源碼公開(kāi)的TCP/IP協(xié)議棧在遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

    摘要：介紹一個(gè)適用于8/16位單片機(jī)的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧（uIP）在發(fā)電機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用。重點(diǎn)闡述uIP的功能特性、體系結(jié)構(gòu)和相關(guān)接口，并詳細(xì)介紹如何在該協(xié)議棧上實(shí)現(xiàn)一個(gè)嵌入式Web服務(wù)器。目前uIP已成功地移植到51單片機(jī)上。

    關(guān)鍵詞：TCP/IP協(xié)議棧 嵌入式Web服務(wù)器 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)

目前，隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，越來(lái)越多的工業(yè)測(cè)控設(shè)備已經(jīng)將網(wǎng)絡(luò)接入功能作為其默認(rèn)配置，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和信息分布式處理。筆者曾參與某發(fā)電機(jī)射頻監(jiān)測(cè)儀的開(kāi)發(fā)，該設(shè)備主要用于診斷和預(yù)警發(fā)電機(jī)早期故障，并通過(guò)RS232接口定時(shí)輸出電平和狀態(tài)數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)專門(mén)設(shè)一臺(tái)PC作接收、顯示及存儲(chǔ)。每年都要有專家到各發(fā)電廠對(duì)以往數(shù)據(jù)作檢查和診斷，不勝其煩。因此有必要設(shè)計(jì)一個(gè)RS232到Internet的數(shù)據(jù)傳輸模塊，以便對(duì)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀況作遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。設(shè)計(jì)該模塊的關(guān)鍵在于如何實(shí)現(xiàn)一個(gè)嵌入式TCP/IP協(xié)議棧，根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，自己設(shè)計(jì)一個(gè)協(xié)議棧的難度很可能超過(guò)應(yīng)用本身，而采用商業(yè)的協(xié)議棧似乎又無(wú)必要（功能過(guò)于復(fù)雜），最后筆者選用一種功能簡(jiǎn)易的免費(fèi)TCP/IP協(xié)議棧uIP 0.9作為設(shè)計(jì)核心。

1 嵌入式TCP/IP協(xié)議棧

目前，市場(chǎng)上幾乎所有的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧都是根據(jù)BSD版的TCP/IP協(xié)議棧改寫(xiě)的。在商業(yè)嵌入式TCP/IP協(xié)議棧大都相當(dāng)昂貴的情況下，很多人轉(zhuǎn)而使用一些源代碼公開(kāi)的免費(fèi)協(xié)議棧，并加以改造應(yīng)用。目前較為著名的免費(fèi)協(xié)議棧有：

lwIP(Light weight TCP/IP Stack)——支持的協(xié)議比較完整，一般需要多任務(wù)環(huán)境支持，代碼占用ROM>40KB，不適合8位機(jī)系統(tǒng)，沒(méi)有完整的應(yīng)用文檔；

uC/IP(TCP/IP stack for uC/OS)—基于uC/OS的任務(wù)管理，接口較復(fù)雜，沒(méi)有說(shuō)明文檔。

筆者采用的協(xié)議棧系瑞典計(jì)算機(jī)科學(xué)研究所Adam Dunkels開(kāi)發(fā)的uIP0.9。其功能特性總結(jié)如下：

*完整的說(shuō)明文檔和公開(kāi)的源代碼（全部用C語(yǔ)言編寫(xiě)，并附有詳細(xì)注釋）；

*極少的代碼占用量和RAM資源要求，尤其適用于8/16位單片機(jī)（見(jiàn)表1）；

*高度可配置性，以適應(yīng)不同資源條件和應(yīng)用場(chǎng)合；

*支持ARP、IP、ICMP、TCP、UDP（可選）等必要的功能特性；

*支持多個(gè)主動(dòng)連接和被動(dòng)連接并發(fā)，支持連接的動(dòng)態(tài)分配和釋放；

*簡(jiǎn)易的應(yīng)用層接口和設(shè)備驅(qū)動(dòng)層接口；

*完善的示例程序和應(yīng)用協(xié)議實(shí)現(xiàn)范例。

表1 uIP在ATMEL AVR上代碼和RAM占用情況

注：配置為1個(gè)TCP聽(tīng)端口，10個(gè)連接，10個(gè)ARP表項(xiàng)，400字節(jié)數(shù)據(jù)包緩存。

正是由于uIP所具有的顯著特點(diǎn)，自從0.6版本以來(lái)就被移植到多種處理器上，包括MSP430、AVR和Z80等。筆者使用的uIP0.9是2003年11月發(fā)布的版本。目前，筆者已將它成功移植到MCS-51上了。

