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正文內(nèi)容

基于單片機的tcpip技術(shù)研究及應用-wenkub.com

2024-11-04 05:43 本頁面
   

【正文】 對 IP數(shù)據(jù)發(fā)送過程如圖 55 所示。在收到信包后,需要檢驗。 2.任選項: 這些選項包括:安全和處理限制、記錄路由、時間戳等等。任何一個 IP 數(shù)據(jù)報都包含源 IP 地址和目的 IP 地址。除了 IP 選項和填充域之外,首部所有字段的長度都是一定的。如圖 54 所示。使用 ARP 與 IP 對應的 ARP 表 ,記錄 下解析的 MAC 地址 ,以減少在一定時間內(nèi)對同一 IP 地址的多次重復解析 ,從而加快TCP/IP 協(xié)議棧的運行。處理過程如圖 53。如果有 ,就可以直接取出硬件地址 ,然后返回硬件地址,并發(fā)送該報文。響應模塊處理來自網(wǎng)絡的ARP 分組,并通過增加新的綁定來修改 ARP 表中的內(nèi)容。 ARP 協(xié)議軟件實現(xiàn) ARP 協(xié)議用來完成 IP 地址與以太網(wǎng)地址之間的轉(zhuǎn)換,此此次系統(tǒng)設(shè)計中僅響應 ARP 請求和發(fā)送 ARP 應答。硬件地址長度和協(xié)議地址長度分別指出硬件地址和協(xié)議地址的長度。這個協(xié)議就是地址解析協(xié)議??蛻舭l(fā)送 QUIT 命令終止連接。若服務器準備接收,客戶端發(fā)送 RCPT 報文標識報文接收方,服務器返回響應。若客戶端準備就緒, 客戶端個向服務器發(fā)送 HELO 報文,以標識發(fā)送方的身份。 SMTP 的通信模型是基于 TCP 運輸協(xié)議的。 SMTP 是一種簡單的基于文本的電子郵件傳輸協(xié)議。計算是為了提供額外的錯誤監(jiān)測。這樣就知道數(shù)據(jù)是否丟失,是否重傳丟失數(shù)據(jù)。 3.字節(jié)流傳輸: TCP 是面向字節(jié)流的。所以這次設(shè)計選取了 TCP 而不是 UDP。 傳輸層協(xié)議選擇及分析 TCP 協(xié)議是一種提供可靠的端到端、面向字節(jié)流連接的服務。 IP 提供的是 “盡最大努力交付的 ”傳輸服務,就是說 IP 協(xié)議盡量的發(fā)送每一個 IP 數(shù)據(jù)包,不隨意放棄數(shù)據(jù)包,只有在資源用盡或底層網(wǎng)絡出現(xiàn)錯誤時才有可能出現(xiàn)不可靠性。所有的 TCP、 UDP、 IGMP 及 ICMP 都是以 IP 數(shù)據(jù)報格式傳輸。 ARP協(xié)議可以細分為 ARP請求協(xié)議和 ARP響應協(xié)議兩種 , 系統(tǒng)要同其它計算機通信 , 就必須實現(xiàn) ARP響應協(xié)議 , ARP請求協(xié)議在本地建立了一個 IP地址到 MAC地址的映像 , 保證了對外通信的有的放矢。根據(jù)物理層的不同 , 鏈路層有多種協(xié)議可以選擇。 通過裁減對原協(xié)議進行有選擇地實現(xiàn)。 TCP/IP 協(xié)議層選擇及分析 Inter網(wǎng)絡通信中, TCP/IP協(xié)議簇非常龐大,需要占用大量的系統(tǒng)資源。 4.生成目標代碼 質(zhì)量高,程序執(zhí)行效率高。 C 語言有如下特點: 1.語言簡潔、緊湊,使用靈活、方便。 20 圖 41 硬件結(jié)構(gòu)框圖 對于系統(tǒng)功能的實現(xiàn)上,主要是在軟件上進行設(shè)計。我們選取RTL8019AS 芯片實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)。; 4 個雙向的 8 位并行 I/O 接口,一個全雙工串行接口。因此在后者上實現(xiàn) TCP/IP協(xié)議更具有實際意義。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)。 客戶 (應用程序關(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 服務器 接收到 FIN,發(fā)送 ACK ACK=x+1 (應用程序關(guān)閉 ) 發(fā)送 FIN ACK=x+1,SEQ=y+1 接收到 ACK 19 第四章 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 TCP/IP協(xié)議棧實現(xiàn)的主體工作。 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等功能。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 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 發(fā)送第二個報文段,即 ACK 報文段,用以確認 FIN 報文段。一個 TCP 連接是全雙工的,每個方向須要單獨的進行關(guān)閉。這是一個確認報文段。定義客戶端打算建立連接的愿望。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。 (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。所有的 IP 服務器和主機都支持這個協(xié)議。 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。 IP 協(xié)議進行分段的原則就是,根據(jù)源端所在物理網(wǎng)的 MTU 選擇最大的數(shù)據(jù)報長度,數(shù)據(jù)報經(jīng)過 MTU 較小的網(wǎng)絡時分成較小部分進行傳輸。一旦獲得硬件地址, ICMP 響應就傳送到路由器上,后傳到源主機。 (4) 目標主機接收到請求后,形成 ICMP 響應。 (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。在 ARP 緩存中查找符合網(wǎng)關(guān)記錄的 IP 地址。 3.解析遠程 IP 地址 ARP 廣播的源主機是缺省網(wǎng)關(guān)的。 (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。映射表指的是地址解析協(xié)議高速緩存。 1. ARP 緩存 ARP 在緩存中保存地址映射以備用。 IP 地址編號只是一個邏輯地址,不是硬件地址。 D 類地址:用于多路廣播組用戶。 B 類地址:用于支持大型和中型網(wǎng)絡。 IP 地址的 4 個域分別標明了網(wǎng)絡號和主機號。在 IPv4 中使用的IP 地址是 32 位的二進制地址。 IP 地址有兩部分組成:網(wǎng)絡號和主機號。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 提供不可靠的、無連接的、盡最大努力交付的分組傳輸機制。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。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)幀首部中加入標識,以指明生成數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡協(xié)議層。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。 ? RIP 路由信息協(xié)議:用于網(wǎng)絡設(shè)備 之間交換路由信息。 ? 