（计算机应用技术专业论文）嵌入式系统中ipv6协议栈的研究与实现.pdf

嵌入式系统中i p v 6 协议栈的研究与实现 摘要 随着嵌入式技术与网络技术的迅猛发展，将嵌入式系统连接进入i n t e r n e t 网络成为发展的必然，这样有利于控制网络与信息网络彼此互连，一方面扩大 了控制网络的可控范围，另一方面拓展了信息网路的信息资源。i n t e m e t 网络向 i p v 6 过渡势在必行，嵌入式系统连接i p v 6 网络成为发展的必然趋势。本文重点 设计并实现了一个通用的可以运行于不同嵌入式操作系统平台上的精简i p v 6 协 议栈，该协议栈的完成为嵌入式系统连接i p v 6 网络提供了一种简单、可行的实 现方案。 本文的主要工作包括对嵌入式系统的网络化发展趋势进行研究分析，对下 一代互联网技术i p v 6 的研究分析，得出了嵌入式系统连接i p v 6 网络这一发展 方向。本文在讨论了嵌入式系统连接l p v 6 网络的意义、特点和现有实现方案的 基础上，完成了嵌入式i p v 6 协议栈的设计和实现工作，提出了i n t e m e t 网络上 的“客户机瘦服务器”工作模型，并利用a r m 和u c o s _ i i 的实验环境实现了 一个运行于i p v 6 网络的嵌入式瘦服务器网络温度计，并搭建了一个简单的 实验环境，通过网络温度计的工作情况来分析协议栈的实现情况，并对实验结 果做出了必要的分析。 本文提出了具有平台无关性的嵌入式i p v 6 协议栈的概念，提出了i n t e m e t 网络中的“客户机瘦服务器”的工作模型，并实现了他们的一个应用实例。 关键词：因特网，嵌入式系统，t c p f l p v 6 协议栈，瘦服务器，网络温度计 i v t h er e s e a r c ha n d i m p l e m e n t a t i o no fi p v 6s t a c kf o r e m b e d d e ds y s t e m a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ee m b e d d e ds y s t e ma n dt h ei n t e m e t ，e m b e d d e d s y s t e mw i l lb ee q u i p p e dw i t hi n t e r a c ta c c e s si nt h en e a rf u t u r e t h ec o m b i n a t i o no f e m b e d d e ds y s t e ma n di n t e r n e tc a nm a k et h ec o n t r 0 1n e t w o r ka n dt h ei n f o r m a t i o n n e t w o r kt o g e t h e r ii tw i l lp r o v i d em o r ei n f o r m a t i o nt ob o t ho ft h en e t w o r k 功e i n t e m e ti sd e v e l o p i n gf r o mi p v 4t oi p v 6 ，s oe m b e d d e ds y s t e m sw i l ls u p p o r ti p v 6 t o o t h ee m p h a s i so ft h ed i s s e r t a t i o ni st od e s i g na n di m p l e m e n ta ni p v 6s t a c k t h e i p v 6s t a c kc a nb er u no nd i f f e r e n te m b e d d e ds y s t e m s t h ei m p l e m e n t a t i o no ft h e i p v 6s t a c kg i v e sas i m p l ea n df e a s i b l ew a yt oc o n n e c te m b e d d e ds y s t e m st oi p v 6 n e t w o r k s t h i sd i s s e r t a t i o nh a sd o n es o m ea n a l y s e sa n dr e s e a r c hi nt h ef i e l d so f e m b e d d e d s y s t e ma n dn e t w o r k i ta l s of b c u s e so ni p v 6 b a s e do nt h i sr e s e a r c h w ec a r ld r a wa c o n c l u s i o nt h a te m b e d d e ds y s t e mw i l ls u p p o r ti p v 6c o n n e c t i o n