（管理科学与工程专业论文）嵌入式轻便tcpip协议的研究与实现.pdf

j 阳盟 捅要 忆联删已经进入个崭新的| 卜| 代，它已成为我们 1 常 活的部 分。_ 此州，嵌入武系统逐步融入我们的，j 一酒c h 嵌入，系统也越 水越重视恻络特性。嘲络专家预洲：将术z l 1 i nc j 1 1 0 1 i 传输的信息 巾，将有7 0 的信息来自小型嵌入式系统】。嵌入式设备的1 n 1e r n p t 网络化成为目前嘲络发展的重要方向和必然结果。为此，本文对嵌入 式发备联网的t c p 1 p 协议进行了研究。 目i h 已经出现的嵌入式系统的t c p i p 实施方案多数是面向某一 特殊的应用，通常足w e b 服务器，并不适合处理一般的应用。当前8 伉、1 6 位嵌入式系统在市场上有着广泛的应用，要实现这些资源十分 有限的嵌入式设备接入j n t e t n e t ，需要设计适用于一般应用、代码量 小、便于移植的轻便t c p i p 协议栈，在本论文中称之为“嵌入式轻 便，l c p i p 协议” ( e p i p - - e m b e d e dp o r t a b let c p i p ) 。 嵌入式轻便t c p i p 协议的研究是和实际紧密结合的研究，因为 设计目标是面向一般应用的i c p i p 实施方案，所以无论在商业领域 还是在非商业领域，都可以应用嵌入式轻便i c p i p 协议实现嵌入式 系统接入i n t e r n e t 。嵌入式系统能够连接到 n t e r n e t 上面，则可以 方便、低廉地将信息传送到几乎世界上的任何个地方。 论文首先介绍了嵌入式t c p i p 协议栈的总体框架设计和目前的 研究现状，然后简单介绍实现部分的t c p 7 i p 协议的工作原理。在第 四章着重讲述了嵌入式轻便t c p i p 协议的设计思路和各个功能模块 的详细设计，包括实现的主体协议a r i 、i p 、i c m p 、t c p 、u d p 等协议 的数据结构和函数模块调用。第血章讲述了在模拟的实验环境下嵌入 式轻便t c p i p 协议栈的运行情况，包括在没有操作系统支持和有简 单操作系统支持两种情况下的仿真实验研究。通过实验测试可以得出 结论，在c l i e n t s e r v e r 网络环境下，嵌入式轻便t c p p 协议栈可 以支持多种应用，各个协议完成了指定的功能。论文的最后对令后的 进步研究方向进行了探讨。 芙 ! _ | ，词：m ) ，、i 浸入，_ i = 系统、懒块设i j 、模拟吱验 垒堕! ! ! ! a b s t r a c t _ t h ei n t e r n e ti se n t e r i n gan e we r a ，i nw h i c hi th a sb e c o m e p a r to fo u re v e r y d a y 1if e a tt h e s a m eti m e e m b e d e ds y s t e m g r a d u a l l ym e t si n t ot h ei n s i d eo fo u rl i f e e m b e d d e ds y s t e m e m p h a s i z e sn e t w o r k i n gf e a t u r e n e t w o r ke x p e i t s p r e d i c t i o ni s ： i nt h ef u t u r et h e7 0p e r c e n ti n f o r m a t i o nt h a ti sd e l i v e r e do n t h ei n t e r n e tw i1 1c o m ef r o ms m a l ls c a l e de m b e d e ds y s t e m a d d i n g i n t e r n e tn e t w o r kc a p a b i l i t i e st oe m b e d e dd e v i c e sh a sb e c o m ea l l i m p o r t a n td i r e c t i o na n di n e v i t a b l et r e n do fc u r r e n tn e t w o r k d e v e l o p m e n t t h e r e f o r e ，t h i sp a p e r r e s e a r c h e st h e t c p i p p r o t o c o lf o re m b e d e dd e v i c e sc o n n e c t e di n t oi n t e r n e t ， n o wm o s to ft h ee x i s t i n gt c p i pi m p l e m e n t a t i o n sf o re m b e d e d s y s t e mo r i e n tt oa ns p e c i a la p p l i c a t i o n ，u s u a l l