（计算机应用技术专业论文）智能卡仿真系统中因特网协议研究与实现.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 智能卡t c p i p 协议栈研究目的是为了实现智能卡与i n t e r n e t 连接，关键是要 合理地设计出适合智能卡的嵌入式t c p i p 协议栈以及智能卡与i n t e m e t 连接的连接 模型，使得实现了与i n t e r n e t 连接的智能卡系统既满足网络通信的要求又最大限度 地减少存储空间的占用。前者是智能卡实现网络连接的基础，后者则解决了智能卡 如何在i n t e m e t 之上应用的问题。 i n t e r n e t 智能卡是实现了t c p i p 协议栈并具有和t n t e m e t 建立网络连接能力的智 能卡。与传统的用于网络的智能卡不同在于，i n t e m e t 智能卡中实现了t c p i p 协议 栈，并且可以同i n t e r n e t 上的任何网络节点直接通信。同时，由卡内应用程序控制 对智能卡的访问，大大提高了安全性。并且，对智能卡的访问采用了“瘦”客户 模式，实现了对智能卡跨异构平台的访问。 传统的与i n t e r n e t 连接的智能卡系统结构包括智能卡系统和读写终端系统，智 能卡系统和终端系统是独立的且都从属于具有网络连接能力的主机。在传统系统结 构基础上，将智能卡系统从主机中独立出来，添加网络接口设备使之具有网络连接 能力，并将读写终端和智能卡在物理上作为一个设备采用网络接口宜接平i l i n t e m e t 相连。 根据i n t e m e t 智能卡的两大应用领域远程访问和安全认证提出智能卡 与i n t e m e t 连接的两种连接模型：远程控制模型( r e m o t ec o n t r o lm o d e l ) 和代理模 型( p r o x ym o d e l ) ，为i n t e r n e t 智能卡的应用提供了理论支持。通过详细分析两种 连接模型的工作模型及数据交换过程，系统地阐述了两种连接模型的工作原理。 为了验证远程控制模型，在智能卡仿真系统上实现了该连接模型。首先设计了 网络驱动程序，然后根据智能卡的硬件及应用特点，通过对标准t c p i p 协议栈进 行裁减和优化实现了嵌入式t c p i p 协议栈，以达到在最小资消耗源条件下满足 i n t e r n e t 智能卡应用需求。在嵌入式t c p i p 协议栈之上，定义了服务器端程序调用 接口e g i ，该接口采用脚本程序产生动态网页，调用服务器端程序执行对智能 卡的读写等操作并产生动态网页。 关键词：智能卡，因特网协议，因特网，远程控制，因特网代理 i 华中科技大学硕士学位论文 = = 自= = = = = = = = = = = = = = 自= = = = = = = = = = = a b s t r a c t t h ea i mo ft h er e s e a r c ho nt c p i ps t a c ki nas m a r tc a r di s t o i m p l e m e n tt h e c o n n e c t i o nb e t w e e ns m a nc a r d sa n di n t e r n e t t h ek e yo fw h i c h i st od e s i g n a p p r o p r i a t e l y e m b e d d e dt c p i ps t a c kt h a ti ss u i t a b l ef o rs m a r tc a r d sa n dt h ei n t e r c o n n e c t i o nm o d e l s b e t w e e ns m a r tc a r d sa n di n t e r a c tt om a k et h es m a r tc a r ds y s t e mc o n n e c t e dt oi n t e r a c t b o t hm e e tt h er e q u i r e m e n t so fn e t w o r kc o m m u n i c a t i o na n ds a v et h em e m o r ys p a c e m a x i m u m l y t h ef o r m e rr e s e a r c hi s t h ef o u n d a t i o no nw h i c hs m a r tc a r d so b t a i nt h e a c c e s s i n ga b i l i t yt on e t w o r k s ，w h i l et h el a t t e rs o l v e st h ep r o b l e mh o w as m a r tc a r dc a n c o n n e c tt oi n t e r n e t a ni n t e r n e ts m a r tc a r di u s ti sak i n do fs