si nt h ev e r yn e a r f u t u r e a n di ti sw o r t ht od or e s e a r c hi nd e p t h t h i sd i s s e r t a t i o nd i s c u s s e st h e s i g n i f i c a n c ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ee m b e d d e di p v 6t e c h n o l o g y a l s o ，i t d i s c u s s e sd i f f e r e n tw a y so f i m p l e m e n t i n ge m b e d d e di p v 6t e c h n o l o g y a n dt h e n ，t h i s d i s s e r t a t i o n d e s i g n s a n di m p l e m e n t sa ni p v 6s t a c k an e ww o r km o d e l 一“c l i e n t t h i ns e r v e r i sp r o p o s e d i nt h ee n d t h i sd i s s e r t a t i o nr e a l i z e sa no n l i n e t h e r m o m e t e r t h eo n l i n et h e r m o m e t e ri sc o m p o s e do f a r m ，u c o s j ia n dt h ei p v 6 s t a c k as i m p l ee x p e r i m e n tn e t w o r ki sc o n s t r u c t e d t h eo n l i n et h e r m o m e t e rc a nw o r k i nt h en e t w o r k b yt h i sw a y ；w ec a nk n o wh o wt h ei p v 6s t a c kw o r k s 。 t h i sd i s s e r t a t i o np u tf o r w a r dt h ec o n c e p t i o no fe m b e d d e di p v 6s t a c k t h e m o d e lo f “c l i e n t t h i ns e r v e r i sa l s ot h ef i r s tb e i n gp r o p o s e d 。a n dt h e nau s e i n g e x a m p l e i sr e a l i z e d k e yw o r d s ：i n t e m e t ，e m b e d d e ds y s t e m ，t c p i p v 6s t a c k ，t h i ns e r v e r , o n l i n e t h e r m o m e t e r v 图表清单 图1 1 典型的嵌入式系统组成结构一2 图2 1 i p v 4 与i p v 6 中i p 数据包报头格式的比较1 3 图2 2嵌入式t c p i p v 6 协议与t c p i p 协议各层比较1 5 图2 3 基于e m i t 技术的嵌入式因特网方案示意图1 6 图2 4 单片机程序中实现网络协议的嵌入式i n t e r n e t 方案示意图1 7 图3 1嵌入式i p v 6 协议栈在i p 网络中的位置2 0 图3 2嵌入式系统的分层结构图2 1 图3 3t c p i p v 6 协议栈的分层结构2 l 图3 4 i p v 6b u f 数据结构2 4 图3 5无状态地址自动配置流程图2 6 图3 6网络接口层函数调用关系图2 8 图3 7i p v 6 模块函数调用关系2 9 图3 8i c m p v 6 协议完成地址自动配置功能的过程3 1 图3 9i p v 6 伪首部3 2 图3 1 0t c p 模块函数调用关系图3 4 图3 1 1 协议栈各部分所占比重3 6 图4 1网络温度计的组成3 9 图4 2网络温度计工作流程4 0 图4 3 $ 3 c 4 4 8 0 开发板的实物图4 l 图4 4系统硬件结构4 2 图4 5u c o s i i 的文件结构以及与硬件的关系4 3 图4 6u c o si i 中任务堆栈排列顺序4 5 图4 7客户端程序界面4 9 图4 8实验环境s 0 图4 9w i n d o w s 环境下测试目标系统的可达性5 1 图4 1 0l i m l x 环境下测试目标系统的可达性5 1 图4 1 1 截获i c m p v 6 数据包的细节5 2 图4 1 22 号数据包详细信息5 3 图4 1 3 使用t c p 协议获取温度( 温度发生变化前、后) 5 4 图4 1 4 嵌入式i p v 6 