y i sa nw e b s e r v e r ，w h i c hi s n o ts u i t a b l ef o rt h eg e n e r a l a p p l i c a t i o n c u r r e n t l y8 - b i t a n d1 6 一b i te m b e d e d s y s t e m s h a v e g o t t h e e x t e n s i v ea p p i i c a t i o no nt h em a r k e t ，i no r d e rt oc o n n e c tt h o s e e m b e d e dd e v i c e so fl i t t l er e s o u r c ei n t ot h ei n t e r n e t ，w en e e d d e s i g na np o r t a b l et c p i pp r o t o c o l s u i t ew h i c ho r i e n t st ot h e g e n e r a la p p l i c a t i o n ，w h i c hr e q u i r e s l i t t l ec o d es i z ea n di s c o n v e n i e n t f o rp o r t i n g i nt h i sp a p e r ，w ec a l li t ”e m b e d e d p o r t a b l et c p i pp r o t o c o l ”( e p i p ) t h er e s e a r c ho fe m b e d e dp o r t a b l et c p i pp r o t o c o lr e l a t e s w i t ht h ep r a c t i c e ， b e c a u s et h ei m p l e m e 兀t a t i o no r i e n t st ot h e g e n e r a la p p l i c a t i o n ，w h e t h e ri nt h eb u s i n e s sr e a l m o rn o t ，t h i s i m p l e m e n t a t i o nc a na p p l yt o c o n n e c tt h ee m b e d e ds y s t e mi n t o t h ei n t e r n e t a n dt h e ni n f o r m a t i o nc a na l m o s t b ed e l i v e r e d e v e r y w h e r e i nt h ew o r l dc h e a p l ya n dc o n v e n i e n t l y a tf i r s t ，w ein t r o d u c e t h ew h o l ef r a m ed e s i g na n dt h e r e s e a r c ha c t u a l i t y o ft c p i p i m p l e m e n t a t i o n s f o re m b e d e d a b s t r a c l s y s t e m ，t h e nw ei n t r o d u e et h et h e o r yo ft c p i pp r o t o c o lw eh a v e i m p le m e n t e d i nc h a p t e r4 ，w ee x p l a i nt h ec o n s i d e r a t i o nf o r e m b e d e dp o r t a b let c p i pp r o t o c o la n dt h e d e s i g no fp r o t o c o l m o d u l e ss u c ha sa r p ，i p ，i c m p ，t c p ，u d pa n dt h ef u n c t i o nc a l l b e t w e e nm o d u l e si nd e t a i l i nc h a p t e r5 ，w ei n t r o d u c et h er u n n i n g o fe m b e d e dp o r t a b l et c p i pp r o t o c o li nt h es i m u l a n tc o n d i t i o n ， w h i c hi n c l u d e st h ec o n d i t i o nw i t h0 ss u p p o r t i n ga n dt h e c o n d i t i o nw i t h o u to ss u p p o r t i n g t h r o u g ht h ee x p e r i m e n ta n d t e s t ，w ec a nc o n c l