一種基于ARM的嵌入式TCP/IP協(xié)議的簡化方案

　　摘要：介紹嵌入式TCP/IP協(xié)議在低速處理器中的一種簡化實(shí)現(xiàn)方案，并成功應(yīng)用于某分布式監(jiān)控系統(tǒng)中。

　　關(guān)鍵詞：TCP/IP協(xié)議 嵌入式

　　ARM 在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用日益普遍的今天，越來越多的嵌入式設(shè)備實(shí)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(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議。由于TCP/IP協(xié)議比較復(fù)雜，而目前嵌入式系統(tǒng)中大量應(yīng)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。 圖1 協(xié)議處理 1 TCP/IP協(xié)議的實(shí)現(xiàn) 嵌入式TCP/IP協(xié)議一般實(shí)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(shí)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(shí)時(shí)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(duì)端的可靠通信協(xié)議。它采用了許多機(jī)制來保證可靠傳輸，應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)顯得過于復(fù)雜。

　　TCP協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸可分為三個(gè)階段：建立連接、傳輸數(shù)據(jù)和斷開連接。它的實(shí)現(xiàn)過程可以用狀態(tài)機(jī)來描述。建立連接有兩種方法，即主動(dòng)打開和被動(dòng)打開。服務(wù)器端是一種被動(dòng)打開，它一直在偵聽連接請(qǐng)求;而客戶端是一種主動(dòng)打開，它發(fā)送連接請(qǐng)求以建立連接。研究發(fā)現(xiàn)，如果TCP層的上層實(shí)現(xiàn)服務(wù)器端的應(yīng)用，可以將標(biāo)準(zhǔn)TCP狀態(tài)機(jī)建立連接過程中客戶端建立連接的狀態(tài)機(jī)部分簡化掉。同理，如果應(yīng)用是基于客戶端的，可以將服務(wù)器端建立連接的狀態(tài)機(jī)部分簡化掉。斷開連接有兩種方式：一是主動(dòng)斷開連接;另一是被動(dòng)斷開連接。被動(dòng)斷開連接的處理較為簡單，但標(biāo)準(zhǔn)TCP協(xié)議的主動(dòng)斷開連接的狀態(tài)機(jī)部分過于復(fù)雜。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在需要主動(dòng)斷開連接的時(shí)候，發(fā)送一個(gè)Fin數(shù)據(jù)報(bào);接收到對(duì)Fin數(shù)據(jù)報(bào)的確認(rèn)后，再發(fā)送一個(gè)Reset數(shù)據(jù)報(bào)，即可順利完成一次主動(dòng)斷開連接。 標(biāo)準(zhǔn)的TCP協(xié)議使用慢啟動(dòng)的滑動(dòng)窗口機(jī)制?；瑒?dòng)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(gè)確認(rèn)之前發(fā)送多個(gè)窗口，其確認(rèn)是一種批量的確認(rèn)。研究滑動(dòng)窗口協(xié)議發(fā)現(xiàn)，滑動(dòng)窗口的一個(gè)極限情況，是只使用單個(gè)窗口，就變成了一種簡單確認(rèn)的處理方法。使用該方法后，所有的處理只是對(duì)單個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)的發(fā)送和確認(rèn)，節(jié)約了系統(tǒng)的資源，也使維護(hù)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(rèn)方法。因?yàn)槿绻麑?duì)方使用較大的窗口，就可能造成處理器被淹沒。這個(gè)問題可以通過設(shè)置待發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)的TCP頭部的Windows字段的大小解決。 在上述基礎(chǔ)上，簡化實(shí)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(yīng)處理”指根據(jù)接收到的TCP報(bào)文準(zhǔn)備待發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)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(jī)之間發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)的操作序列提供無連接服務(wù)。通過在數(shù)據(jù)報(bào)前添加IP協(xié)議頭，使每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)具有尋址能力。嵌入式系統(tǒng)只把IP作為傳輸工具，進(jìn)行簡化以完成主要的操作。得到IP包后，檢驗(yàn)IP頭部的版本、目的地址、校驗(yàn)和正確否，解析出協(xié)議類型字段，由此交給相應(yīng)的高層協(xié)議處理。發(fā)送IP包時(shí)，將緩沖區(qū)內(nèi)的源地址與目的地址互換，設(shè)置校驗(yàn)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(fù)雜度。

　　1.3 其它協(xié)議

　　ARP協(xié)議為32位IP地址到對(duì)應(yīng)的48位以太網(wǎng)地址之間提供動(dòng)態(tài)映射。嵌入式系統(tǒng)中僅響應(yīng)ARP請(qǐng)求，發(fā)送ARP回答包。請(qǐng)求者廣播出包含ARP請(qǐng)求的以太幀、目的以太網(wǎng)地址為全1的廣播地址。本機(jī)收到后，由目的IP地址發(fā)現(xiàn)自己是目的主機(jī)，發(fā)送一個(gè)ARP回答。ICMP通過IP協(xié)議傳輸其報(bào)文。IP協(xié)議是無連接的，它無法將報(bào)文和錯(cuò)誤信息傳到最初的主機(jī)，ICMP將狀態(tài)信息和錯(cuò)誤信息發(fā)送到發(fā)報(bào)文的主機(jī)。