m a r tc a r d sm a ti m p l e m e n t e dat c w i p s t a c ka n dh a v et h ea b i l i t yt oc o n n e c tt oi n t e r n e t a sc o m p a r e dw i 也t r a d i t i o n a ls m a r t c a r d su s e di nan e t w o r k t h ed i f f e r e n c eb e t w e e n 血e mi st h a ti n t e r a c ts m a r tc a r d s i m p l e m e n t e d at c p i ps t a c ka n dc a r lc o m m u n i c a t ew i t ha n yn e t w o r kn o d eo ni n t e m e t d i r e c t l y a tt h es r l et i m e ，t h ea c c e s s i n gt os m a r tc a r d sw a sc o n t r o l l e db ya p p l i c a t i o n s i ns m a r tc a r d s m o r e o v e r ，i n t e r n e ts m a r tc a r d sc a nb ea c c e s s i b l ei n h e t e r o g e n e o u s m u l t i p l a t f o r me n v i r o n m e n t ss i n c et h et h i nc l i e n tm o d e lw a sa d o p t e d t h et r a d i t i o n a l s y s t e m s t r u c t u r eo fs m a r tc a r d sc o n n e c t e dt oi n t e r n e t m a i n l y c o n s i s t so ft h es m a r tc a r d s y s t e ma n dt h ec a r d r e a d e rt e r m i n a ls y s t e mw h i c hw e r e s e p a r a t ef r o me a c ho t h e rb u tb o t ho fw h i c h a r es u b o r d i n a t e dt ot h eh o s tt h a ti sa b l et o a c c c s st on e t w o r k s b a s e d0 nt h et r a d i t i o n a ls y s t e ms t r u c t u r eo fs m a r tc a r d s ，t h es m a r t c a r ds y s t e mw a ss e p a r a t e df r o mt h eh o s ta n da p p e n d e dan e t w o r ki n t e r f a c ed e v i c et o o b t a i nt h ea c c e s s i n ga b i l i t yt on e t w o r k s f u r t h e r m o r e ，as m a r tc a r dw a s i n t e g r a t e di n t oa c a r d r e a d e rt e r m i n a la so n es i n g l ed e v i c ec o n n e c t e dt oi n t e m e t 谢t lan e t w o r ki n t e r f a c e a c c o r d i n g t ot h et w o a p p l i c a t i o n f i e l d so fr e m o t ea c c e s sa n d s e c u r i t y a u t h e n t i c a t i o n ，t h er e m o t ec o n t r o lm o d e la n dt h ep r o x ym o d e l ，w h i c hw e r et h et w o i n t e r c o n n e c t i o nm o d e l so fs m a r tc a r d sc o n n e c t e dt oi n t e r n e ta n dp r o v i d e dt h et h e o r e t i c a l s u p p o r tf o rt h ea p p l i c a t i o no f i n t e r n e ts m a r tc a r d s ，w e r ea d v a n c e d t h r o u g hd e t a i l e d a n a l y s i so