（计算机应用技术专业论文）嵌入式internet中轻量级tcpip协议栈的研究与实现.pdf

硕士学位论文 摘要 嵌入式i n t e r n e t 是i n t e r n e t 发展过程中一个新的里程碑。受嵌入式系统存储资 源和计算资源的限制，嵌入式i n t e r n e t 主要有两种系统结构：基于网关的嵌入式 i n t e r n e t 系统结构和直连嵌入式i n t e r n e t 系统结构。比较而言，直连嵌入式i n t e r n e t 系统结构是一种新的系统结构，在系统成本、丌放性、移动性方面具有较大优势， 因而更有应用前景。 实现直连嵌入式i n t e r n e t 系统结构的关键是：结合系统资源有限的嵌入式系统 软硬件环境以及嵌入式i n t e r n e t 应用，对标准的t c p i p 协议栈进行简化，以实现 一种适合于直连嵌入式i n l e r n e t 系统结构的轻量级t c p i p 协议栈。目前对轻量级 t c p i p 协议栈的研究存在不足之处：要么没有实现协议栈与应用的分离，造成重 复劳动；要么协议栈缺乏可配置性、可移植性、易于使用等特点。 本文首先研究了如何对标准t c p i p 协议栈进行简化，以实现轻量级t c p i p 协议栈的方法。然后设计并实现了一种新的轻量级t c p i p 协议栈 - - e m l p ( e m b e d d e di p ) 协议栈。e m l p 协议栈采用基于事件驱动的程序设计模型，把 应用程序( 协议) 作为回调函数，在诸如新数据包到达等事件发生时被e m l p 协议 栈调用，很好地解决了协议栈与应用分离的问题。在可配置性方面，e m l p 协议栈 的可配置性不仅体现在各协议实现的模块化上，也体现在各协议的具体实现上， 从而最大限度地降低系统资源的占有量。在可移植性方面，e m i p 协议栈抽取了常 见嵌入式开发平台具有的相关性，放在一个c 头文件里方便开发人员在移植时进 行修改。在易于使用方面，e m l p 协议栈用函数库的形式提供了简单易用的基本网 络通讯接口。 一论文的最后使用e m l p 协议栈提供的接口函数实现了一个简单的嵌入式w e b s e r v e r 测试用例，并在实验室自主开发的8 位单片机硬件平台一e w e b 上进行了 测试。测试结果表明：e m l p 协议栈具有可配置性、占用系统资源少、可移植性、 接口简单易用等特点。 关键词：嵌入式i n t e r n e t ；轻量级t c p l p 协议栈；嵌入式i n t e r n e t 系统结构 e m l p 协议栈 嵌八式i n t e r n e t 中轻量级t c p i p 协议栈的研究与实现 a b s t r a c t e m b e d d e di n t e r n e th a sb e c o m ean e wm i l e s t o n ei nt h e p r o c e s s o ft n t e r n e t d e v e l o p m e n t f o rt h el i m i t a t i o no fc o m p u t a t i o na n dm e m o r yr e s o u r c e si ne m b e d d e d s y s t e m ，e m b e d d e di n t e r n e tc a nb ec l a s s i f i e d i n t ot w oa r c h i t e c t u r e s ：g a t e w a y b a s e d a r c h i t e c t u r ea n dd i r e c t c o n n e c t i o na r c h i t e c t u r e c o m p a r e dt og a t e w a y b a s e da r c h i t e c t a r e ，d i r e c t c o n n e c t i o na r c h i t e c t u r ei san e wa r c h i t e c t u r ea n dh a sm o r ea p p l i e dp r o s p e c t f o rt h er e a s o no fi t sa d v a n t a g ei nl o w s y s t e mc o s t ，o p e na n dp o r t a b l ec h a r a c t e r s t h ek e ya n s w e rt ot h e p r o b l e mo fi m p l e m e n t i n gd i r e c t c o n n e c t i o n e m b e d d e d i n t e r n e ta r c h i t e c t u r ei st o s i m p l i f y f u l lt c p i ps t a c kb a s e do n s p e c i f i c i n t e r n e t a p p l i c