2 uIP0.9的體系結(jié)構(gòu)

uIP0.9是一個(gè)適用于8/16位機(jī)上的小型嵌入式TCP/IP協(xié)議棧，簡(jiǎn)單易用，資源占用少是它的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。它去掉了許多全功能協(xié)議棧中不常用的功能，而保留網(wǎng)絡(luò)通信所必要的協(xié)議機(jī)制。其設(shè)計(jì)重點(diǎn)放在IP、ICMP和TCP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)上，將這三個(gè)模塊合為一個(gè)有機(jī)的整體，而將UDP和ARP協(xié)議實(shí)現(xiàn)作為可選模塊。UIP0.9的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

UIP0.9處于網(wǎng)絡(luò)通信的中間層，其上層協(xié)議在這里被稱之為應(yīng)用程序，而下層硬件或固件被稱之為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)。顯然，uIP0.9并不是僅僅針對(duì)以太網(wǎng)設(shè)計(jì)的，以具有媒體無(wú)關(guān)性。

為了節(jié)省資源占用，簡(jiǎn)化應(yīng)用接口，uIP0.9在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)上作了特殊的處理。

①注意各模塊的融合，減少處理函數(shù)的個(gè)數(shù)和調(diào)用次數(shù)，提高代碼復(fù)用率，以減少ROM占用。

②基于單一全局?jǐn)?shù)組的收發(fā)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，不支持內(nèi)存動(dòng)態(tài)分配，由應(yīng)用負(fù)責(zé)處理收發(fā)的數(shù)據(jù)。

③基于事件驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用程序接口，各并發(fā)連接采用輪循處理，僅當(dāng)網(wǎng)絡(luò)事件發(fā)生時(shí)，由uIP內(nèi)核喚起應(yīng)用程序處理。這樣，uIP用戶只須關(guān)注特定應(yīng)用就可以了。傳統(tǒng)的TCP/IP實(shí)現(xiàn)一般要基于多任務(wù)處理環(huán)境，而大多數(shù)8位機(jī)系統(tǒng)不具備這個(gè)條件。

④應(yīng)用程序主動(dòng)參與部分協(xié)議棧功能的實(shí)現(xiàn)（如TCP的重發(fā)機(jī)制，數(shù)據(jù)包分段和流量控制），由uIP內(nèi)核設(shè)置重發(fā)事件，應(yīng)用程序重新生成數(shù)據(jù)提交發(fā)送，免去了大量?jī)?nèi)部緩存的占用?；谑录?qū)動(dòng)的應(yīng)用接口使得這些實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單。

3 uIP的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序接口

uIP內(nèi)核中有兩個(gè)函數(shù)直接需要底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的支持。

一是uip_input()。當(dāng)設(shè)置驅(qū)動(dòng)程序從網(wǎng)絡(luò)層收到的一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)要調(diào)用這個(gè)函數(shù)，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序必須事先將數(shù)據(jù)包存入到uip_buf[]中，包長(zhǎng)放到uip_len，然后交由uip_input()處理。當(dāng)函數(shù)返回時(shí)，如果uip_len不為0，則表明有帶外數(shù)據(jù)（如SYN，ACK等）要發(fā)送。當(dāng)需要ARP支持時(shí)，還需要考慮更新ARP表示或發(fā)出ARP請(qǐng)求和回應(yīng)，示例如下：

#define BUF((struct uip_eth_hdr*)&uip_buf[0])

uip_len=ethernet_devicedriver_poll(); //接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包（設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序）

if(uip_len>0){ //收到數(shù)據(jù)

if(BUF->type= =HTONS(UIP_ETHTYPE_IP)){//是IP包嗎？

uip_arp_ipin(); //去除以太網(wǎng)頭結(jié)結(jié)，更新ARP表

uip_input(); //IP包處理

if(uip_len>0){ //有帶外回應(yīng)數(shù)據(jù)

uip_arp_out(); //加以太網(wǎng)頭結(jié)構(gòu)，在主動(dòng)連接時(shí)可能要構(gòu)造ARP請(qǐng)求

ethernet_devicedriver_send(); //發(fā)送數(shù)據(jù)到以太網(wǎng)（設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序）