f t h ew o r k i n gm o d e la n dt h ep r o c e s so fd a t ae x c h a n g eb e t w e e nas m a r tc a r d a n dat e r m i n a l t l em e c h a n i s mo f t h et w oi n t e r c o n n e c t i o nm o d e l sw e r es e tf o l r t h 华中科技大学硕士学位论文 t h er e m o t ec o n t r o lm o d e lw a sr e a l i z e di no r d e rt ov a l i d a t ei t a c t u a l l y f i r s to f a 1 1 t h en e t w o r kd r i v e rw a sd e s i g n e d a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eh a r d w a r e a r c h i t e c t u r ea n da p p l i c a t i o n so fs m a r tc a r d s ，t h ee m b e d d e dt c p i ps t a c kw a sd e v i s e d t h r o u g ht a i l o r i n ga n do p t i m i z i n gt h es t a n d a r dt c p i ps t a c kt os a r i s f yt h ed e m a n do f a p p l i c a t i o n s o fi n t e r n e ts m a r tc a r d su n d e rt h ec o n d i t i o no fm i n i m u mr e s o u r c e s c o n s u m p t i o n o nb a s i so ft h ee m b e d d e dt c p i ps t a c k ，t h ec a l l i n gi n t e r f a c eo f s e r v e r s i d ep r o g r a m s ，e g it h a tg e n e r a t e dd y n a m i cw e bp a g e sa n dc a l l e ds e r v e r s i d ep r o g r a m s t oe x e c u t es u c ho p e r a t i o na sr e a d i n ga n dw r i t i n go fs m a r tc a r d sw i t hs c r i p tp r o g r a m s ， w a sd e f i n e d k e yw o r d s ：s m a r tc a r d ，t c p i p , i n t e r n e t ，r e m o t ec o n t r o l ，i n t e r a c tp r o x y i i i 独创性声明 本人声明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，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承 担。 学位论文作者签名 日期：西畸年叶月掰日 学位论文版权使用授权书 馀咳 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并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。本人授权华中科技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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 指导教师签名： 瞎计名 日期函蝌月站日 华中科技大学硕士学位论文 = | = = = = ；= = = 目= 目l = = = = = = = ；= = j 目= _ = = 1 1 课题背景、目的及意义 1 绪论 单片机或微控制器( m c u ) 被广泛应用在家庭和工业的各个领域用来控制各 种设备，通称嵌入式系统。嵌入式系统以应用为中心、以计算机技术为基础、软件 硬件可裁剪，赢得了巨大的市场，m c u 在应用数量上远远超过了各种通用计算 机。 如果说在人与人之间的通信方式革命带动了一场i n t e m e t 革命的话，那么设备 和设备、设备和人之间通信方式必将由i n t e r n e t 带来另一场革命，即嵌入式i n t e m e t 革命【ij 。随着i n t e r n e t 在世界范围的扩展，计算机应用已经进入了网络化的时代，越 来越多的嵌入式系统应用需要支持网络功能【2 】。