TCP/IP協(xié)議棧在嵌入式異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)中的應(yīng)用
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關(guān)鍵詞：TCP/IP協(xié)議棧 CAN總線 以太網(wǎng) 互聯(lián)網(wǎng) 異構(gòu)結(jié)構(gòu)
引言
Internet現(xiàn)已成為社會重要的信息流通渠道。如果嵌入式系統(tǒng)能夠連接到Internet上面，則可以方便、低廉地將信息傳送到幾乎世界上的任何一個地方?？梢灶A(yù)言，嵌入式設(shè)備與Internet的結(jié)合代表著嵌入式系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的真正未來。隨著IPv6的應(yīng)用，設(shè)備都可能獲得一個全球唯一的IP地址，通過IP地址和互聯(lián)網(wǎng)相連成為一個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。但是傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議在實(shí)現(xiàn)實(shí)時性方面做得不夠好，它把大量的精力花在保證數(shù)據(jù)傳送的可靠性以及數(shù)據(jù)流量的控制上。而在實(shí)時性要求比較高的嵌入式領(lǐng)域中，傳統(tǒng)的TCP/IP不能滿足其實(shí)時要求。另外，傳統(tǒng)TCP/IP的實(shí)現(xiàn)過于復(fù)雜，需占用大量系統(tǒng)資源，而嵌入式應(yīng)用的系統(tǒng)資源往往都很有限。因此，需要把傳統(tǒng)TCP/IP在不違背協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的前提下加以改進(jìn)實(shí)現(xiàn)，使其實(shí)現(xiàn)性得到提高，占用的存儲空間盡可能少，以滿足嵌入式應(yīng)用的要求。
在大型企業(yè)自動化系統(tǒng)中，上層企業(yè)管理層和生產(chǎn)監(jiān)控層一般采用的都是以太網(wǎng)和PC機(jī)，而在下層車間現(xiàn)場都是采用現(xiàn)場總線和單片機(jī)測控設(shè)備。上下兩層的溝通，通常采用工業(yè)控制機(jī)加以太網(wǎng)卡，再加上PC機(jī)插槽上的接口卡和并行打印口EPP接口卡來實(shí)現(xiàn)。這種連接方式成本高，開發(fā)周期長。針對這些情況，本文提出了一種單獨(dú)的嵌入式CAN-以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)互連系統(tǒng)的設(shè)計方案，成功地實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)和現(xiàn)有的CAN總線網(wǎng)的直接數(shù)據(jù)傳輸。
1 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計
CAN總線是一個設(shè)備互連總線型控制網(wǎng)絡(luò)。在CAN總線上可以掛接多達(dá)110個設(shè)備節(jié)點(diǎn)，各設(shè)備間可以自主相互通信，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。但設(shè)備信息層無法直接到達(dá)信息管理層，要想設(shè)備信息進(jìn)入信息管理層就要通過一種數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)。
這里設(shè)計了一個SX52網(wǎng)關(guān)，用于CAN總線與以太網(wǎng)的互連。圖1所示的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)分為三部分：現(xiàn)場測控網(wǎng)絡(luò)（CAN網(wǎng)絡(luò)）、嵌入式透明SX52網(wǎng)關(guān)和以太網(wǎng)信息管理終端（如監(jiān)控平臺和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫等）。以太網(wǎng)信息管理終端與CAN總線上的CAN節(jié)點(diǎn)通過Ethernet、SX52網(wǎng)關(guān)、CAN總線相互通信，其中SX52網(wǎng)關(guān)起核心異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互連作用。
