（电路与系统专业论文）基于Internet的远程数据采集系统[电路与系统专业优秀论文].pdf

兰州大学硕士学位论文 摘要 随着i n t e r n e t 技术的发展，各行各业对信息化、智能化、网络化要求的不 断提高，基于i n t e r n e t 的远程监控技术己成为国内外深入研究的热点课题。同 时嵌入式系统己成为许多电子设备中不可缺少的部分，并处于前所未有的发展 时期，因特网概念的深入人心更为嵌入式系统与因特网的结合提出了要求。为 此，本文对实现嵌入式i n t e r n e t 的方案进行了研究。 本文论述了嵌入式t c p i p 协议的实现和服务器与浏览器交互的通用方法， 所做工作和主要的理论依据主要分以下4 个方面：1 设计完成了嵌入式w e b 服 务器u n i p + d m 9 0 0 0 平台的搭建：分析了该硬件平台的核心部件d m 9 0 0 0 的功能结 构及软件平台的u n i p 协议栈；2 依据嵌入式w e b 服务器的工作原理、通信协议， 完成了嵌入式w e b 服务器的设计；3 实现了嵌入式w e b 服务器与浏览器之间基 于t c p i p 协议的网络通信；4 完成了嵌入式w e b 服务器对远程现场监控系统的 开发与设计。 实验结果表明，该系统能将现场设备的数据通过w e b 服务器传送到浏览器， 实现了对现场设备的远程监控。本系统可以应用在信息家电领域，实现对家电 的远程控制，也可以应用于智能交通和工业控制领域，实现对设备的远程监控， 市场应用前景广泛。 关键词：嵌入式系统t c p i p 协议w e b 服务器 兰州大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i 廿1t h ed e v e l o p m e n to ft h ei n t e m e tt e c h n o l o g y i n f o r m a t i o n ，i n t e l l i g e n ta n d n e t w o r k e di sm o r ed e m a n d e di na t lf i e l d s ，s ot h et e c h n o l o g yo fr e m o t em o n i t o ra n d c o n t r o lb a s e do ni n t e m e tb e c o m e saf o c u s ，w h i c hi sr e s e a r c h e db yt h ee x p e r t si na l l o f t h ew o r l d a tt h es a m et i m et h ee m b e d d e d s y s t e m h a sb e c o m ea n e c e s s a r yp a r to f m a n ye l e c t r o n i cd e v i c e s ，a n di sd e v e l o p e di nas u r p r i s i n gs p e e d t h es p r e a do f t h e c o n c e p to fi n t e m e tc a l l st h ed e m a n df o rc o m b i n a t i o no fe m b e d d e ds y s t e ma n d i n t e m e t f o rt h i sr e a s o ni nt h i sp a p e rt h es c h e m et or e a l i z ee m b e d d e di n t e m c ti s r e s e a r c h e d t h e w a y o f i m p l e m e n t t c p i p p r o t o c o la n d c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nw e bs a - v c r a n db r o w s ei nt h ee m b e d d e ds y s t e mi sd e t a i l e di nt h i sp a p e r t h ew o r ka n dm a i n t h e o r i e si sp r e s e n t e db e l o w ：1 u n p + d m 9 0 0 0p l a t f o r mf o re m b e d d e dw e bs e r v e rh a s b e e ne s t a b l i s h e d ；d m 9 0 0 0c p u ，a n de m b e d d e du n l pp r o t o c o ls t a c kh a sb e e n a n a l y z e d ；2 e m b e d d e dw e b s e r v e r , w h i c hi sb a s e do nt h ep r i n c i p l eo fe m b e d d e dw e b s e r v e r ，c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l