比如，一些小型现场控制设备可能 需要增加网络功能来实现远程控制功能p 一 ，未来的家用电器可以随时通过互联网 进行远程控制，电表可以实现远程自动抄收和监控1 5 , 6 j 。嵌入式i n t e r a c t 正是将 i n t e m e t 技术应用到嵌入式系统中用来远程控制设备和将设备状态及接受的数据通 过i n t e m e t 反馈的技术1 7 ，8 j 。 智能卡是带有m p u 、存储器的i c 卡，通常还包括一个卡操作系统( c o s ) ， 具有动态处理资料的能力【9 。目前，智能卡由于其安全性、便携性、移动性被广泛 地应用于金融、通信、电子钱包、公用事业、交通及健康医疗等领域，并已经取得 良好的经济和社会效益【l 。 传统的智能卡应用主要集中于身份验证和数据存储，随着i n t e m e t 的发展，智 能卡必然要实现与i n t e m e t 的互连，转化为真正的i n t e m e t 网络节点 i ”，称之为 i n t e r n e t 智能卡。其基本思想是让智能卡共享与其相连的终端的i n t e r n e t 访问能力， 把智能卡当作网络计算机，成为i n t e m e t 上一个网络节点，这主要是通过在智能卡 上实现t c p i p 协议栈实现的。如果在应用层实现h r r p 协议，将智能卡作为w e b 服 务器，使用w e b 浏览器通过服务器端程序的执行远程地对智能卡进行访问1 1 2 1 。例 如，i n t e m e t 智能卡可用于远程医疗，通过远程访问存储在智能卡当中的病历记录 1 3 1 5 1 ；也可用于网络电子钱包等应用。如果在应用层实现了代理应用，即通常所 说的防火墙，则智能卡可以成为一个授信代理，对于用户的网络访问请求( 包括 w e b 访问、f t p 访问等) 通过查询存放在智能卡中的访问规则进行验证，只允许授 华中科技大学硕士学位论文 信访问。未来的时代是分布式网络时代，越来越多的设备包含一个微处理器 ( m c u ) 并具备连接到1 1 1 t e r n e t 的能力，例如，移动电话、掌上电脑、带机顶盒的 网络电视机等。在这种背景下，i n t e r n e t 智能卡将被用于在一个匿名终端上认证用 户身份。 同传统的智能卡应用相比，具有网络连接能力的智能卡和当前广泛使用的 i n t e r n e t 结合紧密，体现了未来应用网络化的发展趋势，给智能卡的应用带来新的 突破；采用瘦客户模式，将应用集中在智能卡中，实现了智能卡在异构平台上的透 明访问，极大地方便了其应用，扩充了其应用领域。 网络技术的发展，为智能卡与i n t e m e t 实现连接提供了条件。在嵌入式i n t e r n e t 方面，已经有很多公司提出了较完整地解决方案，像国外有e m w a r e 公司提出的的 e m i t ( e m b e d d e d m i c r o i n t e r w o r k i n gt e c h n o l o 科) 技术【”】，国内的有n e u e r a g 龋 开 发的w e b i t 等。然而，智能卡有其自身硬件特点和应用特点，通用的技术方案并不 适合智能卡。 而且，理论上如何设计i n t e r n e t 的系统结构，如何抽象出智能卡与i n t e r n e t 连接 的连接模型以指导i n t e r n e t 智能卡不同应用的实现；实践上又如何具体实现i n t e m e t 智能卡，都是亟待研究和解决的问题。笔者所在课题组长期从事智能卡方面研究， 已经在智能卡操作系统( c o s ) 、i c 卡事务机制、i c 卡存储模型等方面作了较为深 入的研究，这些为笔者从事智能卡与i n t e m e t 连接研究提供了强有力支持。 实际上，对于所有智能设备的远程控制都可以考虑采用w e b 方式，在工业生产 中可以实现虚拟到场对设备进行远程操作，在生活中可以实现智能家居。相信本文 的研究将对其他智能设备的远程控制的实现有一定的借鉴作用。 1 2 国内外研究现状 近几年来，随着i n t e r n e t 的广泛应用，嵌入式i n t e r n e t 方面的研究也取得了定 的进展，智能卡实现网络连接方面也作了一定的研究。根据在工程索i j i e i 上的检 索，以“e m b e d d e d ”和“i n t e m e t ”作为关键字检索所有字段，检索结果为1 9 9 0 年 以来有6 4 9 篇文章；以“i n t e m e t ”和“s m a r tc a r d ”作为关键字检索所有字段，检 索结果为1 2 1 篇。在i e e e 上从1 0 2 4 5 7 6 篇文档中以“e m b e d d e d ”和“i n t e r n e t ”作为 关键字检索所有字段，检索结果为3 9 6 篇；以“i n t e r n e t ”和“s m a r tc a r d ”作为关 键字检索所有字段，检索结果为5 7 篇。中国期刊网全文数据库中，1 9 9 4 年至今， 以“e m b e d d e d ”和“i n t e m e t ”作为关键字检索到1 0 篇论文，以“i n t e r a c t ”和 2 华中科技大学硕士学位论文 “s m a r tc a r d ”作为关键字检索n o 篇。