协议栈实现的t c p 数据包细节5 4 图4 1 5 使用u d p 协议获取温度( 温度发生变化前、后) 5 5 图4 1 6 嵌入式i p v 6 协议栈实现的u d p 数据包细节5 5 表3 1各部分代码比例3 6 表4 1v c + + 环境下的i p v 6 a p i 4 8 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，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，也不包含为获得 盒胆王些叁堂或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名 矾警 签字日期：d 6 寸月矿 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解佥目e 王些态堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。允许论文被查阅和借阅。本人授权金 胆王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期：0 6 年j 翮| 兰 月抄 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： i i i 导师签 签字日期：口6 年。忙4 自 电话： 邮编： 致谢 在论文完成之际，首先要感谢我的导师韩江洪教授，本论文的完成凝聚了 韩老师的悉心教导。从论文的选题、论文构架到论文的完成都受到了韩老师的 指点。自从我进入研究生学习阶段以来，韩老师渊博的知识、严谨的治学态度、 敏锐的学术视角、积极进取的科研精神深深地打动着我的心灵。韩老师不光是 在学术上有着高尚的职业准则，更是在做人方面对我有着深刻的影响，他谦虚、 执着、低调的为人处世方式，使得工作在他周围的人都被他的人格魅力所深深 吸弓l ，他会是我一生的学习楷模。在此谨向韩老师在我三年的学习、生活中给 予的帮助表示由衷的感谢，能有机会接触这种高尚人格的导师是我一生的荣幸。 我还要感谢三年以来关心和帮助过我的张利教授和张建军副教授，无论是 在生活上、学习上还是在为人处事方面，他们都给与了我很大的帮助。两位老 师的教导我一定铭刻于心，在此对两位老师的教导致以诚挚的谢意。 我还要特别感谢魏振春老师在这三年中给与我的帮助和教导，三年来，在 我科研方向的选择，论文实验的完成过程中都得到了魏老师无微不至的关怀， 在技术上，魏老师也一次又一次地帮助了我度过了许多难关，在此我对他表示 深深的感谢。 此外，本论文的完成过程中，还受到了李正荣、陈花、金浩、王炯等众多 同学的无私帮助，我对他们的帮助表示真诚的感谢。 最后，我要感谢我的家人，家人的关爱是我能顺利完成漫漫求学之路的坚 实后盾，感谢我亲爱的家人! v i 作者：石小兰 2 0 0 6 年5 月 第一章绪论 1 1 嵌入式系统及其网络化趋势 1 1 1 嵌入式系统概述 嵌入式系统被定义为以应用为中心和以计算机技术为基础的，并且软硬件 是可裁剪，能够满足应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等指标严格 要求的专用计算机系统i l l 。嵌入式系统不同于一般p c 机上的应用系统，它通常 是面向特定应用的，是针对具体环境而设计的，嵌入式应用之间的差别很大， 他可以实现对其他设备的控制、监视和管理等功能。随着信息技术的发展和数 字化产品的普及，嵌入式系统得到了广泛深入的应用，从消费电器到工业设备， 从民用产品到军用器材，嵌入式系统被应用到网络、手持通信设备、国防军事、 消费电子和自动化控制等各个领域1 2 。嵌入式系统的广泛应用前景和发展潜力 使其成为2 1 世纪的应用热点之一。 嵌入式系统的硬件部分是以嵌入式处理器为中心，由存储器、f o 设备、通 信模块以及电源等必要的辅助模块组成。嵌入式系统是量身定做的专用计算机 应用系统，实际应用的嵌入式系统硬件配置非常精简，除了微处理器和基本的 外围电路以外，其余的电路都可根据需要和成本进行裁剪、定制，非常经济、 可靠。 嵌入式系统软件部分设计也是根据具体的应用来完成的，在设计一个简单 的嵌入式系统的应用程序时，可以不使用操作系统，但在设计较复杂的嵌入式 系统时，通常使用一个嵌入式操作系统来管理和控制内存、任务、周边资源等。 对于使用操作系统的嵌入式系统来说，嵌入式系统软件结构一般包含三个层面： 设备驱动层、实时操作系统r t o s 、实际应用程序层，其结构如图1 1 上半部分 所示。当然也有一些书籍将应用程序接口a p i ( a p p l i c a t i o n p r o g r a m m i n g i n t e r f a c e ) 从操作系统层分离出来，作为软件部分的一个独立的层次。 图1 1 典型的嵌入式系统组成结构 从前面对嵌入式系统的定义可以看出嵌入式系统的几个重要特征为专用性 强，系统精简，内核较小，实时性强和稳定性好o l 。 