sh a sb e e nd e s i g n e d ；3 c o m m u n i c a d o nb e t w e e n e m b e d d e dw e bs e v e ra n db r o w s e rb a s e do nt c p i ph a sb e e n r e a l i z e d ；4 d e s i g n a t i o n a n dd e v e l o p m e n to ft h er e m o t em o n i t o r i n ga n ds u p e r v i s i o ns y s t e mb yn s m go f e m b e d d e dw e bs e r v e rh a sb e e n a c c o m p l i s h e d t h er e s u l to f e x p e r i m e n t ss h o w t h a tb r o w s e rc a nr e a l i z er e m o t e m o n i t o r i n ga n d s u p e r v i s i o ns y s t e mt h r o u g h e m b e d d e dw e bs e r v e r t h es y s t e mc a nb ew i d e l ya p p l i e d i n m a n yf i e l d s ：i n f o r m a t i o nw i r i n g , i n t e l l i g e n tt r a f f i c ，i n d u s t r y c o n t r 0 1 r e m o t e m o n i t o r i n ga n ds u p e r v i s i o no fd e v i c e s h a sb e e nr e a l i z e d h a v i n gt h e e x t e n s i v e l y a p p l i e d f o rg r o u n d k e y w o r d s ：e m b e d d e d s y s t e m t c p i p p r o t o c o l w e bs e r v e r h 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进行 研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、 数据、观点等，均己明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成 果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：弘勃盈 e t 期：墨型笙 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属 兰州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定，同 意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许 论文被查阅和借阅；本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本学 位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相关的学术论 文或成果时，第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：卑翊坦导师签名：丕p 叁蔓日期：盈幽 兰州大学硕士学位论文 1 1 本文的研究背景 第1 章绪论 1 1 1 i n t e r n e t 技术的发展 i n t e m e t 己成为现代社会重要的基础信息设施之一，是信息流通的重要渠道。 i n t e m e t 的发展经了3 个阶段。 第一阶段：1 9 8 0 年1 9 9 0 年，这一阶段是i n t e m e t 发展的萌芽阶段。解 决异种计算机的联网和信息交换。采用t c p i p 协议交换文件和信息，主要解 决专业领域如银行、军用系统采用不同操作系统的大、中、小型计算机的联网 问题，这时并不称为i n t e r n e t ，t c p 网络仅是少数计算机专家的概念，这是i n t e m e t 发展的萌芽阶段。 第二阶段：1 9 9 0 年2 0 0 0 年，p c 作为客户机，i n t e m e t 席卷全球。在t c p i p 协议网络之上发明的e m a i l 和w w w 普遍应用，i n t e r n e t 国际互联网被大众接受， 这时一个重要的条件是p c 机普及的非常广泛，即形成了c l i e n t s e r v e r 体系结 构( 客户机n 务器) ，进而发展为b r o w s e r s e r v e r 结构( 浏览器服务器) ，这 时的客户机是己广泛普及的p c ，而服务器是相对复杂的，价格昂贵的超级计算 机，即我们所谓的“胖服务器”。 