（计算机系统结构专业论文）基于llc的嵌入式局域网协议栈设计.pdf

毓厂 | l l i i i i iii i i i l li ii i1 1 1111l 原创性声明和关于论文使用授权的说y 1 7 9 18 2 5 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 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：丕堕 日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东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，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) ，论文作：塑鱼臌名：过日 芦 山东大学硕士学位论文 摘 目录 a b s t r a c t iii 第l 章绪论1 1 1 论文的选题背景和研究意义1 1 1 1 研究背景1 1 1 2 问题的提出2 1 2 国内外研究与发展概况3 1 2 1t c p i p 与工业总线两类协议的发展3 1 2 2 两类协议的相互交融与不足5 1 2 3 嵌入式协议栈的主要设计模式6 1 3 论文的主要工作7 第2 章t c p i p 协议栈l w l p 分析8 2 1 典型架构模型8 2 1 1 总体框架8 2 1 2 协议处理流程1 0 2 2l w i p 模块划分与功能实施1 3 2 2 1 协议构件化设计13 2 2 2 内存管理与零拷贝技术15 2 2 3 其它协议技术实现1 7 2 3l w i p 接口划分与移植1 9 2 3 1 上层用户接口a p i 2 0 2 3 2 底层接口与移植2 0 2 4 小结2 2 第3 章逻辑链路控制协议l l c 分析2 3 3 1l l c 概述2 3 3 1 1 数据封装定义2 4 3 1 2l l c 帧分类及应答对应2 5 3 2l l c 框架结构2 8 山东大学硕士学位论文 3 3t y p e1 与t y p e2 3 0 3 4l l c 路由3 1 3 5 两类协议对比分析3 3 3 6 小结3 5 第4 章e - l l c 的设计与实现3 6 4 1e - l l c 理论与模型3 6 4 1 1 数据封装与传输方式3 6 4 1 2 数据处理及双栈3 8 4 1 3e - l l c 状态转换4 1 4 2e l l c 技术实施4 2 4 2 1 基于底层封装及数据转换4 2 4 2 2e - l l c 静态网关转换协议4 4 4 2 3e - l l c 包确认机制4 7 4 3e - l l c 可信评估及安全机制4 9 4 3 1e - l l c 可信计算模型4 9 4 3 2e l l c 安全机带0 5 1 - 、 4 4 小结5 3 第5 章实验与应用5 4 5 1 实验验证5 4 5 2 应用分析5 8 5 3 小结5 9 第6 章总结与展望6 0 6 1 全文总结6 0 6 2 课题展望6 1 参考文献6 2 致谢6 5 攻读学位期间发表的学术论文目录6 6 攻读学位期间参与科研项目及获奖情况6 7 气 i i 山东大学硕士学位论文 c o n t e n t s a b s t r a c ti nc h i n e s e i a b s t r a c ti ne n g l i s h i i i c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1r e s e a r c hb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c y 1 1 1 1b a c k g r o u n d 1 1 1 2m o t i v a t i o n 2 1 2s t a t eo fa r t 3 1 2 1d e v e l o p m e n to f t c p i pa n di n d u s t r i a l - b u s 3 1 2 2i n t e r a c t i o n sa n dd e f i c i e n c i e so ft h et w op r o t o c o l s 5 1 2 3m a i nd e s i g np a t t e r n so fe m b e d e dp r o t o c o l 6 1 3t h e s i so u t l i n e 7 c h a p t e r2t c p i pp r o t o c o ll w i pa n a l y s i s 8 2 1t y p i c a la r c h i t e c t u r em o d e l 8 2 1 1o v e r a l lf r a m e w o r k 8 2 1 2p r o c e s s 1 0 2 2l w i pm o d u l ed i v i s i o na n df u n c t i o ni m p l e m e n t a t i o n 1 3 2 2 1c o m p o n e n t b a s e dd e s i g no f p r o t o c o l 1 3 2 