a t i o n a n ds o f t w a r e h a r d w a r e s y s t e m c i r c u m s t a n c eo fe m b e d d e ds y s t e mw i t h l i m i t e d s y s t e m r e s o u r c e s w ec a l l t h i s t y p e o ft a i l o r e dt c p i ps t a c k l i g h t w e i g h t t c p i ps t a c k c u r r e n tr e s e a r c h so nl i g h t w e i g h tt c p i ps t a c kh a v em a n ys h o r t a g e s t h a te i t h e rb r i n g so u td u p l i c a t ew o r kb e c a u s eo fm i x i n gt h ed e s i g na n di m p l e m e n to f l i g h t w e i g h tt c p i ps t a c kw i t he m b e d d e d i n t e r n e ta p p l i c a t i o no rh a sn oc h a r a c t e r so f c o n f i g u r a b l e ，p o r t a b l ea n ds i m p l ei n t e r f a c es p e c i f i c a t i o na n ds oo n f i r s t ，w es t u d yt h e m e t h o d so fs i m p l i f y i n gf u l lt c p i ps t a c kt o i m p l e m e n t l i g h t w e i g h tt c p i ps t a c k t h e n ，an e wl i g h t w e i g h tt c p i ps t a c k i s d e s i g n e da n d i m p l e m e n t e d ，w h i c hc a l l e de m l p ( e m b e d d e di p ) s t a c k e m l ps t a c ku s e sa ne v e n tb a s e d p r o g r a m m i n gm o d e lw h e r et h ea p p l i c a t i o n ( p r o t o c 0 1 ) i si m p l e m e n t e da s ac a l l b a c k f u n c t i o nt h a ti sc a l l e db ye m l pi n r e s p o n s et o c e r t a i ne v e n t ss u c ha sn e wd a t ai s r e c e i v e d ，w h i c hr e s o l v e st h ep r o b l e mo fs e p a r a t i n gt c p i ps t a c kf r o mi m p l e m e n t a t i o n o fe m b e d d e di n t e r n e t a p p l i c a t i o n a s f o rc o n f i g u r a b l ec h a r a c t e r , e m l ps t a c kn o t o n l y i m p l e m e n t st h em o d u l e so fv a r i o u sp r o t o c o lb u ta l s om a k e st h ei m p l e m e n t a t i o no f p r o t o c o lc o n f i g u r a b l e ，w h i c hw i l lg r e a t l yl o wt h ec o m s u m p t i o no fs y s t e mr e s o u r c e si n e m b e d d e d s y s t e m a sf o rp o r t a b l ec h a r a c t e r , e m l ps t a c ka b s t r a c t st h er e l a t e dc h a r a c t e r s o fe m b e d d e dd e s i g np l a t f o r mf r e q u e n tu s e df o re a s ym o d i f i c a t i o nu s i n gach e a d e r f i l e a sf o re a s yu s a g e ，e m l ps t a c ka f f o r d ss i m p l eb a s i