专用性强：嵌入式系统是以应用为中心的，软硬件的设计都围绕着这个中 心展开，这是与通用的计算机的根本区别。 系统精简：由于嵌入式系统具很强的专用性和针对性，在软硬件的设计上 尽可能地精简，做到利用尽可能小的资源来实现既定的功能，这样能够达到减 小系统体积，降低系统成本的目的。 系统内核小：许多嵌入式系统带有操作系统，但是由于嵌入式系统的资源 有限，因此嵌入式系统所应用的操作系统的内核尽可能地小，只要能满足系统 的功能需求即可。 实时性强：实时性是嵌入式系统的一个重要特点。实时性指的是在规定的 时间里完成规定的任务，分为硬件实时性和软件实时性。 稳定性好：由于嵌入式系统结构精简，专用性强，因此系统的稳定性很好。 1 1 2 嵌入式系统的网络化趋势 自从1 9 7 6 年i n t e l 公司的m c s 4 8 系列单片机问世以来”】，嵌入式系统得到 了广泛的应用，汽车、家电、通信装置以及成子上万种的产品可以通过内嵌单 2 片机来获得更好的使用性能和更低廉的价格，目前，嵌入式系统已经广泛应用 于金融、航天、通信、信息家电、医疗、军事、工业控制等各行各业【s 】。然而 单独的嵌入式系统功能有限，许多应用领域要求嵌入式系统具有良好的网络化 性能，如：运行嵌入式系统的控制现场往往远离数据处理现场，所以人们开始 设法让嵌入式系统向网络化的方向发展。 刚开始人们利用各种局部总线技术如c a n 、r s - - 2 3 2 、r s l 4 8 5 等，将多 个嵌入式系统组成局域网，实现嵌入式系统的远程访问与控制，然而这种局域 网的通信距离、应用空间都非常有艰，针对不同的应用要求开发不同的局域网 联网方式，不具有通用性。而嵌入式系统的远程访问和控制的发展日新月异， 他们都要求嵌入式系统具有更商的可靠性、安全性以及更一般的通信协议、更 长的通信距离、和更大的控制范围，由此人们将目光投向了i n t e m e t 网络。i n t e m e t 是世界上最大的计算机网络，具有丰富的信息资源，它覆盏全球，如果能使嵌 入式系统置身于i n t e m e t 网络，人们将会更加方便地对嵌入式系统进行远程访问 与控制，甚至，嵌入式系统之间也可以进行对等通信。网络专家预测，将来在 i n t e m e t 上传输的信息中，将有7 0 的信息来自小型嵌入式系统1 5 1 ，嵌入式系统必 将与i n t e m e t 完美融合。 由此人们开始寻求嵌入式系统与i n t e m e t 的连接方法，于是嵌入式i n t e m e t 技术诞生了。简单来讲，嵌入式i n t e m e t 技术就是将嵌入式系统接入i n t e m e t 网 络，并通过网络对其进行访问和控制的技术【6 】。 1 , 2 嵌入式系统连接i n t e r n e t 网络 1 2 1 嵌入式系统连接i n t e r n e t 的意义 相对于嵌入式系统的其他联网方式来说，使用i n t e m e t 网络连接具有扩展性 强、可靠性好、成本低廉等特点，并拥有大量的网络管理工具 7 1 。如果每个需 要连网的嵌入式系统都具有i n t e m e t 通信接口，能够简单地完成与i n t e r e n t 网络 的连接，不管是对于嵌入式控制领域还是对于n t e m e t 信息网络领域都具有重大 的意义a 在控制领域里，可以轻松地实现企业的管理网络与生产控制网络的无 缝连接，使企业的管理者在第一时间了解到生产情况，同时还可以通过i n t e m e t 真正实现异地控制管理生产设备。在i n t e m e t 信息网络中，不但可以获取来自于 大型服务器的信息服务，还可以获取来自于嵌入式系统的实时信息，这些实时 数据信息具有准确、量大、完整的特点，他们中的许多内容都是大型服务器无 法提供的。 回顾一下i n t e m e t 的发展历史，不难发现i n t e m e t 经历了8 0 年代的萌芽阶段 和9 0 年代的快速发展阶段后正在快速进入其发展的第三阶段。有人将其称为“嵌 入式i n t e m e t ”时代，届时地球将被披上一层“电子皮肤”【8 】，大量的嵌入式系 统通过i n t e m e t 自动、实时、方便、简单地传送人们所需要的各种信息，同时这 些智能设备通过网络相互通信，自动操作，而无需人工操作。因此，研究嵌入 系统接入i n t e m e t 具有很大的现实意义，和广泛的应用前景，其应用领埘9 】可以 包括： 智能公路：交通管理、车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务： 植物工厂：特种植物工场，如实现野生名贵药材的远程监控培养和种植， 无土栽培技术应用，智能种子工程等； 虚拟现实( v r ) 机器人：交通警察、门卫、家用机器人等： 信息家电：冰箱、空调等的网络化； 工业制冷：冷库、中央空调、超级市场冰柜； v r 库房：粮库、油库、食品库等； v r 精品店：客户可以在i n t e r a c t 上实时地看到存货状况； v r 家政系统：水、电、煤气表的自动抄表，安全防火、防盗系统； 工业自动化：目前已经有大量的嵌入式微控制器在应用中，网络化是提高 生产效率和产品质量、减少人力资源的主要途径，如制药工业过程控制、电力 系统、电网安全、电网设备监测、石油化工系统： p o s 网络及电子商务：公共交通无接触智能卡( c o n t a c f l e s ss m a r t c a f d ，c s c ) 发行系统，公共电话卡发行系统，自动售货机； 环境工程与自然：水文资料实时监测，防洪体系及水土质量监测、堤坝安 全，地震监测网，实时气象信息网，水源和空气污染监测。 