从所查资料来看，目前嵌入式i n t e r n e t 方面 研究的较多，而对于智能卡与i n t e m e t 连接研究较少。 目前，一些公司提出的嵌入式i n t e m e t 技术方案代表了最新的研究成果，这些 方案一般既包括硬件又包括软件。在硬件上推出内部固化了t c p i p 协议栈的嵌入 式网络芯片，软件上开发出微型的w e b 服务器、浏览器以及轻型t c p i p 协议栈。例 如，美国o o a h e a d 公司、c o n n e c t o n e 公司、e m w a r e 公司、t a s k i n g 公司以及国内 的p & s 公司等均提供了基于i n t e r n e t 的的外围软件、固件、和硬件产品，x i l i n x 公司 在业界率先推出了具备i n t e r n e t 远程动态功能重构的f p g a c p l d 产品，p h i l i p s 公司 也在业界率先推出了利用i n t e m e t p b 围芯片方便实现i n t e r n e t 互连的m c u 产品，沈阳 东大新业信息技术股份有限公司( 也称n e u - e r a 公司) 推出t w e n t 模型l l 7 1 。 总的来看，嵌入式i r l t e r n e t 研究主要集中在嵌入式系统i n t e r n e t 接入技术、嵌入 式w 曲服务器、支持网络的嵌入式操作系统以及嵌入式i n t e m e t 开发工具四个方面 1 8 1 。而嵌入式系统i n t e m e t 接入技术是研究的重点，由于嵌入式系统硬件环境千差 万别，受到资源的限制处理能力又不如台式机强，且已有的设备采用不同的通信协 议，同时从p c 机上来的t c p i p 协议栈的复杂性，使得如何处理通信协议成为嵌入 式系统i n t e r n e t 接入技术的关键，也是嵌入式系统接入i n t e m e t 的难点之一。一般的 t c p i p 协议栈把大量精力花在保证数据传送的可靠性和流量及拥塞控制上，而对 于嵌入式系统要求的实时性方面较差，这样就需要对一般的t c p i p 协议栈在不违 背端到端通信控制的要求前提下针对具体嵌入式系统裁减或优化处理。 不同的协议处理方式决定了不同的嵌入式i m e m e t 接入方式。综合目前国内外 在嵌入式i n t e r n e t 上进行的研究工作和提出的一些解决方案，嵌入式i n t e r n e t 接入大 致可分为以下几种模式【l 圳： 1 专用服务器间接接入模式 首先利用轻网络通讯技术( 如c a n ，r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 ，射频技术等) 将嵌入式设备 与w e b 服务器相连构成一个子网，再通过专用的w e b 服务器提供远程访阀的客户机 与嵌入式设备通讯的功能，专用w e b 民务器一般可由嵌入式设备或主机充当。图 1 1 为专用服务器间接接入模式的结构示意图。 i n t e r n e t 图l ，i 专用服务器间接接入模式 3 华中科技大学硕士学位论文 专用服务器间接接入模式采用专用w e b n 务器作为主控系统，外部网络通过该 服务器与内部网络的嵌入式设备进行连接，这样使得嵌入式设备本身不需要实现 t c p i p 协议栈，减少了嵌入式设备和外部的数据交换，不需要协议转换通信效率 较高，而且可以兼容当前的系统。 缺点是需要专用的能w e b 服务器，丽且网关和各个嵌入式系统阀的通信也会受 到距离和速度的限制。对于过度分散的嵌入式系统而言，采用这种接入技术模型成 本会增加。 2 。 网关间接接入模式 对于目前使用较多的8 1 6 位m c u 的嵌入式系统来讲，速度慢和存储容量小等 硬件上的问题是其实现i n t e m e t ：接入需要着重考虑的问题。如果直接在设备硬件中 添加网络接口控制器，并在软件上实现t c p i p 协议栈，显然为了实现网络连接占 用的系统资源太多，且成本会较大。于是，考虑采用网关间接接入的模式，即嵌入 式系统使用轻网网络协议( 如c a n 、r s 2 3 2 、r 8 4 8 5 、射频技术等) 通过网关与互 联网连接，并提供网络包到用户的轻型网络的连接和路由功能，网关起协议转换的 功能。图1 2 为网关间接接入模式的结构示意图。 i n t e r n e t 图1 2 网关间接接入模式 这种接入模式解决了以8 1 6 位微处理器为核心的嵌入式系统的i n m e t 接入问 题。嵌入式设备本身不需要实现t c p i p 协议栈，减少了嵌入式设备和外部的数据 交换，而且可以兼容当前的系统，同时可以采用嵌入式设备实现。 缺点是需要进行太多的协议转换工作，且需要专门的嵌入式网关，而且网关和 各个嵌入式系统间的通信也会受到距离和速度的限制。对于过度分散的嵌入式系统 而言，采用这种接入技术模型成本会增加。 这种接入模式的代表性技术方案是e m w a r e 公司提出的e m i t 技术【1 6 】。