（信号与信息处理专业论文）基于tcpip协议的水情遥测终端的研究与实现.pdf

摘要 水利行业的遥测系统是应用传感器技术、通信技术和计算机技术进行江河流 域降雨量、水位、闸门开度等数据的实时采集、报送和处理的信息系统。该系统 可以为水利部门提供及时准确的信息，提高水利部门的管理水平。 本课题设计了一种基于t c p i p 协议的水情遥测终端。该终端采用以太网技 术和b s 网络结构进行通信，因而位于水利部门管理中心的上位机可以通过通用 的i e 浏览器实时浏览测点的雨量、闸门开度等数据。 论文首先简要回顾了国内外相关的水情遥测系统的发展历史和方向。继各种 无线通信和传统的p s t n 通信方式后，本文提出了采用a t m e g a l 2 8 单片机和以 太网通信方式实现水情遥测系统的设计思想，充分利用目前比较成熟的网络技术 与设施，不仅能实现更多资源的共享，降低组建系统的费用，还可提高遥测系统 的性能，并拓宽其应用领域。通过分析和比较各种网络接入方案后，确定采用单 片机+ 网卡芯片的方式。设计方案分为硬件设计和软件设计。硬件设计部分主要 包括处理器模块、人机接口模块、数据采集模块和通信模块的设计。软件设计部 分在剖析了t c p f l p 协议和系统需求的基础上，对标准t c p f l p 协议进行了精简。 在此基础上，实现了h t t p 协议。对该遥测终端进行相关测试实验，表明基于 t c p i p 协议的水情遥测终端已经达到了预期功能。 关键词：t c p i p 协议，水情遥测，以太网技术，a t m e g a l 2 8 a b s t r a c t h y d r o l o g y t e l e m e t r i cs y s t e mi sa l li n f o r m a t i o ns y s t e mw h i c hi m p l e m e n t ss e n s o r t e c h n o l o g y , c o m m u n i c a t i o na n dc o m p u t e rt e c h n o l o g yf o rr e a l - t i m es a m p l 岵m a k i n g r e p o r ta n dm a n a 西n gd a t aa b o u tr a i n f a l la n dw a t e rl e v e lo fr i v e ro rv a l l e y i tc o u l d p r o v i d et i m e l ya n da c c u r a t ei n f o r m a t i o no fh y d r o l o g yf o rr e l a t e dm i n i s t r ya n d i m p r o v et h es u p e r v i s i o nl e v e l t h et h e s i sw o r k so u tat e r m i n a lo fh y d r o l o g yt e l e m e t r i c ，b a s e do nt c p i p p r o t o c 0 1 b yu s i n gt h ee t h e m e tt e c h n o l o g ya n db sn e t w o r ks t r u c t u r e ，t h er e l a t e d m i n i s t r yi sc a p a b l eo fo b s e r v i n gi n f o r m a t i o no fh y d r o l o g y , s u c ha sr a i n f a l la n ds t r o b e a b o u te v e r ym e a s u r e m e n tp o i n tt h r o u g hc o m m o ni ee x p l o r e rv i at h eu p p e r - c o m p u t e r i nt h ec e n t e ro f m i n i s t r y t h et h e s i s f i r s t l yb r i e f l yr e v i e w st h ed e v e l o p m e n th i s t o r ya n do r i e n t a t i o no f h y d r o l o g yt e l e m e t r i cs y s t e m a f t e rd i s c u s s i n gt h em e t h o do fc o m m o nw i r e l e s sa n d c o n v e n t i o n a lp s t nc o m m u n i c a t i o n , t h eo p i n i o no fu s i n ga t m e g a l 2 8m c ua n d e t h e m e tt e c h n o l o g yt or e a l i z et