第三阶段：2 0 0 0 年2 0 1 0 年，嵌入式i n t e m e t 时代。随着i n t e m e t 技术的 飞速发展，人们期望各种嵌入式设备通过i n t e m e t 联在一起，形成地球的“电子 皮肤”，提供更为广泛的资源共享、信息通信和状态控制服务。包括美国贝尔实 验室总裁a n mn e t r a v a l i 在内的一大批科学家对未来i n t e r a c t 的发展方向做出了 预测：在这阶段，将会产生比p c 时代多成百上千倍的瘦服务器和超级嵌入式瘦 服务器。这些服务器将与我们这个世界上你能想到的各种物理信息、生物信息 相联接，通过i n t e m e t 自动地、实时地、方便地、简单地提供给需要这些信息的 对象。 目前：i n t e m e t 处在第二阶段到第三阶段的过渡时期，i n t e m e t 在通信确定性 及通信稳定性和可靠性方面得到了迅速的发展，为第三阶段打下了良好的基础。 兰州大学硕士学位论文 首先，因特网由低速向高速、由共享向交换、由窄带向宽带方向迅速发展。 目前对于主干网来讲，各种宽带组网技术日益成熟和完善，波分复用系统的带 宽已达4 0 0 g b i t s 。高速主干网为网络通信提供了足够的带宽，在数据吞吐量相 同的情况下，通信速度的提高意味着网络负荷的减轻和网络传输时延的减小。 其次，目前正广泛兴起的宽带接入，相对于传统的窄带接入而言，有其不 可比拟的优势和强劲的生命力。目前，出现了多种宽带接入技术，包括铜线接 入技术、光纤接入技术、混合光纤同轴( h f c ) 接入技术等多种有线接入技术 以及无线接入技术等。突破网络接入环节的瓶颈，增加网络最后段路程中的 带宽，在大范围内满足用户通信要求。 再次，i n t e r n e t 的核心网由光纤和新一代的太比特交换路由器为主构成，它 具有大容量、高可用性和低时延等优点，能够满足多媒体通信和实时通信的带 宽和服务质量的基本要求。 随着i n t e r n e t 技术的飞速发展，i n t e r n e t 自然要进入嵌入式i n t e m e t 时代，为 人们提供更为广泛的资源共享、信息通信和状态控制服务。目前，嵌入式i n t e m e t 己经成为一个研究热点。 1 1 2 嵌入式系统 嵌入式系统是以应用为中心，计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适应 应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统。 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，具有功耗低、体积小、集成 度高等优点。它有独立控制功能和处理数据的能力。 嵌入式系统由嵌入式硬件( 包括处理器芯片、存储芯片等) 、固化在存储芯 片内的用户软件及嵌入式操作系统组成，其主要特点和要求分别如下： ( 1 ) 硬件特点 嵌入式系统在功耗、体积、成本、可靠性、速度、处理能力等方面均受到 制约。与通用计算机不同，嵌入式系统的硬件必须高效率地设计，量体裁衣、 去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能。 ( 2 ) 软件特点 嵌入式系统的应用软件是实现嵌入式系统功能的关键，对嵌入式处理器系 兰州大学硕士学位论文 统软件和应用软件的要求也与通用计算机有所不同。嵌入式系统的应用软件要 求固化存储，一般存储在存储芯片或单片机本身中。另外，由于嵌入式系统存 储空间的限制和实时性方面的要求，软件代码要求高质量、高可靠性，以减少 程序二迸制代码长度、提高执行速度。 ( 3 ) 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统要求具有多任务处理和实时处理能力，对重要性不同的任 务进行统筹兼顾合理调度。现在国际上比较流行的至少有六七种嵌入式操作系 统，如w i n d o w sc e 、j a v a o s 等。据有关方面统计，世界上有2 0 0 家公司都在致 力于开发嵌入式操作系统，其中d a l l a s 半导体公司开发的微型互联网接口 ( t i n i ) 操作系统是一种很有发展潜力的嵌入式操作系统，它提供了j a v a 程序 的运行环境和处理、控制设备问通信及网络的功能。 1 1 3 嵌入式系统的发展 最早的嵌入式系统是为了满足某些特殊的控制要求而设计的特殊控制系 统。随着电子技术的发展，各种各样性价比高的微处理器相继出现，为嵌入式 系统的发展提供了良好的前提条件。人们对产品质量的要求不断提高也促使了 低价位、高性能的嵌入式系统的繁荣。嵌入式系统已由原先单一的、非实时的 控制系统发展成多元的、实时控制系统。 嵌入式系统的发展大致经历了3 个阶段： 第一阶段：以单片机为核心的可编程控制器形式的系统，同时具有与监控、 指示设备相配合的功能，一般没有操作系统的支持。 第二阶段：以嵌入式实时操作系统为标志。操作系统内核小、效率高，具 备文件和目录管理、多任务、网络支持等功能，此时嵌入式应用软件十分丰富， 但与互联网无关。 第三阶段：以基于互联网为标志的嵌入式系统。 目前，嵌入式系统发展迅速，并趋于小型化、智能化，为嵌入式i n t e m e t 的应用提供了理想的实施对象。 