1 2 2 嵌入式i n t e r n e t 的概况 二十世纪八十年代以来，i n t e m e t 取得了飞速的发展，现已成为信息流通的 重要渠道，是社会重要的基础信息设施之一。顺应“网络服务”向“网络应用” 扩展的大潮，大量的嵌入式设备。妇仪器仪表、数据采集和显示、过程控制、 工业自动化、家庭自动化等的实时应用将成为i n t e m e t 发展的沃- i - 9 1 1 0 l 。 中国计算机学会( c h i n a c o m p u t e r f e d e r a t i o n ) 于1 9 9 9 年6 月举行了“嵌入式 系统及产业化在中国的发展前景”研讨会，专家们探讨了嵌入式系统在当今计 算机工业中的地位及其网络化问题，认为下一代网络设备中嵌入式设备将大大 增加。嵌入式系统技术是专用计算机技术，其目的就是要把一切变得更简单、 更方便、更普遍、更适用；通用计算机的发展变为功能电脑，普遍进入社会， 嵌入式计算机发展的目标是专用电脑，实现“普遍化计算”，因此可以称嵌入式 智能芯片是构成未来世界的“数字基因”。由单片机或微控制器( m c u ) 构成的嵌 入式系统，己经在家庭和工业的各个领域得到了广泛应用。现在大多数嵌入式 系统还处于单独应用的阶段，即以m c u 为核心，与一些监测、控制、指示设 4 备配合实现一定的功能。尽管在些应用中，为实现多个m c u 之间的信息交 流，利用c a n ，r s - 2 3 2 ，r s 4 8 5 等总线将m c u 组网，实现了一定的信息共享， 但这种网络的有效半径有限，有关的通信协议也比较少，并且一般都是孤立于 i n t e m e t 以外的。于是人们开始探讨各种实现这类小型嵌入式系统接入i n t e m e t 的方法。 嵌入式i n t e r n e t 与m c u 技术密切相关，需要多方面的协作，因此包括 s i e m e n s i n f i n e o n ，p h i l i p s 和m o t o r o l a 在内的数十个公司联合成立了“嵌入式 i n t e m e t 联盟( e t i ) ”，共同推动这一市场。可以预言，嵌入式设备与i n t e m e t 的结 合代表着嵌入式系统和网络技术的真正未来。其实将嵌入式系统与i n t e m e t 结合 起来的想法很早以前就有了，主要的困难在于，i n t e r n e t 的各种通信协议对于计 算机存储器、运算速度等的要求比较高，为支持t c p i p 等i n t e r n e t 协议需要大 量系统资源，而大多数嵌入式系统的处理器能力和存储器容量都很有限。 目前，许多公司都努力推出自己的嵌入式i n t e r n e t 解决方案和产品。国外方 面，例如美国i r e a d y 公司提出了完整的称作“i n t e m e tt u n e r ”的新一代非p c 职能设备i n t e m e t 连接方案，支持这种技术的有s e i k o 、s o n y 和s h a r p 等国际著 名公司。美国e m w a r e 公司提出了e m i t ( e n b e d d e dm i c r oi n t e r n e tw o r k i n g t e c h n o l o g y ) 技术和相关的软件包。2 0 0 1 年，c m x 公司发布了m i c r o n e t 协议栈 ”“。m i c r o n e t 是一个商业的嵌入式t c p i p 协议栈。其代码尺寸在3 k 2 0 k ，其 配置粒度相对较细，能够较好的在8 位微处理器和1 6 位微处理器上运行。 m i c r o n e t 就目前而言，可以说是国际上在针对8 位微处理器做得最好的产品之 一。但是其在配置粒度上，仍然还有进一步细化的空间。 i n t e r n i c h e 公司的n i c h e l i t e 协议栈也是一个商业的嵌入式t c p i p 协议栈。 其代码尺寸1 2 k 左右。其配置粒度较粗，从其技术参数来看，n i c h e l i t e 协议栈 偏大，而不能很好地在较低处理能力的徽处理器上工作。 在开源项目中。1 w i p 和u l p l l 2 l 是二个比较知名的针对微处理器的嵌入式 t c p i p 协议栈。到目前为止，u l p 协议栈最新版本为0 9 ，u i p 作为一个开源项 目，其在体系结构上太过杂揉，也就是t c p i p 协议交错在一起进行实现。固然 这种紧凑的结构能够节省一定的代码尺寸和运行资源，但是牺牲的是整个协议 栈的灵活性，可维护性和可配置性。