（计算机应用技术专业论文）嵌入式tcpip栈设计及web应用开发.pdf

西南交瀵大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 嵌入或系统的i n t e r n e t 鼗入技拳是曩鼹嵌入式系统磷究貔发鹾方嶷。 i n i e m e t 瑷已成为社会羹要的基破傣感设慈之一，怒信息浚运的霞要渠道。嵌 入式系统遥接到 n t e r n e t 上面，可以方便、低廉地将信息传送到几乎世界上的 经鼹个| 燕方。 本文黉先对嵌入式系统的特点进行了赍缓，然后根据其特点总结出衡量嵌 入式t c p i p 的几个指标。本文严格从这几个指标出发，针对嵌入式应用的特 殊要求，在不违反耱议标准懿懿撬下，对霉烂t c p i p 谤议送行了筵纯。在按 下采购章节璺，本文进行了网卡r t l s 0 1 9 a s 的疆幼程序的开发，随后我贬基 础之上，分别提出嵌入式a r p 、嵌入式i p 、嵌入式u d p 、嵌入式t c p 的简化 算法，劳戏功实瑗7 这鼗篾纯葵法。 然蔗本文遂锤c g i 标准，提爨了一静在单任务d o s 系统下实瑰嵌入式 c g i 服务器的方法。经道不懈努力，本文基本实现了预定翮标。在上述设计的 嵌入式t c w i p 之上，褒擎 壬务d o s 警台下袋功蜜凝了嵌久蕊c g iw e b 臌务 器。势透过在嵌入式竣餐上连羧a d d a 数攒采集卡移l e d ，实际验证了该 c g i 服务器的正确性。 凝瑟，搴文迸行了蓉绫溅试瓣王嚣。将基予撂飧t c p f l p 豹功巍强大愆p c 主皴馋势实验援，嵌入袋t c p i p 主擞终为霹栝规。通过麓察实验祝秘鼹檬揽 之间的通信情况，对上述各组件进行了详细测试，并根据测试结槊对今詹的工 箨提密了一些震蛰鹈设憋。 关键溺：渡入式d o s 舔绞；嵌入式t c w i p ；焱入式w e b 西南交潲大学硕士研究生学位论文第f f 页 a b s t r a c t t o d a y , c o n n e c t i n ge m b e d d e dd e v i c ew i t h i n t e r n e ti st h et r e n do fe m b e d d e d s y s t e mr e s e a r c h i n t e r n e th a s b e c o m ea ni m p o r t a n tb a s e - i n f o r m a t i o n e s t a b l i s h m e n to f o u rs o c i e t y , i t sa l s oa ni m p or t a n tm a n n e ro fi n f o r m a t i o nc o m m u n i c a t i o n b yc o n n e c t i n g e m b e d d e dd e v i c ew i t hi n t e m e t ，i n f o r m a t i o nc a nb es e n tl oa n y w h e r eo ft h ew o r l d i m m e d i a t e l ya n dc o n v e n i e n t l y f i r s t ，t h i sp a p e r i n t r o d u c e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fe m b e d d e d s y s t e m ，a n d s u m m a r i e st h e 妊a t u r e so fe m b e d d e dt c p t l pw i t ht h e s e 翻a r a c t e r i s t i c s ，t h e n i ts t a r t s t h ej o bo fd e v e l o p i n gn e t w o r kc a r dd d v e ro fr t l 8 0 ，巍a sa n ds i m p l i f y i n gs t a n d a r d t c p i pp r o t o c o l 。a n df i n a l l yp r e s e n t sr e s p o n d i n gi m p l e m e n t i n ga l g o d t h m si nd e t a i l 。 t h e n ，a c c o r d i n gt o c g is t a n d a r d ，t h i sp a p e rp r e s e n t sam e t h o do fr e a l i z i n g e m b e d d e dc g lw e bs e r v e ru n d e rs i n g l e - t a s ko p e r a t i n gs y s t e md o s + a f t e ri n s i s t e n t e f f o r t sf o rt h ep a s tw h o l ey e a r , t h ee x p e c t e do u t c o m ei sa c h i e v e db a s i c a l l y i t s u c c e s s f u l l yr e a l i z e se m b e d d e dc g l w e bs e p # e fu n d e rd o s o p e r a t i n gs y s t e mo nt h e b a s i so fe m b e d d e dt c p t l pd e s i g n e db e f o r e h a n d ，a n d ，b yc o n n e c t i n ga d d ad a t a c o l l e 删o nc a r da n dl e d s t o r t e c t n e s so ft h i sc g is e r v e ri sv a t i d a t a d 。 