cn e t w o r ki n t e r f a c ew i t hf u n c t i o n l i b r a r y a tt h e e n d ，as i m p l ee m b e d d e dw e bs e r v e ra s at e s t i n gc a s e u s i n g n e t w o r k i n t e r f a c ea f f o r d e db ye m l ps t a c ki s i m p l e m e n t e d a l s o ，t h i ss i m p i ee m b e d d e dw e b n 硕士学位论文 s e r v e ri st e s t e do n a n8 - b i te m b e d d e d s y s t e mp l a t f o r m e w e bd e s i g n e d a n d i m p l e m e n t e db y i s f r o mt h et e s t i n gr e s u l t ，w ed r a wc o n c l u s i o nt h a te m l ps t a c kh a v e c o n f i g u r a b l e ，p o r t a b l ec h a r a t e r sa n da l s oh a v ec h a r a c t e r so fl i m i t e ds y s t e mr e s o u r c e s c o n s u m p t i o n ，s i m p l e a n d e a s yi n t e r f a c es p e c i f i c a t i o na n ds oo n k e y w o r d s ：e m b e d d e di n t e r n e t ；l i g h t w e i g h tt c p i ps t a c k ；e m b e d d e di n t e r n e t a r c h i t e c t u r e ；e m l ps t a c k i l l 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特另, j j j t l 以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：勿即易汤日期：弘母锌午月子日 学位论文版权使用授权书 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，同意 学校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。本人授权湖南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。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：铆动面 导师签名：乏势缎 日期：v 旧p 年叩月孑日 日期：弘，r 年牛月8 日 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题来源、目的和意义 本研究课题来自上海宝信软件公司项目：基于嵌入式结构的新型智能控制系 统。 近年来，随着嵌入式计算技术的不断发展，嵌入式计算已深入到人类社会的 各个领域。从军用高技术装备到信息家电，从通信设备到医疗器械，从工业控制 到智能仪器仪表，处处都需要嵌入式计算技术。有人把这种嵌入式计算广泛应 用的阶段叫“后p c 时代”，所谓的后p c 时代，是英文p e r v a s i v ec o m p u t i n g 的中文意 译，p e r v a s i v e 的原意是普遍的、蔓延的、渗透的，所以p e r v a s i v ec o m p u t i n g 这个词 组直接的翻译应该是渗透到各个方面的计算。因此我们认为，所谓后p c 时代是指： 以计算机技术为依托的计算无处不在，它渗透到我们生活的各个方面。 另一方面，i n t e r n e t 已成为社会重要的基础设施之一，i n t e r n e t 技术的快速发 展和不断成熟，使得i n t e r n e t 的应用范围和领域不断扩大。除了传统的信息检索、 电子邮件、远程登录、文件传输等业务外，各种新应用( 如信息家电、远程医疗、 嵌入式w e b 传感器等) 越来越受到人们的关注。 目前大多数嵌入式系统处于单独应用的阶段，其系统架构一般以m c u 为核 心，与一些监测、指示设备进行连接以实现一定的应用功能【2 】。在一些工业控制 和汽车应用领域中，为了实现多个嵌入式系统之间的信息交流，一般利用c a n 、 r s 一2 3 2 、r s 4 8 5 等总线将多个嵌入式系统组网，但这种网络的有效半径有限，有 关的通信协议也比较少，同时又孤立于i n t e r n e t 之外。