h ec o m m u n i c a t i o no ft h es y s t e mi sp u tf o r w a r dh e r e t h i st e c h n o l o g ym a k e s f u l l yu s eo f c u r r e n tm a t u r et e c h n o l o g ya n df a c i l i t yo f n e t w o r k ， w h i c hn o to n l yr e a l i z e ss h a r eo fm u c hm o r er e s o u i c e f i , c o s t sd o w nt h ee x p e n s eo f b u i l d i n gn e t w o r k ，b u ta l s oi m p r o v e st h es y s t e mc a p a b i l i t y , e x t e n d si t sa p p l i c a t i o nf i e l d b yc o m p a r i s o nw i t l lv a r i o u sp r e c e p to fn e t w o r kc o n n e c t i o n , t h es t r u c t u r eo fs i n g l e c h i pm c up l u sn e t w o r k c a r di ci se s t a b l i s h e d t h ed e s i g ni n c l u d e sh a r d w a r ea n d s 0 1 r a r ep a r t s h a r d w a r ed e s i g nm a i n l yi n c l u d e sp r o c e s s o rm o d u l e ，d e s i g no f h u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c em o d u l e ，d a t as a m p l i n gm o d u l ea n dc o m m u n i c a t i o nm o d u l e w i t hr e g a r dt os o f t w a r ed e s i g n , i ts i m p l i f i e st h ep r o t o c o lo fs t a n d a r dt c p i pb y a n a l y s i so f t h i sp r o t o c o la n ds y s t e mr e q u i r e m e n t s ，t h e ni m p l e m e n t sp r o t o c o lo f h t t e t h er e s u l t so fe x p e r i m e n t a t i o nt e s t sf o rt h et e l e m e t r i ct e r m i n a lm a k es u r et h a tt h e e x p e c t e df u n c t i o no f t h i st e r m i n a l ，b a s e do nt c p i pp r o t o c o l ，i sa c h i e v e d k e y w o r d s ：t c p i pp r o t o c o l ，h y d r o l o g yt e l e m e t r i c ，e t h e m e tt e c h n o l o g y , a t m e g a l 2 8 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，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。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任 论文作者( 签名) ： 癌丘缝少喈7 年6 月明 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 疸量鱼 弘刁年6 月日 第l 章绪论 第1 章绪论 水利是一个信息密集型行业。水利信息包括水雨情信息，汛旱灾情信息、 水量水质信息、水环境信息和水工程信息等。国民经济的现代化建设离不开水利 现代化的保障，而水利信息化是水利现代化的基本标志和重要内容。水利信息化 是国家信息化建设的重要组成部分，也是水利事业自身发展的迫切需要。水利信 息化发展的总体思路是开发和完善水利信息化网络，推进电子信息技术的应用， 加快办公自动化的进程【l 】。 进入2 l 世纪，计算机网络、通信技术、自动化技术、遥感技术、传感器技 术以及大规模集成电路的飞速发展，为实现水利信息化奠定了基础。水情遥测系 统正朝着系统通信现代化和互联网化、多媒体化和智能化预报、系统功能综合化、 标准化的方向发展。 