2 2m e m o r ym a n a g e m e n ta n dz e r o - c o p yt e c h n o l o g y 15 2 2 3o t h e rp r o t o c o lt e c h n o l o g i e s 1 7 2 3l w i pi n t e r f a c ed i v i s i o na n dt r a n s p l a n t a t i o n 1 9 2 3 1u p p e rl a y e ru s e ri n t e r f a c ea p i 2 0 2 3 2b o t t o ml a y e ri n t e r f a c ea n dt r a n s p l a n t a t i o n 2 0 2 4s u m m a r y 2 2 c h a p t e r3l l ca n a l y s i s 2 3 3 1l l ci n t r o d u c t i o n 2 3 3 1 1d a t ae n c a p s u l a t i o nd e f i n i t i o n 2 4 3 1 2l l cf r a m ec l a s s i f i c a t i o na n dr e s p o n s e 2 5 3 2f r a m e w o r ko fl l c 2 8 山东大学硕士学位论文 3 3t y p e1 a n dt y p e2 3 0 3 4l l cr o u t i n g 31 3 5a n a l y s ea n dc o n t r a s tt h et w op r o t o c o l 3 3 3 6s u m m a r y 3 5 c h a p t e r4e - l l cd e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n 3 6 4 1e l l ct h e o r ya n dm o d e l 3 6 4 1 1d a t ae n c a p s u l a t i o na n dt r a n s m i s s i o nm o d e 3 6 4 1 2d a t ah a n d l i n ga n dd u a l s t a c k 3 8 4 1 3e - l l cs t a t et r a n s i t i o n 4 1 4 2e l l ct e c h n o l o g yi m p l e m e n t a t i o n 4 2 4 2 1b o t t o ml a y e r b a s e dd a t ae n c a p s u l a t i o na n dt r a n s m i s s i o n m o d e 4 2 4 2 2e - l l cs t a t i cg a t e w a yt r a n s i t i o np r o t o c o l 4 4 4 2 3e l l cp a c k e ta c k n o w l e d g e m e n tm e c h a n i s m 制4 7 4 3e - l l cc o n f i d e n c ee v a l u a t i o na n ds e c u r i t ym e c h a n i s m 4 9 4 3 1e - l l cc o n f i d e n c ee v a l u a t i o nm o d e l 4 9 4 3 2e l l cs e c u r i t ym e c h a n i s m 5 1 4 4s u m m a r y 5 3 c h a p t e r5e x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o na n da p p l i c a t i o na n a l y s i s 5 4 5 1e x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o n 5 4 5 2a p p l i c a t i o na n a l y s i s j 5 8 5 3 s u m m a r y 5 9 c h a p t e r6c o n c l u s i o na n df u t u r ew o r k 6 0 6 1c o n c l u s i o n s 6 0 6 2f u t u r ew o r k ：6 1 r e f e r e n c e 6 2 a c k n o w l e d g m e n t ：6 5 p a p e r sp u b l i s h e d 6 6 r e s e a r c hp r o j e c t sp a r t i c i p a t e da n da w a r d s 6 7 山东大学硕士学位论文 摘要 嵌入式系统已经深入到我们生活的方方面面。越来越多的工作需 要嵌入式设备组成网络相互协作才能完成，这就必然需要有一套合适 的通讯协议提供支持。