兰州大学硕士学位论文 1 2 国内外嵌入式i n t e r n e t 的研究与现状 随着嵌入式系统和m t e m e t 的不断发展，一些i t 组织和公司开始进行嵌入 式i n t e m e t 硬件的研发。目前，新开发的嵌入式处理器都支持网络协议，如r a b b i t 半导体公司的r a b b i t 2 0 0 0 3 0 0 0 处理器、a m d 公司的a m l 8 6 系列嵌入式处理 器、m o t o r o l a 公司的m 6 8 h c 系列嵌入式处理器等等。可以说，目前研究嵌 入式h t e m e t 的条件己经成熟。 国外对嵌入式h t e m e t 的研究从理论阶段过渡到开发阶段。在工业控制领 域，美国o p t 2 2 公司采用嵌入式以太网，研制开发了“以太网i o 系统” s n a pu o 系统，通过以太网对分布在远程设备现场的i o 口进行访问，从而 实现对远程设备的监控。s n a pu o 已成功应用于工业过程控制、路桥收费系统 监控、输油管线的监控及楼宇的智能监控等多项工程中。此外，惠普公司应用 i e e e l 4 5 1 2 智能传感器标准，研制的嵌入式以太网控制器具有1 0 b a s e t 以太网 接口，能运行f t p h t t p u d p 协议，应用于传感器、驱动器等现场设备。 国内嵌入式i n t e n l e t 技术的研究才刚刚起步，且大多停留在理论阶段。对工 业控制网络领域的理论研究主要局限在现场总线网络上，还没有进入到实质研 究阶段。在产品开发方面，北京英贝多公司研发出了基于芯片的微型h t e m c t 网关和瘦服务器，为迎接h l t e m e t 向嵌入式领域发展的第三阶段做好基础准备。 另外武汉力源公司也推出了专用网络接口芯片p s 2 0 0 0 ，目前国内已经有基于 该芯片的相关应用开发。随着嵌入式h t e m e t 的发展，它将在许多领域内得到应 用： ( 1 ) 信息家电领域 信息家电从广义上来讲，包括机顶盒、w e b 游戏机、w e b 电视、w e b 电话， 还有掌上电脑、手持p c 、可穿戴p c 等所有能通过网络系统交互信息的消费类 电子产品。从长远来看，电冰箱、洗衣机、微波炉等植入数字网络技术，也是 未来信息家电十分重要的发展方向。它横跨信息技术领域和家电领域，逐渐模 糊了原本泾渭分明的电脑、通信产品、家电的市场界限。 ( 2 ) 医疗器械领域 大量医疗器械的应用，如分析监护设备、各种化验设备、都需要使用高性 能的、专用化的嵌入式系统来提高其精确度和速度。当它们与网络相连，各种 4 兰州大学硕士学位论文 信息就可以迅速报告给医生和护士。甚至病人在家里进行监护得到的信息f 如： 心脏监护仪、胎儿监护仪等) ，都可以通过网络实时传递。 ( 3 ) 智能交通领域 智能交通系统是数字城市交通的“主旋律”。智能交通系统是把人、车、路 整个综合运输系统智能化，最终建成自动交通系统。它包括：高速公路、过桥、 停车场等的自动收费系统，驾驶情报系统，辅助驾驶系统。 ( 4 ) 教育和办公领域 由于学校、机关、公司、商业网点具有良好的网络布线，采用嵌入式以太 网设备可大大降低使用p c 的成本。嵌入式系统与d s p 的结合，在语音和图像 方面的能力日益强大，因此在网络流媒体的应用上，嵌入式i n t e m e t 大有用武之 地。 ( 5 ) 工业控制领域 i n t e m e t 概念的出现和网络技术的实施，为工业控制系统提供了新的发展空 间，也提供了新的技术支持。网络控制在i n t e r a c t 技术支持下，已经从高成本的 复杂系统变成了低成本的控制系统。可以断言，控制系统的网络化时代己经来 临。 。 当前，i n t e m e t 的i p 协议处在i p v 4 协议到i p v 6 协议的过渡时期，随着嵌入 式i n t e m e t 的发展，越来越多的嵌入式设备都需要接入i n t e r n e t 进行信息交互。 因此，现有的i p 地址资源将受到严重的挑战，四地址资源的欠缺将成为嵌入式 i n t e m e t 发展的一道屏障，随着i p v 6 协议的逐渐应用，冲地址资源的缺乏将得 到彻底改善，嵌入式i n t e m e t 也将得到进一步发展。i p v 6 主要用来解决i p v 4 地 址资源缺乏的问题，i p v 4 的地址域长度为3 2 位，而i p v 6 的地址域长度为1 2 8 位，因此i p v 6 能为世界上任何潜在的网络用户提供地址。在实际生活中，嵌入 式系统无处不在，i p v 6 可为每个嵌入式系统提供用以接入i n t e r n e t 的i p 地址， 因此，嵌入式i n t e m e t 的范围将是巨大的，可以渗透到世界的各个地方。 1 - 3 基于i n t e r n e t 的远程监控系统及其框图 基于i n t e r n e t 远程监控系统的一般结构如图1 1 所示。它主要由以下几部分 组成：远端数据采集设备；w e b 服务器；互联网；监控设备和浏览器等。 兰州大学硕士学位论文 远 w e b 浏 端服览 数 1卜、1卜 器 据 务 互联网) 和 采 厂 监 集控 设器 器 备 图1 1i n t e r a c t 的远程监控框图 现场数据采集设备，采用传感器结合嵌入式系统完成现场设备的数据采集 和监测控制，同时，设备运行状态通过以太网传送到远程监控设备处理和显示。 