}

}else if(BUF->type==HTONS(UIP_ETHTYPE_ARP)){

//是ARP請(qǐng)求包

uip_arp_arpin(); //如是是ARP回應(yīng)，更新ARP表；如果是請(qǐng)求，構(gòu)造回應(yīng)數(shù)據(jù)包

if(uip_len>0){ //是ARP請(qǐng)求，要發(fā)送回應(yīng)

ethernet_devicedriver_send(); //發(fā)ARP回應(yīng)到以太網(wǎng)上

}

}

另一個(gè)需要驅(qū)動(dòng)程序支持的函數(shù)是uip_periodie（conn）。這個(gè)函數(shù)用于uIP內(nèi)核對(duì)各連接的定時(shí)輪循，因此需要一個(gè)硬件支持的定時(shí)程序周期性地用它輪循各連接，一般用于檢查主機(jī)是否有數(shù)據(jù)要發(fā)送，如有，則構(gòu)造IP包。使用示例如下：

for(i=0;i<UIP_CONNS;i++){

uip_periodic(i);

if(uip_len>0){

uip_arp_out();

ethernet_devicedriver_send();

}

}

從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，uip_input()和uip_periodic()在內(nèi)部是一個(gè)函數(shù)，即uip_process(u8t flag)，UIP的設(shè)計(jì)者將uip_process(UIP_DATA)定義成uip_input()，而將uip_process(UIP_TIMER)定義成uip_periodic()，因此從代碼實(shí)現(xiàn)上來(lái)說(shuō)是完全復(fù)用的。

4 uIP的應(yīng)用程序接口

為了將用戶的應(yīng)用程序掛接到uIP中，必須將宏UIP_APPCALL（）定義成實(shí)際的應(yīng)用程序函數(shù)名，這樣每當(dāng)某個(gè)uIP事件發(fā)生時(shí)，內(nèi)核就會(huì)調(diào)用該應(yīng)用程序進(jìn)行處理。如果要加入應(yīng)用程序狀態(tài)的話，必須將宏UIP_APPSTATE_SIZE定義成應(yīng)用程序狀態(tài)結(jié)構(gòu)體的長(zhǎng)度。在應(yīng)用程序函數(shù)中，依靠uIP事件檢測(cè)函數(shù)來(lái)決定處理的方法，另外可以通過(guò)判斷當(dāng)前連接的端口號(hào)來(lái)區(qū)分處理不同的連接。下面的示例程序是筆者實(shí)現(xiàn)的一個(gè)Web服務(wù)器應(yīng)用的框架。

#define UIP_APPCALL uip51_appcall

#define UIP_APPSTATE_SIZE sizeof(struct uip51app_state)

struct uip51app_state{

unsigned char * dataptr;

unsigned int dataleft;

};

void uip51_initapp{ //設(shè)置主機(jī)地址

u16_t ipaddr[2];

uip_ipaddr(ipaddr,202,120,127,192);

uip_sethostaddr(ipaddr);

uip_listen(HTTP_PORT); //HTTP WEB PORT（80）；

}

void uip51_appcall(void){

struct uip51app_state *s;

s=(struct uip51lapp_state *)uip_conn->appstate; //獲取當(dāng)前連接狀態(tài)指針

if(uip_connected()){

… //有一個(gè)客戶機(jī)連上

}

if(uip_newdat()||uip_rexmit()){ //收到新數(shù)據(jù)或需要重發(fā)

if(uip_datalen()>0){

if(uip_conn->lport==80){ //收到GET HTTP請(qǐng)求

update_table_data();//根據(jù)電平狀態(tài)數(shù)據(jù)表動(dòng)態(tài)生成網(wǎng)頁(yè)

s->dataptr=newpage;

s->dataleft=2653;

uip_send(s->dataptr,s->dataleft); //發(fā)送長(zhǎng)度為2653B的網(wǎng)頁(yè)

}

}

}

if(uip_acked()){ //收到客戶機(jī)的ACK

if(s->dataleft>uip_mss()&&uip_conn->lport==80){ //發(fā)送長(zhǎng)度>最大段長(zhǎng)時(shí)

s->dataptr+=uip_conn->len; //繼續(xù)發(fā)送剩下的數(shù)據(jù)

s->dataleft-=uip-conn->len;

uip_send(s->dataptr,s->dataleft);

}

return;

}

if(uip_poll())

{… //將串口緩存的數(shù)據(jù)復(fù)制到電平狀態(tài)數(shù)據(jù)表

return;

}

if(uip_timedout()|| //重發(fā)確認(rèn)超時(shí)

uip_closed()|| //客戶機(jī)關(guān)閉了連接

uip_aborted()){ //客戶機(jī)中斷連接

return;}

}

5 uIP0.9在電機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用

筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)嵌入式Web模塊UIPWEB51,用于將發(fā)電機(jī)射頻監(jiān)測(cè)儀串口輸出的數(shù)據(jù)上網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)工作狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，目前已獲得初步成功。該模塊的硬件框圖如圖2所示。