其实采用分层的体系结构，在可配置性上 下足功夫，一样可以达到节省代码尺寸和运行资源的目的，从整体来看，获得 的好处要多得多。 在国内，仅有一两家公司自主开发了嵌入式t c p i p 协议栈，北京科银京成 公司的d e l t 烈e t 是一个自主开发的嵌入式t c p ，i p 协议栈，利用d e l t a n e t ，开 发人员可以为个嵌入式电子设备增加网络功能【l ”。d e l t a n e t 符合t c p i p 协 议工业标准，可以同时支持多个应用任务进行并行的网络通讯。在体系结构上， d e l t a n e t 采用了标准的t c p i p 协议分层结构，并为开发人员提供了标准s o c k e t 编程接口。d e l t a n e t 本身也是一个可以配置的t c p p 协议栈，借助科银京成 的l a m b d a t o o l 工具，开发人员可以对d e l t a n e t 进行配置。用户既可以配置 自己所需要的网络组件( 如d n s ，d h c p 等) 或硬件支持，也可以根据具体的需 要配置一些相关的网络参数( 如i p 地址、网关、拨号串等) 。 目前d e l t a n e t 支持的平台包括a r m 7 ，s t r o n g a r m ，x 8 6 ，m p c 8 6 0 等， d e l t a n e t 占用内存资源的实际情况是根据他们的具体配置有所不同。他的缺点 是d e l t 心m t 的配置性粒度太粗，代码尺寸太大，运行时资源要求过多。 北京凯思吴鹏软件工程技术有限公司的h o p e no s 是国内比较知名的嵌入 式操作系统，其中h o p e n n e t 就是其自带的一个嵌入式t c p i p 协议栈。h o p e n o s 是一种运行在1 6 3 2 位微处理器上的实时多任务嵌入式操作系统，h o p e nk e n e l 是该操作系统的核心部分。h o p e no s 是按照嵌入式系统的要求设计的一个操作 系统，由一个体积很小的内核及一些可以根据需要进行定制的系统模块组成。 其核心h o p e nk e r n e l 一般为1 0 k b 左右大小，即便加上其它必要的模块，所占 用的空间也很小，且不失其实时、多任务的系统特征。由于它的高度灵活性， 使用者可以很容易地对这一操作系统进行定制或作适当开发，来满足自己的实 际应用需要。 虽然国内外众多公司都在进行嵌入式系统连接i n t e m e t 的研究，但是他们的 连接方法不外乎以下两种：第一种是嵌入式系统通过网关间接与i n t e r n e t 相连， 第二种是嵌入式系统本身完全具备网络功能，直接与嵌入式系统相连，本文将 在第二章中对这两种方法进行详细的比较和研究。 1 3 嵌入式i p v 6 技术的提出与现状 1 3 1 嵌入式i p v 6 技术的提出 互联网的发展已经进入个崭新的时代，下一代互联网i p v 6 技术的引入， 将i p 地址空间扩展到了2 “8 个，以目前全球总人数而言，人均可分配1 8 x 1 0 1 9 个i p v 6 地址，其安全性、服务质量、处理能力等各个方面都得到了全面的提升， 目前世界各国都积极地加入到i p v 6 互联网的部署中。因此将嵌入式系统直接接 入i p v 6 网络既可以满足嵌入式系统直接连接互联网对互联网通信协议的提出的 要求，又是适应i n t e m e t 网络长远发展的最好方式，嵌入式i p v 6 技术也应运而 生了，简单来说，嵌入式i p v 6 技术就是将嵌入式系统直接连接i p v 6 网络的技 术。 1 3 2 嵌入式i p v 6 技术的研究现状 目前，已有的嵌入式系统连接i n t e m e t 网络的实现方法都是针对当前的i p v 4 6 协议的，不少科研团体和学者开始关注针对i p v 6 协议的嵌入式系统联网方案。 国外，美国m a x i m 公司生产的d s 8 0 c 4 0 0 1 4 】内置的固化软件包含了一个 小型操作系统和i p v 4 、i p v 6 的双栈协议。d s 8 0 c 4 0 0 的实现方法是在单片机程 序中实现网络协议的方法。在嵌入式操作系统方面，l i n u x 内核从2 2 x 之后开 始正式支持i p v 6 ，由于l i n u x 内核系统的可裁减性能，使得l i n u x 操作系统可 以运用到嵌入式系统中。瑞士计算机科学院的a d a md u n k e l s 等开发的1 w l p 、 u i p 是针对在小型操作系统中引进的简化的t c p f l p 协议栈，1 w i p 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，1 w l p 已经在i p v 6 方面的做出了一定的尝试，但 还没有实现。 国内，清华大学利用重新编译l i n u x 内核的方法在嵌入式设备上实现i p v 6 网络的接入【15 1 。另外包括中科院，东北大学，大连理工大学等，也都在一定程 度上对嵌入式i p v 6 技术有所研列1 6 l 。 