水情遥测系统是根据水利系统的规范和要求，充分利用数据采集技术、计 算机技术、网络技术和数据库技术等实现水情数据的采集、处理和发布为一体的 综合信息管理系统，是现代化科技与管理密切结合的一项系统工程。水情遥测是 水利部门实现水利管理现代化、决策科学化的一个重要过程。其核心是各个水利 部门可以实时观测各个站点的水情信息，为实施水利管理和调度提供有力的决策 依据和参考，最终达到充分合理的利用现有水资源和防洪抗旱的目的【2 】。 1 1 国内外发展和研究现状 在二十世纪六、七十年代之前，水情信息的收集全部依靠为数不多的人工 水文站和雨量站点通过邮电部门的电报或有线电话传送。因此测报数量和站址受 自然环境限制而难以达到要求，同时常规的电信传报受气候条件的制约，因而经 常出现洪水预报和调度工作延误的情况。 国际上自二十世纪六十年代起，日本和美国率先开始进行水情自动测报技 术的研究和开发。随着计算机技术的迅速发展，水情测报技术产品在最早的分立 式电子组件产品基础上获得了较快的发展。1 9 7 6 年美国s m 公司与美国天然气 局合作研制成的一套水情自动测报设备是该时期的代表性产品。二十世纪八十年 代以后，由于遥测设备的不断完善，数据传输方式的多样化及其可靠性的增加， 以及计算机技术的进一步发展，水情遥测和防洪调度自动化技术在世界范围内得 到了广泛的应用。二十世纪九十年代以后，功能更强、应用范围更广的自动测报 系统在水利、水电、气象以及各类要求遥测水文、气象( 包括温度、风向、湿度、 水温、水位、雨量等) 参数的专业领域得以应用。 我国水情自动测报系统的建设始于二十世纪七十年代中期。到八十年代中 期开始以较高的起点，较快的速度确立了自己的技术基础，建成了很多规模较大 的自动测报系统。以1 9 8 3 年正式开发，1 9 8 6 年投入运行的黄龙潍水情遥测和洪 第1 章绪论 水预报自动化系统作为起点。系统发展至今通信方式已由最初的超短波，发展到 利用短波、微波、卫星、有线共用网组网等方式，支持更复杂的组网模式和工作 方式。系统的稳定性和可靠性有了很大提高。随着元器件质量的提高和计算机技 术的发展，其关键设备遥测终端的质量也大幅度提高。系统功能也由最初的单雨 量、水位信息传送，发展到今天可满足传输水位、雨量、流速、流量、水质、闸 门开度、温度等多种传感器接口技术。用户不仅可以进行硬件现场编程，也可以 进行远程控制，极大的方便了系统维护。中心站软件支持用户进行二次开发，可 以生成各种图形系统和报表系统1 3 】i 4 l 。 1 2 课题的来源和意义 计算机和网络技术的发展，引发了工业自动化领域深刻的技术变革。随着 i n t e m e t 遍及世界的每一个角落，人们已经进入了一个崭新的现代通信技术时代。 以太网作为目前应用最为广泛的局域网技术，在工业自动化和过程控制领域得到 了越来越多的应用。依靠以太网和i n t e m e t 技术实现信息共享，能给办公自动化 带来很大的变革，也必将对控制系统产生深远的影响。水利部门的办公自动化同 样离不丌网络技术。 以太网给工业自动化领域带来风暴式的革命，首先是因为其成本的下降和 速度的提高。以太网适配器的价格大幅度下跌以及各种产品和标准对以太网的支 持是其成功的重要因素。现代以太网标准，比如全双工传输、实时数据的优先级、 带宽由1 0 m b s 到1 0 0 m b s 乃至1 0 0 0 m b s 的升级，使以太网成为工业自动化网 络中首选的传输方式。另外以太网具有很好的开放性和兼容性。现场总线从1 9 8 4 年开始提出到现在，共产生了6 0 多个数字通信网络标准，有5 0 0 0 多种支持这些 网络的产品。这些标准分别为不同的公司所拥有，并与他们的产品捆绑在一起， 相互之问兼容性很差。以太网因为采用由i e e e s 0 2 3 所定义的数据传输协议，它 是一个开放的标准，还具有向下兼容性。因此可以说采用以太网技术作为工业自 动化控制领域的组网方式是一个很好的方法，也是必然的趋势。 2 0 世纪8 0 年代以后，我国水情遥测系统应用了计算机技术，可以将水情数 据经过邮电通信有线网、短波通信、卫星通信等方式进行远距离传输处理。现有 比较成熟的数据通信方式包括有线通信方式( 包括p s t n ，a d s l ，i s d n ) 和无 线通信方式( 包括短波通信、超短波通信，微波通信，g s m 短消息通信，卫星 通信等) 。随着网络技术和嵌入式技术的迅速发展，我们就此提出了将应用最为 广泛，技术成熟的以太网技术应用在水情遥钡4 领域的思想，这也是水情遥测领域 的一种新的组网方法，具有积极的意义。 1 3 课题主要研究内容 在认真分析整个系统之后，我们把重点放在位于现场的遥测终端的开发上， 2 第1 章绪论 主要研究开发能够同时具备数据采集、现场显示、数据传送的装置。 本课题主要研究内容有以下几个方面： ( 1 ) 系统总体结构的设计，包括系统的网络结构、网络接入方法、工作体制 的选择等。 ( 2 ) 水情遥测终端的硬件结构根据系统的功能要求分别选定相应的硬件 设备，包括微处理器、网卡芯片、数据采集仪器等。根据系统的功能要求，设计 硬件电路原理图，p c b 图并做出电路板进行调试。 ( 3 ) 水情遥测终端的软件结构以满足系统具体的功能要求为依据，精简 标准t c p i p 协议，设计出符合本课题的t c p i p 实现程序、数据采集程序、人机 接口程序和中断服务程序。 ( 4 ) 运行环境以及系统功能调试，检测网络通信过程。 ( 5 ) 系统稳定性以及抗干扰性能的研究和改进。 3 第2 章水情遥测系统总体设计 第2 章水情遥测系统总体设计 2 1 系统网络结构体系选择 基于网络的工业测控系统的构成方式分为两大类：c s 模式( 客户端朋民务 器端模式) 和b s ( 浏览器服务器端模式) 。这两种模式有各自的优缺点并适用 于不同的场合。因此必须仔细分析，发挥其优势避免不足才能设计出最合适的网 络结构1 6 j 。 2 1 1b s 模式与c s 模式简介 c s 模式主要由客户应用层( c l i e n t ) 和服务器层( s e r v e r ) 组成。客户应用层提 供的是管理人员与工业设备的交互通信界面，而服务器层则提供管理人员所需的 数据采集、存储和处理，这两层通过计算机网络相互连接。服务器所做的工作对 于客户应用程序是完全透明的。c s 模式的主要特点为：处理从客户端分离出来， 仅由服务器来承担，客户只需要发出请求；网络流量减小，网络中传输的仅仅是 客户的请求和返回结果【”。 b s 模式主要由浏览器( b r o w s e r ) 和服务器层( s e r v e r ) 组成，就是只需安 装维护一个服务器，而客户端只需浏览器即可运行。在采用b s 模式结构的系统 中，用户通过客户端的p c 机浏览器向目标服务器发出请求，服务器对浏览器的 请求进行处理，将用户所需信息返回到浏览器。而其余如数据请求、加工、结果 返回以及动态网页生成和应用程序的执行等工作全部由服务器完成。b s 模式的 主要特点为：共享性强、分布性强；维护方便，开发简单。因为省去了客户端软 硬件的开发，因而总体拥有成本低。 2 1 2b s 模式与c s 模式的优缺点比较 1 b s 模式 首先它简化了客户端。它无需象c s 模式那样在不同的客户机上安装不同 的客户应用程序，而只需安装通用的浏览器软件。这样不但可以节省客户机的硬 盘空间与内存，而且使安装过程更加简便、网络结构更加灵活。 其次，它简化了系统的开发和维护。系统的开发者无须再为不同级别的用 户设计开发不同的客户应用程序了，只需把所有的功能都实现在服务器上，并就 不同的功能为各个组别的用户设置权限就可以了。各个用户通过h t t p 请求在权 限范围内调用服务器上不同处理程序，从而完成对数据的查询或修改。 再次，它使用户的操作变得更简单。对于c s 模式，客户应用程序有自己 特定的规格，使用者需要接受专门培训。而采用b s 模式时，客户端只是一个简 单易用的浏览器软件。无论是决策层还是操作层的人员都无需培训，就可以直接 使用。 4 第2 章水情遥测系统总体设计 2 c s 模式 首先，交互性强是c s 固有的一个优点。在c s 中，客户端有一套完整的 应用程序，在出错提示、在线帮助等方面都有强大的功能，并且可以在子程序间 自由切换。 另外，c s 模式提供了更安全的存取模式。由于c s 是配对的点对点的结构 模式，采用适用于局域网、安全性比较好的网络协议，安全性可以得到较好的保 证。而b s 采用点对多点、多点对多点这种开放的结构模式，并采用t c p i p 这 一类运用于i n t e r n e t 的开放性协议，其安全性只能靠数据服务器上管理密码的数 据库来保证。 以上详细介绍了两种网络通信结构的特点。综合来讲，b s 模式开发维护方 便，通用性强；而c s 模式安全性更高，通信量更低，比较适合于传输大量数据。 本遥测系统只需传输水情数据，数据量小，综合比较开发成本、速度等因素，决 定选用b s 网络结构模式。 2 2 网络化实现方案 目前，国内外嵌入式设备的网络接入方案主要有以下三种嗍： 1 使用嵌入式操作系统，即高速3 2 位处理器+ 嵌入式操作系统+ t c p i p 协 议栈。因为3 2 位处理器有足够的资源可以扩充利用，r a m 和r o m 足够大，整 个t c p i p 协议族可以做到系统里去，甚至可以嵌入带t c p f l p 协议族的操作系统。 所以3 2 位微处理器除了可以实现复杂功能外，还能较容易的进行网络通信的 t c p i p 协议处理，因而可以成为直接接入网络的仪器。但其也有很多缺点。3 2 位微处理器的开发难度大，开发工具昂贵，并且其大多用在高端产品里，在成本 较低的嵌入式系统里用的比较少。 2 代理服务器方案。它由低档8 位机组成嵌入式仪器，采用专用网络 ( r s 2 3 2 、c a nb u s ) 把若干嵌入式仪器连在一起，该网络再与p c 连接，由此 组成p c 网关专用网。此时把p c 作为网关，并由p c 把该网络上的信息转换为 t c p 1 p 协议数据包，发送到网络实现信息共享。这样虽然可以使嵌入式设备连 到网络，但必须用一台p c 机作为网关来实现协议的转换，成本较高。 3 直接实现方案。在8 位单片机中直接实现t c p i p 协议来实现网络的接 入功能。利用这种方案的好处是省去操作系统和网关的费用，大大节约系统资源。 