互联网是数据主通道，由于目前局域网广泛采用以太网技术，较a t m 成本 低、易实现，且以太网技术发展迅速，吉比特以太网产品已推向市场，并向下 兼容，可以采用全双工通信，消除发生冲突的可能。 远程监控设备可以进行简单的故障检测和分析，把结果告诉现场监控设备， 或通过t e l n e t 技术直接控制调整现场设备。浏览器可以是授权的客户，允许通 过h t t p 查看或调度系统资源信息，优化系统整体运作。 1 4 本文的研究内容及意义 本文探讨了基于互联网的远程数据采集的实现方法，主要是嵌入式w e b 服 务器的实现，详细介绍了嵌入式t c p i p 协议的实现方法，用该方法和技术设计 实现了嵌入式w e b 服务器，利用单片机现场采集温度数据，实现了远程数据的 采集和监控。 1 5 本章小结 在绪论中主要介绍了i n t e r n e t 技术和嵌入式技术的国内外发展现状，鉴于 目前i n t e r n e t 技术是处在第二阶段向第三阶段的过渡时期，所以本文我所做的 工作将是对嵌入式i n t e r n e t 技术的研究。 6 兰州大学硕士学位论文 2 1 概述 第2 章网络通信t c p i p 协议 w e b 作为i n t e m e t 的重要应用，其基础是t c p i p 协议。目前，基于w e d 页 面访问的应用都是基于超文本传输协议h t t p 协议，在下层使用传输控制协议 t c p 协议。嵌入式系统只有实现t c p i p 协议后才能够提供w e b 服务，而标准 的t c p i p 协议比较复杂，不能直接在嵌入式系统中实现，所以要对标准的 t c p i p 协议进行简化。去除在嵌入式系统中不需要的部分，在具体实现时进行 合理的简化，实现其最基本的功能，降低对程序和数据存储器容量以及运行速 度的要求，开发出一套适合嵌入式系统的t c p i p 协议。使增强型的8 1 6 位 嵌入式系统能够实现t c p i p 协议，为客户提供w e b 服务。人们在远程能通过 幢浏览器查看嵌入式系统的实时状态并进行监测、控制、诊断和配置等操作。 嵌入式t c p i p 的实现是嵌入式i n t e m e t 的关键之一，也是目前人们研究的热点。 2 2 标准t c p i p 协议体系 2 2 1t c p i p 层次结构 网络协议通常分层次进行开发，每一层负责不同的通信功能。个协议组 件，比如t c p i p ，是一组不同层次上的多个协议的组合。t c p i p 通常被认 为是一个4 层协议系统，每一层负责不同的功能，其层次结构如图2 1 所示。 2 2 2 数据链路层 数据链路层也称网络接口层，是为网络层提供服务的。其基本服务是将源 机器来自网络层的数据传输给目的机器的网络层。在源机器上的网络层有一个 实体，称为进程，它把一些比特交给数据链路层，以便传输到目的机器上。数 据链路层的工作是把这些比特传输给目的机器，从而交给那里的网络层。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 兰州大学硕士学位论文 r - - 一- 固圃l 匡夏习 lf t p s m t pli t e l n e t ff h t t p ji t f t p i 一一一一 l 菌 iu 嘉【i 传输层l 一l ，一 l i c m p jl ，rli a r p fl r a r p il 网络层l i 数据链路层i 数据链路层l 图2 1t c p f l p 协议层次结构图 们一起处理针对电缆( 或其他任何传输介质) 的物理接口细节。 以太网是目前应用最广泛的一种局域网，它的数据链路层把物理层数据传 输过程与上层的服务和要求紧密结合，为数据链路的建立、维护和拆除确定了 操作规程。在发送帧时，数据链路层先接收客户数据并将此数据组成以太网帧， 然后交给物理层以便在网络上传播。接收帧时先从物理层收到一个以太网帧， 分析帧中的地址是否与上层地址相同，然后将有相同地址的帧交给上层，而丢 弃那些不是本站接收的帧。 以太网数据链路层采用c s m a c d ( 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 h c o l l i s i o nd e t e c t i o n ，冲突检测载波监听多点访问) 方式访问和控制介质。 c s m a c d 方法是一种非确定性或随机性通信方式，各个节点采用b e b ( b i n a r y e x p o n e n t i a lb a c k - - o f f 二进制指数反馈算法) 处理冲突。 其基本工作原理是：某节点要发送报文时，首先监听网络，如网络忙，则 等到其空闲为止，否则将立即发送，并同时继续监听网络；如果有两个或更多 的节点监听到网络空闲并同时发送报文，将会发生碰撞，此时节点立即停止发 送，并等待段随机长度的时间后重新发送。1 6 次碰撞后，控制器将停止发送 并向该节点处理器回报失败信息。 c s m a c d 的优点是原理比较简单，技术上较易实现，网络中各节点处于 兰州大学硕士学位论文 同等地位，不需要集中控制、预先分配节点位置。其缺点是这种方法不能提供 优先级控制，各节点争用总线，冲突的产生具有很大的随机性，当网络负荷增 大时，发送信息的等待时间较长。 