協(xié)議轉(zhuǎn)換是異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互連的技術(shù)關(guān)鍵和難點(diǎn)。協(xié)議轉(zhuǎn)換一般遙相呼應(yīng)采用分層轉(zhuǎn)換的方法，自低向上逐層進(jìn)行。目前互連大都是在網(wǎng)絡(luò)層或網(wǎng)絡(luò)層展開的，因而必須對互連層以下各層協(xié)議逐層向上轉(zhuǎn)換。這種轉(zhuǎn)換方法的依據(jù)是協(xié)議分層的基本原理，即低層支持高層，高層調(diào)用低層，低層斷開連接后，高層連接也隨之?dāng)嚅_，但高層斷開連接卻不會影響低層。從網(wǎng)絡(luò)的分層結(jié)構(gòu)上來看我們設(shè)計的互連系統(tǒng)具有如圖2所示的分層結(jié)構(gòu)。以太網(wǎng)上運(yùn)行TCP/IP協(xié)議，它具有應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層和物理層；CAN總線具有應(yīng)用層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，其中應(yīng)用層由用戶自己定義，數(shù)據(jù)鏈路層和物理層由CAN協(xié)議所定義；SX52數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)具有物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，其應(yīng)用層也就是Ethernet與CAN的信息數(shù)據(jù)交換層，SX52微控制器在此層相互解釋并轉(zhuǎn)發(fā)這兩種不同協(xié)議的數(shù)據(jù)。
在本設(shè)計中，SX52網(wǎng)關(guān)被設(shè)計成了一個透明數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)。也就是在以太網(wǎng)應(yīng)用層構(gòu)建和解析完整的CAN協(xié)議數(shù)據(jù)包。CAN協(xié)議數(shù)據(jù)包作為TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用層的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。對通信數(shù)據(jù)的具體實(shí)際意義不做任何解釋。
透明式網(wǎng)關(guān)由通信處理器、CAN總線控制器和以太網(wǎng)控制器三個部分組成。其中SX52單片機(jī)為核心處理器，實(shí)現(xiàn)CAN控制網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換。以太網(wǎng)信息管理 層的控制指令發(fā)送到嵌入式透明SX52網(wǎng)關(guān)，經(jīng)過它將TCP/IP協(xié)議包數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為CAN協(xié)議形式發(fā)送至CAN控制網(wǎng)絡(luò)中的指定設(shè)備節(jié)點(diǎn)，完成信息管理層對現(xiàn)場設(shè)備層的控制。同樣地，當(dāng)CAN網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備數(shù)據(jù)（如定時采樣數(shù)據(jù)或報警信息）要傳輸?shù)叫畔⒐芾韺訒r，可將數(shù)據(jù)發(fā)送到嵌入式透明SX52網(wǎng)關(guān)，再通過網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換程序?qū)AN協(xié)議數(shù)據(jù)封裝成TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀發(fā)送至以太網(wǎng)上的監(jiān)控計算機(jī)。
2 SX52中TCP/IP協(xié)議棧的設(shè)計
按照層次結(jié)構(gòu)思想，對計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)模塊化的研究結(jié)果是，形成了一組從上到下單向依賴關(guān)系的協(xié)議棧（protocol stack），也叫協(xié)議族。在標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議族中有很多協(xié)議。這里SX52中TCP/IP協(xié)議棧層次結(jié)構(gòu)如圖3所示。
2.1 SX52 ARP協(xié)議的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)
地址解析協(xié)議ARP（Address Resolution Protocol）可以實(shí)現(xiàn)邏輯地址到物理地址的動態(tài)映射。它提供了一種使以太網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以傳輸一個IP數(shù)據(jù)包到目的地址的映射機(jī)制。
