基于信息家電的可重構(gòu)協(xié)議棧的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

宮蓉蓉 胡伏湘 章登勇

（1.長沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南 長沙 410004;2.長沙理工大學(xué),湖南 長沙 410076）

基于信息家電的可重構(gòu)協(xié)議棧的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

宮蓉蓉1胡伏湘1章登勇2

（1.長沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南 長沙 410004;2.長沙理工大學(xué),湖南 長沙 410076）

針對(duì)信息家電上網(wǎng)的協(xié)議棧移植、地址資源有限等問題,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種可重構(gòu)的嵌入式 TCP/IP協(xié)議棧。該協(xié)議棧可以根據(jù)用戶需求重構(gòu)為 IPv4.IPv6等多種協(xié)議棧,可以為家電上網(wǎng)以及其他嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制提供一種良好的解決方案。

TCP/IP;信息家電;嵌入式協(xié)議棧;可重構(gòu);單片機(jī)

1.引言

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)和家電控制技術(shù)的融合與發(fā)展,現(xiàn)代家庭也將加入“信息化、自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化”的行列,以 Internet為介質(zhì)實(shí)現(xiàn)信息交互的要求越來越強(qiáng)烈。傳統(tǒng)的家用電器,絕大多數(shù)是由單片機(jī)控制,從傳統(tǒng)家電升級(jí)為網(wǎng)絡(luò)家電之后,為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和家電控制系統(tǒng)的無縫連接,將具有網(wǎng)絡(luò)功能的嵌入式軟件和單片機(jī)的控制軟件程序作了相應(yīng)的調(diào)整,使之有機(jī)地結(jié)合成完整的嵌入式系統(tǒng)。但是嵌入式系統(tǒng)計(jì)算資源、存貯資源等十分有限;專用嵌入式操作系統(tǒng),如VxW orks、uCL inux、pSOS等都是以其具體開發(fā)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為平臺(tái),沒有考慮不同軟硬件資源,移植困難;另外 IPv4地址資源受到嚴(yán)重挑戰(zhàn),IPv6網(wǎng)絡(luò)代替IPv4網(wǎng)絡(luò)已成為必然。目前一些開源嵌入式協(xié)議棧如 uC/IP,lw ip,u Ip,TinyTCP大都不支持或者沒有完成IPv6協(xié)議棧的開發(fā),不能滿足過渡時(shí)期嵌入式設(shè)備的需求［1］。

如何開發(fā)代碼小巧、資源占用量低、可移植性好、支持未來協(xié)議擴(kuò)展的靈活高性能嵌入式 TCP/IP協(xié)議棧,成為了極具挑戰(zhàn)的研究課題。

2.嵌入式協(xié)議棧可重構(gòu)性分析

協(xié)議組合的可重構(gòu)性:由于 TCP/IP協(xié)議棧被設(shè)計(jì)為分層結(jié)構(gòu),各協(xié)議層只需通過簡單的層間接口進(jìn)行交互服務(wù),分別解決通信問題的一部分,并且當(dāng)任何一層發(fā)生變化時(shí),只要接口關(guān)系保持不變,則該層上下各層均不受影響;同一層間的不同協(xié)議,或相互獨(dú)立,或協(xié)同工作,例如傳輸層的 TCP和UDP協(xié)議分別為面向連接服務(wù)和無連接服務(wù),互不影響;IP層的 IPv4與IPv6及相關(guān)配合使用的協(xié)議可以在一個(gè)協(xié)議棧中并存,因?yàn)?IPv6采用了新的報(bào)頭格式和 128位地址,處理方式上各自獨(dú)立［2］。這樣,使得不同層間協(xié)議的藕合度很低,便于協(xié)議的刪減和擴(kuò)展,使協(xié)議棧的重構(gòu)成為可能。采用模塊化思想來實(shí)現(xiàn),使用戶可以根據(jù)需求選擇協(xié)議,構(gòu)造特定的協(xié)議棧。

其次分析有效資源的可重復(fù)使用性。盡管 TCP/IP協(xié)議棧底層協(xié)議或多或少可以進(jìn)行交叉存取,大部分 TCP/IP協(xié)議還是在應(yīng)用層協(xié)議與底層協(xié)議之間進(jìn)行嚴(yán)格的區(qū)分。底層協(xié)議被作為與應(yīng)用層程序具有通訊接口的操作系統(tǒng)內(nèi)核的一部分。應(yīng)用程序被看作是TCP/IP協(xié)議的抽象,網(wǎng)絡(luò)通訊與進(jìn)程間通訊或者文件I/O只有很小的差別［3］。這意味著,應(yīng)用程序不知道底層協(xié)議所使用的緩沖機(jī)制,它不能利用緩沖機(jī)制對(duì)經(jīng)常使用的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖。同樣,當(dāng)應(yīng)用程序發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),在數(shù)據(jù)被網(wǎng)絡(luò)處理前,必須把這些數(shù)據(jù)從應(yīng)用程序存儲(chǔ)區(qū)被拷貝到內(nèi)部緩沖區(qū)。因此,在內(nèi)核和應(yīng)用進(jìn)程之間并不存在嚴(yán)格的保護(hù)屏障。這就通過共享內(nèi)存允許應(yīng)用程序和底層協(xié)議之間使用一種更寬松的方案。應(yīng)用層可以意識(shí)到底層協(xié)議所使用的緩存處理機(jī)制。應(yīng)用層程序可以更有效地重用緩沖區(qū),直接讀寫內(nèi)部緩存,因此節(jié)省了執(zhí)行拷貝的開銷。

3.協(xié)議棧的設(shè)計(jì)

