基于嵌入式网络接口的精简TCPIP协议栈的设计及实现.doc

基于嵌入式网络接口的TCP／IP协议栈的设计及实现

摘要：根据嵌入式系统及其接入网络的特点，对标准TCP／IP协议栈进行裁减，设计了一种适用于8位微控制系统的嵌入式TCP／IP协议栈。将其移植到UCOSII上并与现有协议栈uIP进行对比测试。证明了其实用性。
关键词：TCP/IP协议栈嵌入式网络接口UCOSIIuIP
引言
网络化是现代电子设备普遍的特点，嵌入式系统也不例外。使嵌入式设备接入网络，扩宽了设备的通信范围，也使操作者更加便于操控设备。但是，嵌入式系统具有处理能力有限、存储资源少、应用场合单一等特点，标准的TCP/IP协议栈显然不能直接运用于8位的微控制系统中。本文量体裁衣，设计一种精简的TCP/IP协议栈，主要包括ARP、ICMP、IP、UDP等协议。本协议栈的测试平台配置如下：STC12C5A60S2单片机、62256外部RAM存储器、RTL8019AS网络芯片、12M晶振。此协议栈可方便地移植到嵌入式实时操作系统UCOSII上，作为其一个任务，控制网络数据的收发。
1TCP/IP协议的设计

图1TCP/IP分层模型

一些常用协议在TCP／IP分层模型中所处的位置如图1所示。根据TCPIP协议分层的特点，在编写代码的过程中，可以围绕三个特点来设计：第一，由于协议栈每层都由头部和数据部分组成，而头部又由多个项组成，所以应将各层头部封装成为结构体形式。第二，当网络接口收到数据时，需要向上层传递或者在本层处理，这就需要判断数据包的类型。比如，当硬件接口收到数据时，需要对数据包类型进行判断，如果是IP包，则向上传递给IP层，如果是ARP包则调用处理ARP包的函数。第三，当网络接口发送数据时，数据从协议栈上层到下层，层层封装，最后由硬件接口发送。这就需要有对每层进行封装的函数。最后剩下的是数据的解封装和网络芯片驱动程序，数据的解封装相对简单，可在一个统一的函数中完成，而网络芯片驱动程序根据使用的芯片类型设计初始化、发送、接收数据三个函数即可。
1.1ARP协议
在以太网中，一个主机要和另一个主机进行直接通信，除了要知道对方的IP地址外，还必须要知道目标主机的MAC地址。它就是通过地址解析协议获得的[1]。在通用计算机系统中，ARP高速缓存一般设计成双向数据链的形式，这样整个缓存便可动态增减。但是在这种非线性的链表进行表项匹配查找时比较费时，所以这种形式并不适用于嵌入式系统。因此ARP的地址缓存采用了线性数组的形式，它在内存中是连续线性存储的，查找速度快。由于嵌入式网络接口的通信节点一般不多，其ARP高速缓存容量不需要很大，因此可将其高速缓存设计成固定大小。
ARP协议主要实现的结构体和函数为：ARP头部结构体ARPHDR、判断是否为ARP包的函数is_arp()、对ARP数据进行封装的函数make_arp()。
1.2IP协议
IP协议是TCP/IP协议簇中最为核心的协议，提供不可靠的无连接的数据报传送服务。TCP、UDP、ICMP等上层协议的数据包都要以IP数据报的格式传输。标准的IP协议包括分段和重组等功能，实现起来比较复杂。在嵌入式控制系统中，数据大都是少量而独立的，所以实现分段和重组不是必须的。本协议栈从两个方面对IP协议进行简化：第一，对接收到的IP数据报首先判断是否是自己的数据报，若不一致则丢弃该数据报；否则进行IP校验和的验证，当数据报无误后，去掉头部，将IP数据提交上层处理。第二，负责对UDP、ICMP等报文进行封装，交给数据链路层进行装帧。
IP协议主要实现的结构体和函数为：IP头部结构体IPHDR、判断是否为IP数据报的函数is_ip()、对上层数据进行IP数据报封装的函数make_ip()。
ICMP协议
ICMP协议是IP网络内为控制、测试、管理功能而设计的协议。ICMP的报文类型很多，不同类型的报文由类型和代码字段共同决定。在嵌入式系统中，控制管理等功能并不是必须的，为了能够使用户了解设备是否可达，只要能够识别来自其他客户的回显请求并发送回显应答就可以了。
ICMP协议主要实现的结构体和函数为：ICMP头部结构体ICMPHDR、判断是否为ICMP数据报的函数is_icmp()、对ICMP数据进行封装的函数make_icmp()。
1.4UDP协议
本协议栈采用UDP作为传输层协议。从理论上看，TCP的可靠性是以许多复杂措施及由此而增加的开销为代价换来的。TCP提供面向链接的、可靠的服务，而UDP是面向无连接的。由于UDP没有可靠性的保证机制，因此能够充分发挥物理通信设备的速度，全速地进行数据通信。又因为UDP没有点对点接入的要求，可以实现“一对多”、“多对多”的数据传输。UDP协议的开销很小，传输率比TCP高，实时性强。所以嵌入式TCP/IP协议中采用UDP协议作为运输层协议不失为