一种新的嵌入式TCPIP协议栈的研究与实现

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1、一种新的嵌入式TCP/IP协议栈的研究与实现2007-06-18嵌入式在线收藏打印嵌入式Internet是近几年随着嵌入式系统的广泛应用和计算机网络技术的发展而兴起的一项新兴概念和技术。单片机或微控制器(MCU,MicroControllerUnit)^广泛应用在家庭和工业的各个领域，通称嵌入式系统。1引言嵌入式系统貝-有以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪等特点,赢得了巨大的市场，在应用数量上远远超过了各种通用计算机。随着Internet/lntranet的发展，各种家用电器，从空调到微波炉，都产生了连入互联网的要求。如何通过Internet

2、共享嵌入式设备的信息，实现设备的远程访问、控制和管理，对接入到网络上各个节点的设备实时监控,这就是设备接入互联网需要解决的问题。TCP/IP协议是标准的网络协议，如呆能把TCP/IP协议嵌入到设备的MCU中，就可以通过它在设备和Internet之间建立通信链路，这样就解决了设备与网络互联的关键技术。2SimplifiedTCP/IP协议栈的特点和嵌入式系统面向特定的应用一样，分析嵌入式TCP/IP协议栈的特点和对传统的TCP/IP协议栈进行简化也要针对特定的系统环境和应用背景。离开了特定的系统坏境和应川背景来讨论恢入式TCP/IP协议栈的特点和对TCP/I

3、P协议栈进行简化是没有意义的。这里所讨论的嵌入式TCP/IP协议栈是针对那些低档的8位/16位嵌入式系统能支持嵌入式Internet直连体系结构而捉出的。嵌入式系统有限的处理能力以及存储资源相对缺乏,因此在嵌入式Internet环境里使用标准TCP/IP协议栈是不合适的。把TCP/IP协议栈从普通的PC机移植到MCU,内存和内存管理成了瓶颈。为了既实现相应的网络功能乂节省系统资源，需要对协议栈进行冇针対的模块化裁减。针对家电系统屮的8位/16位MCU结构设计了一个TCP/IP协议簇的子集，称之为SimplifiedTCP/IP协议栈。其屮包括IP、UDP、

4、ARP和ICMP等协议的全部或部分功能,对协议进行了有选择的实现，尽最人可能保持协议功能和机制上的完整。SimplifiedTCP/IP协议栈按照网络体系分层思想设计，如图1所示。其屮每•层都被设计成一个功能相对独立的模块,负责处理各自的数据，通过函数调用把控制权交给上层或下层的模块。应用层SimplifiedUDPTCP/IPStacktYV)Y4ICMPAnr■节1IO网络设备驱动图1SinplifkHlTCP/IP协议栈的体系结构图低档嵌入式系统屮一般没有实时多任务操作系统支持，所以SimplifiedTCP/IP协议栈玄接面对硬件。MCU中的程序结

5、构一般是顺序执行和硬件中断相配合的方式。嵌入式处理器的时钟频率低，地址、数据总线窄，所以•个IP包的处理要花很多的吋间。如果采用屮断处理方式，势必影响英他中断和任务的执行。当系统中有实时数据采集、串口通信中断、键盘中断等实时任务时，则会造成冲突。设计时需要合理划分屮断处理程序，将无实时要求和费时的SimplifiedTCP/IP协议栈处理放在主程序顺序循环屮。对网络接口控制芯片采用杏询式，即在其他中断任务的执行间隙处理SimplifiedTCP/IP协议栈，以牺牲响应速度换取系统可靠性，如图2所示。图2带嵌入式TCP/IP协议应用的嵌入式系统程序控制结构3

6、TCP/IP协议栈的裁减普通操作系统可支持完整的TCP/IP协议族，但缺入式系统中大多很难做到,也不需做到。恢入式系统中实现的协议要根据各个系统的特点及功能来进行设计。TCP/IP协议族中，只实现与实际需要有关的部分，而不使用的协议则一概不支持。SimplifiedTCP/IP协议栈屮支持的协议。3.1地址转换协议—ARP协议ARPI办议是某些网络接口（如以太网和令牌环网）使川的特殊协议,ARP的地址解析功能是为IP地址和数据链路层使用的哽件地址提供动态地址映射。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，这样整个缓存可以方便地动态增减。但

7、是这种非线性存储的链表式缓存结构，在进行表项匹配查找吋比较费吋，不适用于嵌入式系统。因此ARP的地址缓存采用了线性数组形式的结构。它在内存中是连续线性存储的,查找速度快。嵌入式应用屮节点不是很多，即ARP缓存容量不需要很人，因此将ARP高速缓存设计成固定大小。被动的嵌入式服务器主要是接收来客户的服务请求，为客户提供服务，即嵌入式服务器不会主动向某•主机发数据帧。既然如此始终处于被动状态的服务辭完全不需要向任何主机发送ARP请求，设备只要能处理ARP请求并返回ARP应答即可。鉴于这种情况,ARP协议屮选择对ARP应答部分进行实现。3.2网际协议一IP协议IP

8、协议是TCP/IP协议簇屮最为核心的协议,提供不可靠的无连接的数据