针对嵌 入式h a t e r t r e t 的实现，e m w a , r e 公司创立了e t i 联盟( 嵌入互联网联盟，e m b e dt h e i n t e r n e tc o n s o r t i u m ) ，并提出了e m i t 技术，e m i t ( e m b e d d e dm i c r oi n t e r w o r k i n g t e c l l l l o m g y l ；是一种将m c u ，m p u 等嵌入式设备接入i n t e m e t ，实现基于i n t e m e t 的远 4 华中科技大学硕士学位论文 程数据采集、智能控制、上传下载数据文件、自动收发e m a i l 等功能的技术。 e m i t 技术通过给8 1 6 位嵌入式系统增加相应的软、硬件，充分解决了8 1 6 位嵌入 式系统接入i n t e m e t 的问题，得到了众多软硬件厂商的支持，是当前具有代表性的 8 1 6 位嵌入式系统的i n t e m e t 接入解决方案。e m i t 技术包括以下核心组件： e m m i c r o ：是驻留在嵌入式系统中的微型网络服务器。e m m i c r o 集成到嵌入式 系统中，用于向网络传输变量、事件、函数和其他信息，使得网络上的客户机能够 控制和监视嵌入式系统以及从中采集数据。e m m i c r o 针对m c u 有限的资源进行了 优化，它在为嵌入式系统提供高水平伸缩性、灵活性和功能性的同时，只占用系统 很小的内存资源和处理器资源。 e m n e t ：是使嵌入式系统和低费用、轻量级的网络( 女1 1 r s 4 8 5 、i r 、r f 年 i 电力 线等，这些轻型网在集成了e m m i c r o 的嵌入式系统之间使用标准的通讯传输) 进行 连接的网络协议。同时，e m n e t 使得集成e m m i c r o 的嵌入式系统能和e m g a t e w a y 进 行有效的通讯。e m n e t 是轻型网络协议。 e m g a t e w a y ：是e m n e t 和大型高性能网络! t l l i n t r a n e t s 和i n t e r n e t 等之间连接的桥 梁。它是一个功能强大的客户机，用于管理多个嵌入式系统、标准的i n t e r n e t 通信 互连以及支持网络浏览器。其作用如同网络集线器和路由器。 除了以上所讨论的e m i t 技术的必备核心部件外，e m i t 技术还包括一些扩展应 用的组件( 如e m a c c e s s 、e m c h i p 和e m r e m o t e 等) 和网络应用组件( ! l l l e m m a n a g e r 、 e m s c r i p t d e s i g n e r 、e m c o n f i g e r 、e m m o n i t o r $ l l e m p a c k a g e 等) ，这些都是用于增强或 改善嵌入式系统网络能力的。 t a s k i n g 公司融合了e m i t 技术的集成开发环境为嵌入式系统基于i n t e m e t 互 连的设计和开发提供了便捷的手段。 美 c o n n e c to n e 公司i c h i p 、i m o d e m 系列产品和国内p & s 公司发布的使嵌入式 电子设备和家用电器与网络方便连接i n w e b c h i p t mp s 2 0 0 0 产品是采用e m i t 技术 实现嵌入式i n t e r n e t f 拘较有影响力的外围芯片。这些产品为设计开发基于i n t e m e t n 连技术的嵌入式电子系统提供了实用可行的解决方案。其 i c h i p 和i m o d e m 还支持 更多的网络通讯协谢i i p p p 、u d p 、t c p 、i p 、s m t p 、p o p 3 nm i m e 等。并具有 芯片固件的远程升级能力。 p h i l i p s 公司作为e t i 的成员，结合e m i t n 核心技术推出的) 渔- g 4 9 是1 6 位扩展 结构系列微控制器的最新产品，拍- 6 4 r m n n g n 2 k b n s r a m ，可支持系统内 应用内n j | i ( i s p i a p ) ，能让设计者在应用程序运行过程中改变代码a 将x a _ g 4 9 和 5 华中科技大学硕士学位论文 c o n n e c to n e 公司的i c h i p5 6 l a d - s pi n t e m e t p 围芯片结合在起，就可以实现低成 本、简单易行的通过i n t e r n e t 远程升级固件和重构系统。 可以说，e m w a r c 公司创立的e m i t 技术及其领导的e t i i 溯代表了当前嵌入式 i n t e r n e t 发展的主流技术，他们形成了一整套的解决方案，从软件到硬件甚至集成 开发环境。 3 直接接入模式 把标准网络技术t c p i p 协议栈一直扩展到嵌入式设各，由嵌入式系统自身实 现w c b 服务器功能，每一嵌入式设备有自己的i p 地址。嵌入式系统直接与i n t e m e t 连 接，主要是通过在嵌入式系统中硬件上添加网络接口控制器，软件上实现t c p i p 协议栈实现的。