【正文】 IP 進(jìn)程是從數(shù)據(jù)鏈路調(diào)用進(jìn)程 ip_proces 的執(zhí) 圖 55 IP 對(duì)數(shù)據(jù)的發(fā)送過程 行開始，是個(gè)無限循環(huán)的過程。 這個(gè)部分主要有兩個(gè)過程實(shí)現(xiàn)，即對(duì) IP 數(shù)據(jù)發(fā)送和對(duì) IP 數(shù)據(jù)的處理。檢驗(yàn)和算法使用頻率比較高，所以需要使用比較高效的檢驗(yàn)和算法。在協(xié)議封裝時(shí)，需要產(chǎn)生檢 28 驗(yàn)和 。 3. 報(bào)頭校驗(yàn)和： IP 報(bào)文頭中的檢驗(yàn)和用于預(yù)防路由中轉(zhuǎn)過程中出錯(cuò)。 TTL 的初始值是有源主機(jī)設(shè)定的（通常為 32 或是 64），每經(jīng)過一個(gè)使用它的路由器，它的值就減少 1，當(dāng)值為 0 時(shí)，數(shù)據(jù)報(bào)就被丟棄 ，同時(shí)發(fā)送 ICMP 報(bào)文通知源主機(jī)。 IP 軟件實(shí)現(xiàn) 為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)報(bào)的傳輸， IP 協(xié)議采用以下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù) ： 1. 生存時(shí)間： TTL 確立了數(shù)據(jù)報(bào)最多可以經(jīng)過的路由器數(shù)。最長生存時(shí)間確定了數(shù)據(jù)報(bào)最多可以經(jīng)過的路由器數(shù)。沒有任何選項(xiàng)的 IP 數(shù)據(jù)報(bào)的首部長度是 5；總長域指的是整個(gè) IP 數(shù)據(jù)報(bào)的長度，利 用首部長度字段和總長度字段，就可以知道 IP 數(shù)據(jù)報(bào)中數(shù)據(jù)內(nèi)容的起始位置和長度。 IP 數(shù)據(jù)報(bào)報(bào)頭含有頭標(biāo)長和總長兩個(gè)長度域，頭標(biāo)長是一個(gè) 4 比特域，它給出了 32 比特字長為單位的報(bào)頭長度。 圖 54 IP 數(shù)據(jù)報(bào)格式 版本號(hào)指的是當(dāng)前使用協(xié)議的版本，當(dāng)前使用的是 IPv4，下一個(gè)協(xié)議版本是 IPv6,這正是當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)研究熱點(diǎn)。 IP 協(xié)議 及其實(shí)現(xiàn) 開始 收到 ARP 數(shù)據(jù)幀 是否請(qǐng)求幀？ 自己是請(qǐng)求目標(biāo)？ 給予響應(yīng) 結(jié)束 讀取收到的 ARP 數(shù)據(jù)幀 更新緩存表 Y Y N N 27 IP 數(shù)據(jù)報(bào)格式 IP 數(shù)據(jù)報(bào)是典型的詩句分組的一般格式：報(bào)頭和數(shù)據(jù)兩個(gè)部分。當(dāng)緩存標(biāo)中增加一個(gè)新表項(xiàng)時(shí)，函數(shù) aprinit()初始化該表項(xiàng) ,主要是把 IP 字段清 0，函數(shù) apr 一 timer()設(shè)置最長的等待時(shí)間，隨時(shí)間的推移，高速緩存管理程序遞減等待時(shí)間，并當(dāng)其值達(dá)到零時(shí)，丟棄該表項(xiàng)。 圖 53 處理進(jìn)入的 ARP 應(yīng)答模塊流程圖 3. ARP 表管理程序 為提高 ARP 的解析速度，為了記錄 ARP 協(xié)議解析到的 IP 地址與相應(yīng)的硬件地址對(duì)應(yīng)關(guān)系 ,設(shè)計(jì)使用 ARP 表。就會(huì)開始識(shí)別發(fā)送端詢問的是不是自己的 IP 地址，如果就給予響應(yīng)，否則不給于響應(yīng)。 圖 52 處理進(jìn)入的 ARP 請(qǐng)求模塊流程圖 2. 應(yīng)答模塊 26 當(dāng)網(wǎng)上主機(jī)的 ARP 層收到這份廣播報(bào)文后，會(huì)對(duì)這份廣播報(bào)文進(jìn)行處理。若沒有就要進(jìn)行 ARP 操作， ARP 發(fā)送一份稱作 ARP 請(qǐng)求的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀給以太網(wǎng)上的每個(gè)主機(jī)。 根據(jù)輸入的 IP 地址 ,首先檢查 ARP 表是否有有效的地址對(duì)記錄與要解析的 IP 地址相對(duì)應(yīng)。管理程序?qū)崿F(xiàn)了高速緩存替換策略：檢查 ARP 表中的所有表項(xiàng)，并刪除不符合規(guī)定的表項(xiàng)。輸出 25 過程返回一個(gè)綁定，上層協(xié)議利用它封裝和發(fā)送分組。 ARP 軟件可劃分為 3 個(gè)部分：處理進(jìn)入的 ARP請(qǐng)求模塊、處理進(jìn)入的應(yīng)答模塊和一個(gè) ARP 表緩存管理程序。最后面的 4 個(gè)字段分別指出源端和目的端的硬件 地址（以太網(wǎng)地址）及協(xié)議地址（ IP 地址）。對(duì)于以太網(wǎng)上 IP 地址的 ARP 請(qǐng)求或應(yīng)答，它們的值分別是 6 和 4。協(xié)議類型字段表示要映射的協(xié)議地址類型，它的值為 0x0800 時(shí)表示的是IP 地址。 ARP 分組格式及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 在以太網(wǎng)上解析 IP， ARP 請(qǐng)求和應(yīng)答分組格式如圖 51。所以就需要將 IP 地址轉(zhuǎn)換為 MAC 地址。 24 第五章 TCP/IP 協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn) ARP 協(xié)議的實(shí)現(xiàn) 在網(wǎng)絡(luò)底層的物理傳輸過程中，是通 過 MAC 地址 (硬件地址 )來識(shí)別主機(jī)的，它一般也是全球唯一的。 