在SX52中，ARP協(xié)議是通過一個“IP地址對應(yīng)以太網(wǎng)地址”的單登記實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)遠(yuǎn)程主機(jī)需要知道它的物理地址時，遠(yuǎn)程主機(jī)會向它發(fā)送ARP請求。這時它就會響應(yīng)這個遠(yuǎn)程主機(jī)的請求，告訴對方自己的物理地址。當(dāng)然，當(dāng)應(yīng)用層需要傳輸IP數(shù)據(jù)包時，SX52 ARP協(xié)議也可以請求遠(yuǎn)程目的物理地址。
要傳輸?shù)腎nternet數(shù)據(jù)包在以太網(wǎng)控制器的發(fā)送緩沖區(qū)中被構(gòu)建，它使用最近接收到的數(shù)據(jù)包的目的以太網(wǎng)地址作為發(fā)送數(shù)據(jù)包的目的地址。當(dāng)然，這可能不是正確的以太網(wǎng)地址，因此，在實(shí)際發(fā)送數(shù)據(jù)包之前，ARP協(xié)議將檢查發(fā)送數(shù)據(jù)包中的IP地址是否存在于ARP核中。如果發(fā)送數(shù)據(jù)中包中的IP地址在這個核中，在以太網(wǎng)發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)包將使用ARP核中的以太網(wǎng)地址更新；如果不在，ARP協(xié)議將發(fā)送一個ARP請求包，然后等待一個應(yīng)答。一旦這個ARP應(yīng)答接收到，這個ARP核將使用剛接收到的目標(biāo)以太網(wǎng)地址更新，接著，等待發(fā)送的數(shù)據(jù)包也將使用這個以太網(wǎng)地址更新，然后被發(fā)送出去。如果發(fā)送的ARP請求包沒有應(yīng)答，導(dǎo)致ARP定時器超時，這時等待發(fā)送的數(shù)據(jù)包將被廢棄，正常的協(xié)議棧繼續(xù)運(yùn)行。使用的變量有：ARP核中的IP地址{hostlIP3,hostlIP2,hostlIP1,host1IP0};ARP核中的以太網(wǎng)物理地址{host1Eth0,host1Eth1,host1Eth2,host1Eth3,host1Eth4,host1Eth5};ARP協(xié)議的定時器{arpTimerMSB,arpTimerLSB}等。使用涉及的函數(shù)有：ARPInit(),ARPCheckCache(),ARPSendResponse(),ARPUpdateEthAddr(),ARPCheckIfIs(),ARPCompare4(),ARPSendStPacket(),ARPSendCommon(),ARPSendRequest()。
2.2 SX52 IP協(xié)議的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)
IP是TCP/IP協(xié)議族中最為核心的協(xié)議。所有的TCP、UDP、ICMP及IGMP數(shù)據(jù)都以IP數(shù)據(jù)報格式傳輸。IP提供不可靠、無連接的數(shù)據(jù)報傳送服務(wù)。本設(shè)計中的IP協(xié)議是針對特殊的應(yīng)用環(huán)境下的合理簡化。CAN總線的控制網(wǎng)絡(luò)是一種短幀（每個數(shù)據(jù)幀為8字節(jié)）的實(shí)時網(wǎng)絡(luò)，所以，IP數(shù)據(jù)包無須分片（MF=DF=0），同時，設(shè)置IP為服務(wù)類型為一般類型，其頭長為20字節(jié)，壽命TTL設(shè)置為64。使用的變量有：目的IP地址{remoteIP3,remoteIP2,remoteIP1,remoteIP0};源IP地址{myIP3,myIP2,myIP1,myIP0};IP校驗(yàn)和{ipCheckSumMSB,ipCheckSumLSB};IP數(shù)據(jù)包長度{ipLengthMSB,}ipLengthLSB};上層使用的協(xié)議ipProtocol,IP標(biāo)識{ipIdentMSB,ipIdentLSB}。使用涉及的函數(shù)有：TCPIPInit(),CheckIPDatagram(),CheckIPDestAddr(),IPStartPktOut()等。
2．3 SX52 ICMP協(xié)議的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)
為了讓互聯(lián)網(wǎng)中的路由器報告或提供有關(guān)意外情況的信息，在TCP/IP協(xié)議系列中加入了一個專門用于發(fā)送差錯報文的協(xié)議——互聯(lián)網(wǎng)控制報文協(xié)議ICMP（Internet Control Message Protocol）。ICMP是IP的一部分在每個IP實(shí)現(xiàn)中都必須用到它。像其它所有的通信業(yè)務(wù)一樣，ICMP報文是放在一個IP數(shù)據(jù)報的數(shù)據(jù)部分中傳送的。ICMP報文的最終目的不是應(yīng)用程序或目的機(jī)器上的用戶，而是該機(jī)上處理它的Internet協(xié)議軟件模塊。也就是說：Internet控制報文協(xié)議允許路由器向其它路由器或主機(jī)發(fā)送差錯或控制報文；ICMP在兩臺主機(jī)的Internet協(xié)議軟件之間提供通信。
