基于ARM的嵌入式TCP/IP協(xié)議的實現(xiàn)

在網(wǎng)絡(luò)應用日益普遍的今天，越來越多的嵌入式設(shè)備實現(xiàn)Ｉｎｔｅｒｎｅｔ網(wǎng)絡(luò)化。ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議是一種目前被廣泛采用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。嵌入式Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的技術(shù)核心是在嵌入式系統(tǒng)中部分或完整地實現(xiàn)ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議。由于ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議比較復雜，而目前嵌入式系統(tǒng)中大量應用低速處理器，受內(nèi)存和速度限制，有必要將ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議簡化。


１ ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議的實現(xiàn)

嵌入式ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議一般實現(xiàn)：ＡＲＰ／ＲＡＲＰ、ＩＰ、ＩＣＭＰ、ＴＣＰ、ＵＤＰ、ＨＴＴＰ、ＳＭＴＰ、ＦＴＰ、ＴＥＬＮＥＴ等協(xié)議，協(xié)議處理的主要流程如圖１所示。

１．１ ＴＣＰ協(xié)議的實現(xiàn)

工業(yè)控制領(lǐng)域傳輸層采用ＴＣＰ協(xié)議、不用ＵＤＰ協(xié)議，是考慮到實時監(jiān)控系統(tǒng)中傳輸量并不大，而可靠性要求較高。ＴＣＰ協(xié)議是面向連接的、端對端的可靠通信協(xié)議。它采用了許多機制來保證可靠傳輸，應用于嵌入式系統(tǒng)顯得過于復雜。

ＴＣＰ協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸可分為三個階段：建立連接、傳輸數(shù)據(jù)和斷開連接。它的實現(xiàn)過程可以用狀態(tài)機來描述。建立連接有兩種方法，即主動打開和被動打開。服務器端是一種被動打開，它一直在偵聽連接請求；而客戶端是一種主動打開，它發(fā)送連接請求以建立連接。研究發(fā)現(xiàn)，如果ＴＣＰ層的上層實現(xiàn)服務器端的應用，可以將標準ＴＣＰ狀態(tài)機建立連接過程中客戶端建立連接的狀態(tài)機部分簡化掉。同理，如果應用是基于客戶端的，可以將服務器端建立連接的狀態(tài)機部分簡化掉。斷開連接有兩種方式：一是主動斷開連接；另一是被動斷開連接。被動斷開連接的處理較為簡單，但標準ＴＣＰ協(xié)議的主動斷開連接的狀態(tài)機部分過于復雜。經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)，在需要主動斷開連接的時候，發(fā)送一個Ｆｉｎ數(shù)據(jù)報；接收到對Ｆｉｎ數(shù)據(jù)報的確認后，再發(fā)送一個Ｒｅｓｅｔ數(shù)據(jù)報，即可順利完成一次主動斷開連接。

標準的ＴＣＰ協(xié)議使用慢啟動的滑動窗口機制。滑動窗口是一種在流量控制和網(wǎng)絡(luò)傳輸效率之間折中的方案。它允許發(fā)送方在等待一個確認之前發(fā)送多個窗口，其確認是一種批量的確認。研究滑動窗口協(xié)議發(fā)現(xiàn)，滑動窗口的一個極限情況，是只使用單個窗口，就變成了一種簡單確認的處理方法。使用該方法后，所有的處理只是對單個數(shù)據(jù)報的發(fā)送和確認，節(jié)約了系統(tǒng)的資源，也使維護更加方便。為了協(xié)議的兼容性，需要通信的另一方也使用簡單確認方法。因為如果對方使用較大的窗口，就可能造成處理器被淹沒。這個問題可以通過設(shè)置待發(fā)送數(shù)據(jù)報的ＴＣＰ頭部的Ｗｉｎｄｏｗｓ字段的大小解決。

在上述基礎(chǔ)上，簡化實現(xiàn)ＴＣＰ協(xié)議的流程圖如圖２所示。其中“不同狀態(tài)的相應處理”指根據(jù)接收到的ＴＣＰ報文準備待發(fā)送數(shù)據(jù)報并將其發(fā)送到以太網(wǎng)上。這部分根據(jù)ＴＣＰ所處的不同狀態(tài)，所做的處理是不一樣的。

１．２ ＩＰ協(xié)議

ＩＰ協(xié)議是ＴＣＰ／ＩＰ的基礎(chǔ)，為不同網(wǎng)絡(luò)的主機之間發(fā)送數(shù)據(jù)報的操作序列提供無連接服務。通過在數(shù)據(jù)報前添加ＩＰ協(xié)議頭，使每個數(shù)據(jù)報具有尋址能力。嵌入式系統(tǒng)只把ＩＰ作為傳輸工具，進行簡化以完成主要的操作。得到ＩＰ包后，檢驗ＩＰ頭部的版本、目的地址、校驗和正確否，解析出協(xié)議類型字段，由此交給相應的高層協(xié)議處理。發(fā)送ＩＰ包時，將緩沖區(qū)內(nèi)的源地址與目的地址互換，設(shè)置校驗和，然后交給下層協(xié)議處理。不符合要求，則將此包丟棄。ＩＰ包最大可以為６５ＫＢ，可以分段傳輸，而在嵌入式系統(tǒng)里根本無法容納如此大的數(shù)據(jù)包，因此一般不支持分段傳輸。所以限制ＭＣＵ發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包的方式以避免分段傳輸，從而減少程序復雜度。