缺点是增加了开发难度，技术上对开发人员有较高要求。 综合考虑各项因素，本系统采用最后一种直接实现的方案，采用8 位高速 单片机和网卡芯片的方式来实现网络的接入，这样就可以最低的开发成本完成本 系统中遥测终端的设计要求，同时对于我们理解和掌握t c p f l p 协议及其相应的程 序设计思想也是及其有帮助的。 5 第2 章水情遥测系统总体设计 2 3 系统工作体制的选择 水情测报系统可分为三种基本体制，即自报式体制、应答式体制和混合体制。 1 自报式体制 自报式体制下，水情测报终端根据测量参数的变化随机向中心站发送信息。 该体制下，测报终端只需具备发送数据的功能，中心站只需具备接收数据功能， 数据通道是单向的。它的实现是由管理员事先对水情测报终端进行设置，使其定 时或者在某些时间发生时，就发起到中心站的连接，向中心站提交数据或报告事 件的发生。它的优点是实时性好，能及时反应水情变化，缺点是当测点较多时， 容易出现多个测点同时向中心站发起连接而引起的网络拥塞。自报式多用于系统 实时性要求较高的系统。 2 应答式体制 应答式体制下，水情测报终端按中心站的命令而发送采集信息。该体制下， 测报终端需要具备接收指令和发送数据的收发双向功能，中心站则应具备发布命 令和接收数据的收发双向功能，因此数据信道是双向的。应答式体制的实现是中 心站向终端发送命令，而终端识别命令并执行之，这要求终端一直处于等待连接 状态。应答式体制的实时性不如自报式体制，但是数据传输不会产生网络拥塞。 3 自报应答兼容式 自报应答兼容式遥测站综合自报和应答两种方式的特点，既能实时自报， 又具有受控功能，功能相对较强，其主要缺点是值守功耗很大，可靠性相对较低。 本系统选用应答式体制，只在中心站上位机发起连接请求时，终端才将相关 的采集信息传输到上位机。 2 4 水情遥测终端的主要功能和技术指标 根据水情测报子系统的设计要求，水情遥测终端应具有如下功能： ( 1 ) 降雨每发生l m m ( 或0 5 m m ，与选用的雨量传感器分辨力有关) 的增量， 遥测终端将产生中断并将雨量累计值存储到内置e e p r o m ，并且有合理雨强判 断功能。 ( 2 ) 上位机发起连接请求时，终端传输当前的闸位信息。 ( 3 ) l c d 显示当前雨量和闸位信息功能。 ( 4 ) 站址设定功能。每个终端都有该局域网内唯一的i p 地址和硬件地址。地 址的设定可以通过软件写入并可以修改。中心站通过硬件地址区分不同的测点。 ( 5 ) 完善的w a t c h d o g 功能。启用内置的看门狗定时器，当终端程序出现 跑飞的情况时能及时进行复位。 2 5 系统总体结构 综合上文所述，可以确定本设计的总体方案。从总体上看，遥测系统包括 6 第2 章水情遥测系统总体设计 位于工作现场的遥测终端和位于水利管理部门的查询中心，采用b s 网络结构， 应答式工作体制，查询中心使用通用p c 机的m 浏览器实时查询水情数据。同 时采用单片机加网卡芯片的方式实现遥测终端的网络化。 如图2 1 所示，每个遥测现场设置一台嵌入式遥测终端来实时采集、处理、 和传输数据。各个环节均需要通过以太网进行数据通信，即水利管理部门通过以 太网查询相关信息，嵌入式遥测终端通过以太网将数据传输到水利管理部门。 以太 上位机 遥测终端i 遥测终端2遥测终端3 遥测终端n 图2 1 系统网络结构图 2 6 本章小结 本章在比较了两种网络结构的优缺点后，介绍了常用的网络化实现方案，继 而确定了本系统的实现方案：采用b s 网络结构方式和单片机+ 网卡芯片的网络 化实现方案以及应答式工作体制。 7 网 第3 章以太网技术与t c p 1 p 协议 第3 章以太网技术与t c p i p 协议 3 1 以太网技术 以太网( e t h e m e t ) 是一种流行的分组交换局域网技术，是x e r o x 公司的p a r c 在2 0 世纪7 0 年代早期发明的，如今许多中、大规模公司都使用以太网。从布线 方式来看，以太网可以分为粗缆以太网、细缆以太网和双绞以太网。现在广泛使 用的是双绞以太网，因为其费用低廉且在网络断连时可以保护其它机器1 2 5 1 。 以太网设计为一种共享总线技术，可支持广播，使用尽最大努力交付( b e s t e 仃0 r td e l i v e r y ) 的机制，并且有分布式接入控制。以太网之所以采用尽最大努 力交付的机制，是因为硬件没有向发送者提供任何信息来判断分组是否已被发 送。例如，如果目的主机偶尔掉电，那么发送给它的分组将丢失。但发送方并不 知道分组丢失。另外，以太网的接入控制是分布式的，这是因为以太网与某些网 络技术不同，它没有任何权利来授权接入。它采用一种c s m a c d 的媒体接入方 法( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o nd e t e c t i o n - - 带冲突检测的载波侦 听多路接入) ，它是c s m a 的，因为多台机器可同步接入以太网，并且各机探测 是否存在载波来决定以太是否空闲。当某主机接口要发送一个分组时，首先监昕 以太，看是否有报文正在发送( 即执行载波监听) 。