3.1 整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想,為了便于移植和減少系統(tǒng)的開銷,不考慮任何嵌入式操作系統(tǒng),而是基于裸機(jī)實(shí)現(xiàn),最終設(shè)計(jì)成為具有比較小的代碼量,盡量少地占用系統(tǒng)資源,高效、穩(wěn)定、易于移植;支持 IPv6協(xié)議,使嵌入式設(shè)備具有更好的可擴(kuò)展性;具有可重構(gòu)性,嵌入式系統(tǒng)可根據(jù)自己的實(shí)際需要在編譯的時(shí)候?qū)f(xié)議棧進(jìn)行重構(gòu)新型協(xié)議棧。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下:其中各個(gè)模塊均由宏開關(guān)打開,盡量減少各模塊間的耦合,使協(xié)議棧可重構(gòu)為開 IPv4.IPv6、UDP/IPv6協(xié)議棧等等。系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)圖如圖 1所示。

圖 1 協(xié)議棧體系結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)以上分析和實(shí)際需求,針對(duì)信息家電的特點(diǎn),考慮到單片機(jī)的資源有限,所以網(wǎng)絡(luò)協(xié)議根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用的需求作了裁剪。由于目前家電入網(wǎng)還沒有廣泛普及,IPv4的地址數(shù)量足夠使用。圖 1的協(xié)議棧體系結(jié)構(gòu),可以只在傳統(tǒng)的 TCP/IP協(xié)議棧的基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)裁減、修改即可。因此,系統(tǒng)中使用了 ARP、IPv4.ICM Pv4.UDP等部分協(xié)議,既保證單片機(jī)接入 Internet,又保證足夠小的代碼量。

3.2 詳細(xì)設(shè)計(jì)

由于單片機(jī)的資源有限,所以網(wǎng)絡(luò)協(xié)議根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用的需求作了裁剪,系統(tǒng)中使用了 ARP、IP、ICM P、UDP等部分協(xié)議,既保證單片機(jī)接入 Internet,又保證足夠小的代碼量。

ARP協(xié)議為 32位 IP地址到對(duì)應(yīng) 48位以太網(wǎng)地址之間提供動(dòng)態(tài)映射。嵌入式系統(tǒng)中僅響應(yīng) ARP請(qǐng)求,發(fā)送ARP應(yīng)答包。請(qǐng)求者廣播出包含 ARP請(qǐng)求的以太幀和目的以太網(wǎng)地址為全 1的廣播地址。本機(jī)收到后,由目的 IP地址發(fā)現(xiàn)自己是目的主機(jī),發(fā)送一個(gè) ARP回答。

嵌入式系統(tǒng)中,傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都是一些數(shù)據(jù)量比較小的狀態(tài)信息或者控制信息,因此數(shù)據(jù)報(bào)不會(huì)超過協(xié)議所限制的 1500字節(jié) ［4］。如果極少數(shù)數(shù)據(jù)實(shí)在比較大,可以在程序中進(jìn)行處理,分批次進(jìn)行傳輸。因此可以裁減掉 IP的分片和重組功能,而 IP數(shù)據(jù)包的路由功能則交給默認(rèn)網(wǎng)關(guān)執(zhí)行。

ICM P協(xié)議主要實(shí)現(xiàn)了回顯請(qǐng)求和應(yīng)答報(bào)文的功能。

UDP協(xié)議的開銷很小,傳輸率比 TCP高出很多,實(shí)時(shí)性更強(qiáng),所以 TCP/IP協(xié)議中采用 UDP協(xié)議作為運(yùn)輸層協(xié)議。

3.3 數(shù)據(jù)幀接收和發(fā)送流程

協(xié)議棧的 4層模型中,鏈路層部分由 RTL8019AS以及其驅(qū)動(dòng)程序完成,網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層由單片機(jī)來處理,應(yīng)用層則根據(jù)需要可以在單片機(jī)內(nèi)完成,只實(shí)現(xiàn)對(duì)HTTP協(xié)議的精簡,只支持簡單請(qǐng)求。實(shí)現(xiàn) HTTP協(xié)議才能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁文件的瀏覽。HTML網(wǎng)頁數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)在AT89S51單片機(jī)中。網(wǎng)頁能夠完成接收數(shù)據(jù)、發(fā)送網(wǎng)頁數(shù)據(jù)等。本課題只考慮應(yīng)用層接收進(jìn)程的端口號(hào)是 80即 HTTP的情況,如果接收的報(bào)文目的端口號(hào)不是 80,就返回。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)幀接收和發(fā)送部分的流程圖如圖 2和圖 3所示。

圖 2 數(shù)據(jù)幀發(fā)送流程圖

圖 3 數(shù)據(jù)幀接收流程圖

4.結(jié)束語

雖然 IPv4被 IPv6取代是將來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢,但是構(gòu)建在 IPv4或 IPv6技術(shù)之上的信息家電仍將共存,實(shí)現(xiàn) IPv4/IPv6的無縫過渡和兼容在信息家電的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中顯得尤為重要。為了驗(yàn)證系統(tǒng)方案的可行性,進(jìn)行了各方案的仿真實(shí)驗(yàn),表現(xiàn)出穩(wěn)定的工作狀態(tài),接收信息良好,可以滿足信息家電的聯(lián)網(wǎng)控制要求。

本文針對(duì)信息家電接入 Internet的協(xié)議棧進(jìn)行了重新設(shè)計(jì),使其可以支持 IPv4到 IPv6的無縫過渡,并可以根據(jù)不同的嵌入式設(shè)備入網(wǎng)要求,構(gòu)架不同的協(xié)議棧。節(jié)約資源,移植方便。

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TP393

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1671-5136（2010）01-0111-03

2010-01-25

宮蓉蓉 （1980-）,女,山東威海人,長沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院軟件學(xué)院講師、碩士。研究方向:計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。