每個ICMP報文都以相同的3個字節(jié)開始：1個8位整數(shù)的報文類型（TYPE）字段用來識別報文，1個8位代碼（CODE）字段提供有關(guān)報文類型的進(jìn)一步信息，1個16位校驗(yàn)和字段。此外，ICMP報文還總是包括產(chǎn)生問題的數(shù)據(jù)報首部及其開頭的64位數(shù)據(jù)。
ICMP使用IP來傳送每一個差錯報文。當(dāng)路由器有一個ICMP報文要傳遞時，它會創(chuàng)建一個IP數(shù)據(jù)報并將ICMP報文封裝其中，也就是說，ICMP報文被置于IP數(shù)據(jù)報的數(shù)據(jù)區(qū)中，然后這一數(shù)據(jù)報像通常一樣被轉(zhuǎn)發(fā)。即整個數(shù)據(jù)報被封裝進(jìn)幀中進(jìn)行傳遞。
每一個ICMP報文的產(chǎn)生總是對應(yīng)于一個數(shù)據(jù)報。路由器將一個ICMP報文將回給產(chǎn)生數(shù)據(jù)報的主機(jī)。在這里，只實(shí)現(xiàn)了ICMP的回應(yīng)請求/應(yīng)答服務(wù)，主要用于PING程序測試通信鏈路的暢通性，即只處理接收的報文類型為0x08的ICMP幀，發(fā)送的ICMP報文類型為0x00。它沒有自己專有的變量，涉及的函數(shù)也只有ICMPGenCheckSum（）和ICMPProcPktIn()。
2.4 SX52 UDP協(xié)議的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)
UDP是一個簡單的面向數(shù)據(jù)報的運(yùn)輸層協(xié)議：進(jìn)程的每個輸出操作都正好產(chǎn)生一個UDP數(shù)據(jù)報，并組裝成一份待發(fā)送的IP數(shù)據(jù)報。UDP不提供可靠性，它把應(yīng)用程序傳給IP層的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，但是并不保證它們能到達(dá)目的地。由于缺乏可靠性，我們似乎覺得要避免使用UDP，而使用一種可靠的協(xié)議，如TCP。但分析發(fā)現(xiàn)，UDP在我們的互連設(shè)計中有很多的優(yōu)點(diǎn)：其一，UDP協(xié)議傳輸效率高，無須TCP通信前的連接開銷；第二，UDP協(xié)議簡單，無須復(fù)雜的狀態(tài)機(jī)傳輸機(jī)制，可以很好地避免SX52網(wǎng)關(guān)死機(jī)復(fù)位后由于狀態(tài)不一致而無法正常通信，且上層協(xié)議又很難發(fā)現(xiàn)的危險。因此，可以使用UDP來實(shí)現(xiàn)通信（避免TCP連接的開銷），而讓許多需要的特征（如動態(tài)超和重傳、擁塞避免、查錯等）放置在應(yīng)用層設(shè)計和實(shí)現(xiàn)。使用的變量有：
UDP接收數(shù)據(jù)報的源端口{udpRxSrcPortMSB,udpRxSrcPortLSB};
UDP接收數(shù)據(jù)報的目的端口{udpRxDestPortMSB,udpRxDestPortLSB};
UDP接收數(shù)據(jù)報的長度{udpRxDataLenMSB,udpRxDataLenLSB};
UDP發(fā)送數(shù)據(jù)報的源端口{udpTxSrcPortMSB,udpTxSrcPortLSB};
UDP發(fā)送數(shù)據(jù)報的目的端口{udpTxDestPortMSB,udpTxDestPortLSB};
UDP發(fā)送數(shù)據(jù)報的長度{udpTxDataLenMSB,udpTxDataLenLSB}。
設(shè)計的相關(guān)函數(shù)有：UDPAppInit(),DPGenCheckSum(),UDPStartPktOut(),UDPProcPktIn(),UDPEndPktOut(),UDPAppProcPktIn(),UDPAppProcPktOut()等。
2.5 SX52 TCP協(xié)議的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)
傳輸控制協(xié)議TCP（Transmission Control Protocol）是傳輸層的重要協(xié)議。它提供一個完全可靠的（沒有數(shù)據(jù)重復(fù)或丟失）、面向連接的、全雙工的流傳輸服務(wù)。本設(shè)計中，對復(fù)雜的TCP協(xié)議做了合理的簡化：①因?yàn)镃AN網(wǎng)絡(luò)傳輸速度較快，數(shù)據(jù)量小且10Mbps的以太網(wǎng)傳輸一般不會發(fā)生阻塞，以太網(wǎng)上的主機(jī)也會有足夠的能力及時處理通信數(shù)據(jù)，所以可以固定超時與重傳的時間為5s。②RTL8019AS上有兩個1500字節(jié)的接收緩沖區(qū)，且CAN網(wǎng)絡(luò)為控制網(wǎng)，信息量小，所以可以固定接收窗口為1400字節(jié)。③因?yàn)槲覀儾捎靡话愕腡CP服務(wù)就可以滿足應(yīng)用，所以可以忽略緊急指針和選項(xiàng)及填充字段的值。通過上述三點(diǎn)簡化，實(shí)際上大大簡化了TCP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)。因?yàn)門CP的超時與重傳時間的確定和窗口大小的控制有著較復(fù)雜的算法和實(shí)現(xiàn)機(jī)制。