　　2 前端設(shè)備的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　TCP/IP協(xié)議擴(kuò)展到工業(yè)控制級(jí)，將企業(yè)內(nèi)部計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場實(shí)時(shí)信息的發(fā)布和顯示，通過Internet瀏覽器對(duì)現(xiàn)場工業(yè)信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)視。下面是筆者在某公司一分布式監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)例?；赥CP/IP協(xié)議的前端設(shè)備系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖3。前端嵌入式設(shè)備處理器是Samsung公司的S3C4510B(ARM核)。該芯片是用在基于以太網(wǎng)系統(tǒng)的高性價(jià)比、高性能的16/32位RISC微控制器。通信部分采用BNC接口方式，信號(hào)輸出經(jīng)耦合隔離變壓器由RJ45接頭聯(lián)入集線器，此外還設(shè)計(jì)了液晶顯示和鍵盤輸入當(dāng)?shù)亟涌诠δ堋?在TCP/IP協(xié)議中多處用到超時(shí)和重發(fā)機(jī)制。這種機(jī)制對(duì)于確保兩個(gè)或多個(gè)彼此獨(dú)立的通信結(jié)點(diǎn)從通信錯(cuò)誤或故障狀態(tài)自動(dòng)恢復(fù)到正常狀態(tài)是非常有效的，但也增加了軟件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。因?yàn)閷?duì)超時(shí)的處理通常獨(dú)立于正常程序流程，也就是與正常的程序流程異步。要實(shí)現(xiàn)的TCP/IP協(xié)議軟件中有四處要用到定時(shí)器：第一是在ARP高速緩存的維護(hù)中，被添加到ARP高速緩存中的表項(xiàng)在一段時(shí)間后要置為無效;第二是在等待對(duì)發(fā)出的ARP請(qǐng)求返回響應(yīng)時(shí)，可能會(huì)在指定的超時(shí)時(shí)間內(nèi)還未收到返回的響應(yīng);第三是在IP組裝收到分片時(shí)，由于部分分片在一定時(shí)間內(nèi)沒有收到而丟棄整個(gè)IP包;第四是在TCP等待接收方對(duì)數(shù)據(jù)段的確認(rèn)時(shí)。如果在指定時(shí)間內(nèi)還未收到對(duì)某個(gè)數(shù)據(jù)段的確認(rèn)，需重新發(fā)送。從上述可見，要實(shí)現(xiàn)的定時(shí)器具備以下特點(diǎn)： 對(duì)定時(shí)的精度要求都不是很高，基本都是秒級(jí)的精度。這樣，完全可以稍滯后一些來處理定時(shí)器超時(shí)，不把超時(shí)處理放在時(shí)鐘中斷處理程序中。

　　對(duì)同一類超時(shí)處理可以由同一處理程序來完成，只是傳入到相應(yīng)的處理程序中的參數(shù)不同而已。例如一個(gè)ARP高速緩存中的表項(xiàng)超時(shí)時(shí)，需要將其置為無效，可以統(tǒng)一用一個(gè)處理程序，參數(shù)中放入相應(yīng)的表項(xiàng)地址即可。 首先，定義一定時(shí)器的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如圖4所示。每一類超時(shí)都是由一個(gè)超時(shí)控制塊和其所屬的一個(gè)由超時(shí)事件項(xiàng)組成的鏈表管理。整個(gè)鏈表按超時(shí)事件將要發(fā)生的時(shí)間順序排列，先發(fā)生的超時(shí)事件排列在前。超時(shí)控制塊中的head_ptr用以指向一個(gè)超時(shí)事件項(xiàng)鏈表的首項(xiàng);timeout_process是超時(shí)事件發(fā)生時(shí)處理程序的入口地址。在每個(gè)超時(shí)事件項(xiàng)中，next_ptr指向鏈表中的下一項(xiàng);relative_time是本表項(xiàng)的超時(shí)事件相對(duì)于上一表項(xiàng)的超時(shí)事件發(fā)生的相對(duì)時(shí)間。所以某個(gè)表項(xiàng)表示的超時(shí)事件距離當(dāng)前的時(shí)間是它以前所有表項(xiàng)(包括自身)中的relative_time的和。relative_time的基本單位是granularity。

　　定時(shí)器任務(wù)使用一個(gè)信號(hào)量作同步。信號(hào)量有兩個(gè)變量：count和waiting_task。count對(duì)事件計(jì)數(shù)，當(dāng)count大于0時(shí)，表示有count個(gè)事件發(fā)生并等待處理;當(dāng)count小于0時(shí)，表示有某個(gè)任務(wù)在等待事件的發(fā)生，此時(shí)waitint_task保存相應(yīng)任務(wù)控制塊的地址。信號(hào)量有兩個(gè)操作：sem_up和sem_down。sem_up首先使count加1，然后看count是否為0，若為0表示有任務(wù)在等待，通過waiting_task中記錄的任務(wù)控制塊的地址把等待任務(wù)的狀態(tài)設(shè)為就緒，否則返回。sem_down首先使count減1然后看count是否小于0，若小于0會(huì)使當(dāng)前任務(wù)成為等待狀態(tài)并引發(fā)任務(wù)管理器對(duì)任務(wù)的調(diào)度，否則返回。 每當(dāng)時(shí)鐘中斷服務(wù)程序計(jì)數(shù)到granularity個(gè)時(shí)鐘中斷，給定時(shí)器任務(wù)使用的信號(hào)燈作sem_up操作。當(dāng)定時(shí)器任務(wù)被調(diào)度執(zhí)行時(shí)，它遍歷每一個(gè)超時(shí)控制塊，對(duì)每一個(gè)超時(shí)控制塊作如圖5所示的處理，最后對(duì)信號(hào)燈調(diào)用sem_down。