而这些协议不外乎两大类，一类是提供设备之 间应用层数据通讯，可以接入i n t e r n e t 的t c p i p 协议栈，如l w i p ， u i p 以及许多商业化操作系统像w i n d o w sc e ，v x w o r k s ，p a l mo s 等 系统自带的协议栈。另一类则是更多的跟现场设备控制、机械操纵密 切相关的底层工业总线协议，比如西门子的p r o f i b u s ，p e t e r h a n s 公司 的m o d b u s ，基金会现场总线f f 等。虽然这两类协议都是服务于终端 间的数据交互，但是所针对的应用环境和工作方式区别明显，对于一 些介于二者之间的通讯需求，比如局域网内部的应用数据通讯，就都 不是很适合。因为此时既不需要i p 封装所带来跨网传输能力，也不需 要直接去读取或控制终端设备的寄存器，这就导致前面两种协议或者 是因为封装和层次过于复杂导致通讯效率、实时性等指标不理想，或 者由于协议针对性太强、定义过于详细而不能通用。因此，需要设计 一种结构精简的嵌入式通信协议，解决资源( 包括c p u 、内存、能量) 受限约束下局域网设备之间的高效通讯问题。 此外，目前对于可信性的研究已有很多成果，但是大多停留在理论 建模层次，一般利用加权计算，直接、间接信任传递等模型，或者是 基于密钥交换，数字签名等机制。虽然理论上都能理想工作，但实际 实现的时候，其实施难度和计算效率是很难估计的。对于公开源码的 许多实现当中，比如l i n u x 2 4 x ，l w i p 以及商用操作系统中的通讯 协议还并没有真正有关可信性的代码实现。 针对以上要求和存在的问题，在充分考虑安全性、稳定性的基础 上，本文设计了一个新颖、高效的嵌入式通讯协议栈e l l c ，主要研 究工作如下： 1 分析了i e e e 8 0 2 2 与t c p u d p 在工作模式上的相似性，利用l l c 的封装实现了确认传输，流量控制等功能，将封装长度缩减为t c p i p 栈的1 3 山东大学硕七学位论文 2 针对t c p i p 中面向字节流确认带来的碎片攻击以及复杂的乱 序重组带来的大量计算，设计了面向包的确认模式，缩减了封装长度， 并有效降低了乱序重组的复杂度。经实际性能测试比较，其c p u 占用 率比t c p i p 类协议栈减少近5 。 3 对于网关应用，提出了构建于协议栈内部的网关机制，使网关程 序完全运行在协议栈内部从而避免了与应用层的交互和进程调度问 题，有效提高了在跨网情况下嵌入式通讯的实时性。 4 在可信安全方面，提出了事前评估机制，将节点可信度与数据过 滤相结合，在网络中存在大量恶意节点攻击的情况下使网络的有效工 作量仍然保持在可接受水平范围内。 计算 关键字：嵌入式系统；t c p i p ；逻辑链路控制协议；网关；可信 i i 产 一 l i j 东大学硕十学位论文 a bs t r a c t m o r ea n dm o r et a s k sn e e d e dt ob ed o n eb yt h en e t w o r kc o o p e r a t i o n o ft h ee m b e d d e ds y s t e m st h a th a da l r e a d yp la yk e yr o l e si nm a n yf a c t so f o u r d a i l y l i f e s i n c e c o o p e r a t i o ni n v o l v e d ，a s e to f a p p r o p r i a t e c o m m u n i c a t i o np r o t o c o li sn e e d e dw h i c hg e n e r a l l yc a nb ec l a s s i f i e di n t w o k i n d s ：p r o t o c o l sm o s t l y b a s e do nt c p i pw i t ht h e a b i l i t y o f c o n n e c t i n gt oi n t e r n e t w h i c hm a k et h ed a t ae x c h a n g eo na p p l i c a t i o n l a y e rp o s s i b l el i k el w i p , u i pa n dm a n ys t a c k sp r o v i d e db yc o m m e r c i a l o sl i k ew i n d o w sc e ，v x w o r k sa n dp a l mo s t h eo t h e r sa r er e l a t i n gw i t h i n d u s t r ym e a s u r ea n dd e v i c ec o n t r o lt h a tw er e f e r r e da s f i e l db u sl i k e p r o f i b u so fs i e m e n s ，m o d b u so fp e t e r h a n s ，f fa n ds oo n a l t h o u g ht h e y w e r eb o t h d e s i g n e dt o s e r v et h ed a t at r a n s m i s s i o n ，b u tb e c