i n t e r n e t 现已成为社会重要的 基础设施之一，是信息流通的重要渠道，把嵌入式系统连接至u i n t e m e t ，通过i n t e r n e t 实现各种网络化嵌入式系统应用是种趋势，也是一种必然。 将嵌入式系统与i n t e r n e t 结合起来的想法很早以前就有了，其主要的困难在于， 要将嵌入式系统连入i n t e r n e t ，就必须让嵌入式系统支持t c p i p 通讯协议栈，这是 不能选择的。但实现完整的t c p i p 协议栈对计算设备的处理器、存储器等都有很 高的要求，各种嵌入式系统中除部分比较高档的3 2 位处理器以外，大量存在的是 8 位或1 6 位嵌入式系统，这些嵌入式系统的计算资源和存储资源都十分有限，在 这些嵌入式系统中实现完整的t c p i p 协议栈将占用可观的系统资源，或根本不可 嵌入式i n t e r n e t 中轻量级t c p i p 协议栈的研究与实现 能。因此，从系统资源有限的嵌入式系统支持t c p i p 协议栈的角度来看，存在两 种嵌入式i n t e r n e t 系统结构【3 】：基于网关的嵌入式i n t e r n e t 系统结构和直连嵌入式 i n t e r n e t 系统结构。比较而言，直连嵌入式i n t e r n e t 系统结构是一种比较新的嵌入式 i n t e r n e t 系统结构，更有应用前景，但它还需要不断的研究和完善。实现直连嵌入 式i n t e r n e t 系统结构的关键是如何针对嵌入式系统的软硬件环境以及具体的嵌入式 i n t e r n e t 应用，对标准的t c p i p 协议栈进行简化，实现一种轻量级t c p i p 协议栈。 目前，在轻量级t c p i p 协议栈研究方面存在以下几点不足：1 ) 没有标准的 实现形式可以遵循。它的实现一般和特定的嵌入式i n t e r n e t 应用相联系，即协议栈 没有实现与应用的分离。嵌入式i n t e r n e t 应用设计人员如果想进行嵌入式i n t e r n e t 应用的设计，他必须把对标准的t c p i p 协议的简化和嵌入式i n t e r n e t 应用同时加 以考虑和实现。不像在p c 机上开发i n t e r n e t 网络程序，有现成的网络应用程序接 口( s o c k e t a p i ) 可以调用，这势必增加嵌入式i n t e r n e t 应用的开发时间和开发成 本。2 ) 有些协议栈用函数库的形式实现了与应用的分离，但缺乏可移植性、可配 置性、易于使用等特点。 本课题主要研究如何结合嵌入式i n t e r n e t 应用以及嵌入式系统的软硬件系统 环境，设计并实现一种协议栈与应用分离，同时具有占用系统资源少、可配置、 易于移植、接口简单易用等特点的轻量级t c p i p 协议栈。使用这种轻量级t c p i p 协议栈，可以让嵌入式i n t e r n e t 应用开发人员省去t c p i p 通讯协议部分的设计与 实现，把主要的工作放在应用程序( 协议) 的分析和设计上。因此本课题的研究无 论在理论上，还是实际的应用中都具有重要的现实意义。 1 2 研究背景 1 2 1 嵌入式i n t e r n e t 及其系统结构 回顾i n t e r n e t 的发展历程，大致经历了三个阶段【4 j 。第一阶段( 1 9 8 0 年一1 9 9 0 年) ：i n t e r n e t 发展的萌芽阶段。这一阶段主要解决异种计算机的联网和信息交换 问题，采用t c p i p 协议栈交换文件和信息，以解决某些专业领域如银行、军用系 统等采用不同操作系统的大、中、小型计算机的联网问题，这时还不口q i n t e r n e t ， t c p i p 网络只是被少数计算机专家所拥有的概念，这一阶段可以说是i n t e r n e t 发展 的萌芽阶段。第二阶段( 1 9 9 0 年一2 0 0 0 年) ：在这一阶段，p c 得到广泛的应用 和普及，i n t e r n 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v o c w 得到普遍应 2 坝十学位论文 用，l n l e r n e t 这个新事物被大众所接受，推动i n t e r n e t 迅速发展的一个重要因豢是p c 的广泛应用和普及，在形成c l i e n t s c r v e r 体系结构( 客户机i 务器) 的基础上。 进而发展为b r o w s e r s e r v e r 结构( 浏览器) j l i 务器) ，这种体系结构下的客户机是已 经广泛使用和普及的p c ，服务器则是相对复杂、价格昂贵的超级计算机，即所谓 的“胖服务器”。i n t e r n e t 的发展产生了对路由器、交换机等网络设备的巨大需求， c i s c o 的成功就在于此。另一方面，w w w 的应用造就了一大批以y a h o o 为代表的c o r n 公司，以及电子商务公司。不得不承认，这时候的i n t e r n e t 正迅速地促进经济和社 会的发展以及悄悄地改变着人们的工作和生活方式。第三阶段( 2 0 0 0 年一2 0 1 0 年) ：嵌入式i n t e r n e t 时代。