直接接入模式结构如图1 3 所示。 i n t e r n e t1 图1 3 直接接入模式 对于目前使用较多的8 1 6 位微处理器的嵌入式系统，由于其硬件资源的限制， 需要对一般的t c p i p 协议栈进行裁减。随着硬件技术的发展和制造成本的降低， 3 2 6 4 位嵌入式系统微处理器的应用越来越广泛，将会逐步取代8 1 6 位微处理器成 为主流。3 2 6 4 位微处理器具有足够的速度和资源实现网络协议栈，同时现有的 3 2 6 4 位嵌入式操作系统一般都实现t t c p i p 协议栈，并提供相应的网络软件，因 此，3 2 6 4 位嵌入式系统已经具备了直接接入i n t e m e t 的条件。 直接接入模式使嵌入式系统直接与i n t e m e t 连接，可直接对设备进行远程控制 而不用进行协议转换因而效率较高，具有很大的灵活性，真正体现了“后p c ”时 代概念，是嵌入式i n t e m e t 发展的趋势。缺点是需要在嵌入式设备中实现t c p i p 协 议栈，协议栈的运行将占用较多的系统资源，对于8 1 6 位微处理器来说代价较大。 这种接入模式的代表性技术方案是沈阳东大新业信息技术股份有限公司提出的 w e b i t 模型。它将m c u 年i 以太网控制器集成到一块小板卡上，将它装入到嵌入系统 中就可以完成嵌入系统与i n t e m e t 的联接。w e b i t 总体上是一个基于a v r 单片机的 系统，j 各- t c p i p 协议栈嵌入到系统中实现网络连接。一端通过一个1 0 m 以太网控制 6 华中科技大学硕士学位论文 器和网络相连，另一端为t t l 电平的u a r t 口及1 4 位i 0 口，通过它与嵌入式应用系 统相连。 三种模式都需要实现t c p i p 协议栈，只不过实现的位置、实现的内容以及实 现的目的不同，这也是三种模式的不同之处。目前很多公司提供嵌入式t c p i p 协 议栈，像i n t e r n i c h e 公司就提供全套的网络协议栈产品，包括t c p i p 协议栈、嵌入 式浏览器、嵌入式网络管理工具以及安全协议软件等。 从以上解决方案可以看出，嵌入式i n t e r n e t 在技术上比较成熟，但是在具体应 用方面还有很多困难，比方说，由于具体的硬件结构和应用需求的不同，很难用一 种实现解决所有智能设备的网络连接问题。在安全性方面以及实时性方面还存在很 多问题。另外，嵌入式系统的网络在远程控制和数据传输的过程中没有一种统一的 数据传输格式规范。 总之，目前在实践中提出的很多嵌入式系统的t c p i p 协议栈实现的主要缺陷 在于可移植性较差，不适合嵌入式系统应软件环境多样化的要求，导致了很多重复 的开发工作。考虑到嵌入式应用中硬件系统( 主要是c p u 和存储器容量) 地多样 性，完成特定地功能的应用程序也各不相同，存储器的容量限制，运算速度的限 制，因而在嵌入式系统中实现t c p i p 协议栈要求具有良好的可移植性、运行代价 小、算法简单而高效。同时还要建立适应于嵌入式系统中的简洁而高效的数据( 包 括控制数据和现场状态数据) 传输格式规范。 到目前为止，对于智能卡与i n t e r n e t 连接方面的研究还不是很多，有代表性的 是法国b u l lc p 8 公司的p ：u r i e n 对智能卡与i n t e r n e t 连接在理论上作了研究，从总体 上给出了i n t e m e t 智能卡的结构以及分析了在可能的网络应用中智能卡与网络的数 据交换过程。但对于智能卡中t c p i p 协议栈的实现的研究不够深入，没有充分考 虑和通用t c p i p 协议栈实现的兼容性，也没有提出具体的实现。另外，香港的 a l v i nt s 。c h a n 讨论了在j a v a 卡中通过w e bs e r v l e t 实现通过浏览器对智能卡中存放 病人的病历记录的远程访问，没有较系统地给i n t e m e t 智能卡的应用中的连接模 型。 ， 1 3 主要研究工作 智能卡与i n t e m e t 连接关键是要合理地设计出适合智能卡的t c m p 协议栈以及 连接模型，使得实现了和i n t e m e t 连接的智能卡既满足应用的通信控制要求又减少 7 华中科技大学硕士学位论文 存储空间的占用。前者是智能卡实现网络连接的基础，后者则解决了如何应用 i n t e r n e t 智能卡的问题。具体地说，本文主要研究内容包括： 1 给出i n t e r n e t 智能卡的定义。i n t e r n e t 智能卡是指实现t t c p i p 协议栈并具 有年 1 i n t e m e t 建立网络连接能力的智能卡。 2 进一步完善i n t e m e t 智能卡的系统结构。在前人研究基础上将与i n t e r n e t 智 能卡相连的读写终端从主机中独立出来，甚至可以将读写终端和智能卡在物理上作 为个设备采用网络接口直接和i n t e m e t 相连。 3 讨论智能卡与i n t e m e t 连接的连接模型：远程控制模型( r e m o t ec o n t r o l m o d e l ) 和代理模型( p r o x ym o d e l ) 。