(wǎng)絡(luò)接入層請求服務(wù)。 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 3個重要定義 [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(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 是 TCP/IP 互聯(lián)網(wǎng)設(shè)計里最基礎(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 基于單片機的 TCP/IP技術(shù)研究及應(yīng)用 9 IP 地址分配 地址 計算機網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的每臺計算機必須具有唯一的身份標識符 [9]。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(luò)號和主機號。其中網(wǎng)絡(luò)號標識一個物理的網(wǎng)絡(luò)，同一個網(wǎng)絡(luò)上所有主機需要同一個網(wǎng)絡(luò)號，該號在互聯(lián)網(wǎng)中是唯一的；而主機號確定網(wǎng)絡(luò)中的一個工作端、服務(wù)器、路由器或其它TCP/IP 主機。對于同一網(wǎng)絡(luò)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(luò)號和主機號。 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，其余 24 為表示主機號，總共允許有 126 個網(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制的 10，允許有 16384 個網(wǎng)絡(luò)。 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(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。整個 E 類地址是一種不用的實驗性地址。 四川理工學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計）論文 10 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 [9]。 IP 地址編號只是一個邏輯地址，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 Cache 中 直 至計算機重啟。 2. 主機 IP 地址解析為硬件地址 ARPS 是使用映射表進行工作。映射表指的是地址解析協(xié)議高速緩存。 (1) 當(dāng)一臺主機 須 要與另 一臺 主機通信 時 ，初始化 ARP 請求。當(dāng)該 IP 斷定IP 地址是本地 時 ，源主機 開始 在 ARP 緩存中 查找 目標主機的硬件地址。 (2) 如果找不到映射， ARP 建立一個請求，源主機 IP 地址和硬件地址都會包括 在請求中，這個請求通過廣播，是所有本地主機都可以接受處理。 (3) 本地網(wǎng)上的每個主機都收到廣播并尋找與之相符的 IP 地址。 (4) 當(dāng)目標主機斷定請求的 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。讓源主機的 IP 地址和硬件地址更新它的 ARP 緩存。源主機收到回復(fù)后就建立起了通信。 3．解析遠程 IP 地址 ARP 廣播的源主機是缺省網(wǎng)關(guān)的。目標 IP 地址如果是遠程主機， ARP 將廣播一個路由器的地址。 (1) 通信請求初始化 時 ， 得 知目標 IP 地址為遠程地址。源主機將在本地路由表中查找，如 果沒有找到，將認為是缺省網(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)地址不在是目標主機的地址。路由用自己的硬件地址回應(yīng)源主機的請求。源主機則將數(shù)據(jù)報傳送到路由器以傳送到目標主機的網(wǎng)絡(luò)，最終到達目標主機。 (3) 在路由器上，由 IP 決定目標 IP 地址是本地地址還是遠程地址。若是本地，路由器用 ARP 獲得硬件地址。遠程的話，路喲器則在路由表中找該網(wǎng)關(guān)，然后通過 ARP 獲得硬件地址。數(shù)據(jù)報將直接發(fā)送下一個目標主機。 (4) 目標主機接收到請求后，形 成 ICMP 響應(yīng)。由于源主機在遠程網(wǎng)上，將基于單片機的 TCP/IP技術(shù)研究及應(yīng)用 11 在本地路由表找源主機網(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 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。 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)送幀的的最大長度。任何時候 IP 層接受到一份要發(fā)送的 IP 數(shù)據(jù)報是，它要判斷向本地哪個接口發(fā)送數(shù)據(jù)，并查詢該接口獲得其 （ MTU 最大運輸單元也稱最大數(shù)據(jù)長度 ） ，IP 把 MTU 跟數(shù)據(jù)報長度比較。若 數(shù)據(jù)報長度大于 MTU 就需要分片。 IP 協(xié)議進行分段的原則就是， 一個較長的 IP 分組經(jīng)過一個 MTU 值較小的物理網(wǎng)絡(luò)時，會把長分組分割成較小的分組進行傳輸。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，它含有標識、標志和分片偏移 3 個字段 [12]。 把一份數(shù)據(jù)報分片以后，只有到達目的地后才進行重組。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)議不是一個可靠的協(xié)議，它不能保證數(shù)據(jù)被送達。自然地為保證數(shù)據(jù)的送達應(yīng)該由其它模 塊來完成。