a u s et h e d i s t i n c td i f f e r e n c eo fs i t u a t i o nt h e ya r ei n t e n d e df o r ，n o n eo ft h ep r o t o c o l s a b o v ei sb e f i t t i n gi ns o m eo c c a s i o n sl i k et h ea p p l i c a t i o n d a t a c o m m u n i c a t i o nw i t h i nal a n s i n c ei tn e e dn e i t h e rt h ec a p a b i l i t yo f t r a n s m i s s i o nt h r o u g ht h ei n t e r n e tb r o u g h tb yi pn o rt h en e e dt or e a do r c o n t r o lt h er e g i s t e r s ，s ot h e ya r en o ts u i t a b l ee i t h e ra st h ee n c a p s u l a t i o n a n dh i e r a r c h ya r et o oc o m p l e xt h a tl e a d i n gi na ni n e f f i c i e n c y o rt o o p a r t i c u l a rt ou s e t h u s ，a na p p r o p r i a t ep r o t o c o lw h i c hc a n f u l f i l lt h i sa n d b e s i d e st h er e s t r i c tr e s o u r c e so fe m b e d d e ds y s t e ml i k ec o m p u t e ，m e m o r y ， e n e r g yi si nd i r en e e d e d b e s i d e s ，m a n yf r u i t s h a v e b e e na c q u i r e di nt h er e s e a r c ho ft h e t r u s t e dc o m m u n i c a t i o n ，b u tm o s to ft h e ms t i l lr e s to nt h et h e o r y w e i g h t e d c o m p u t a t i o n ，d i r e c t i n d i r e c tt r u s t t r a n s f e rm o d e lw e r eu s u a l l yu s e do r w o r k e da tt h ea p p l i c a t i o nl a y e ru s et h ek e ye x c h a n g e ，d i g i t a ls i g n a t u r e a n ds oo n a l t h o u g hg e n e r a l l yt h e yc a nw o r k e de f f e c t i v e l yi nt h e o r y ，b u t t h e ya r eh a r d l ya c c e p t a b l ec a u s et h ed i f f ic u l t yt oi m p l e m e n ta n dt h et i m e c o n s u m p t i o n f e wt r u s tc o d ec a nb ef o u n d e di ne i t h e ro p e ns o u r c es t a c k s l i k el i n u x2 4 ，l w i po rs t a c k sa t t a c h i n gw i t ht h ec o m m e r c i a lo s i nt h i s 【i i 东大学硕士学位论文 p a p e ras m a r tm e c h a n i s mi sp u tf o r w a r da n du s e di ne - l l c s o ，i no r d e rt os o l v et h e q u e s t i o n s m e n t i o n e da b o v ew h i l e c o n s i d e r i n gs t a b i l i t ya n ds a f e t y ，an o v e le f f i c i e n tc o m m u n i c a t i o ns t a c k w a sp r o p o s e di nt h i sp a p e ra n dd e d i c a t e dt ot h ef o l l o w i n gs u b je c t s ： f i r s t l y ，b a s e do nt h es i m i l a r i t yo fd a t at r a n s m i s s i o nb e t w e e n8 0 