1 4 本课题的支撑项目 本课题来源于以下项目： 安徽省高等学校青年教师科研资助计划自然科学项目基于嵌入式i n t e r a c t 的“瘦服务器”关键技术研究( 编号；2 0 0 5 j q l 0 1 1 ) ； 合肥工业大学科学研究发展基金基于嵌入式i n t e r a c t 的“瘦服务器”关键 技术研究与实现( 编号：0 4 0 5 0 3 f ) ； 合肥工业大学学生创新基金嵌入式i p v 6 技术的研究( 编号：x s 0 5 0 0 5 ) 。 1 5 本论文的任务、结构 本论文的关键是设计并实现一个能够加载到嵌入式操作系统中的通用i p v 6 网络协议栈，在对完整的i p v 6 协议进行研究的基础上，论文对完整i p v 6 协议 栈裁减和压缩，设计并实现了一个小型的嵌入式i p v 6 协议栈，该协议栈要求能 够在不同的嵌入式系统的软硬件环境下运行，能完成基本的i p v 6 网络通信功能。 在实现精简i p v 6 协议栈的基础上，基于“客户机，瘦服务器”的模式实现了 一个i p v 6 网络环境下运行的网络温度计，通过实验测试环境下网络温度计的运 行情况来测试该协议栈的实现状况，并对运行结果进行简要分析。 论文结构如下： 第一章在简单介绍了嵌入式系统基础知识的基础上，对嵌入式系统网络化 发展的现状和趋势进行了介绍，得出了嵌入式系统连接i n t e m e t 网络的发展方 向，进而引出了嵌入式i p v 6 技术的概念，简单介绍了嵌入式i p v 6 技术的发展 现状，给出了本论文的支撑项目和论文结构。 第二章首先对i p v 6 技术本身进行分析和研究，在对i p v 6 与i p v 4 进行的对 比学习中，给出了i p v 6 技术对比于i p v 4 技术的新特性，分析了| n t e r n e t 网络协 议从i p v 4 向i p v 6 变迁过程中对t c p i p 参考模型中各层次网络协议的影响。 在此基础上分析嵌入式i p v 6 协议栈的特点，并研究了嵌入式系统连接i p v 6 网 络的多种实现方案，对各种方案的优缺点进行比较分析，强调了本文采用的在 操作系统上运行t c p i p v 6 协议栈的实现方案。 第三章针对嵌入式操作系统运行i p v 6 协议栈的嵌入式系统联网方案，提出 了具有平台无关性的嵌入式i p v 6 协议栈的设计目标，给出了协议栈的整体设计 方案，分析了协议栈实现过程中的要点问题，并对网络协议栈的各个功能模块 的具体实现过程作出了详细的探讨，统计实现协议栈的大小及各个协议层次在 整体协议栈中所占的比例，并给出了嵌入式系统运行该协议栈所必需的软硬件 条件。 第四章首先分析了由于嵌入式系统连接i n t e m e t 网络带来了的“客户机瘦 服务器”的工作模型，利用该模型设计并实现了个在i p v 6 网络中运行的嵌入 式网络温度计。该网络温度计是针对已经设计完成的嵌入式i p v 6 协议栈设计的 具体应用，最后，本文搭建了一个试验环境，对网络温度计进行测试和分析， 验证协议栈的实现情况。 第五章对本论文所作的工作进行总结，给出本论文的创新点，在总结工作 优缺点的基础上，对嵌入式i p v 6 技术的未来发展做出了适当的展望。 第二章嵌入式i p v 6 技术的研究 2 1i p v 6 技术研究 在2 0 世纪9 0 年代初，由i n t e m e t 工程任务组( i n t e m e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ， i e t f ) 开发的i p v 6 技术，是综合了多个对i p v 4 升级的提案上完成的。一方面， i p v 6 力图避免增加更多的新特性，从而尽可能地减少对现有的高层和低层协议 的冲击；另一方面，i p v 6 必须解决i p v 4 存在的一系列问题，如地址空问、选路、 安全性、网络管理等。 2 1 1i p v 6 协议栈简介 现行的i p v 4 自1 9 8 1 年r f c 7 9 1 标准发布以来并没有多大的改变。事实证 明，i p v 4 具有相当强盛的生命力，易于实现且互操作性良好，经受住了从早期 小规模互联网络扩展到如今全球范围i m e m e t 应用的考验，这一切都应归功于 i p v 4 最初的优良设计。但是。还是有一些发展是设计之初未曾预料到的，i p v 4 的不足曰益表现出来，总体来说，主要体现在地址空间不足、路由选择效率不 高和缺乏服务质量三个方面。为了解决上述问题，i n t e m e t 工程任务组( i e t f ) 综合了多个对i p v 4 进行升级的提案，开发了i p v 6 这一新版本，也曾被称为下 一代i p 。在设计上，i p v 6 力图避免增加太多的新特性，它没有推翻现有i p v 4 的思路和结构，而是继承、保留、修改、完善和扩充了i p v 4 协议，尽可能地减 少对现有的高层和低层协议的冲击1 1 7 1 。