目前，i n t e r n e t 智能卡的应用还处于萌芽状 态，那么怎样才能正确预n | | i n t e r n e t 智能卡的应用领域，并进一步提出智能卡与 i n t e r n e t 连接的连接模型，从而从理论上指导i n t e m e t 智能卡的实际应用，将使理论 研究具有明确的目标。 4 智能卡仿真系统中网络驱动程序设计，t c p i p 协议栈设计与实现。要实 现网络连接，核心是要实现t c p i p 协议栈。考虑到智能卡的硬件特点及应用特 点，将对一般的t c p i p 协议栈进行裁减和优化以达到消耗最小系统资源条件下满 足i n t e m e t 智能卡应用的目的。 5 智能卡仿真系统网络接口部分设计。 6 远程控制模型的实现。为了从实践上验证远程控制模型，笔者将在智能 卡仿真系统上实现该模型，并将设计一个远程控制模型应用的实例。 可以预期，通过对智能卡中t c p i p 协议研究与实现，提出i n t e r n e t 智能卡概 念，分析i n t e r n e t 智能卡系统结构及智能卡与i n t e r n e t 连接的连接模型，并进一步通 过实验验证远程控制模型，最终将对智能卡与i n t e r n e t 连接方面研究在理论和实践 上做出一些前人研究基础上的突破。 8 华中科技大学硕士学位论文 2 智能卡仿真系统设计 由于智能卡芯片的烧写需要专门的设备，直接在其上进行程序开发不容易实 现，同时要支持网络连接需要网络接口控制芯片，为了试验的方便，本实验室设计 了一个智能卡仿真系统，该系统将传统的智能卡和读卡终端集成到一起，除了提供 遵循i s 0 7 8 1 6 协议的模拟i c 卡接口，还增加了网络接口和串口方式的访问。本课题 将在该仿真系统中实现智能卡与h a t e m e t 连接的远程控制模型。 2 1 智能卡仿真系统 智能卡仿真硬件平台在考虑到实际应用的普遍性及前瞻性情况下，尽量采用较 简单的硬件电路逻辑设计，以完成智能卡仿真功能为主要目标。 为了实现智能卡与i n t e r n e t 的连接，在设计时，在仿真智能卡上直接增加网络 接口，而通常网络接口在读写终端上，智能卡通过与读写终端的通信利用读写终端 的网络连接能力和网络相连。这样，既可以将该智能卡仿真硬件平台作为一片智能 卡使用，也可以将它作为一个具有网络连接能力的读写终端和智能卡的结合体。智 能卡仿真硬件平台详细的电路原理图参见附录2 ，该仿真平台具有以下特性： 1 采用主从c p u 结构，二者通过中断方式通信，共用一个双端口存储器； 2 主c p u 采用i n t e l 的8 0 c 1 9 6 k c ，从c p u 采用a t 8 9 c 5 2 ，外部频率1 2 m ； 3 3 2 k 外部r o m ，8 k 外部r a m ，5 1 2 kf l a s h 存储器，1 6 k 位1 2 c 存储器： 4 采用十5 v 电源； 5 提供一个串口、一个网络接口和一个模拟i c 卡接口： 6 支持智能卡的仿真，也可以作为通用嵌入式系统开发板。、 由于笔者在该仿真系统中主要从事网络接口部分的设计，因此将对网络接口部 分相关内容作重点阐述，其他部分内容由同课题组张凡同学设计。 2 2 网络接口控制器选择 网络接口控制器( 简称为网络控制器) 采用r e a l t e k 公司的r t l s 0 1 9 a s ，它是 一款i s a 总线的网络控制器芯片，其对外接口比较简单，很适合用于嵌入式系统 中。其主要性能如下： 1 符合e t h e r n e ti i 与i e e e s 0 2 3 ( 1 0 b a s e 5 ，1 0 b a s e 2 ，1 0 b a s e t ) # v $ 准； 9 华中科技大学硕士学位论文 2 ，全双工，收发可同时达到1 0 m b p s 的速率： 3 内置1 6 k b 的s r a m ，用于收发缓冲，降低对主处理器的速度要求； 4 支持8 1 6 位数据总线，8 个中断申请线以及1 6 个i o 基地址选择； 5 支持u t p ，a u i ，b n c ，自动检测，还支持对1 0 b a s e t 拓扑结构的自动极性修 正； 6 允许4 个诊断l e d 引脚可编程输出： 7 1 0 0 脚的p q f p 封装，缩小了p c b 尺寸。 r t l 8 0 1 9 a s 实现以太网媒介访问层( m a c ) 年d 物理层( p h 的功能，包括m a c 数据帧的组装拆分与收发、地址识别、c r c 编码校验、曼彻斯特编解码、接收噪 声抑制、输出脉冲成形、超时重传、链路完整性测试、信号极性检测与纠正等 口。主处理器需要做的只是在r t l 8 0 1 9 a s 的外部总线上读写m a c 帧。 r t l 8 0 1 9 a s 原理框图如图2 1 虚线框内部所示。 图2 1r t l 8 0 1 9 a s 原理框图 在图2 1 中，接收控制器将串行数据拼成字节送n c r c 校验单元；发送控制器 将送来的字节送至1 c r c 编码单元并逐位按位移出。c r c 逻辑在接收时对输入的数 据迸行c r c 校验。将结果与帧尾的c r c