2 2 3 网络层 网络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 i p 协议中， 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) 、a r p ( 地址解析协议) 以及r a r p ( 反向地址解析协议) 。 1 i p 协议( 网际协议i n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) i p 是t c p i p 协议中最为核心的协议。所有的数据都以i p 数据报格式传输。 i p 协议主要功能有：无连接数据报传送、数据报路由选择和差错控制。口不能 保证数据报能成功地到达目的地，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：丢弃该数据 报，然后发送i c m p 消息报给信源端。任何要求的可靠性必须由上层来提供( 如 t c p ) 。无连接意味着i p 不需要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，p 数据报可以不按发送顺序接收。 i p 数据报以3 2 比特为一计数单位( 组) ，其格式如表2 1 所示。每组分成 若干个字段分别表示不同的意义。 表2 1i p 数据报格式 0481 61 92 4 3 l i 版本 i 头长度l 服务类型 总长度 l标识 dm 段偏移 i生命期协议头校验和 源地址 目的地址 可选项 数据 版本：记录数据报的协议版本，通过该字段可以在不同版本协议之间传输 数据。 头长度：表示i p 报头的长度( 以组为单位) ，取值为5 1 5 ，缺省为5 。i p 报头包括了选项、选项占据的长度由本字段指明，当没有选项时，本字段的值 9 兰州大学硕士学位论文 为5 。 服务类型：其格式为p p p d n o ，其中p p p 定义了优先级，d 为延迟，t 为吞吐量，r 为可靠性。d 、t 、r 取0 表示低，取1 表示高，主机通过此字段 告诉子网所要求的服务，优先级、延迟、吞吐量、可靠性可任意组合。 总长度：指i p 数据报以字节为单位的总长度，最大6 4 千字节。实际上超 过5 7 6 字节( 5 1 2 字节数据+ 6 4 字节报头) 时就需协商，由于i p 报头通常只有 2 0 字节，最长6 0 字节，5 7 6 字节意味着数据域中含有高层协议的报头。 标识：数据报的编号。当把一个数据报分成多个段时，属于同一个数据报 的多个i p 数据报的标识字段值相同。标志字段：d 位表示数据报是否可分段， 为0 时表示不能分段，因为目的端可能不能重新装配段。m 位表示是否为最后 一个段，为0 时表示是最后段。当有n 个段时，前n 1 个段的m 位都为l 。 段偏移：本数据相对于其所属数据报起点的偏移量，以8 字节为单位，即 计算偏移值时应乘以8 。生命周期：用来限制数据报的生命周期的计数器。一 般以秒为单位，每经过一个节点都递减1 ，在等待时可加倍递减。当该字段值 为0 时就将其丢弃，以防止数据报在网中无限制地漫游。 协议：该字段指明数据报应该传给哪些传输进程，用编号表示。如t c p 为 6 ，u d p 为1 7 等。具体编号在r f c l 7 0 0 中定义。 头校验和：i p 数据报头部的校验和。该字段在每个节点都必须重新计算， 因为生命周期字段的值经过每个节点时都发生了变化。 源地址和目的地址：分别表示源节点、目的节点地址。 选项：可选内容，最多l o 组共4 0 字节，为后续版本提供新的功能而预留， 或者为特定的应用提供一种灵活性，以避免为了支持少数应用丽增大头部长度。 2 i c i p 协议( 互联网控制报文协议i n t e r n e tc o n t r o lm e s s a g e sp r o t o c 0 1 ) 因特网的操作被路由器严密的监视。当发生意外事故时，这些事件由i c i v l p 报告，可用来检测因特网。大约定义了1 2 种i c m p 消息类型，最重要的i c m p 类型如表2 2 所示，每个i c i v i p 消息类型都被封装于i p 分组中。 3 a r p 协议( 地址解析协议a d d r e s sr e s o l u t i o np r o t o c 0 1 ) 数据链路层为了解决把高层地址映射到物理地址的问题，即地址转换问题， 采用了地址解析协议( a r p 和r a r p ) ，为两种不同的地址形式3 2 位的i p 1 0 兰州大学硕士学位论文 地址和数据链路层使用的各种类型的地址提供映射。 表2 2 主要的i c m p 消息类型 i 消息类型描述 l 不可达目的地分组不能被提交 超时生命期字段为0 参数问题无效的头字段 源端控制控制分组 重定向告诉路由器有关地理路线 回声请求向一个机器发出请求看是否还活 4 r a r p 协议( 反向地址解析协议r e v e r s ea d d r e s sr e s o l u ti o np r o t o c 0 1 ) 网络上的每个系统都具有唯一的硬件地址，它是由网络接口生产厂家配置 的。无盘系统的r a r p 实现过程是从接口卡上读取唯的硬件地址，然后发送 一份r a r p 请求，请求某个主机响应该无盘系统i p 地址。 