没有监听到发送时，主机接 口开始发送。每次发送都在限定的时间内完成( 因为有一个最大分组长度) 。另 外，硬件必须在两次发送之间保持一个最小空闲时问，也就是说，没有一对正在 通信的机器可以连续使用网络而不给其它机器接入网络的机会。 以太网定义了一个4 8 比特寻址方式。每台连接到以太网络的计算机分配到 一个唯一的4 8 比特的数字，即它的以太网地址。该地址是在生产的时候就分配 好的，因此，没有两个硬件接口具有同样的以太网地址。通常，以太网地址是以 机器可读形式固定在主机接口硬件上的，因为以太网地址属于硬件设备，所以也 被称为硬件地址( h a r d w a r ea d d r e s s ) 、物理地址( p h y s i c a la d d r e s s ) 或媒体接入地 址( m e d i aa c c e s s ，m a c ) 。一个4 8 比特的物理地址可以是单播地址、广播地址 或多播地址。按照惯例，广播地址( 全1 ) 用于将分组发送到所有网点。组播地 址用于将分组发送到网络上部分网点，而单播地址用于将分组发送到网络上的特 定的接1 3 。以太网的接口硬件至少要能识别两种形式下的分组：单播和广播。单 播形式下，主机接口把分组中的目的地址字段作为过滤器。接口忽略要转发到其 它机器上的分组，只把地址是本地主机的分组传给主机。多播形式主要用于a r p 协议标准中，源主机发送广播请求获取目的物理地址。 以太网可看作机器之间的链路层连接，因而把被传输的数据看作是帧。以太 网帧是可变长度的，但帧长度必须在6 0 1 5 1 4 字节之间。以太网帧格式如图3 1 所示： 8 第3 章以太同技术与t c p p 协议 前同步码目的地址源地址帧类型 帧数据( 4 6 - 1 5 0 0 字节) c r c l ( 3 字节)( 6 字节) ( 6 - 7 - 节)( 2 字节)( 4 字节) 图3 1 以太网数据封装格式 以太网上传输的每一帧包含上图中的各个字段。前同步码是“比特的“0 ”、 。1 ”交替序列，用来帮助接口实现同步。帧类型字段用来识别此帧承载的数据 类型。c r c 字段用来帮助接口检测发送错误：发送方作为帧中数据的一个函数 来计算c r c ，接收方重新计算c r c 值来验证分组是否被正确接收。 3 2t c p ，i p 协议简介 t c p 口协议是发展至今最成功的通信协议，它被用于构筑当今最大的开放 式网络( i n l e m e t ) 。t c p i p 协议的开放性意味着任何组合间，不管这些设备的物 理特征有多大差异，都可以进行通信。为了减少协议设计的复杂性，大多数网络 都按层( 1 a y e r ) 或级( 1 e v e l ) 的方式来组织，每一层都建立在它的下层之上。不 同的网络，其层的数量、各层的名字、内容和功能都不尽相同。但在所有的网络 中，每一层的目的都是向它的上一层提供一定的服务，而把如何实现这一服务的 细节对上一层加以屏蔽，每一层只要关心本层所要实现的功能是否实现即可网。 开放式通信的关键在于确立两端系统之f b j 相互通信和共享数据的标准。只有 两端系统对如何通信达成一致标准，它们彳能通信。也就是说，它们必须在从应 用中取得数据和为通过网络传输将数据打包这些动作以及细节上遵守相同的过 程。 关于协议分层，有两个思想占据了该领域的主导地位。第一个层次模型基于 i s o 早期所做的工作，称为o s i 开放系统互连参考模型( o p e ns y s t e m i n t e r c o n n e c t i o nr e f e r e n c em o d e l ) ；第二个就是t c p i p 参考模型【2 4 1 。 3 2 1o s i 七层参考模型 o s i 层o s i 参考模o s l 参考模 o s i 层 次号 型层次描述型层次描述 次号 7应硝层 应用层7 6 表示层 表示层 6 5 会话层 会话层 5 4传输层 逻辑流 传输层 4 3 数据链路层i一一黻层 3 2 2 l 物理层il 真实数据流 图3 2 0 s i 的分层结构图 9 第3 章以太网技术与t m p 协议 开放式互连就是可在多个厂家的环境中支持互连，该模型为计算机间开放式 通信所需要定义的功能层次建立了全球标准。o s i 模型将通信会话需要的各种进 程划分为7 个相对独立的功能层次，这些层次的组织是以在一个通信会话中事件 发生的自然顺序为基础的【2 4 】。 物理层是o s i 的最底层，它用于将信号放到介质上以及从介质上收到信号。 它涉及到通信在信道上传输的原始比特流，主要处理机械的、电气的和过程的接 口。 数据链路层的主要任务是加强物理层传输原始比特流的功能，使之对网络层 显示为一条无错线路。帧( f r a n l e ) 是本层生成的结构，它包含确保数据安全到 达目的地的信息，并包含保证数据在传输过程中完整性的机制。 网络层负责在原机器和目标机器之间建立它们所使用的路由。网络层必须依 赖于端端之间由数据链路层提供的可靠传输服务。 传输层的基本功能是从会话层接收数据，必要时把它分成较小的单元，传递 给网络层。它的职责是保证数据传输的完整性并将乱序收到的数掘包重新排序。 