2 2 a n dt c p i em a k et h ee n c a p s u l a t i o nl e n g t ho n l yo n et h i r do ft c p i pw h i l e i n t r o d u c i n gt h ee x t r aa b i l i t yo f f l o wc o n t r o l s e c o n d l y ，p a c k a g eo r i e n t e da c k n o w l e d g e m e n ti sd e s i g n e dt os o l v e t h ep r o b l e mo ft e a r d r o pa t t a c ka l o n gw i t ht h em a s sc o m p u t a t i o nw a s t e d i nt h eo u t - s e q u e n c ep a c k a g em a n a g e m e n tb r o u g h tb yt h eb y t eo r i e n t e d a c k n o w l e d g e m e n t t h e n ，i n t e r n a lg a t e w a ym e c h a n i s mi sp u tf o r w a r dt oa v o i dt h e u n c e r t a i n t ya sw e l la st h ei n e f f i c i e n tb r o u g h tb yt h ep r o c e s ss c h e d u l i n g a n dt h ei n t e r p r o c e s sc o m m u n i c a t i o n f i n a l l y ，c o n s i d e r i n gt h et r u s tv a l u eo fa l ln o d e sw i t h i nt h en e t w o r k w ei n t r o d u c et h e p r e e s t i m a t ed a t a f i l t r a t i o nm e c h a n i s mt o k e e pt h e n e t w o r ke f f i c i e n c ys t i l l a c c e p t a b l eu n d e rt h em a s sa t t a c kf r o mt h e m a l i c i o u sn o d e s k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ；t c p i p ；l l cp r o t o c o l ；g a t e w a y ； t r u s t e dc o m p u t i n g 山东大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 论文的选题背景和研究意义 本课题由国家自然科学基金重大研究计划“嵌入式分布系统可信 性研究( n s f c 9 0 7 1 8 0 3 2 ) 资助。一 1 1 1 研究背景 嵌入式系统已经深入到我们生活的方方面面。越来越多的工作需 要嵌入式设备组成网络相互协作才能完成，这就必然需要有一套合适 的通讯协议提供支持。而这些协议不外乎两大类，一类是提供设备之 间应用层数据通讯，可以接入i n t e r n e t 的t c p i p 协议栈，如l w i p ， u i p ，以及许多商业化操作系统像w i n d o w sc e ，v x w o r k s ，p a l mo s 等 系统自带的协议栈。另一类则是更多的和现场设备控制、机械操纵密 切相关的底层工业总线协议，比如西门子的p r o f i b u s ，p e t e r h a n s 公司 的m o d b u s ，基金会现场总线f f 等：虽然这两类协议都是服务于终端 间的数据交互，但是所针对的应用环境和工作方式区别明显，对于一 些介于二者之间的通讯需求，比如局域网内部的应用数据通讯，就都 不是很适合。因为此时既不需要i p 封装所带来跨网传输能力，也不需 要直接去读取或控制终端设备的寄存器，这就导致前面两种协议或者 是因为封装和层次过于复杂导致通讯效率、实时性等指标不理想，或 者由于协议针对性太强、定义过于详细而不能通用。 此外，在追求通讯协议的效率、兼容性的同时，安全和可信性也 越来越受到人们的重视。尤其是在当前网络攻击、蓄意破坏、机密窃 取泛滥的互联网形式下，传输数据的可信性、协议栈运行的稳定性以 及抗攻击能力已经成为了个成熟的协议栈不可或缺的部分。而很多 的嵌入式应用是在无人值守的环境当中，场所的开放性导致对于系统 的渗入更加容易，遭受攻击的可能性更大，因而系统的安全可信能力 山东大学硕士学位论文 已经成为衡量现代嵌入式通讯协议栈的重要指标。 因此，需要设计一种结构精简的嵌入式通信协议，解决资源( 包 括c p u 、内存、能量) 受限约束下局域网设备之间的高效、可信通讯 问题。 1 1 2 问题的提出 t c p i p 作为目前以太网协议的主宰以及实际的网络层数据传输方 式，在以太网应用中是无法评价它的效率问题的，只能考虑它的安全 性、服务质量以及地址可用数量是否足够，所以有了i p v 4 到i p v 6 的 过渡。