【文章內(nèi)容簡介】 控制等功能，這種嵌入式系統(tǒng)與 Inter 之間的連接與應(yīng)用就稱為嵌入式 Inter。嵌入式 Inter 技術(shù)的誕生雖然不算久，但發(fā)展卻相當(dāng)迅速，我們還未適應(yīng)它的時候，很多相關(guān)的技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)了，很多大的芯片制造商開始研制功能更強大的嵌入式芯片，軟件廠商則開發(fā)出了微型的 Web 服務(wù)器、TCP/IP 協(xié)議棧。由于出現(xiàn)了很多靈活的微控制器，現(xiàn)在可以為用戶創(chuàng)造廉價的嵌入式 Inter 解決方案， 8 位和 16 位微控制器都可以接入 Inter 等大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)，例如 emWare 就已經(jīng)為開發(fā)人員和生產(chǎn)商提供了 8 位和 16 位微控制器網(wǎng)絡(luò)接入解決方案。隨著 PC 機時代的到來， 21 世紀(jì)將是嵌入式 Inter 的時代。美國貝爾實驗室總裁 Arun Netravali 的一批科學(xué)家對此做出了預(yù)測：嵌入式Inter“將會產(chǎn)生比 PC 機時代多成百上千倍的瘦服務(wù)器和超級嵌入式瘦服務(wù)器 ”。這些瘦服務(wù)器將與我們所能想到的各種物理信息、生物信息相聯(lián)接，通過Inter 網(wǎng)自動地、實時地、方便地、簡單地提供給需 要這些信息的對象。 嵌入式系統(tǒng)接入 Inter 同 PC 機接入 Inter 一樣，必須通過相應(yīng)的通信協(xié)議。目前的 Inter 采用 TCP/IP 協(xié)議，因此嵌入式系統(tǒng)接入 Inter 最終必須通過 TCP/IP 協(xié)議，對信息進行 TCP/IP 協(xié)議處理，使其變成可以在 Inter 上傳輸?shù)?IP 數(shù)據(jù)包。 Inter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。單片機的缺點是資源有限，無法容納下 Inter的 TCP/IP協(xié)議簇。因此單片機實現(xiàn)嵌 8 入式接入 Inter技術(shù)的關(guān)鍵是如何在單 片機等嵌入式設(shè)備的有限資源上實現(xiàn)Inter的網(wǎng)絡(luò)通信協(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)?IP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(luò)協(xié)議。再由嵌入式網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)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(wù)。如防火墻、協(xié)議轉(zhuǎn)換、監(jiān)視嵌入式設(shè)備的運行狀態(tài)、向外界提供 Web 服務(wù)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(luò)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(shè)備的上網(wǎng)需求，不適合用于低價格設(shè)備。基于這種接入技術(shù)模型， EmWare公司提出了嵌入式微 Inter網(wǎng)絡(luò)技術(shù) EMIT ( embedded micro interworking technology)。 EMIT 由 emMicro、 emGateway 和網(wǎng)絡(luò)瀏覽器組成，并在 MCU 內(nèi)部以軟件方式嵌入 emNet 協(xié)議 ,如圖 22 所示。 圖 22 圖 21 采用專用嵌入式網(wǎng)絡(luò)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 . emGateway (PC 機 ) 文件系統(tǒng) Inter Web Browser RS232 RS485 emMirco 應(yīng)用系統(tǒng) +em MCUNet 9 圖 23 在嵌入式實時操作系統(tǒng) RTOS 上運行 TCP/IP 3. 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(shè)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(luò)協(xié)議，一般提供有相應(yīng)的 TCP/IP網(wǎng)絡(luò)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(yīng)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(luò)控制芯片 通過在系統(tǒng)中集成網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(yuǎn)程控制端的操作通過路由器找到目標(biāo)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(yīng)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(luò)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(shè)計的系統(tǒng)就是采用這種技術(shù)方案。 RTOS MCU TCP/IP Inter MCU 固化 TCP/IP 協(xié)議棧 TCP/IP Inter 10 第 3 章 網(wǎng)絡(luò)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(luò)接口層、網(wǎng)際層、傳輸層和應(yīng)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(yīng)用協(xié)議 應(yīng)用層 7 應(yīng)用層 FTP、 和 Tel等 表示層 6 會話層 5 運輸層 TCP 和 UDP 傳輸層 4 網(wǎng)絡(luò)層 3 網(wǎng)絡(luò)層 IP、 ICMP 和 IGMP 鏈路層 設(shè)備驅(qū)動及接口卡 數(shù)據(jù)鏈路層 2 物理層 1 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(luò)接口層 網(wǎng)絡(luò)接口層包括用于協(xié)作 IP 數(shù)據(jù)在已有網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)上傳輸協(xié)議。實際上TCP/IP 標(biāo)準(zhǔn)并不定義與 ISO 數(shù)據(jù)鏈路層和物理層相對應(yīng)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(yīng)于 OSI 7層參考模型的網(wǎng)絡(luò)層，網(wǎng)絡(luò)層主要解決計算機之間的通信問題，它負(fù)責(zé)管理不同設(shè)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(wù)，無論傳輸是否正確，不做驗證、不發(fā)確認(rèn)，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。 11 ? ICMP 協(xié)議 (網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(luò)層地址。 (3) 第三層 傳輸層 對應(yīng)于 OSI 7 層參考模型的傳輸層，提供兩種端到端的通信服務(wù)。其中 TCP協(xié)議提供可靠的數(shù)據(jù)流運輸服務(wù)， UDP 協(xié)議提供不可靠的用戶數(shù)據(jù)服務(wù)。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(wù)。 ? 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(dāng)通信子網(wǎng)相當(dāng)可靠是， UDP 協(xié)議的優(yōu)越性更為突出。 (4) 第四層 應(yīng)用層 對應(yīng)于 OSI 7 層參考模型的應(yīng)用層和表達層，應(yīng)用層是將應(yīng)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(yīng)用程序提供使用協(xié)議，標(biāo)注的應(yīng)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(wù)器上下載文件，或者向 FTP 服務(wù)器上傳文件。 ? HTTP 超文本傳輸協(xié)議：用來訪問在 WWW 服務(wù)器上的各種頁面。 ? DNS 域名服務(wù)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(wù)：實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)中的工作站登陸到遠(yuǎn)程服務(wù)器的能力。 ? NFS 網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)：用于實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)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(luò)設(shè)備 之間交換路由信息。 數(shù)據(jù)封裝 當(dāng)應(yīng)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(dāng)做一串比特流送入網(wǎng)絡(luò)。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(luò)接口層的數(shù)據(jù)單元稱作 IP 數(shù)據(jù)報，通過以 12 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(luò)接口傳送的數(shù)據(jù)單元應(yīng)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(yīng)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(biāo)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(luò)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(biāo)識，以指明生成數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)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(yīng)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(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)中由底向上傳用戶數(shù)據(jù) 用戶數(shù)據(jù) TCP 首部 14B 20B 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) 13 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(biāo)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(fù)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： 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 I