会话层的主要功能就是允许不同机器上的用户建立会话关系，管理两个系统 连接间的通信流 表示层负责管理数据编码方式，它可以在可能不兼容的数据编码方式之间提 供翻译，例如在a s c i i 和e b c d i c 之间。 应用层是o s i 参考模型的最顶层，它在那些具体的应用和网络服务间提供接 口。 3 2 2 基于以太网的t c p i p 参考模型 1 t c p i p 分层结构 与o s i 参考模型不同，t c p d p 模型更强调功能分布而不是严格的层次划分， 因而更灵活，它成了互连网络协议的市场标准。t c p i p 协议栈包括4 个功能层： 应用层，传输层，网络层和数据链路层1 2 4 j 。 应用层( a p p l i c a t i o nl a y e r ) t e l n e t 、f t p 、h t l p 等应用程序驻留并运行 在此层。在这个最高层里，用户调用应用程序通过t c p i p 互联网来访问可用的 服务。与各个传输层协议交互的应用程序负责接收和发送数据。 传输层( t r a n s p o r tl a y e r ) 主要为应用程序提供端到端的通信，它不但要 系统的管理信息的流动，还要提供可靠的传输服务，确保数据无差错、无乱序的 到达。这一层包含传输控制协议t c p 和用户数据报协议u d p 。 网络层( i n t e r n e tl a y e r ) 又称互联网层，处理分组在网络中的活动，例如 分组的路由选择。在t c p a p 协议中，网络层协议包括l p 协议，i c m p 协议以及 i g m p 协议。 数据链路层( d a 切l i n kl a y e r ) 通常包括操作系统中的设备驱动程序和物 1 0 第3 章以太同技术与t c p i p 协议 理接口。物理接口实现数字信号与模拟信号的相互转化。本课题中物理层采用以 太网技术进行数据传输，因而设备驱动程序就是网络控制器的驱动程序，网络层 数据必须先交付给该驱动程序，由它将网络层数据打包交付给物理层，完成数据 发送。接收数据时，按照上层协议的接收形式进行处理交付。 2 数据的封装和拆卸 t c p i p 协议族中包含很多协议，相对于网络不同的层次有不同的协议与之 对应。例如应用程序要使用传输层的t c p 协议传输数据时，数据被送入协议栈 中，然后逐个通过每一层直到被当作一串比特流送入网络。其中每一层对收到的 数据都要添加一些首部信息( 有时还要添加尾部信息) 。也就是说，数据封装的 过程就是不断添加各个协议的首部信息的过程，而数据拆卸的过程就是不断去除 首部信息的过程圜。如图3 3 所示： 应用层 数据 应用层 t c p 首都 数据 一t c p 报文段 应用层 l p 首部 t c p 蓠部 数据 i p 数据报 - l 以太网 应用层 以太网 首部 l p 首部t c p 首部 数据 尾部 l 1 4 b 2 0 b + 2 0 m b m 4 b 。以太网 图3 3 添加首部信息图 3 3 嵌入式t c p i p 协议 嵌入式系统与t c p i p 网络互连这一技术在许多领域得以广泛的应用。但是 网络协议的复杂性和嵌入式系统的m c u 性能相对有限的矛盾制约了嵌入式系统 实现网络化的进程。传统的t c p p 协议是以p c 机、服务器为应用平台的，协 议复杂，功能强大，面面俱到，而且没有实时的概念，这不符合嵌入式系统的要 求。嵌入式系统要求应用简单，以满足应用为目的，并不要求功能十分齐全。 嵌入式t c p f l p 协议是以满足嵌入式系统的实际需求为目的，通过对功能齐 全的t c p i p 协议进行一定的取舍，制定的简单的适用予嵌入式系统并且能完成 相应网络功能的协议。 本课题中，我们要实现的是设计一个嵌入式的遥测终端，它能采集、处理实 第3 章以太网技术与t c p f i p 协议 时的雨量、闸门开度等信息。客户端通过i e 浏览器获取水情数据。我们结合实 际系统对功能和精度的具体要求，开发一个嵌入式的t c p i p 协议栈，它包含了 基本的a r p 、i c m p 、i p 、t c p 协议以及应用层的h r r p 协议功能。它们之间的 调用关系如图3 4 所示。 数据帧 图3 4t c p i p 协议调用关系图 3 3 1a r p 协议标准 1 两种编址方式 ( 1 ) i p 地址 互联网上的每台主机都分配了一个独特的3 2 比特互联网地址或叫i p 地址， 该地址用在所有与该主机的通信中。i p 地址对主机所连的网络的标识符进行了 编码，也对该网络上的独特主机进行了编码，分别用来标识某个网络、某台主机。 i p 地址最初的编址方式如下图所示： o 8 1 6 2 4 3 1 图3 5 i p 编址方式 1 2 第3 章以太同技术与t c p i p 协议 ( 2 ) 物理地址 物理地址也称为硬件地址，用来指明系统所使用的网卡的地址。网卡地址 是由i e e e 统一分配给网卡制造商的，每个网卡的地址在世界范围内是唯一的。 物理地址共有4 8 位，6 个字节。前3 个字节是制造厂商的标识，后3 个字节为 系列号，是由制造厂商给自己生产的网卡分配的号码。 