2 2 4 传输层 因特网在传输层有两种主要的协议：一种是面向连接的协议，一种是无连 接的协议。面向连接的协议是t c p 协议，无连接的协议是u d p 协议。 1 t c p 协议( 传输控制协议t r a n s f e rc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) t c p 协议是专门设计用于因特网上提供可靠的、端到端的字节流通信的协 议。因特网不同于一个单独的网络，不同的部分可能具有不同的拓扑结构、带 宽、延迟、分组大小以及其他特性。t c p 被设计成能动态满足互联网的要求， 并且能足够健壮的面对各种出错。它具有5 个特征：面向数据流、虚电路连接、 有缓冲的传送、无结构的数据流和全双工连接。一旦数据报被破坏或丢失，则 将重新传输。t c p 数据报格式如表2 _ 3 所示： 每个t c p 段都包含源端和目的端的端口号，用于寻找发送端和接收端的应 用进程。这两个值加上i p 报头中的源端i p 地址和目的端i p 地址，唯一确定一 个t c p 连接。 序列号：用来标识从t c p 发送端向t c p 接收端发送数据的字节流。它表示 在这个报文段中的第一个数据字节的编号。确认序号包含发送确认的一端所期 望收到的下一个报文的序号。 兰州大学硕士学位论文 表2 3t c p 数据报格式 048 1 6 3 1 源端口目的端口 序列号 确认号 头长度保留| 标志 窗口 校验和紧急指针 数据和选项 头长度：用于表示头部包含3 2 字节组的个数，因为头部包括可选项，造成 头部的长度不固定，因而该字段是必须的。紧急指针是一个正的偏移量，与序 列号中的值相加表示紧急数据最后一个字节的序列号。 2 u d p 协议( 用户数据报协议u s e rd a t a g r a mp r o t o c 0 1 ) u d p 向应用程序提供了一种发送封装原始i p 数据报的方法，发送时无须建 立连接。u d p 是i p 之上的最小服务，只在i p 上添加了个报头，其中包括端 口号和数据校验和。相对于i p 协议，u d p 唯一增加的功能是提供协议端口，以 保证进程通信。u d p 是不可靠的协议，因此基于u d p 的应用程序在不可靠的 子网上必须自行解决可靠性问题。u d p 的优点在于高效率，因为它不必建立和 释放连接，节省了很多开销，因此在许多对实时性要求高于对可靠性要求的情 况下，多使用u d p 协议进行通信。很多有一个请求和一个响应的客户服务 器应用程序采用u d p ，避免建立连接和释放连接的麻烦。另外，u d p 还可用于 多点传送和组播。u d p 协议格式如表2 4 所示 表2 4u d p 协议格式 l 源端口 目的端口 lu d p 长度u d p 校验和 l数据 u d p 数据段包括一个8 字节的头和数据部分。两个端口( 源端口、目的端 口) 的作用与t c p 中的相同，是用来标明源端口和目的端口的两个端点。u d p 长度字段指包括8 字节的头及数据段的长度。 2 2 5 应用层 h t t p 协议( 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) 1 2 兰州大学硕士学位论文 h t t p 是从客户服务器模型上发展起来的。客户和服务器是一对相互通信 的程序，客户欲与服务器连接，首先要向服务器提出请求，服务器根据请求完 成处理并给出响应。 归纳起来，h t t p 有如下6 个重要特点： ( 1 ) 采用客户服务器模型：h t t p 的设计支持客户且匪务器通信，注重超 文本数据的传输。单个服务器可以为世界范围内众多的客户提供信息服务。 ( 2 ) 简易性：h t t p 协议使得1 】r 孵服务器能够高速地处理大量请求，客户 通过发送请求方式和u r l ( u n i f o r mr e s o u r c el o e a t o r ，统一资源定位符) 等 规格化信息就能指明服务。 ( 3 ) 灵活性与可扩展性：h t t p 允许传送任意类型的数据，在h t t p 信息包 中，通过内容类型标识可以定义传输的数据类型，不同的数据贴上不同的标 签，就可指明操作方法。 ( 4 ) 无连接性。 ( 5 ) 无状态性。 ( 6 ) 可协商性。 h t t p 的基本工作模式 ， 在网络协议的各个层次中，h t t p 处在应用层，建立在t c p 上面，它面向对 象的特点和丰富的操作功能，适用于分布式系统和多种类型信息处理的要求。 由于其无状态的特点，因此其协议形式简单，易于实现。而且h t t p 还可以作为 其他应用层协议联系的中间协议。 h t t p 的基本工作模式十分简明，如图2 6 所示。在一条连接上，客户方向 服务方发送一个请求，服务方接收请求并进行处理，然后返回一个响应。其中 连接是传输层的虚电路，建立在客户方和服务方之间，用以传递消息。信息在 连接上传递时，采用一定语法格式，称为消息。消息又分为两种：由客户方发 送的请求和由服务方返回的响应。客户方和服务方是在一条特定连接上通信双 方的角色，对于一个应用程序而言，它可能与其他多个程序有多个连接，可能 在一条连接上是服务方，而在另个连接上，又扮演客户方的角色。 