嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡互連技術

由于越來越多的設備需要通過Internet進行通信或者控制，因此互連和安全功能成為除操作系統(tǒng)之外，設計者們所面臨的主要設計需求

大部分設計者在設計嵌入式系統(tǒng)的時候都采用傳統(tǒng)的設計步驟：首先選擇RTOS（實時操作系統(tǒng)），然后在此基礎上構建軟件應用。至于其他組件，例如網(wǎng)絡協(xié)議，再根據(jù)它們與所選的RTOS的兼容性進行選擇。這種選擇順序對于今后的嵌入式系統(tǒng)設計就不太合適了。

嵌入式設備的互連與移動特性日益突出，從而增強了對互連和安全性的要求。今天，沒有哪一個系統(tǒng)在設計的時候不考慮如何與其他系統(tǒng)進行互連。從家用報警設備、汽車監(jiān)控設備到工控設備，嵌入式系統(tǒng)的OEM通過IP互連技術，為廣大用戶提供性能更強大、可用性更佳的產(chǎn)品。

過去，人們在選擇操作系統(tǒng)的時候需要仔細評估該操作系統(tǒng)的優(yōu)缺點以及可用的開發(fā)工具。設計工程師的工作就是確保所選的操作系統(tǒng)勝任最大范圍的工作，并且滿足未來工程開發(fā)的需要。

現(xiàn)在，由于越來越多的設備需要通過Internet進行通信或者控制，因此互連和安全功能成為除操作系統(tǒng)之外，設計者們所面臨的主要設計需求。嵌入 式系統(tǒng)的工程師們在設計的前期就要仔細選擇互連和安全協(xié)議棧，確保TCP/IP協(xié)議棧和相應的安全與移動特性能夠在該嵌入式系統(tǒng)的生命周期內，滿足大部分 功能升級和設計更新的需要。

例如，對于公司和政府的辦公室、工廠和研發(fā)實驗室內遍布的網(wǎng)絡而言，通過Internet（或者Intranet、VPN）通信的設備越多，這些設備對用戶就越方便實用。

但是，如果黑客通過無線設備在實驗室高墻之外進行破壞行為，我們該如何應對呢？尤其對于政府和軍隊系統(tǒng)來說，這種破壞的后果可能是無法挽回的。

大量嵌入式設備用于通信的有線和無線網(wǎng)絡規(guī)模不斷增長，迫切需要可靠的互連和安全性能保證。漏洞百出的網(wǎng)絡安全對于嵌入式系統(tǒng)設計的前端就意味著極大的風險。

根基：TCP/IP棧

正如RTOS在傳統(tǒng)上是大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)的基本組成模塊一樣，TCP/IP棧是網(wǎng)絡互連與安全的基礎。TCP/IP棧不僅負責設備之間的通信，而且是很多其他網(wǎng)絡互連與安全模塊賴以存在的核心軟件。

TCP/IP棧實質上是層次化結構的軟件模塊，其實現(xiàn)的功能在于通過Internet傳輸信息。TCP/IP是一個誤導的說法，因為TCP和IP僅 僅是TCP/IP棧用于通信的眾多協(xié)議中的兩種協(xié)議。棧的規(guī)?？纱罂尚?，小的例如移動電話和PDA，又大又復雜的例如那些處理跨國公司VPN通信的棧。

圖1 與Interpeak的IPNET類似的TCP/IP協(xié)議棧，其中集成的組件
支持多種網(wǎng)絡互連功能、IPv4/IPv6和多種安全功能

圖1給出了一種集成了多個組件的協(xié)議棧。這個例子中的協(xié)議棧具有高度的安全性，能夠實現(xiàn)無縫移動，支持IPv4和新型的IPv6協(xié)議。網(wǎng)絡和傳輸層構成了這個棧的核心。

網(wǎng)絡層負責消息處理，并把邏輯地址和名字轉換成物理地址，傳輸層確保數(shù)據(jù)的完整性。這一層采用兩種基本的協(xié)議：傳輸控制協(xié)議（TCP）和用戶數(shù)據(jù)報 協(xié)議（UDP）。當傳輸出錯時，TCP負責重新提交數(shù)據(jù)，并使主機同時保持多個連接。UDP是一種數(shù)據(jù)報服務，當不需要糾錯的時候，UDP能夠增強傳輸層 的網(wǎng)絡流量。

復雜性：新的挑戰(zhàn)

過去，網(wǎng)絡互連是一個次要因素，很多系統(tǒng)設計者通常構建自己的網(wǎng)絡協(xié)議棧，或者干脆簡化這一工作。設備之間的通信通常比較簡單，并且局限于很小的范圍之內。

而現(xiàn)在，大量的設備都通過Internet實現(xiàn)了互連，互連協(xié)議棧變得越來越復雜。錯綜復雜的互連與安全協(xié)議成倍增長，全球化的網(wǎng)絡標準也在快速發(fā)展，以應對Internet上大量設備相互通信而帶來的最新安全挑戰(zhàn)和困難。

除此之外，Internet出現(xiàn)的重大變化就是從目前的IPv4協(xié)議轉變?yōu)镮Pv6協(xié)議。IPv4支持大約40億個地址，同時人們還想出了一些辦 法，在“私有”網(wǎng)絡中開辟額外的地址空間。IPv6支持 3.4×1038個地址，也就是說足可以為地球上每平方毫米提供6.70×1017個地址。隨著IPv6的逐步普及，很多設備需 要能夠同時支持IPv4 和IPv6的通信。

根據(jù)Ipv6所需的設備類型和互連特性，從移動IP到QoS、虛擬路由、Ipv6管道以及越來越多的新型技術都需要更高的性能和標準兼容性，這些技術將隨著網(wǎng)絡系統(tǒng)功能的增長而同步發(fā)展。

對于大多數(shù)應用來說，現(xiàn)在的問題不再是構建自己的TCP/IP棧，而是選擇一個合適的協(xié)議棧。我們將面臨使用多個RTOS的挑戰(zhàn)。在這種情況下，網(wǎng)絡互連和安全協(xié)議棧需要移植到多個RTOS上。我們必須在系統(tǒng)開發(fā)的早期就意識到存在這種需求的可能性。

在某種程度上，嵌入式系統(tǒng)設計的發(fā)展道路與PC的發(fā)展之路非常類似。在20世紀80年代早期，PC的主要作用就是處理電子數(shù)據(jù)表和文字處理，人們都 是根據(jù)這些功能來選擇PC。今天，許多終端用戶需要通過Internet快速地傳輸數(shù)據(jù)，還需要具有多媒體功能。字處理和電子數(shù)據(jù)表的計算都成為了附屬功 能。

類似地，在嵌入式領域，我們非常依賴十幾年來一直沿用的各種RTOS的性能和可靠性。但是，我們必須轉變注意力，要認識到：在網(wǎng)絡互連和安全性問題上的任何折中都會損害整個嵌入式系統(tǒng)的價值。因此，應對網(wǎng)絡互連和安全性的挑戰(zhàn)成為系統(tǒng)設計需要考慮的首要問題。