但是对于局域网环境中的数据传输，m a c + i p + t c p 总共5 4 个字 节的t c p i p 封装就显的过长，因为i p 地址所提供的路由选择以及分 片重组能力是没有任何用处的，这就导致我们仍然要为失去功能的字 段分配空间，相应的数据的实际发送效率就会降低。这就产生了第一 个问题：如何在保证现有t c p i p 栈主要功能以及工作模式的基础上采 用更精简更有效的封装传输方法。 再者，以太网和串口是嵌入式设备最常用的通讯方式，根据不同 的配置需求，在网络底层的链接方式发生改变时，比如从以太网换到 串口，就不得不相应的重写应用程序的通讯代码部分，降低了程序的 移植性和自由配置能力。对于串口的操作往往要和底层的寄存器以中 断的方式打交道，使用繁琐、可移植性较差。即便是为串口通讯封装 了函数驱动，也不过是简单的发送与接收。数据的传输没有保障，所 有传输错误都要由上层的应用程序进行处理。而对比之下，t c p i p 协 议栈则提供了良好的用户a p i ，很多都是从u n i x 风格的s o c k e t 套接 字发展而来，不但提供了良好的用户接口，而且保证了传输质量、提 供了滑动窗口、出错重传等功能。如果在局域网通信中屏蔽掉它们物 理特性和使用上的差异，向用户提供一套统一的a p i ，使程序通信代 码跟底层组网方式无关，将会有效提高设备组网以及程序开发的灵活 性。这样，当产品的最终的应用现场，链路配置发生改变时，所做的 仅仅是改变应用程序所使用的通讯接口，而其余的通讯代码不需要任 何的修改，所带来的好处是显而易见的，但目前这一方面却很少有研 2 山东大学硕士学位论文 究。 第三，可信性。虽然目前对于可信性的研究已有很多理论成果， 但是对公开源码的许多实现中，比如l i n u x 2 4 x ，l w i p1 1 1 包括现 在的1 3 0 ，还并没有真正有关可信性的代码实现，本文尝试在所设计 的协议栈中将对于可信性的度量实际应用到传输控制当中。 针对以上要求和存在的问题，结合课题“嵌入式分布系统可信性 研究，本文作为该课题的子课题，在充分考虑安全性、稳定性的基础 上，分析了现有协议栈的不足，将逻辑链路控制协议l l c 与l w i p 结 合，设计了一个新颖、高效、安全的嵌入式通讯协议栈，将封装长度 压缩为原来的1 3 ，减少栈处理层次，能够提供统一传输方式并为数据 转换提供了架构上的支持。 1 2 国内外研究与发展概况 伴随着嵌入式设备的广泛应用，嵌入式网络通讯协议一直都是国 内外研究的重点。两类通讯协议的研究目前已经比较成熟，第一类基 本以t c p t p 协议族以及新型的无线传感器网络通讯协议，比如a d h o c ， z i g b e e 为代表，由于t c p i p 正处于i p v 4 到i p v 6 的过渡之中，受到 无线网络应用需求的刺激，许多无线网络通讯协议已经从理论走向实 际产品。同时，为支持工业设备、电动机、制动器和控制器互连而制 定的现场总线协议也已经是种类众多。 1 2 1t c p i p 与工业总线两类协议的发展 t c p i p 毫无疑问是发展至今最成功的通信协议，被用于当今所构 筑的最大的开放式网络系统一一i n t e r n e t 之上，就足以证明其成功之 处。i n t e r n e t 最初的设计是为了满足美国国防的需要，具体来讲就是使 美国政府即使在遭受核打击时也能保证通信不间断，t c p i p 就是源于 这个目的而诞生。t c p i p 构筑的i n t e r n e t 网络系统已经是世界上规模 最大、发展最快的计算机互联网。而现在的互联网已不再是仅仅连接 计算机的网络，它将发展成能同电话网、有线电视网等进行信息通信 山东大学硕士学位论文 的基础设施。因此，正在使用的i p ( 互联网协议) 已经难以胜任，人 们迫切希望下一代i p 即i p v 6 的出现。 i p v 6 是i p 的种版本，在互联网通信协议t c p i p 中，是o s i 模 型第3 层( 网络层) 。它同目前广泛使用的i p v 4 相比，地址由3 2 位扩充 到12 8 位。从理论上说，地址的数量由原先的4 3 1 0 9 增加到4 3 10 3 8 。 之所以必须从现行的i p v 4 改用i p v 6 ，主要有两个原因 1 1 - 1 3 1 ： ， l 、由于互联网发展迅速，地址数量已经不再够用，同时使得网络 管理花费的精力和费用难以承受。地址的枯竭是促使向拥有1 2 8 位地 址空间过渡的主要原因。 2 、随着主机数目的增加，决定数据传输路由的路由表在不断加大。 路由器处理性能的增长速度却跟不上，长此以往，互联网连接将难以 提供稳定的服务。经由i p v 6 ，路由数可以减少一个数量级。 为了使互联网连接许多东西变得简单，而且使用容易，必须采用 i p v 6 。i p v 6 之所以能做到这一点，是因为它使用了四种技术：地址空 间的扩充、可使路由表减小的地址构造、自动设定地址以及提高安全 保密性。 i p v 6 在路由技术上继承了i p v 4 的有利方面，代表未来路由技术的 发展方向，许多路由器厂商目前已经投入很大力量生产支持i p v 6 的路 由器。当然i p v 6 也有一些值得注意和效率不高的地方，i p v 4 n a t 和 i p v 6 将会共存相当长的一段时间。