基于嵌入式网络接口的精简TCPIP协议栈的设计及实现.docVIP

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。 1.1 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，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。 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MiniSniffer，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：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-Ⅱ[M]．2版．