u d e ：i nt h em o d u l eo fc l i e n t s e r v e rn e t w o r k i n g e n v i r o n m e n t ，e m b e d e dp o r t a b l e t c p i p p r o t o c o l c a n s u p p o r t d i f f e r e n tk i n d so fa p p l i c a t i o n s ，e v e r yp r o t o c o lf u n c t i o nw e l l a tt h ee n do ft h isp a p e r ，s o m ep r o p o s a l st om o r er e s e a r c hw o r k a r eg i y e n k e y w o r d s ：t c p t p ， e m b e d e d s y s t e m ， m o d u l e d e s i g n ， s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t 独创性声f ! ! j j y 5 8 5 8 7 9 本人卢明，所呈交的学位论文是我个人在导师指导f 进行的研究 - 1 作及取得的研究成果。尽本人所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得北京交通大学或其他教学机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一起二_ = 作的同志对本研究所做的任何贡献己存论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 本人签名：趔 日期：! 堕年二月生日 些丝 1 绪论 1 1 选题背景和意义 随着i n t e m e t 的巨大成功，t c p i p 协议族已经成为了全球性的通 信标准。t c p i p 是项应用广泛的标准，利用它可以接通并控制电子 装置，通过绝大多数传输媒体几乎可以和运行在所有操作系统上的软 件进行通信。 与此同时，互联网已经进入一个崭新的时代，它已成为我们日常 生活的一部分。无论是在家中、在办公室或者其他地方，都能方便地 连接到网络上。随着互联网的普及，嵌入式系统已越来越重视网络特 性。 要实现全球信息化，“每一设备都接入i n t e r n e t ”，完全支持t c p i p 的微型装置将成为网络的主力公民1 2 ”。嵌入式设备或微控制器 ( m c u ) ，通称嵌入式系统，已经在家庭和工业的各个领域得到了应用。 目前大多数嵌入式系统还处于单独应用的阶段，以m c u 为核心，与 一些监测、伺服、指示设备配合实现定的功能。i n t e r a c t 现已成为社 会重要的基础信息设施之一，是信息流通的重要渠道，如果嵌入式系 统能够连接到i n t e r n e t 上面，则可以方便、低廉地将信息传送到几乎 世界上的任何一个地方。 将众多的嵌入式设备接入到i n t e r n e t 上的意义如下： 不需要铺设专用的通信线路，通过i n t e r n e t 就可以将设备的监 控延伸到全球的任何一个角落； t c p i p 协议是已经发展成熟而公开的，可以利用各种w e b 浏览器软件读取信息； 信息直接反映在色彩丰富的网页上，形式可以是数据、文字、 图像、表格，实时数据会自动更新，设备的操作会有及时可 见的反馈； 北京变通人学硕士学位论文 每次信息传输都可以让相应的客户机按照各自的需要给予显 现和操作。 将嵌入式系统与i n t e m e t 相连的主要困难在于：i n t e r n e t 的各种 通信协议对存储器容量、运算速度等的要求比较高；而嵌入式系统中 除部分3 2 位处理器外，大量存在的8 位和1 6 位m c u ，支持t c p i p 等i n t e r n e t 协议将占用大量系统资源，传统的t c p i p 实施方案很难 在资源很有限的嵌入式系统直接实施。 目前已经出现的嵌入式系统的t c p i p 实施方案多数是面向3 2 位 嵌入式设备的，而且多数是面向某一特殊的应用，通常是w 曲服务器， 并不适合处理一般的应用。当前8 位、1 6 位嵌入式系统在市场上有着 广泛的应用，要实现目前大多数的嵌入式设备接入i n t e m e t ，实现有线 或无线上网，需要设计适用与一般应用、便于移植的轻便式t c p i p 协 议，并且要面向未来，支持i p v 6 协议，为生产出可靠、廉价、支持w e b 、 跨行业、跨市场的设备提供软件支持。 本论文的研究方向就是：面向一般应用的嵌入式轻便t c p i p 协议 的设计与实现。设计目的是设计出代码少、能够使目前广泛使用的资 源十分有限的8 位，1 6 位以及3 2 位等嵌入式系统接入i n t e r n e t 的轻便式 协议栈。 