2 a r p 功能简介 我们给每台主机分配3 2 位的i p 地址，用它来发送和接收分组，这样可以 对高层程序隐藏物理硬件地址，使网络看起来像是一个统一的实体。但是网络接 口有一个硬件地址，在硬件层次上进行的数据帧交换必须有正确的接口地址。知 道主机的i p 地址并不能发送一帧数据给该主机，必须知道目的端的硬件地址才 能发送数据。a i 冲的功能就是在3 2 b i t 的i p 地址和硬件地址之间提供动态映射。 为此我们可以设计一个a r p 高速缓存。a r p 高速缓存中存储了与本系统建 立过连接的目标系统的m 地址和物理地址映射对，以方便查询对应i p 地址的物 理地址。在通用计算机系统中，a r p 高速缓存一般设计成双向数据链的形式， 这样整个缓存可以方便的动态增减，但是这种非线性存储的链表式缓存结构在进 行表项匹配查找时比较费时，不适合于嵌入式系统。因而本系统中采用了线性的 结构体数组形式的a r p 缓存结构。它在内存中是连续线性存储的，查找起来比 较快。对于a r p 缓存的维护采用了加入生存时问的做法：即每一对地址的映射 都有其生存时间，初始化时为一个统一的值，系统定时器按照一定的时间| 日j 隔进 行更新，每次将其t i m e r 值减l ，减为0 时表示该映射表项已经过期。同样，在 向缓存中添加表项时，首先查找t i m e r 值为0 的表项，然后将其替换成新的表项 即可。a r p 高速缓存表项结构如表3 1 所示。 表3 1a r p 高速缓存表 表项号n o i p 地址m a c 硬件地址 表项生存期t i m e 11 9 2 1 6 8 1 80 f 3 4 ：5 4 5 6 ：d 2 3 42 1 6 21 9 2 1 6 8 5 6 30 f 3 4 ：1 c 7 3 ：a 4 9 01 6 5 31 9 2 1 6 8 0 1 0 66 5 2 0 ：l c 7 3 ：a 7 2 68 2 81 9 2 1 6 8 8 5 05 9 2 3 ：1 8 4 d ：0 5 4 21 4 3 3 2i p 协议 i p 协议位于网络层，是t c p i p 协议族中最为核心的协议，因为所有的t c p 、 u d p 、i c m p 、和i g m p 数据都是以m 数据报格式进行传输的。i p 提供不可靠的 无连接的数据报传输服务。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，任何要求的可靠性必须由上层提供( 如t c p ) 。p 仅提供 1 3 第3 章以太网技术与t c p f l p 协议 最好的传输服务，如果发生某种错误，m 便使用一个简单的错误处理算法，就 是丢弃该数据报，然后发送i c m p 数据报给信源端。无连接( c o n n e c t i o n l 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，也即i p 数据报可以不按发送顺序接收。如果一信源向相同的信宿发送 两个连续的数据报a 、b 。每个数据报都是独立地进行路由选择，可能选择不同 地路径，因此b 可能在a 的前面到达。 3 3 3i c m p 协议 i c m p ( i n t o n e rc o n t r o lm e s s a g ep r o t o c 0 1 ) 是差错与控制报文协议，它为两 台主机的网际协议软件之日j 提供通信。当数据报产生差错时，i c m p 向数据报的 源站回报差错情况。i c m p 报文是在i p 数据报内被传输的。同时不同的类型和代 码决定了不同的i c m p 报文类型，其中包括回送应答、目的地不可达、源站抑制、 时问戳请求与应答等i c m p 报文类型。本设计终端使用i c m p 协议中的测试目的 站可达性的回送请求与应答报文。主机向指定目的站发送i c m p 回送请求报文。 任何收到回送请求的机器形成一个回送应答，并把它返回给最初的发送者。本系 统使用p i n g 命令发送i c m p 回送请求命令1 2 6 1 。 3 3 4t c p 和u d p 协议 t c p 和u d p 都是传输层的协议，都使用相同的网络层( i p ) ，但是t c p 却 向应用层提供与u d p 完全不同的服务。它提供一种面向连接的可靠的字节流服 务。它采用了超时重传、发送和接收端到端的确认分组、流量控制等机制以提供 可靠的服务。而u d p 是无连接能力的不可靠的，它不能保证数据能安全无误的 到达最终目的地。但是t c p 的可靠性是以许多复杂的机制和由此增加的丌销为 代价的。在实时性方面，u d p 没有可靠性机制，没有关卡机制，因而可以实现 全速的数据通信，它的实时性比t c p 好。 由于本课题中应用层采用h t t p 协议，w e b 页面请求和响应页面都被封装 在t c p 报文段中传送，因而采用t c p 协议【2 5 1 。 3 3 5i t t t p 协议 超文本传输协议m 1 甲( h y p e r t e x tt r a n s f e rp r o t o c 0 1 ) 是w w w 的基本协议， 属于t c p i