而随着需要i n t e r n e t 支持的嵌入式 应用的急剧增长，比如大量的楼宇综合管理系统，集中电量采集系统， 智能家居，移动传感设备等，对i p 地址的迫切需求可见一斑，因此可 以预见，i p v 6 的风暴即将席卷嵌入式网络的t c p i p 协议。 对于现场总线，它适应了工业控制系统网络化和智能化的发展方 向，主要特点在于信号传输的数字化、控制功能的分散化以及实时性， 它的发展对于面向工厂底层自动化及信息集成的数字化网络技术起到 了巨大的推动作用，一经出现就成为工业自动化技术的热点。但是， 由于目前现场总线的多样性和开放的不彻底性，导致目前国际上已有 4 0 余种现场总线，其中影响较大的有f f ，p r o f i b u s ，c a n ，l o n w o r k s ， h a r t 等。据英国敏思管理咨询公司( i m s ) 对中国工业通信市场的调 查报告，截至2 0 0 8 年在我国已安装现场总线和工业以太网接口缆线 4 l j l 东大学硕士学位论文 8 8 4 x e t h 的节点约为1 16 6 7 5 万个，数量可以说非常庞大。其中按通 信协议来分：p r o f i b u s 占2 4 2 ( 2 8 2 7 万个) 、c c - l i n k 占1 1 16 ( 13 0 3l 万个) 、d e v i c en e t 占9 7 5 ( 1 1 3 8 3 万个) 、f f 占1 6 7 ( 1 9 5 8 万个) 。 虽然关于现场总线全球统一标准的争论已经有十几年了，但是目前比 较流行的现场总线几乎用的都是完全不同的通信协议，要实现这些总 线的兼容和互操作几乎是不可能的【1 4 】。 1 2 2 两类协议的相互交融与不足 时至今日，商用计算机领域的局域通信已逐步被以太网垄断，而 以往现场总线所包揽的过程控制领域中上层的通信也逐步统一到以太 网和快速以太网。由于因特网的快速发展、操作和使用的便捷性，人 们通过因特网访问控制系统、进行远程诊断、维护和服务的愿望也越 来越强烈，因此t c p i p 协议也有进入过程控制领域的趋势。实际上通 过因特网访问现场仪表的事例现在就可以看到 1 5 1 。 在这里主要有两种趋势，第一是现场有越来越多的信息需要往上 送，穿过工业现场达到选程的计算机监控平台，第二是计算机通信技 术越来越向下延伸，工程师希望通过计算机直接操作现场的设备。这 就引发这样一个问题：包括i n t e r n e t 技术在内的现代计算机通信技术是 否会最终延伸到现场，并取代现场总线。目前认为现代计算机通信技 术的确有延伸到现场的能力，而与此同时，现场总线技术也会不断地 融入计算机通信技术。因为现场总线与一般计算机通信在功能、要求 和结构上有所不同：现场总线的传输速度、响应速度和层次简化带来 的实时性是计算机通讯技术不能比拟的。此外，现场总线是通信技术， 但也是仪表智能化技术及自动控制技术的结合产物。因此计算机通信 技术不会取代现场总线，现场总线更不可能会取代计算机通讯技术。 由两类协议的本质区别性，决定了对于一些介于这两类所针对的 环境之间的应用，比如说局域网之间应用层通讯，缺乏真正与自己特 点相适合的通讯协议。因为它所处的位置，导致了无论使用哪一类通 讯协议都可行却都勉强。如何能够针对他们自身的特点，为这类应用 提供一套最匹配的通讯协议，就是本文的研究目的。 山东大学硕士学位论文 1 2 3 嵌入式协议栈的主要设计模式 在嵌入式协议栈本身的设计技巧方面，经过多年的研究目前对很 多原理和模型已经达成了共识。比如内存管理的动态、静态分配相结 1 合，减少数据复制次数的零拷贝技术，功能模块可裁剪可配置的构件 化技术。对于内存管理技术，一般情况下是跟嵌入式操作系统相关的， 不同的操作系统有不同的策略 1 6 a 7 1 ：有的带有内存管理单元m m u ，有 的则不支持；有的支持虚拟内存技术，比如w i n d o w sc e ，有的则不支 持，比如u c o s i i 和u c l i n u x 。不过，对于某些协议栈，比如l w i p ， 为了保障其在无操作系统下正常工作的能力，也带有自己的内存管理 单元。文献【1 ，2 】介绍了嵌入式协议栈常用的内存管理策略和技术。 其一，动态分配与静态分配结合，常用的任务控制块t c b ，以及 进程结构控制块都采用预先格式化好的静态内存分配，提高了分配速 度，而对于数据包等大小随机的存储单元则采用动态分配，并配合适 当的内存碎片整合技术实现内存利用率的提高。 ，、 其二，内存零拷贝技术。当数据由用户最终经过协议栈发送至网 络上的时候，数据其实经历了从用户层到传输层，传输层到网络层， 网络层到链路层，至少三次复制，大量的内存复制操作对于主频不快 存储容量有限的嵌入式设备来说，影响是致命的。零拷贝技术采取传 递指针引用的方法，在不同层次之间传递的仅仅是指针，数据在内存 中只有一份拷贝，从而避免了不必要的复制，处理速度自然大大提升。 文献 3 5 】介绍并实现了常用的协议栈功能模块裁剪，构件化技术。 构件化技术将协议栈由一个整体细分为多个部分，每一个功能都独立 出来，比如路由模块、t c p 模块、u d p 模块、乱序包处理模块、数据 校验模块、分片重组模块。这样应用程序可以根据自己的需求控制开 关选项，协议栈的体积迅速减小。虽然具体的构件化技术采用的设计 理论和模式不同，但是对于模块划分的认