嵌入式轻便t c p i p 的研究是和实际紧密结合的研究，因为设计 目标是面向一般应用的t c p i p 实施方案，所以无论在商业领域还是 在非商业领域，都可以应用嵌入式轻便t c p i p 实现嵌入式系统接入 i n t e m e t ，其应用领域可以包括以下几个方面1 2 j ： 网络化控制：电机、工业自动化、家庭自动化等； 网络仪表：远程分布式数据采集； 信息家电：智能家电、w w w 方式监控界面、在线更新； 家庭网关：非i n t e r n e t 协议的轻量级设备联网的转换器。 1 2 本论文研究内容和方法 嵌入式轻便一c p i p 是面向资源十分有限的嵌入式系统设计的，完 绪论 整的t c p i p 协议栈的实现需要大量的资源，必须对其进行合理的重新 设计才可以在嵌入式系统上实现。嵌入式轻便t c p i p 的设计内容包括 两方面的内容： a 设计与实施轻便的t c p p 协议栈协议功能模块，能够支持i p v 4 ， 这一设计要能够在c p u 平n 内存资源有限的8 位、1 6 位矛1 1 3 2 位嵌入式系统 中运行，这一t c p 仰协议栈至少要支持t c p 、u d p 、l p 、i c m p 、a r p 和基本的路由。 b 为了使轻便的t c p i p 协议栈有广泛的应用，要增加一些辅助 的模块，便于协议栈的实施与移植。这些模块包括，操作系统模拟层， 缓冲和内存管理子系统，网络接口函数和计算校验和的函数，a p i 等。 本论文采用理论和实际相结合的研究方法，软件上的编程采用系 统分析、系统设计等一系列软件设计方法。由于有完整的t c p i p 协 议栈代码可以参考，各个协议模块的编程可以借鉴，但是考虑到 t c p i p 在嵌入式系统上实施，所以会有很大的不同，包括内存的管理、 报头选项的舍取等很多方面。 本课题的实验方案是在模拟的实验环境运行协议栈并进行测试 和分析。 1 3 本论文结构概述 本论文以后章节的结构筒述如下： 第二章介绍了目前嵌入式t c p i p 协议栈的总体框架设计和目前 的研究现状。 第三章简单介绍了t c p i p 的工作原理。 第四章讲述了嵌入式轻便协议的设计思路和各个功能模块的详 细设计。 第五章讲述了在模拟的实验环境下嵌入式轻便协议t c p i p 栈的 运行情况，包括在没有操作系统支持和有简单操作系统支持两种情况 下的仿真实验研究。 第六章讲述了t c p i p 协议栈的迸一步研究主题和展望。包括对 北京交通入学硕士学位论文 i p v 6 的支持，代理机制的实施，安全方面的考虑等。 1 4 符号规范 本文采用专有名词的标准英文缩写，在第一次出现时同时给出了 中文名称和英文名称。符号规范符合国家标准，如有特殊之处，另行 说明。 设计基础和总体框架设计 设计基础和总体框架设计 2 1 设计基础 目前，存在多种嵌入式设备连接网络的方案与之对应的嵌入式 t c p i p 协议栈，对目前这些方案的研究对本论文有重要的参考价值。 2 1 1 总体方案分类 利用嵌入式设备实现嵌入式i n t e r n e t 方案的技术难点在于：如 何利用嵌入式设备自身有限的资源对信息进行t c p i p 协议处理，使 之变成可以在i n t e r n e t 上传输的i p 数据包。从解决这技术问题出 发，目前出现几种方案，讨论如下： a 3 2 位m c u + r t o s ：采用3 2 位的高档嵌入式设备，在r t o s ( 实 时多任务操作系统) 的平台上进行软件开发，在嵌入式系统中实现 t c p i p 的协议处理【2 5 l 。由于采用高档嵌入式设备，该方案可以完成很 多复杂的功能。但这种方案存在如下缺点：( 1 ) 高档嵌入式设备价格 较贵，开发周期较长：( 2 ) 需要购买昂贵的r t o s 开发软件，对开发 人员的开发能力要求较高。 b 。8 位m c u + 精简t c p i p 协议栈【3 】：根据嵌入式应用的特点，将 t c p i p 协议栈做大幅度的简化，只保留其中最核心的部分，这样，就 可以大幅度减少对于系统资源的需求，从而可以在低成本、低速度、 小内存的m c u 上实现网络连接，此方案的优点是廉价，便于广泛应用： 缺点是：( 1 ) 开发周期长，对开发人员有较高要求；( 2 ) 协议栈需 要长期深入测试和修改才能达到可靠性要求。 c p cg a t e w a y 十专用网：采用专用网络( 如r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 ，c a n b u s 等) 把一小批嵌入式设备连接在一起，然后再将该专用网络连接 到个p c 上，该p c 作为网关将专用网络上的信息转换为t c p i p 协 一5 一 j 匕京交通人学硕士学位论文 议数据包，然后发到网上实现信息共享。该方案可以连接多种嵌入式 设备。但存在如下缺点：( 1 ) 需要依赖p c 机作网关进行协议转换， 在多个嵌入式设备系统分散的情况下，专用网络布线极为不便：( 2 ) 需要在p c 机上安装专门的协议转换软件，该软件通常由专门的第三 方软件商提供，费用较高。这一技术的代表是e m i t 。 