這個協(xié)議就是 ICMP 協(xié)議，經(jīng)常被認為是 IP 層的一個組成部分 [13]。所有的 IP 服務(wù)器和主機都支持這個協(xié)議。 當(dāng)傳送的 IP 數(shù)據(jù)包發(fā)生錯誤，如主機不可達，路由不可達等， 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。為防止 ICMP 的無限產(chǎn)生和傳送， ICMP 差錯報文不會產(chǎn)生 ICMP 報文。 ICMP 協(xié)議提供的差錯服務(wù)有以下： (1) 目的站不可達 當(dāng)路由器無法轉(zhuǎn)發(fā)或者交付 IP 分組時，就丟棄這個分組，然后向源站發(fā)回目的站不可達的報文。 (2) 超時 為避免循環(huán)路由，每個 IP 數(shù) 據(jù)報的 TTL 倒計時為 0 時，就丟棄該分組，同時向源站發(fā)送超時文本。 (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。當(dāng)路由或目的站因為擁塞丟棄分組時，它就向分組的源站發(fā)送抑制報文。 四川理工學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計）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 所示最簡單情況下進行的連接。 圖 33 連接建立三次握手示意圖 步驟如下： 1. 客戶端發(fā)送第一個報文段，即 SYN 段，這個 SYN 報文段為報文段 1。SYN 標志置 1， ACK 標志置 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)回報文段 2，報文段 2 中 ACK 標志為 1， SYN標志為 1。報文段 2 也稱為 SYN+ACK 文段。 3。這是一個確認報文段。報文段中 ACK 標志為 1，SYN 標志為 0。 在這 3 個報文段的交換過程中，即 3 次握手過程完成連接。 在數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后，通信雙方都可以發(fā)出釋放連接請求。一個 TCP 連接是全雙工的，每個方向須要單獨的進行關(guān)閉。當(dāng)雙方?jīng)]有數(shù)據(jù)發(fā)送時 就發(fā)送一個終止位 FIN。 TCP 連接釋放需要 4 次握手，如圖 34 所示 步驟如下： TCP 發(fā)送第一個報文段，即 FIN 報文段， FIN 標志置 1。執(zhí)行主動關(guān)閉。 TCP 發(fā)送第二個報文段，即 ACK 報文段，用以確認 FIN 報文段。 TCP 可以繼續(xù)向客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)服務(wù)器沒數(shù)據(jù)發(fā)送時，發(fā)送客戶 發(fā)送 SYN SEQ =x 服務(wù)器 接收到 SYN 信號 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 間 基于單片機的 TCP/IP技術(shù)研究及應(yīng)用 13 第三個報文段，即 FIN 報文段， FIN 標志置 1。關(guān)閉數(shù)據(jù)傳送。 TCP 發(fā)送第四個報文段，即 ACK 報文段，以確認服務(wù)器段 TCP 收到了 FIN 報文段。 TCP 對所有的報文采取一種簡單的 格式，包括攜帶數(shù)據(jù)的報文，甚至確認和建立連接和釋放連的消息。 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。傳送者一次發(fā)送的數(shù)量總小于可用緩沖去，則不會引起溢出。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)確認及被告知窗口大小來決定發(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和重傳。 圖 34 TCP 連接釋放的 4 次握手 用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議 UDP 也是 IP 之上的另外一個傳輸層協(xié)議。 UDP 與 TCP 不同，它是一個簡單的面向數(shù)據(jù)報的運輸層協(xié)議，它是一種無連接的傳輸層協(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)議可靠機制、流量控制及錯誤恢復(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，開銷小，因其簡單，適用于不需要可靠機制的情形。 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)送報文 收到 FIN 發(fā)送 ACK， ACK=y+2,SEQ=x+1 時間 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）論文 14 第 4 章 系統(tǒng)總體設(shè)計 在本系統(tǒng)的解決方案中，以 MCS51 系列的單片機為 CPU，負責(zé) TCP/IP協(xié)議棧實現(xiàn)的主體工作。以太網(wǎng)的接口芯片，負責(zé)收發(fā)以太數(shù)據(jù)包。實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸。在對數(shù)據(jù)的傳輸方式上選取電子郵 件的方式，就是在單片機上實現(xiàn)的電子郵件發(fā)送功能，也就實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的遠程傳輸。系統(tǒng)在單片機上實現(xiàn)嵌入式TCP/IP 協(xié)議的方式上，選用 “ 單片機 +以太網(wǎng)網(wǎng)卡 ” 方案實現(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)的開發(fā)。 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 。 目前嵌入式系統(tǒng)按性能可大致分為兩種： RTOS+高檔 3