随着i n t e m e t 的迅速增长以及i p v 4 地址 空间的逐濒耗尽，i p v 6 作为i n t e r n e t 协议的下一版本，对i p v 4 的最终取代将不 可避免的成为必然。 在网络层次的结构划分上，i p v 6 协议栈与i p v 4 协议栈完全一致，从低到高 按照数据链路层、网络层、传输层和应用层这样的四个层次来实现【1 8 1 ，链路层 主要是为网络层发送和接收i p 数据报；t c p i p 支持多种不同的链路层协议，这 取决于网络所使用的硬件，如以太网、令牌环网、f d d i ( 光纤分布式数据接口) 及r s 2 3 2 串行线路等1 1 9 】。网络层的主要功能是负责相邻结点之问的数据传送， 组建或拆分i p v 6 数据包，完成i c m p v 6 协议，邻居发现协议口0 1 。传输层是在源 结点和目的结点的两个进程实体之间提供可靠的端到端的数据传输。传输层还 解决了不同应用程序的标识问题，传输层的每一个分组均附带校验和，以便接 收结点检查接收到的分组的正确性，传输层包括两个协议：传输控制协议t c p 和用户数据报协议u d p 。传输层的上一层是应用层，应用层包括所有的高层协 议，如远程登录协议( t e l n e t ) 、文件传输协议( f i l et r a n s f e rp r o t o c o l ，f t p ) 、 简单邮件传输协议( s i m p l em a i lt r a n s f e rp r o t o c o l ，s m t p ) 和超文本传输协议 ( h y p e rt e x tt r a n s f e rp r o t o c o l ，h t t p ) 等【2 1 1 。 9 在此我们需要特别澄清本文中频繁使用的两个概念，一是i p v 6 协议栈，二 是i p v 6 协议，前者是指包含t c p i p 整个四层结构在内的一系列协议的总称， 而后者是指在t c p i p 协议栈第六版本中的i p 层协议，是一个定义了的单一的 协议。 2 1 2i p v 6 协议栈新特性 在此，我们主要讨论相对于当前的i p v 4 协议栈而言i p v 6 协议栈的新特性， i p v 6 协议栈在地址分配、新i p v 6 包头及其扩展、i p v 6 对i c m p 协议和i g m p 协 议的取代、邻节点交互和i p v 6 地址自动配置等方面都发生了很大的变化【2 2 】，他 的新特性包括以下几个方面 2 3 】。 l 、新包头格式。 i p v 6 包头的设计原则是力图将包头开销降到最低，具体做法是将些非关 键性字段和可选字段移出包头，置于i p v 6 包头之后的扩展包头中，因此尽管i p v 6 地址长度是i p v 4 的四倍，但包头仅为i p v 4 的两倍。改进后的i p v 6 包头在中转 路由器中处理效率更高。 2 、更大的地址空间。 i p v 6 地址长度为1 2 8 位( 1 6 字节) ，即有3 4 e + 3 8 个地址，i p v 6 采用分级 地址模式，支持从i n t e m e t 核心主干网到企业内部子网等多级予网地址分配方 式。 3 、全状态和无状态地址配置。 为了简化主机配置，i p v 6 支持全状态( s t a t e f u la u t o c o n t i g u r a t i o n ) 和无状态 ( s t a t e f u ia n ds t a t e l e s s ) 两种地址配置方式。在i p v 4 中，动态宿主机配置协议 d h c p 实现了主机i p 地址及其相关配置的自动设置，i p v 6 承继i p v 4 的这种自 动配置服务，并将其称为全状态自动配置。除了全状态自动配置以外，i p v 6 还 采用了一种被称为无状态自动配置的自动配置服务。在无状态自动配置过程中， 在线主机自动获得本地路由器的地址前缀以及链路局部地址以及相关配置。 4 、用于邻节点交互的新协议。 i p v 6 的邻居发现协议( n e i g h b o rd i s c o v e r yp r o t o c 0 1 ) 使用一系列i p v 6 控制 信息报文( i c m p v 6 ) 来实现相邻节点( 同一链路上的节点) 的交互管理。邻居 发现协议以及高效的组播和单播邻居发现报文替代了以往基于广播的地址解析 协议a r p 、i c m p v 4 路由器发现和i c m p v 4 重定向报文。 5 、高效的层次寻址及路由结构。 i p v 6 采用聚类机制，定义非常灵活的层次寻址及路由结构，同一层次上的 多个网络在上层路由器中表示为一个统一的网络前缀，这样可以显著减少路由 器必须维护的路由表项。在理想情况下，一个核心主干网路由器只须维护不超 过8 1 9 2 个表项，这大大降低了路由嚣的寻路和存储开销。 6 、内置安全设施。 i p v 6 全面支持i p s e c ，这要求提供基于标准的网络安全解决方案，以便满足 和提高不同的i p v 6 实现之间的协同工作能力。 7 、更好的q o s 支持。 i p v 6 包头的新字段定义了数据流如何识别和处理。i p v 6