e m i t 并不能让设备直接具备i n t e r n e t 的连接能力，而是需要一 个被称为e m g a t e w a y 的网关【4 】，它可以是台以w i n d o w s 为操作系统 的普通p c ，它支持t c p i p 协议并能提供h t t p 服务，从而允许用户通 过浏览器来远程访问它，这使得它像i n t e r n e t 服务器；另一方面， e m g a t e w a y 通过r s 2 3 2 、r s 4 8 5 和c a n 总线轻量级网以及m o d e m 、r f 、 i r d a 等方式，将多个嵌入式设备或智能家电连接在一起，并担当 t c p i p 和轻量级网之间有关协议的转换任务，这又使它像i n t e r n e t 网关。 e m g a t e w a y 及其相关技术已是一个标准化了的技术，目前全球知 名的i t 厂商如m o t o r o l a 、a t & t 、p h i l i p s 、h i t a c h i 等都已宣布支持 这一标准。 2 1 _ 2 现有的嵌入式t c p i p 协议栈的研究 嵌入式t c p i p 协议栈为嵌入式设备接入i n t e r n e t 提供最重要的 软件支持，已经得到了广泛的重视和研究，现有的嵌入式t c p i p 协 议栈是本论文的重要设计基础1 2 ”。 t c p i p 最先是在u n i x 系统里实现的，后来的l i n u x 、d o s 、w i n d o w s 也实现了t c p i p ，随后t c p i p 协议也被移植到其它嵌入式的处理器 上，由于指令以及资源上的原因，在u n i x 上实现的t c p i p 协议的源 代码并不能够直接移植到8 位、1 6 位的嵌入式设备上。很多嵌入式设 备的内存空间是极为有限的，直接寻址的空间仅6 4 k 字节，可用的内 存r a m 也是非常小的，最多只能扩展6 4 k 的r a m 。嵌入式设备的运算 速度也极为有限，一般只有2 m i p s ，而一般电脑上的处理能力在 1 0 0 m i p s 以匕。 设计基础和总体框架设计 因此，嵌入式系统尤其是8 位、1 6 位嵌入式设备上的t c p i p 协 议栈需要高度简化专门设计。可以用来参考的协议栈包括如表2 1 所示。 表2 1 现有嵌入式t c p i p 协议栈比较 方案内存需求代码尺寸特点评价 8 0 5 2 1 p h a r d 3 2 k s y t e1 5 k 8用a s m 编写且以l i b 形 c z 式发布，不利于移植 t c p i pl e a n5 0 0 b y t e5 k b 只有s l i p 的支持，不 s e r v e ro np i c 能连接以太网 t c p i p o n l k b y t e 5 k b 代码过于简单，不利于 m s p 4 3 0扩展 l w i p 1 0 k b4 0 k b资源需求稍多 t i n y t c p5 0 0 b y t e6 k b比较可行的方案 u i p0 65 0 0 b y t e 5 k b 比较可行的方案 u c i d l 一0 3需要和c o s 这一实时 内核配合 e t h e r n u t需要和n u to s 这一实 时内核配合 注：表格中“一”表示由于保密原因没有公布的数字 、 在本论文研究中，选择了l w i p 、t i n y t c p 、u i p0 6 作为参考设 计。 l w i p 协议是瑞士计算机科学院( s w e d i s hi n s t i t u t eo fc o m p u t e r s c i e n c e ) 的a d a md u n k e l s 等开发的套用于嵌入式系统的开放源代 码t c p i p 协议栈。l w i p 的含义是l i g h tw e i g h t ( 轻型) i p 协议。l w i p 实现的重点是在保持t c p 协议主要功能的基础上减少对r a m 的占用， 一般它只需要几十k 的r a m 和4 0 k 左右的r o m 就可以运行，这使嵌入 式轻便t c p i p 协议协议栈适合在低端嵌入式系统中使用。 t i n y t c p 仅仅包含t c p 部分，由g e o f f r e yh c o o p e r 在1 9 8 6 年 编写。包括t c p 和f t p 的c 程序简要实现，可以在r o m 中运行。t i n y t c p - 7 - 北京交通火学硕士学位论文 的下载地址【2 7 1 ： h t t p ：w w w c s o n l i n e n e t b p a d d o c k t i n y t c p t i n y t c p z i p u i p o 6 包含t c p i p 协议栈，u l p 的设计目标是为了降低t c p i p 代码的尺寸和内存的消耗量3 0 1 。 u l p o 6 的主页：h t t p ：d u n k e l s c o m a d a m u i p 2 2 嵌入式轻便t c p i p 网络系统结构 嵌入式轻便t c p i p 网络系统的体系结构如图2 1 所示【l 。其中， t c p i p 协议栈是本论文要研究的主要内容，s o c k e ta p i s 是一组可供 应用程序调用的接口函数，应用程序通过它使用t c p i p 协议栈的功 能。