3. 連接終止 報(bào)文傳送成功后，客戶就終止連接。若服務(wù)器能夠識(shí)別接收人，客戶端發(fā)送 DATA 報(bào)文，指示將要發(fā)送的郵件數(shù)據(jù)，服務(wù)器返回響應(yīng)。 首先，客戶端發(fā)送MAIL 報(bào)文標(biāo)識(shí)報(bào)文的發(fā)送發(fā)，服務(wù)器返回響應(yīng)。服務(wù)器給予響應(yīng)。服務(wù)器會(huì)返回一個(gè)響應(yīng)。模型如圖 42 所示 圖 42 SMTP 通信模型示意圖 SMTP 協(xié)議是一種請(qǐng)求響應(yīng)協(xié)議，發(fā)送方發(fā)送命令，接收方給予響應(yīng)，兩者通過這種方式進(jìn)行交付，以完成郵件傳輸?shù)娜齻€(gè)階段：建立連接、傳輸數(shù)據(jù)和終止連接。 ? 可以把報(bào)文發(fā)送給 Inter 以外的網(wǎng)上用戶。 SMTP 支持： ? 文本、聲音、圖像和視頻的報(bào)文。它是基于 TCP/IP 的應(yīng)用層的協(xié)議，作用是：當(dāng)發(fā)送方與支持 SMTP 協(xié)議的服務(wù)器連接時(shí)，將郵件由發(fā)送方準(zhǔn)確無誤地傳送到接收方。 應(yīng)用層協(xié)議選擇 電子郵件協(xié)議是最流行的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)協(xié)議。 7．校驗(yàn)和計(jì)算：校驗(yàn)和是對(duì)是對(duì)偽首部、 TCP 首部和、 TCP 靜荷或數(shù)據(jù)的計(jì)算結(jié)果。 6．流控制：當(dāng)發(fā)送方以一定的速率發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，而接收方來不及處理時(shí)。 5．確認(rèn)： TCP 發(fā)送的每個(gè)報(bào)文都要被方確認(rèn)。一個(gè) TCP 連接就是一個(gè)字節(jié)流。 22 2．全雙工：一旦建立連接，就支持?jǐn)?shù)據(jù)的雙向傳輸。 TCP 為 IP 服務(wù)增加了面向連接和可靠性的特點(diǎn)。但是對(duì)于大多數(shù) Inter 應(yīng)用而言，需要的是可靠的、能按序遞交的傳輸層協(xié)議。 UDP 也是 IP之上的一個(gè)傳輸協(xié)議。 ICMP 配合 IP 使用，提高了數(shù)據(jù)包交付成功的機(jī)會(huì)。 在 IP 進(jìn)行數(shù)據(jù)交付過程中，如果遇到不能正常交付的情況，則需要通 知源站采取措施來補(bǔ)救。 “無連接的 ”指的是 IP 數(shù)據(jù)包可以不按順序收發(fā)。 IP 提供不可靠的、無連接的、盡最大努力交付的分組傳輸機(jī)制。目前版本號(hào)是 4，也稱 IPv4。 RARP(逆地址解析 )協(xié)議主要用于解決如何從 MAC 地址得到 IP地址 , 主要用于無盤工作站中 , 可以無需實(shí)現(xiàn)。這就是要求系統(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。其中主要有以太網(wǎng)、令牌環(huán)網(wǎng)、 FDDI)及 RS 232串行線路 協(xié)議等。 與 網(wǎng) 絡(luò) 接 口 電 路 網(wǎng)卡芯片 串行 EEPROM MCU (89C51) 鍵盤模塊 LED 顯示模塊 21 鏈路層協(xié)議選擇及分析 鏈路層主要作用是為其上層協(xié)議發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包。這樣在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸上，我們就可以從 TCP/IP協(xié)議子集上實(shí)現(xiàn)?？筛鶕?jù)具體應(yīng)用需求對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的 TCP/IP協(xié)議簇進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟眉粜薷?, 形成一個(gè)真正適用的嵌入式 TCP /IP 協(xié)議子集 。嵌入式系統(tǒng)對(duì)信息進(jìn)行 TCP/IP協(xié)議處理，使其變成在 Inter上可傳輸?shù)?IP數(shù)據(jù)包。從而保證系統(tǒng)的可靠性和安全性。 5．允許直接訪問物理地址，能進(jìn)行位才做，可以直接對(duì)硬件進(jìn)行操作?；旧喜豁毿薷木涂梢赃\(yùn)用于各種計(jì)算機(jī)和操作系統(tǒng)。 2．語法限制不太嚴(yán)格，程序設(shè)計(jì)自由度大。再有就是我自身對(duì) C 語言比匯編熟悉。由于選取 MCS51 單片機(jī)，故而選取 C 語言作為開發(fā)語言。系統(tǒng)硬件總體功能結(jié)構(gòu)如圖 41 所示。 RTL8019AS 是一種 NE2020 的兼容網(wǎng)卡芯片， 支持以太網(wǎng)全雙工通信方式， 軟件移植性好 。 要想實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在 Inter 上的傳輸，就需將單片機(jī)聯(lián)入 Inter。串行接口內(nèi)帶有緩沖器； 128 字節(jié)的靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 SRAM，作為片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和4K ROM 程序存儲(chǔ)器，還有 21 個(gè)特殊功能寄存器 SFR，用于編程控制； 16 為加法計(jì)數(shù)器，分別為 T0 和 T1。 8051 單片機(jī)的基本特性如下： 位 CPU， CPU 有運(yùn)算器和控制器組成。所以我選用 MCS51系列單片機(jī)。 對(duì) TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn) ，前者軟硬件資源豐富，實(shí)現(xiàn)起來 很容易，而后者由于資源相對(duì)有限，需直接對(duì)硬件操作而較為困難。 