兰州大学硕士学位论文 客户方 连接c o n n e c t i o n 。 服务方 响应r e s n n i m e 2 3 嵌入式t c p i p 协议 图2 2h t t p 工作模式图 嵌入式i n t e r n e t 的技术核一t l , 是在嵌入式系统中部分或完整地实现t c p i p 协议。标准t c p i p 协议机制比较复杂，它的实现对处理器的存储能力和运算 能力要求较高。而在嵌入式系统中，由于资源有限特别是其存储器、运算 器的限制，实现完整的t c p 协议较为困难，必须将协议简化，开发一套嵌入式 t c p i p 协议。 2 3 1l w i p 协议栈( al i g h tw i g h tt c p i ps t a c k ) 1 w i p 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 rs c i e n c e ) 的a d a md u n k e l s 等开发的一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 既可以移植到操作系统上，又可以在无操作系统的情况下独立运行l w i p 的特性如下： ( 1 ) 支持多网络接口下的i p 转发 ( 2 ) 支持i c m p 协议 ( 3 ) 包括实验性扩展的的u d p ( 用户数据报协议) ( 4 ) 包括阻塞控制，r t t 估算和快速恢复和快速转发的t c p ( 传输控制协议) ( 5 ) 提供专门的内部回调接口( r a wa p i ) 用于提高应用程序性能 ( 6 ) 可选择的b e r k e l e y 接口a p i ( 多线程情况下) ( 7 ) 动态分配i p 地址 ( 8 ) 新版本中增加了的i pf r a g m e n t 的支持 l w i p 的t c p i p 协议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 左右大r o m 就可以运行，这 1 4 兰州大学硕士学位论文 使l w i p 协议栈适合在嵌入式系统中应用。 2 3 2u n i p 协议栈 t m i p 是运行在凌阳公司u n s p 系列单片机上的一个精简t c p h p 协议栈。 协议栈的初始版本由n v i p 移植而来，之所以不沿用l w l p 的名字是因为移植工 作不仅仅只是l w l p 说明的a r c h 目录下的改动，c o r e 部分也做了不少的修改以 适应u n s p 的1 6 b i t 的特性( u n s p 并不具有8 b i t 的数据类型，地址也是以1 6 b i t 为单位) ，因此u n i p 与l w i p 并不兼容，此外，增加了d n sc l i e n t ( 域名解析客 户端) 到协议栈中，综合以上原因，给本协议栈重新命名为u n i p ，特指是运行 于u n s p 系列单片机之上的网络协议栈。 1 u n i ps t a c k 的特性 u n i ps t a c k 从资源消耗来说是一个精简的协议栈，而协议栈的实现却是非 常的完整，表2 5 所示就是本协议栈所具有的所有特性： 表2 5u n i ps t a c k 特性表 特性u a i ps t a c k 多网络接口( e m e m e t ，s l i p ) 支持 a r p 支持 i p ( 不支持i p 分片与重组)支持 i c m p ( 包括e c h o ，和d e m a r i o nu n r e a c h )支持 u d p ( 包括u d pc h e c k s u m 的计算)支持，可选 t c p 选项( 只支持最大报文段长度m s s )支持 t c p 滑动窗口支持 t c p 慢启动、拥塞避免支持 t c p 快速重传、快速恢复支持 t c p 错序数据重组支持，可选 t c p 紧急数据( u r g e n td a m )支持 往返时间估计( r t t )支持 d h c p 客户端( 可自动获取网络设置)支持，可选 d n s 客户端( 可解析普通域名以及邮件地址n i x 记录)支持，可选 模式化以及非模式化缓冲区存管理支持 动态内存管理支持，可选 原始a p i ( 网络编程)支持 u n i ps t a c k 运行需要如下的硬件配置： u n s p 系列1 6 位单片机( 目前支持凌阳的s p c e 0 6 1 ，s p l l 6 2 5 6 ) ，需要以太 网控制器( 目前支持d a v i e o m 公司的d m 9 0 0 0 ) ，或者利用串口直接通过s l i p 与 兰州大学硕士学位论文 p c 机联网( 串口会被占用) 。协议栈本身需求r o m 空间为2 1 kw o r d ，r a m 消耗 可配置，r a m 的消耗依据配置的不同可以为4 0 0 w o r d 至6 0 0 w o r d 左右。 2 协议栈的a p i 说明( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e 应用编程接口) 目前协议栈是以库的形式提供给的，对协议栈的使用也就是对协议栈所提 供的各种a p i 的调用。此协议栈的a p i 函数总共分7 部分，包括网络接口层、 动态