在这一阶段，i n t e r n e t 将给地球披上“电子皮肤”，嵌入 式片上系统将成为瘦服务器。美国贝尔实验室总裁a r u nn e t r a v a l i 等一批科学家对 未来的i n t e r n e t 向何处发展做了大胆的预测：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，这些瘦服务器将与我们这个世界你能 想到的各种物理信息、生物信息相联接，通过i n t e r n e t 自动、实时、方便、简单地 提供给需要这些信息的对象”。 可以简单的把嵌入式i n t e r n e t 理解为一种把嵌入式系统接入i n t e r n e t 实现各种 嵌入式i n t e r n e t 应用( 如：远程监控、诊断和管理等【5 j ) 的技术。嵌入式i n t e r n e t 发 展时间虽然不长。发展却十分迅速，相关技术和解决方案不断出现。归纳起来， 嵌入式i n t e r n e t 主要有两种系统结构：基于网关的嵌入式i n t e r n e t 系统结构和直连嵌 入式i n t e m e t 系统结构。基于网关的嵌入式i n t e r n e t 系统结构的主要实现思想是：采 用p c 或高性能嵌入式计算设备等做网关，支持标准t c p i p 协议栈并运行基于 i n t e r n e t 的服务程序( 通常是w e bs e 1 v l r ) 。两关和嵌入式系统之间刚通过一些标准 的串行通讯协议( 如：r s 2 3 2 、r s 4 8 5 等) 或者私有通讯协议( 由嵌入式i n t e r n e t 解决方案提供商提供) 迸行通讯。这种系统结构相对比较成熟，应用也很广泛a 如：基于嵌入式w e bs e r v e r 的网络视频监控系统1 6 】。水电站综合自动化系统1 7 l 等。 直连嵌入式i n t e r n e t 系统结构则是一种新的嵌入式i n t e r n e t ，其主要实现思想是：针 对嵌入式系统的软硬件环境以及具体的嵌入式i n t e m e t 应用对标准的t c p i p 协议栈 进行简化。让系统资源有限的嵌入式系统支持一种轻量级t c p i p 协议栈而宣接连 入i n t e r n e t 。直连嵌入式i n t e r n t 系统结构还处于不断的研究和完善之中，目前应用 不是很广泛。比较而言，直连嵌入式i n t e r n t 系统结构做为一种新的嵌入式i n t e r n e t 系统结构，在系统成本、开放性、移动性方面具有较大优势，因丽更有应用前景。 嵌入式l m n n c t 中轻始级f c p i i ) 栅议拽的研究与实现 1 2 2 轻量级t c p i p 协议栈的研究现状 前面提到，直连嵌入式i n t e r n e t 系统结构比基于网关的嵌入式i n t e r n e t 系统结构 更有应用前景。而实现直连嵌入式i n t e r n e t 系统结构的关键之处是：如何结合系统 资源有限的嵌入式系统软硬件环境以及具体的嵌入式i n t e r n e t 应用对标准的t c p i p 协议栈进行简化，从而实现一种轻量级t c p i p 协议栈。 在轻量级t c p i p 协议栈的研究方面，国内外做了很多研究。j e r e m yb e n l h a m 的 p l c m i c r o 协议栈【9 j 只需要几十个字节就可以运行一个能提供简单网页服务的w e b s e r v e r 。p i c m i c r o 协议的实现面向w c bs e r v e r 应用，与轻量级w e bs e r v e r 应用程序紧密 耦合。它的实现建立在许多应用以及系统环境的假设上。比如：它在t c p 协议中没 有实现重传机制。而是假设与之通讯的主机支持实现了重传机制的标准t c p i p 协议 栈。在发生错误或者数据包丢弃的情况下，与之通讯的主机会不断的发送重传请求 来保证t c p 协议的可靠性传输。由于和轻量级w e bs e r v e r 应用程序紧密耦合， p i c m i c r o 协议栈没有程序接口，其实现细节对外界也是透明的。p i c m i c r o 协议栈可 以说不是严格意义上的轻量级t c p i p 协议栈，它只不过提供了最简单的t c p i p 协 议所能提供的通讯功能。 a t m e lt c p i p 协议栈【1 0 】是另一个适合于嵌入式系统的t c p i p 协议栈。为了降低 r o m 和r a m 的占有量，它裁剪了t c p i p 协议栈中一些重要的协议机制，比如：t c p 稍塞控制协议。拥塞控制协议的主要作用是在网络负载过重时减少发包率j s j 。这种 裁剪了拥塞控制协议的t c p i p 协议栈如果工作在同一个网络的情况下不会出现什么 问题，如果横跨几个网络就可能出现问题。 t e x a si n s t u m e n t 的m s p 4 3 0t c p i p 协议栈【u ! 以及t i n v t c pc o d e t 1 2 l 使用了另外 的简化方法，即这两种协议栈只处理一个t c p 连接。