硬件設(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 。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。以太網(wǎng)的接品芯片，負(fù)責(zé)收發(fā)以太數(shù)據(jù)包。 UDP 是輕權(quán)協(xié)議，開銷小，因其簡單，適用于不需要 TCP 可靠機(jī)制的情形。使用 UDP 數(shù)據(jù)服務(wù)的應(yīng)用程序須自己提供可靠性。 UDP 與 TCP 不同，它是 一個(gè)簡單的面向數(shù)據(jù)報(bào)的運(yùn)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)。 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。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。 TCP 用滑動(dòng)窗口來實(shí)現(xiàn)流量控制機(jī)制，接收者用該字客戶 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 18 段告訴發(fā)送者還有多少緩沖空間可以用。 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 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(shí)，發(fā)送第三個(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。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。 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。報(bào)文段中 ACK 標(biāo)志為 1，SYN 標(biāo)志為 0。 3。 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。SYN 標(biāo)志置 1， ACK 標(biāo)志置 0。 TCP 中建立連接采用 3 次握手如圖 33 17 所示最簡單情況下進(jìn)行的連接。 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。 (3) 源站抑制 由于 IP 中沒有流量控制機(jī)制，源站抑制報(bào)文為 IP 增加了流量控制的能力。 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。 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。這個(gè)協(xié)議就是 ICMP 協(xié)議，它是 IP 中不可分割的一部分。 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)。重組是由目的端 IP層完成。數(shù)據(jù)頭標(biāo)中有 3 個(gè)字段用來控制數(shù)據(jù)報(bào)的分段和重組，它們是標(biāo)識(shí)符字段、標(biāo)識(shí)字段和分段偏移量字段。若數(shù)據(jù)報(bào)長度大于 MTU 就需要分片。 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。 (5) 若該網(wǎng)關(guān)硬件地址不在 ARP 中，則通過 ARP 廣播獲得。由于源主機(jī)在遠(yuǎn)程網(wǎng)上，將 16 在本地路由表找源主機(jī)網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)。數(shù)據(jù)報(bào)將直接發(fā)送下一個(gè)目標(biāo) 主機(jī)。若是本地，路由器用 ARP 獲得硬件地址。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)。 (2) 如果沒有找該網(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。源主機(jī)將在本地路由表中查找，如果沒有找到，將認(rèn)為是缺省網(wǎng)關(guān)的 IP 地址。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。源主機(jī)收到回復(fù)后就建立起了通信。 (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)。 (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)求通過廣播，是所有本地主機(jī)都可以接受處理。 (1) 當(dāng)一臺(tái)主機(jī)要與另外的主機(jī)通信是，初始化 ARP 請(qǐng)求。 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。 ARP 緩存保存有動(dòng)態(tài)和靜態(tài)項(xiàng)。 ARP 協(xié)議就是將 IP 地址映射為硬件地址的過程。在網(wǎng)絡(luò)中傳遞的幀必須含有目的地址的硬件地址。 15 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。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 類地址沒有網(wǎng)絡(luò)號(hào)和主機(jī)號(hào)之分，最高位置為 1111。高 3 位置為二進(jìn)制 110，允許 2097152 個(gè)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)。 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(hào)，其余 24 為表示主機(jī)號(hào)，總共允許有 126 個(gè)網(wǎng)絡(luò)。 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。