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。 (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。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。 11 ? 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。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。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。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。如圖 24所示。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。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?;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)。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。 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。單片機的缺點是資源有限,無法容納下 Inter的 TCP/IP協(xié)議簇。這些瘦服務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 Inter 技術(shù)的誕生雖然不算久,但發(fā)展卻相當迅速,我們還未適應它的時候,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 服務器、TCP/IP 協(xié)議棧。固化代碼。 4. 統(tǒng)一的接口。開放性、可伸縮性的體系結(jié)構(gòu)。目前,已經(jīng)有一些比較成功的EOS 產(chǎn)品系列。目前全世界嵌入式處理器的品 種 已經(jīng)有 1000 多種,體系結(jié)構(gòu)有 30 多個系列,其中主流的體系有 ARM、 PowerPC、x8 SH 和 MIPS 等 。 .嵌入式計算機系統(tǒng)是整個嵌入式系統(tǒng)的核心,由硬件層、中間層、系統(tǒng)軟件層和應用軟件層組成。 2. 專用性強。 嵌入式系統(tǒng)是將先進的計算機技術(shù)、半導體技術(shù)和電子技術(shù)以及各個行業(yè)的具體應用相結(jié)合的產(chǎn)物。不過,這個定義還不能充分體現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的精髓。 3. 對我們需要的協(xié)議進行必要的精簡和修改,以達到軟件的實現(xiàn)。 本文主要工作 本文主要工作是將 TCP/IP 協(xié)議 嵌入低檔單片機中。因此,嵌入式系統(tǒng)的 Inter接入技術(shù),將會有極其廣闊的應用前景。 近年來以單片機 (Micro Computer Unit, MCU)為代表的嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)探測系統(tǒng)、智能儀器、安防系統(tǒng)、智能家電和信息家電領(lǐng)域得到了廣泛應用。嵌入式設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)開始。通過對現(xiàn)有的嵌入 Inter 及比較了目前幾種單片機接入 Inter 實現(xiàn)方案的前提下,應用了一種基于單片自身特點的具體的解決方案:嵌入式 TCP/IP 協(xié)議。 I 基于單片機的 TCP/IP 技術(shù)研究及應用 摘 要 今天, 嵌入式 Inter 的應用己經(jīng)深入到日常生活的各個方面 。通過對TCP/IP 網(wǎng)絡協(xié)議的深入分析 ,對 TCP/IP 協(xié)議進行合理的簡化,將其嵌入到內(nèi)部資源有限的微處理器中,實現(xiàn)以電子郵件方式進行遠程數(shù)據(jù)傳輸。但是,由于嵌入式系統(tǒng)資源有限,一些傳統(tǒng)的 Inter 技術(shù)和設(shè)備無法直接應用。如果嵌入式系統(tǒng)能夠連接到 Inter上,則用戶可以方便、快捷、低廉地通過網(wǎng)絡進行遠程控制、監(jiān)測和信息傳送。如何利用單片機接入 Inter網(wǎng)絡成為未來最熱門的技術(shù)之一。通過 89C51 系列單片機和網(wǎng)卡芯片 RTL8019AS 在單片機上實現(xiàn) Inter 接入,在對 TCP/IP 協(xié)議深入分析的基礎(chǔ)上,對 TCP/IP 協(xié)議棧進行合理的簡化后嵌入到單片機中。 課題的難點在于要對 TCP/IP 協(xié)議熟悉,要對其有較為全面和深入的研究,由于低檔單片機資源有限,就 必須根據(jù)需求對 TCP/IP 協(xié)議進行精簡,而不能完整的實現(xiàn) TCP/IP 協(xié)議。目前,國內(nèi)普遍認同的一個定義是:以應用為中心、以計算機技術(shù)為基礎(chǔ),軟硬件可裁 剪,適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。 嵌入式系統(tǒng)必須根據(jù)應用需求能夠?qū)浻布@醒裁剪,滿足應用系統(tǒng)的功能、可靠性、成本、體積等要求。 3. 系統(tǒng)精簡。執(zhí)行裝置也被稱為被控對象,它可以接受嵌入式計算機系統(tǒng)發(fā)出的命令,執(zhí)行規(guī)定的操作或任務。 6 圖 21 嵌入式系統(tǒng)的典型組成 嵌入式操作系統(tǒng)( Embedded Operating System, EOS)是一種用途廣泛的系統(tǒng)軟件 ,以前主要用于工業(yè)控制和國防領(lǐng)域。隨著 Inter 技術(shù)的發(fā)展、信息家電的普及應用及 EOS 的微型化和專業(yè)化, EOS 開始從單一的功能向高專業(yè)的功能方向發(fā)展。 2. 強實時性。提供各種設(shè)備驅(qū)動接口。 7. 更好的硬件適應性,也就是良好的移植性。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,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)絡接入解決方案。 嵌入式系統(tǒng)接入 Inter 同 PC 機接入 Inter 一樣,必須通過相應的通信協(xié)議。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)絡通信協(xié)議棧。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。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。 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 emNet 協(xié)議 ,如圖 22 所示。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。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。 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
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