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(多图) 基于ARM的嵌入式TCP/IP协议的实现

来源:21IC中国电子网 / 作者:武汉理工大学自动化学院 胡友水 李汉强?? 2006年06月29日 ?? 收藏0

  在网络应用日益普遍的今天,越来越多的嵌入式设备实现Internet网络化。TCP/IP协议是一种目前被广泛采用的网络协议。嵌入式Internet的技术核心是在嵌入式系统中部分或完整地实现TCP/IP协议。由于TCP/IP协议比较复杂,而目前嵌入式系统中大量应用低速处理器,受内存和速度限制,有必要将TCP/IP协议简化。

?????? 1 TCP/IP协议的实现

  嵌入式TCP/IP协议一般实现:ARP/RARP、IP、ICMP、TCP、UDP、HTTP、SMTP、FTP、TELNET等协议,协议处理的主要流程如图1所示。

协议处理

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  1.1 TCP协议的实现

  工业控制领域传输层采用TCP协议、不用UDP协议,是考虑到实时监控系统中传输量并不大,而可靠性要求较高。TCP协议是面向连接的、端对端的可靠通信协议。它采用了许多机制来保证可靠传输,应用于嵌入式系统显得过于复杂。

  TCP协议数据传输可分为三个阶段:建立连接、传输数据和断开连接。它的实现过程可以用状态机来描述。建立连接有两种方法,即主动打

开和被动打开。服务器端是一种被动打开,它一直在侦听连接请求;而客户端是一种主动打开,它发送连接请求以建立连接。研究发现,如果TCP层的上层实现服务器端的应用,可以将标准TCP状态机建立连接过程中客户端建立连接的状态机部分简化掉。同理,如果应用是基于客户端的,可以将服务器端建立连接的状态机部分简化掉。断开连接有两种方式:一是主动断开连接;另一是被动断开连接。被动断开连接的处理较为简单,但标准TCP协议的主动断开连接的状态机部分过于复杂。经过实验发现,在需要主动断开连接的时候,发送一个Fin数据报;接收到对Fin数据报的确认后,再发送一个Reset数据报,即可顺利完成一次主动断开连接。

  标准的TCP协议使用慢启动的滑动窗口机制。滑动窗口是一种在流量控制和网络传输效率之间折中的方案。它允许发送方在等待一个确认之前发送多个窗口,其确认是一种批量的确认。研究滑动窗口协议发现,滑动窗口的一个极限情况,是只使用单个窗口,就变成了一种简单确认的处理方法。使用该方法后,所有的处理只是对单个数据报的发送和确认,节约了系统的资源,也使维护更加方便。为了协议的兼容性,需要通信的另一方也使用简单确认方法。因为如果对方使用较大的窗口,就可能造成处理器被淹没。这个问题可以通过设置待发送数据报的TCP头部的Windows字段的大小解决。

  在上述基础上,简化实现TCP协议的流程图如图2所示。其中“不同状态的相应处理”指根据接收到的TCP报文准备待发送数据报并将其发送到以太网上。这部分根据TCP所处的不同状态,所做的处理是不一样的。

简化的TCP协议

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  1.2 IP协议

  IP协议是TCP/IP的基础,为不同网络的主机之间发送数据报的操作序列提供无连接服务。通过在数据报前添加IP协议头,使每个数据报具有寻址能力。嵌入式系统只把IP作为传输工具,进行简化以完成主要的操作。得到IP包后,检验IP头部的版本、目的地址、校验和正确否,解析出协议类型字段,由此交给相应的高层协议处理。发送IP包时,将缓冲区内的源地址与目的地址互换,设置校验和,然后交给下层协议处理。不符合要求,则将此包丢弃。IP包最大可以为65KB,可以分段传输,而在嵌入式系统里根本无法容纳如此大的数据包,因此一般不支持分段传输。所以限制MCU发送和接收数据包的方式以避免分段传输,从而减少程序复杂度。???

?????? 1.3 其它协议

  ARP协议为32位IP地址到对应的48位以太网地址之间提供动态映射。嵌入式系统中仅响应ARP请求,发送ARP回答包。请求者广播出包含ARP请求的以太帧、目的以太网地址为全1的广播地址。本机收到后,由目的IP地址发现自己是目的主机,发送一个ARP回答。ICMP通过IP协议传输其报文。IP协议是无连接的,它无法将报文和错误信息传到最初的主机,ICMP将状态信息和错误信息发送到发报文的主机。

?????? 2 前端设备的系统设计

?????? TCP/IP协议扩展到工业控制级,将企业内部计算机网络应用于工业现场实时信息的发布和显示,通过Internet浏览器对现场工业信息进行动态监视。下面是笔者在某公司一分布式监控系统中的应用实例。基于TCP/IP协议的前端设备系统软件结构如图3。前端嵌入式设备处理器是Samsung公司的S3C4510B(ARM核)。该芯片是用在基于以太网系统的高性价比、高性能的16/32位RISC微控制器。通信部分采用BNC接口方式,信号输出经耦合隔离变压器由RJ45接头联入集线器,此外还设计了液晶显示和键盘输入当地接口功能。


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