这种简化方法大大降低t t c p i p 协议栈系统资源方面的开销，对很多应用来说这也是可行的。但它不能同时与两个 以上的主机进行通讯，从而限制了t e 彤i p 协议栈的功能。c m xm i c r o n e t 协议栈1 1 也使用了同样的简化方法，只不过它静态的规定了其最多可同时处理1 6 个t c p 连 接。 l i v e d e v i c e se m b e d i n e t l l 4 】以及其它一些t c p i p 协议栈的实现没有考虑历传输的 数据包大小。这在很多情况下可以正常工作，因为很多主机能接受1 5 0 0 个字节或更 大的数据包。但如果主机没有足够的内存接受这些数据包，那么它们之间的通讯将 会失败。 最后，在对标准的t c p i p 协议栈进行简化时，通常不实现i p 数据包的分段和重 4 硕士学位论文 装。对i p 数据包进行分段的情况一般很少出现，如果i p 数据包在路由的过程中，出 现了i p 数据包分段的情况，那么目的端主机运行的t c p i p 协议栈必须支持i p 数据包 的重装功能，否则通讯将会失败。有些简化的t c p i p 协议栈实现了i p 数据包的分段 和重装，如：k a d a kk w i k n e t 协议栈【1 5 j ，但这些t c p i p 协议栈对8 位或1 6 位嵌入 式系统而言，无论在r o m 还是r a m 资源占有量方面都不合适。 从上述对标准的t c p i p 协议栈进行简化，以实现轻量级t c p i p 通讯协议栈的 相关研究可以看出，目前这些研究存在以下几点不足。 1 ) 这些研究都把轻量级t c p i p 协议栈的实现和应用紧密联系，一起加以考 虑。可以说它们都不是严格意义上t c p i p 协议栈，只是实现了简单的 t c p i p 协议具有的通讯功能。 2 )由于没有实现协议栈与应用的分离，这些轻量级t c p i p 协议栈没有接口 的概念，也没有做成函数库的形式。傲为商业产品的一部分，其实现细节 对用户来说是透明的。在嵌入式i n t e r n e t 应用程序设计中，由于没有现成 的轻量级t c p i p 协议栈可以使用，设计人员必须结合具体的嵌入式 i n t e r n e t 应用从头开始设计轻量级t c p i p 协议栈，这样会造成大薰的重复 劳动。 a d a md u n k e l s 写的u l p 【1 6 】可以说是一个针对嵌入式系统特别是8 位或1 6 位嵌入 式系统的轻量级t c p i p 通讯协议栈，它以函数库的形式提供给嵌入式i n t e r n e t 应用开 发人员。u l p 采用一种基于事件驱动的程序模型来减小代码容量和r a m 的占有量， 在h 8 s 目标系统中，校验函数、i p 、i c m p 、t c p 总的代码占用的r o m 大小为4 6 5 2 字节。但u l p 协议栈也存在以下几个方面的不足： 1 ) 实现结构比较混乱，充斥着太多的g o t o 语句，可读性差。 2 ) 没有包含u a p 协议，从某种意义上来说也是为特定的应用( 如：嵌入式 w e bs e r v e r ) 定制的，应用的范围不广。 3 ) 可配置性差，可配置性差导致留给应用程序设计人员的选择很少，应用程 序设计人员不能根据特定嵌入式系统的特点和应用的需要进彳亍取舍，从而 最大限度的降低系统存储资源和计算资源的占有量。 4 ) 可移植性不强。u l p 通讯协议栈用标准的c 语言实现，但在可移植性方面 考虑的不够，例如8 0 5 1 单片机内部t a m 容量很少，很多变量都需要放到 外部的r a m 中，这样必须在针对8 0 5 1 单片机的c 语言集成开发环境中用 x d a t a 加以说明，u l p 没有考虑到这一点，因此移植起来不是很容易。 5 嵌入式i n t e r n e t 中轻量级t c p i p 协议栈的研究与实现 5 ) u l pm 议栈的实现没有很好的考虑与底层物理网络交互的问题，缺乏实用 的特点。 1 3 本文主要工作 本文针对目前嵌入式i n t e r n e t 的发展，以及直连嵌入式i n t e r n e t 系统结构中轻量 级t c p i p 协议栈研究方面存在的不足，进行一些相关研究。主要工作有以下几点： 1 、分析和比较目前嵌入式n t e r n e t 的两种主要系统结构及其使用豹通讯协议。在此 基础上，分析嵌入式i n t e r n e t 系统结构的发展趋势。 2 、结合嵌入式i n t e r n e t 应用以及嵌入式系统软硬件环境，研究如何对标准的t c p i p 协议栈进行简化，实现适用于直连嵌入式i n t e r n e t 系统结构的轻量级t c p i p 协 议栈的方法。 3 、针对目前轻量级t c p i p 协议栈研究存在的不足，设计并实现一个轻量级t c p i p 协议栈一e m i p ( e m b e d d e d i p ) 协议栈。e m l p 协议栈实现协议栈与应用的分离， 同时具有可配置性、占用的系统资源少、可移植性、接口简单易用等特点。 