t c p i p 协议栈与s o c k e th p l s 一起以系统组件的形式提供给用户， 用户使用s o c k e th p l s 编写应用代码，然后与该系统组建的代码库链 接在一起。操作系统内核为嵌入式t c p i p 组建和应用程序提供任务 管理和存储管理等系统支持。 应用程序 s o c k e t sa p i s t c p i p 协议栈 操作系统网络设备驱动 嵌入式设备 n e 2 k 网络芯片 图2 1 嵌入式轻便t c p i p 网络系统结构 嵌入式t c p i p 协议为实现嵌入式系统网络功能提供软件支持， 设计时需要考虑了移植方面的问题，协议栈应该可以运行在没有操作 系统的环境下，也应该可以运行在有嵌入式操作系统的环境下。 l ：作原理简述 3 工作原理简述 3 1 t c p i p 协议简介 t c p i p 协议的来源最早可以追溯到美国国防部赞助的研究网络 a r p a n e t 。a r p a n e t 网最初使用n c p ( n e t w o r kc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 协议。逐渐地，a r p a n e t 网通过租用的电话线连接了数百所大学和政 府部门。但是当卫星和无线网络出现以后，利用这种协议连接不同网 络时出现了问题。需要一种新的参考体系结构，它能够无缝隙地连接 多个网络。这种体系结构在它的两个主要协议( t c p 、i p ) 出现以后， 就被称为t c p i p 参考模型。t c p 和i p 协议是由斯坦福大学的两名研 究人员于1 9 7 3 年提出的。由于t c p i p 协议具有跨平台的特性， a r p a n e t 的实验人员在经过对t c p i p 的改进以后，规定连入a r p a n e t 的计算机都必须采用t c p i p 协议。后来a r p a n e t 逐渐发展成为现在 的i n t e r n e t 互联网，t c p i p 协议也就成为i n t e r n e t 事实上的标准连 接协议。现在，随着人们对数据共享和分布式处理要求的不断提高， 联网成了普遍要求。t c p i p 协议得到了越来越广泛的应用，特别是在 嵌入式系统应用中。 t c p i p 协议栈中包括很多协议子集，如a r p ( a d d r e s sr e s o l u t i o n p r o t o c o l ，地址解析协议) 、r a r p ( r e v e r s ea r p ，逆地址解析协议) 、 i p ( i n t e r n e tp r o t o c o l ，互联网络协议) 、o s p f ( o p e ns h o r t e s tp a t h f i r s t ，内部网关路由选择协议) 、b o p ( b o r d e rg a t e w a yp r o t o c o l ， 外部网关路由选择协议) 、i c m p ( i n t e r n e tc o n t r o lm e s s a g ep r o t o c o l ， 互联网控制报文协议) 、t c p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l ，传 输控制协议) 、u d p ( u s e rd a t a g r a mp r o t o c o l ，用户数据报协议) 等， 以及应用层上的i ) n s ( d o m a i nn a m es y s t e m ，域名解析协议) 、s n m p ( s i m p l en e t w o r km a n a g e m e n tp r o t o c o l ，简单网络管理协议) 、s m t p ( s i m p l em a i l t r a n s f e rp r o t o c o l ，简单邮件传输协议) 、h t t p ( h y p e r t e x tt r a n s f e rp r o t o c o l ，超文本传输协议) 等等。为了减 北京交通人学硕士学位论文 少协议设计、实现的复杂性，t c p i p 协议采用了分层( 1 a y e r ) 或分 级( 1 e v e l ) 的方式来组织整卜协议栈。每一层都建立在它的下层之 上，接受下层提供的服务，并向它的上层提供自己的服务，但是把如 何实现这一服务的细节加以屏蔽。这样就好像一台机器的第n 层与另 一台机器的第n 层直接进行对话，它们之间进行对话的规则就是第n 层的协议。t c p i p 协议是从工程应用中发展起来的，注重效率，而不 象o s i 七层模型那样注重说明协议的标准性，其参考模型如图3 1 所示： 冈同同叵 。 。 1 - 一导县卜 眄- rh 竺l 日i 周 1 m h a r 耐d w a 黜r e r 层 网络接口层 图3 一lt c p i p 参考模型 a 网络接口层，有时也称为数据链路层。通常包括操作系统中 的设备驱动程序和计算机中对应的网络接口卡，它们与电缆( 或其他 任何传输媒介) 一起处理物理接口细节，常用的a r p 协议属于这一层a b 网络层，有时也称作互联网层。