1、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 UCOSII uIP 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
2、 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 。 1 TCP/IP 协议 的设计 图 1 TCP/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
3、 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
4、的芯片类型设计 初始化、发送、接收数据三个函数 即可。 1.1 ARP 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
5、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()。 1.2 IP 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
6、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()。 1.3 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，
7、 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()。 1.4 UDP 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
8、。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明智之举。嵌入式系统中也可能存在对数据传输可靠性要求 很高的情况。由于 UDP 协议没有 超时重传 、流量控制 、 应答 确认 、 紧急数据 加速等机制 ， 因此 为了 弥补它的缺陷 ， 在应用层协议中加入相应的措施， 如给数据报加上顺序标识 、 定时等待 、 超时
9、 重传机制 、应答确认机制 等辅助性的措施 ，确保数据能够正确安全地 传输 。 从应用的角度看 ， 本 协议栈主要是应用于家用电器上网。对于温度 、 烟雾和湿度传感器 等的每秒一次地集中监控来说 ， 发送频繁 ， 包较小 ， 只需前端设备向网络中广播实时状态等数据即可 ， 因此选用 UDP 较为合适。 UDP 协议主要实现的结构体和函数为： UDP 头部结构体 UDPHDR、判断是否为 UDP数据 包 的函数 is_udp()、将数据封装成 UDP 包的函数 make_udp()。 2 协议栈 处理流程 协议栈接收数据包的过程就是解析数据包的过程 ， 处理流程如图 2所示。 首先当一个数据帧到
10、达时 ， 网络接口控制程序将其读入缓冲区 ， 并返回其长度。 其次，主程序判断接收数据包的类型 （ IP 或 ARP 包）调用响应的解包代码进行处理。如果是 ARP 包，则解析 ARP包，做更新 ARP 缓存或回应 ARP 请求等事宜。 若为 IP 包，则 进一步判断 数据包类型（ ICMP或 UDP 包）调用相应的解包代码处理。若为 ICMP 包，判断是否为 ICMP 回 显请求，如果是制作回显包并发送。如果是 UDP 包，解析出数据交由应用层处理。 开 始系 统 初 始 化进 入 死 循 环获 取 数 据 ， 做 些 什 么是 否 有 以 太 网 帧 到 达 ？是 A R P 数 据 包
11、吗 ？ 是 A R P 请 求 吗 ？是 I P 数 据 包 吗 ？ 是 A R P 响 应 吗 ？保 存 源 I P M A C 地址 到 A R P 缓 存制 作 A R P 响 应 包 ，并 发 送将 M A C 地 址 存 储到 A R P 缓 存是 I C M P 数 据 包 吗 ？ 是 I C M P 回 显 请 求 吗 ？是 U D P 数 据 包 吗 ？制 作 I C M P 响 应包 ， 并 发 送有 数 据 要 发 送 吗 ？制 作 U D P 包 并 层 层 打 包 发 送是否是是否是否否是否是是是否是否图 2 协议栈处理流程 3 协议栈 的 测试 及应用 本协议栈可方便
12、地移植到各种嵌入式操作系统上，如 UCOSII、 RT-Thread，作为其一个任务或者线程，管理网络接口数据的收发。 下面分两方面对本协议进行测试并与 uIP 协议进行对比 ，测试主机为连接在局域网上的 PC机。 3.1 数据 发送 接收测试 3 首先 使用 ping命令 对简化协议栈链接情况 测试， 测试情况见 图 3 所示，其中 (a)是不带系统的协议栈测试结果， (b)是协议栈作为 UCOSII一个任务的测试结果 2， (c)是 uIP1.0协议栈的测试结果。 这 3副图表明本协议的速度与 uIP 协议相差无几。 图 4是 进行数据的 发送 接收测试，上方是网络嗅探软件 MiniSni
13、ffer，左下方是串口调试助手，右下方是网络调试助手。测试过程如下：串口调试助手首先发送 0-9的数字给目的主机，并将发送的数据显示在自己的接收发送缓冲区域。此时网络调试助手收到 0-9的数据，并显示在接收区域。然后，网络调试助手发送“ hello”到 开发板 ，经过协议栈处理后，通过串口 发送给 PC机，并显示在串口调试助手的发送接收缓冲区域。而这两次网络数据的发送接收均被网络嗅探软件记录，并将数据的内容显示出来。 这表明本协议栈能够正常工作。 (a) (b) (c) 图 3 简化协议栈链接情况测试 图 4 数据接收测试 3.2 丢包率 测试 4 接下来，测试协议栈的可靠性。测试方法如下：
14、每隔 1 秒 、 0.1 秒和全速发送 一个 100字节的 UDP 数据包 ， 共发送 1000包， 测试十次，计算平均 丢包率。 测试情况如表 1所示。 表 1 测试环境 1秒 /包 0.1秒 /包 全速 UCOSII下 0% 97.9% 61.0% 无操作系统下 0% 97.6% 58.5% 由表可知，当数据发送速率较低的情况下，几乎不丢包。但是随着数据发送速率的增加，丢包的现象越来越严重。然而在嵌入式控制系统中，数据随频繁发送但不需要高的速率和大的数据量。此外， 如果加入上层确认机制或超时重传等机制，即使有丢包的情况，数据也 能够被 安全的被 送达 。 在全速传送 100 字节 UDP
15、数据包情况下，数据速率可达 14.7K/S。 本设计已实际应用于以太网转串口的项目中。 结束语 由于本协议栈设计思路清晰，代码简短 (1.7K RAM， 7K ROM)，所以很容易修改及移植。本协议栈探索了如何在嵌入式系统中编写一个精简的 TCP/IP 协议栈，未深究协议栈内存管理以及操作系统中对协议栈的影响 ， 仍有需要改进和完善的地方 。 参考文献 1 2 LABROSSE J J嵌入式实时操作系统 uC/OS- M 2版邵贝贝，译北京：北京航空航天大学出版社 ， 2005 3 刘波涛，冯翠丽 ， 王青海 应用 RTL8019AS 的嵌入式 Web服务器硬件实现 长江大学学报 A， 2008,5:75-78 4 廖凌 ， 刘旭儒 ， 史仪凯 一 种基于 uC/OS- 的嵌入式以太网通信实现方法 计算机测量与控制 ， 2010,18(5)： 1142-1147