4 、使用e m l p 协议栈提供的接口函数实现一个简单的嵌入式w e bs e r v e r 测试用例， 并在实验室自主开发的8 位单片机硬件平台e _ w e b 上对其进行测试。 1 4 论文结构 本论文共分6 章。除本章外，第2 章主要分析和研究了嵌入式i n t e r n e t 的两种 典型系统结构及其所使用的通讯协议。第3 章主要分析和研究嵌入式i n t e m e t 中轻 量级t c p i p 协议栈的特点及其简化方法。第4 章介绍了一个适用于直连嵌入式 i n t e r n e t 系统结构的轻量级t c p i p 协议棱e m 口协议栈的设计与实现。第5 章介 绍了e m l p 协议栈的使用和测试。第6 章介绍本文已完成的工作及进一步工作的展 望。各章的联系与全文的组织结构如图1 1 所示。 6 硕士学位论文 1 5 小结 第l 章绪论 第獐阮入式i n t e r n 。t 系统 结构及其通讯协议 l 第3 幸嵌入式i n t e m e t 中轻量 级t c p i p 协议棱 i 第嫜轻孟级t c p i p 协议棱一 e 缸p 的设计与实现 i 第5 章e m p 协议栈的使用和测试 l 结论 图1 1 论文组织结构图 i n t e r n e t 技术以及嵌入式系统技术的发展孕育了嵌入式i n t e r n e t ，嵌入式 i n t e r n e t 的发展是种趋势，也是一种必然。嵌入式系统要连入i n t e r n e t ，就必须要 支持i n t e r n e t 上的基础性通讯协议- - t c p i p 协议栈，这是不能选择的。目前大量 存在的是那些系统资源非常有限的8 位或1 6 位嵌入式系统。标准的t c p i p 协议 栈需要占用可观的存储资源和计算资源。因此让8 位或1 6 位嵌入式系统支持标准 的t c p i p 协议栈显的不合适，或者根本不可能。 嵌入式i n t e r n e t 两种主要的系统结构：基于网关的嵌入式i n t e r n e t 系统结构和 直连嵌入式i n t e r n e t 系统结构。比较而言，直连嵌入式i n t e r n e t 系统结构更有应用 前景。实现直连嵌入式i n t e m e t 系统结构的关键问题是如何针对系统资源有限的嵌 入式系统软硬件环境和嵌入式i n t e n l e t 对标准的t c p i p 协议进行裁剪，实现一种 轻量级t c p i p 协议栈。目前在轻量级t c p i p 协议栈方面的研究存在着一些不足。 造成大量的重复劳动。因此研究直连嵌入式i n t e r n e t 系统结构中的轻量级t c p i p 协议栈的简化和实现问题对嵌入式i n t e r n e t 技术的发展具有重要的理论意义和现 实意义。 嵌入式i n t e r n e t 中轻量级t c p i p 协议栈的研究与实现 第2 章嵌入式i n t e r n e t 系统结构及其通讯协议 2 1 引言 嵌入式i n t e r n e t 可以简单理解为将嵌入式系统接入i n t e r n e t 的技术。使用该技 术可将i n t e r n e t 上的应用从p c 等计算设备延伸到系统资源非常有限的8 位或1 6 位嵌 入式系统。实现基于i n t e r n e t 的远程数据采集、远程控制、自动报警、上传下载数据 文件、自动发送e m a i l 等功能，大大扩展了i n t e r n e t 以及嵌入式系统的应用范围 1 8 1 。 嵌入式i n t e r n e t 技术正在不断的发展，新技术层出不穷，新产品不断产生，从底 层硬件技术到上层软件所提供的解决方案都在不断的完善。前面提到，嵌入式系统 要接入i n t e r n e t ，它必须支持( 可通过直接支持或间接支持) i n t e r n e l 上的基础通讯协 议一t c p i p 协议栈，这是不能选择的。嵌入式系统是以计算机技术为基础、软硬件 可裁剪，对成本、体积、功耗有严格要求的专用系统，因此它对t c p i p 协议栈的支 持有其自身的特点，这些特点也决定了嵌入式i n t e r n e t 应用的系统结构1 1 。本章主要 讨论嵌入式i n t e r n e t 两种典型的系统结构【3 l 及其所使用的通讯协议。在此基础上，分 析嵌入式i n t e r n e t 系统结构的发展趋势。 2 2 基于网关的嵌入式i n t e r n e t 系统结构及其通讯协议 要实现系统资源非常有限的8 位和1 6 位嵌入式系统连入i n t e m e t ，就必须让这 些嵌入式系统支持i n t e r n e t 上的基础通讯协议- t c p i p 协议。这是不可选择的。标 准的t c p i p 协议栈需要占用大量的系统资源，让系统资源非常有限的嵌入式系统支 持标准的t a ) i p 协议栈显然不可能。 让嵌入式系统支持t c p i p 协议栈的目的就是要使嵌入式系统能够与i n t e r n e t 上 其它的网络计算设备进行通讯，既然让系统资源非常有限的嵌入式系统支持标准 的t c p i p 协议栈显得不太合适，那么是否可以让这些嵌入式系统通过一个运行标 准t c p i p 协议栈的代理而间接地提供对t c p i p 协议栈的支持。