处理分组在网络中的活动， 作原理简述 例如分组的选路。在t c p i p 协议族中，网络层协议包括i p 协议( 网 际协议) 、i c m p 协议( i n t e r n e t 互联网控制报文协议) 以及i g m p 协 议( i n t e r n e t 组管理协议) 。这里主要讨论i p 协议。 c 传输层主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。在 这一层中，定义了两个端到端的协议：t c p 和u d p 。t c p 为两台主机提 供高可靠性的数据通信。它所做的工作包括把应用程序交给它的数据 分成合适的小块交给下面的网络层，确认接收到的分组，设置发送最 后确认分组的超时时钟等。由于运输层提供了高可靠性的端到端的通 信，因此应用层可以忽略所有这些细节。u d p 是一个不可靠的、无连 接协议。 d 应用层负责处理特定的应用程序细节。几乎各种不同的 t c p i p 实现都会提供下面这些应用：h t t p ( 超文本传输控制协议) 、 t e l n e t ( 远程登录协议) 、f t p ( 文件传输协议) 、s m t p ( 简单邮件传 送协议) 、s n m p ( 简单网络管理协议) 。 由于嵌入式设备接入i n t e r n e t 通常面向专门的、小数据量的应 用，实现f t p 、s m t p 等协议应用不是太多。主要是应用h t t p 和t e l n e t 。 3 2 嵌入式轻便t c p ! p 实现的主要协议之原理 本论文实现的嵌入式轻便t c p i p 协议包括i p ，t c p ，u d p ，i c m p ， a r p 。下面分别介绍这些协议的原理。 3 2 1 i p 协议 i p 是t c p i p 协议族中最为核心的协议1 2 0 】。i n t e r n e t 所有的数据 都以i p 数据报格式传输。i p 协议最大的特点是提供不可靠的和无连 接的数据包传送服务。 不可靠( u n r e l i a b l e ) 的意思是它不能保证i p 数据报能成功地 到达目的地。i p 仅提供最好的传输服务。若发生某种错误时，如某个 路由器暂时用完了缓冲区，i p 有一个简单的错误处理算法：丢弃该数 ! ! 塞壅塑叁堂堡主堂篁堡塞 据报，然后发送 - c m p ( i n t e r n e t 控制报文协议) 消息报给信源端。 任何要求的可靠性必须山上层来提供( 如t c p ) 。 数据报可能出现丢失、重复或次序紊乱等现象，所以，它是非可 靠的协议。但是，i p 协议的最大好处是，i p 数据报独立于低层的网 络技术，所以它是一种通用的数据传送方法。 无连接( c o n n e c t i o n e s s ) 的意思是i p 并不维护任何关于后续 数据报的状态信息。每个数据报的处理是相互独立的。这也说明，i p 数据报 - f d a 不按发送顺序接收。如果一信源向相同的信宿发送两个连 续的数据报( 先是a ，然后是b ) ，每个数据报都是独立地进行路由选 择，可能选择不同的路线，因此，b 可能在a 到达之前先到达。 i p 数据包的格式如图3 2 所示。 03 71 ，2 0 丑 叛奉l 黄鳓嚷 鬏癸翘 继壤： 标识 。椭l 片镝蓼。 生存对闻协议首郜皎静 删 茸的地址 嘲 数据 图3 - 2i p 数据包的格式 各部分的含义如表3 一i 所示： 表3 1i ph e a d e r 各部分含义解释 区域描述 版本v e r s i o n是指i p 协议的版本号，只能取4 、6 两值，4 为当前i p 标准i p v 4 ) ，6 是将来的i p v 6 首部长度i h l ( i ph e a d e r按照3 2 - b i tw o r d s 来计算的i n t e r n e th e a d e r 长度， l e n g t h )通常为5 ，由于它是一个4 位字段，因此首部虽长为 6 0 个字节 包括一个3 位的优先权( p r e c e d e n c e ) 子字段、4 位的 服务类型t y p e o ft o s 子字段和l 位未用位但必须置0 。4 b i t 的t o s 分别 s e r v l c e代表：最小时延、撮大吞吐量、摄高可靠性和最小 费用。4 b i t 中只能置其中l b i t 。如果所有4 h i t 均 1 作原理简述 为0 ，那么就意味着是一般服务 总长度t o t a ll e n g t h 指整个i p 数据报的长度( h e a d e ra n dd a t a ) ，按 b y t e s 计。利用首部长度字段和总长度字段，就可以 知道i p 数据报中数据内容的起始位置和长度。 标识i d e n t i f i c a t i o n由发送方指定的i d ，辅助数据包的分片和组台。唯 一地标识主机发送的每一份数据报 标志f l a g s ( 3b i t s )一个b i t 用来指示分片，另一个b i t 是“不分 片”b i t ，指出片断是否为分片的。最后一个b i t 保 留。