單片機(jī)采用的是Atmel的AT89C55WD，它內(nèi)置20KB程序Flash，512字節(jié)RAM，3個(gè)這時(shí)器/計(jì)數(shù)器，工作在22.1184MHz時(shí)具有約2MIPS的處理速度。網(wǎng)卡芯片同樣采用的是低成本的RTL8019AS，是一款NE2000兼容的網(wǎng)卡芯片，系統(tǒng)外擴(kuò)了32KB的SRAM，用于串口數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的緩沖，另外還存放了uIP的許多全局變量。

UIPWEB51的主程序采用中斷加輪循的方式，用中斷觸發(fā)的方式接收發(fā)電機(jī)射頻監(jiān)測(cè)儀發(fā)出的數(shù)據(jù)，開(kāi)設(shè)置了一個(gè)接收隊(duì)列暫存這些數(shù)據(jù)。在程序中輪循有無(wú)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包輸入，如有則調(diào)用uIP的相關(guān)處理函數(shù)（如上uip_input()使用示例）；如無(wú)則檢測(cè)定時(shí)輪循中斷是否發(fā)生。這里將T2設(shè)為uIP的定時(shí)輪循計(jì)數(shù)器，在T2中斷中設(shè)置輪循標(biāo)志，一旦主程序檢測(cè)到這一標(biāo)志就調(diào)用uip_periodic()輪循各連接（如上uip_periodic()使用示例）。

UIPWeb51的應(yīng)用程序（如uIP的應(yīng)用程序接口示例），這個(gè)Web服務(wù)器首先打開(kāi)80端口的監(jiān)聽(tīng)，一旦有客戶機(jī)要求連上，uIP內(nèi)部會(huì)給它分配一個(gè)連接項(xiàng)，接著等收到客戶機(jī)IE瀏覽器發(fā)出的“GET HTTP……”請(qǐng)求后，將發(fā)電機(jī)電平與狀態(tài)數(shù)據(jù)隊(duì)列中的數(shù)據(jù)填入網(wǎng)頁(yè)模板，生成一幅新的網(wǎng)頁(yè)發(fā)給客戶機(jī)。因?yàn)檫@幅網(wǎng)頁(yè)的大小已經(jīng)超過(guò)uIP的最大段長(zhǎng)（MSS），因此在uIP內(nèi)核第一次實(shí)際只發(fā)出了MSS個(gè)字節(jié)，在連接處于空閑的時(shí)候（uip_poll()），應(yīng)用程序可以從串口隊(duì)列中讀出原始數(shù)據(jù)，經(jīng)格式處理后再存到電機(jī)電平與狀態(tài)數(shù)據(jù)隊(duì)列中，而在這個(gè)隊(duì)列中保存著當(dāng)前1min的設(shè)備工作數(shù)據(jù)，以便下次更新網(wǎng)頁(yè)時(shí)使用。在網(wǎng)頁(yè)中添加了更新按鈕，一旦瀏覽器用戶占擊了按鈕，瀏覽器會(huì)自動(dòng)發(fā)出CGI請(qǐng)求，UIPWEB51收到后，立即發(fā)送包含最新數(shù)據(jù)的網(wǎng)頁(yè)。如果uIP接收ACK超時(shí)，它會(huì)自動(dòng)設(shè)置重發(fā)標(biāo)志，應(yīng)用程序中可以用uip_rexmit()來(lái)檢測(cè)這個(gè)標(biāo)志，重新生成網(wǎng)頁(yè)并發(fā)送。一旦用戶關(guān)閉了瀏覽器，uIP也會(huì)自動(dòng)檢測(cè)到這一事件（應(yīng)用程序中可以用uip_closed（）來(lái)檢測(cè)），并且釋放掉這個(gè)連接項(xiàng)。

圖3是UIPWEB51的總體程序結(jié)構(gòu)圖。

6 測(cè)試結(jié)果

將uIP0.9配置成允許4個(gè)并發(fā)連接，1個(gè)監(jiān)聽(tīng)端，10端個(gè)ARP表項(xiàng)，去掉UDP支持，UIP_ZBUFSIZE=1500和其它優(yōu)化選項(xiàng)。用KEIL C編譯，整個(gè)uIP0.9內(nèi)核模式代碼量小于8KB（含Web應(yīng)用程序），內(nèi)核對(duì)RAM的占用小于2KB（不含網(wǎng)頁(yè)）。整個(gè)系統(tǒng)程序的代碼量小于12KB，占用的RAM小于10KB。另外，在公網(wǎng)上測(cè)試了該模式的傳輸速度，大于20Kbps，對(duì)于此項(xiàng)應(yīng)用已達(dá)到要求。目前，該模塊正準(zhǔn)備應(yīng)用于新一代的發(fā)電機(jī)射頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。