于是就出现了一种 基于网关的嵌入式i n t e m e t 系统结构解决方案【2 0 2 1 1 ，这种基于网关的嵌入式i n t e m e t 系统结构蕴含的核心思想是：采用p c 或高性能嵌入式计算设备等做网关，支持标 准t c p i p 协议栈并运行基于i n t e r n e t 的服务程序( 通常是w e bs e r v e r ) 。网关和嵌入 式系统之间则通过一些标准的串行通讯协议( 如：r s 2 3 2 、r s 4 8 5 等) 或者私有 通讯协议( 由嵌入式i n t e r n e t 解决方案提供商提供) 进行通讯。在这种基于网关的 项：- 学位论文 嵌入式i n t e r n e t 系统结构下，i n t e r n e t 上的用户可以运行客户端程序( 如：浏览器) 通过网关上运行的网络服务程序( 如：w e bs e r v e r ) 实现对嵌入式系统的远程访问 和控制。从根本上来看，这个支持标准t c p i p 协议栈的网关起了一个代理的作用， 嵌入式系统通过这个标准t c p i p 协议栈的代理提供对t c p i p 协议栈的支持，进而 连入i n t e r n e t 。 图2 1 基于网关的嵌入式i n t e r n e t 系统结构 e m w a r e 公司开发的嵌入式微i n t e r n e t 网络互连技术【2 “( e m i t ：e m b e d d e dm i c r o i n t e r n e t w o r k i n g r e c h n o l o g y ) 就是这种基于网关的嵌入式i n t e r n e t 系统结构的典型应 用。e m i t 由e m n e t 和e m g a t e w a y 两部分组成。e m n e t 是e m w a r e 公司自己定义的一种 私有通讯协议，它运行在8 位或1 6 位嵌入式系统的内部，e r n n e t 通讯协议使得集成 e r n m i c r o 的嵌入式系统能够和嵌入式微控制器网关e r n g a t e w a y 进行有效的通信。同 时，e m n e t 通讯协议也可以做为这些嵌入式系统和其他网络( 女1 1 r s 4 8 5 、i r 、r f 和 电力线等) 进行连接的网络通讯协议。嵌入式微控制器网关( g j e m g a t e w a y ) 运行 在计算机、t v 机顶盒或专用的家用电器服务器中，它是嵌入式设备和i n t e r n e t 之间连 接的桥梁。嵌入式系统通过e m n e t 通讯协议以及e m g a t e w a y 连a i n t e r n e t 。 系统资源有限的嵌 入式系统 图2 2 e m i t 系统结构 w e b c h i p 【2 3 1 是另一种基于网关的嵌入式i n t e r n e t 系统结构的典型应用实例。 w e b c h i p 是独立于各种微控制器的专用网络接口芯片，它通过标准的输入、输出接 口与各种嵌入式系统中的m c u 相连。w e b c h i p 专用芯片与网关之间则采用一些标 准的串行通讯协议( 如：r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 等) 进行通讯。m c u 通过w e b c h i p 与网关 连接即可接收并执行通过i n t e m e t j 适程传来的命令或将应用数据交给w e b c h i p ，然后 9 嵌入式i n t e r n e t 中轻埘级t c p i p 协议栈的研究与实现 由w e b c h i p 把这些应用数据发送到网关，再出n 凇i n t e r n e t 。基于w e b c h i p 的 嵌入式i n t e r n e t 系统结构最终还是要通过一个网关- 4 能连i n t e r n e t ，它只不过是用 硬件代替软件实现的方式屏蔽了嵌入式系统与网关的一些通讯细节和过程。可以 说是e m i t 系统结构的一个变种。 厂 。期厂 篙：厂彳锯1 一一、厂 s p i 接口厂 ir s 5 厂 议栈，一。7 、 l ! ：f = 刮：兰：p 专剥竺兰竺! p 、i n t e r n e t ， 图2 , 3 基于专用芯片w e b c h i p 的嵌入式i n t e r n e t 系统结构 基于网关的嵌入式i n t e r n e t 系统结构最大优点就是网关中的一个i p 地址可以 提供多个嵌入式系统同时连入i n t e r n e t 的能力。但它需要p c 或高性能嵌入式系统 等作为网关，增加了整个系统的运行成本。同时有些系统结构在嵌入式系统与网 关之间采用私有协议，影响了这种系统结构的开放性可扩展性。 2 3 直连嵌入式i n t e r n e t 系统结构及其通讯协议 让嵌入式系统连入i n t e m e t 最简单、直接的方法就是让嵌入式系统本身支持标 准的t c p i p 协议栈。要支持标准的t c p i p 协议栈，所需要的计算资源和存储资 源相当可观。这种让嵌入式系统本身支持标准的t c p i p 协议栈