指定目的地址是个完整的主机地址还是一个 网络地址 分片偏移f r a g m e n t指出一个分片部分 o f f s e t 生存时间t i m et o1i r e数据报可以经过的最多路由器数。指出数据包的最 长生存时间 协议p r o t o c o l指出在所接收的数据包载荷中包含的下一层协议 首部检验和h e a d e r根据i p 首部计算的检验和码 c h e c k s u m 源地址s o u r c ea d d r e s s发送方的i p 地址 目的地址d e s t i n a t i o n目标方的i p 地址 a d d r e s s 可选项o p t i o n s可变长度，可以没有。定义安全和处理限制、记录 路径、时间戳、宽松的源站选路、严格的源站选路 等信息 填充p a d d i n g如果有o p t i o n s ，p a d d i n g ( 填充) 保证i ph e a d e r 以3 2 一b i t 边界结束 数据d a t a数据包的载荷 3 2 2 i c i p 协议 网间控制报文协议( i n t e r n e t c o n t r o l m e s s a g e p r o t o c o l i c m p ) 是网络层的一个不可分割的部分2 “。该协议是网间层的一部 分，它使用i p 数据报传输设施去发送报文。它发送的报文可以为 t c p i p 执行下列控制、错误报告、信息等功能： a 流控制：当数据报到达的速度太快而无法处理时，目的主机 或中间网关就会发送个“i c m p 源站抑制报文( i c m ps o u r c e q u e n c h m e s s a g e ) ”块给发送者，以通知源站暂时停止发送报评议 文。 b ，检测不可达的目地：当目的地不可到达时，检测到该问题的 系统就发送一个“目的地不可达报文( d e s t i n a t i o nu n r e a c h a h l e m e s s a g e ) ”给数据报的源站。如果不可达的目的地是一个网络或主机， 就由中间网关发送该报文；如果是一个不可达的端口，则由目的地主 机发送该报文。 c 重定向路由：网关发送“i c m p 重定向报文( i c m pr e d i r e c t m e s s a g e ) ”通知主机使用另个网关，这大概是因为另一个网关更合 适。只有当源主机与这二个网关都在同一个网络上时才能使用这一报 文。 d 检查远程主机：一台主机可以发送“i c m p 回送报文( i c 船 e c h o m e s s a g e ) ”以了解远程系统的嗣间协议是否正在工作。当系 统接收到该回送报文时，便将同样的分组报文发送回源主机。常用的 p i n g 命令就使用这一报文。 3 。2 3 t c p 协议 t c p 是一种可靠的、面向连接的、字节流协议【1 4 】【1 6 1 。t c p 提供的 可靠性是利用一种称为“重传肯定确认( p o s i t i v ea c k n o w l e d g m e n t w i t hr e t r a n m i s s i o n p a r ) ”机制来实现的。换句话说，除非一个 利用p a r 的系统接收到从远端系统发来的肯定确认，否则就重发原数 据。在相互协作的t c p 模块之间交换的数据单元称为“段( s e g m e n t ) ” 如图3 - 3 所示： 工作原理简述 0 71 53 1 $ g 磺口 目嗣疆口 厣节 确认阡母 l i t g , r 捌保器i释霉冒口 裂黼幕急指i t 可远顶1 曩置 图3 3t c p 数据单元结构 每一段包含一个校验值，接收方用它来验证数据是否遭到破坏。 如果接受到的数据段没有遭到破坏，接收者就发送一个肯定确认应答 给发送者；如果遭到破坏，接收者就废弃该段。过了一段时间后，发 送端t c p 就重新发送没有受到肯定确认的任何段。 t c p 是面向连接的，它在两个通信主机之间建立一个逻辑的端对 端连接。在传输数据之前，建立对话的两个端点之问交换称为握手的 控制信息。t c p 通过在段头第4 个字的标志字段中设置相应的位来表 示一个段的控制功能。t c p 有三个段要交换，故称为“三段试握手”。 如图3 4 所示： 主机a主机b 图3 4三段试握手示意图 主机a 通过将一个具有“同步序列号( s y n ) ”的段发送给主机b 而开始连接，该段告诉主机b ：主机a 希望建立连接并且使用哪个序 列号作为主杌a 的段的起始号( 序歹| j 号可用来保持数据的正确顺序) ； 主机b 用一个带有“确认应答( a c k ) ”和“同步序列号( s y n ) ”位的 段响应主机a ，以确认收到了a 的段，并通知a 它将从哪个序列号开 北京交通大学硕士学位论文 始；最后，a 发送一个段，确认收到了b 的段，并开始传送第一个实 际数据。 t c p 通过数据窗的滑动来调整数据的传送率，以此实现数据传送 流量控制。只要使用t c p ，就不可能在所建立的点一点接入上实现数据 的阵发式全速传送，原因在于数据流中被插入了有些随机性的应答环 节，它改变着传送率。每一个t c p 段中，服务器都将其当前可用于接