它的實(shí)現(xiàn)變量有：tcpState,{tcpTmpSeq4,tcpTmpSeq3,tcpTmpSeq2,tcpTmpSeq1},{tcpTmpAck4,tcpTmpAck3,tcpTmpAck2,tcpTmpAck1},{tcpUnAckMSB,tcpUnAckLSB},tcpRxFlags,{tcpCheckSumMSB,tcpCheckSumLSB},{tcpLengthMSB,tcpLengthLSB},{tcpTmpMSB,TcpTmpLSB},{tcbLocalPortMSB,tcbLocalPortLSB},{tcbRemotePortMSB,tcbRemotePortLSB},{tcbSndUna4,tcbSndUna3,tcbSndUna2,tcbSndUnal},{tcbRcvNxt4,tcbRcvNxt3,tcbRcvNxt2,tcbRcvNxt1},tcbOffset,tcbFlags,{tcbSendWinMSB,tcbSendWinLSB},{tcpTimerMSB,tcpTimerLSB}等。
相關(guān)函數(shù)有：TCPIPInit(),TCPRxHeader(),TCPProcPktIn(),TCPTransmit(),TCPReTransmit(),TCPAppPassiveOpen(),TCPAppActiveOpen(),CPAppClose(),TCPAddRcvNxt(),TCPIncRcvNxt(),TCPIncSndUna(),TCPCopySeqToNxt(),TCPAckUpdate(),TCPUpdateSeq(),TCPChkSeq(),TCPRestorePrev(),TCPCmpNxtSeq(),TCPSendEmptyPkt(),TCPSendReset(),TCPSendSyn(),TCPSendISN(),TCPSendSynAck()TCPSendAck(),TCPSendFin(),TCPCheckSuminit(),CPCheckSumAcc(),TCPCheckSumAddHdr(),CPTxByte(),TCPStartPktOut(),TCPAppInit(),TCPAppTxBytes(),TCPAppTxData(),TCPAppTxDone(),TCPAppRxBytes(),TCPAppRxData(),等。
2.6 TCP和IP傳輸層協(xié)議的選擇
把TCP/IP協(xié)議應(yīng)用到控制網(wǎng)絡(luò)中如何選擇傳輸層協(xié)議類型很關(guān)鍵。如果要與現(xiàn)有的應(yīng)用程序通信，必須使用與其相同的協(xié)議類型。在實(shí)際應(yīng)用時，從可靠性來說，TCP提供了可靠的數(shù)據(jù)連接，UDP和直接訪問IP的一些協(xié)議是不可靠的，數(shù)據(jù)報可能會丟失、損壞或重復(fù)；從性能上講，UDP的性能最快，可靠性、流量控制重組包和連接維護(hù)等附加開銷降低了TCP的性能。對于速度比較慢的系統(tǒng)來說，如溫度、濕度傳感器，選擇TCP或UDP都無所謂，對于不太重要的傳感器選用UDP就可以了；對于可靠性要求較高的傳感器，應(yīng)該選用TCP協(xié)議；對于實(shí)時性要求高的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，如網(wǎng)絡(luò)會議系統(tǒng)、IP音響、實(shí)時播放的電視等設(shè)備，數(shù)據(jù)傳輸率較高，應(yīng)該選用UDP協(xié)議；有些有嚴(yán)格要求的同步系統(tǒng)應(yīng)采用UDP；數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)傳輸?shù)目煽啃砸筝^高，應(yīng)采用TCP；Web和Email也應(yīng)采用了TCP?？傊鶕?jù)實(shí)際情況來確定選用何種協(xié)議。
結(jié)語
針對本嵌入式異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互連方案，對TCP/IP協(xié)議棧簡化設(shè)計為SX52型CAN總線與以太網(wǎng)互連方案，達(dá)到了測控通信系統(tǒng)高實(shí)時性、可靠性和嵌入式設(shè)計的要求。該互連方案很好地保證及管理監(jiān)控層和生產(chǎn)測控層之間的連接，方便了上下層信息交換，能滿足工廠、變電站等工業(yè)場合的應(yīng)用要求。
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