f i n a l l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e ss o m et e s tj o 缸rt h ew h o l es y s t e m ，t a k i n gt h e s t a n d a r dd e s k t o pp ca st h ee x p e r i m e n t a lm a c h i n e ，a n dt h ee m b e d d e dc o m p u t e ra s t h et a r g e tm a c h i n e ，t h et e s tj o bi sc a r e f u l l yd o n ef o re v e r yp a r to ft h ed e s i g nb y o b s e r v i n g c o m m u n i c a t i o n o f t h e e x p e r i m e n t a l m a c h i n e e n d t h e 糖毽跌m a c h i n e t h e n ，辖 p r e s e n t ss o m e f u t u r el m p r o v e m e n t so ft h i sd e s i g n 。 k e yw o r d s ：e m b e d d e dd o ss y s t e m ，e m b e d d e dt o p tp ，e m b e d d e dw e b 西南嶷通大学硕士研究生学位论文第1 页 ， 设计概述 第1 章绪论 1 1 1 嵌入式系统的特点 嵌入式系统着眼于应用，已被人们定义为“以应用为中心、以计算机技术 为基硪、软件硬传可裁减、适应应孀系统对功能、可靠性、成本、体积、功鹈 严稽要求的专瑁诗冀祝系统”。嵌入式系统其有魏下豁特点： 1 ，体积小、资源有限 2 可靠性强 嵌入式系统的应瘸环境可能在远方，不方便对之进季亍入工维护，这就要求 褒入式系统硬件帮羧 串的可靠毪菲嚣高。 3 实时生强 嵌入式实时性魁指：系统响成外界不定事件不仅要快( 系统响应时间一般 要求在毫秒或微秒级) ，丽且要确定。即系统响应时闻要求是确定的帮可预测 静。 4 成本低 5 低功耗 。 2 选择d o s 终为嵌入式操作系统 本论文选择了d o s 作为嵌入式操作系统，暇困有下述凡点； 1 d o s 内核小，实时性强，系统资源要求低； 2 操作简单，成本低廉； 3 爨予开发，菇广大静瑟户嚣； 4 应用程序小，适合于嵌入式应用的开发。 1 1 3 嵌入式系统接入i n t e r n e t 焱入式系绫戆i n t e m e t 接入技寒是嚣蓑嵌入式系统磺突戆发震方舞。 t n t e m e t 现已成为社会重要酶基础信息设旖之一，是信息流通的重要渠道，嵌 入式系统连接到i n t e r n e t 上面，可以方便、低廉地将信息传送刻几乎世界上的 任何一个地方。目前，由于嵌入式i n t e r n e t 应用的促进，嵌入式系统的市场墨 现个蕊速度弱增长憝势。羝或本熬i n t e m e t 敷瓣，绸翔p d a s 、蟹能窀落鹈 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 数字机顶盒等在消费电子领域中增生扩散出一个广泛的空间。嵌入式设备将是 取代p c 机为i n t e r n e t 应用而产生的首选设备。 嵌入式i n t e m e t 技术的应用前景也十分广泛，未来其应用领域可以包括： 智能公路，植物工厂，虚拟现实( v r ) 机器人，信息家电，工业制冷，v r 库房， v r 精品店，v r 家政系统，工业自动化，p o s 网络及电子商务，环境工程与 自然等。据网络专家预测，将来在互联网上传输的信息中，有7 0 来自小型 殴入式系统。 当今世界，嵌入式i n t e r n e t 技术出现的时间并不久，但发展速度相当惊人! 如何通过互联网共享嵌入式设备的信息，已成为当今电子界的热门话题。可以 肯定地说，2 l 世纪是嵌入式i n t e m e t 的时代1 1 1 4 衡量嵌入式t o p l p 的几个指标 1 代码精简、存储开销小 由于嵌入式系统体积小，资源有限，其运算速度和内存大小均难以支持标 准的t c p i p 协议。所以，嵌入式t c p i p 针对不同的应用，对标准t c p i p 进 行了剪裁和优化，尽量做到代码精简、存储开销小。 2 运行可靠 由于嵌入式系统的可靠性要求高，所以在软件方面，就要求嵌入式t c p i p 运行非常可靠。 3 实时陛要求高 嵌入式t c p 1 p 是嵌入式系统中负责网络通讯的重要组件，它的实时性对 整个系统的实时性有着重大的影响。这一点决定了对嵌入式t c p i p 的实时性 的要求也相应较高。如果嵌入式t c p i p 不能达到实时性的要求，在它管理控 制下传输的数据可能是无用的甚至是有害的，甚至可能会导致整个系统工作的 错误。 1 1 5 主要任务及设计目标 1 1 5 1 主要任务 1 d o s 下r r l 8 0 1 9 a s 的驱动编程； 2 嵌入式t c p i p 协议栈的剪裁，及编程实现； 3 小型嵌入式系统中的h t t p 、c g i 服务器的编程实现： 4 实现基于以上w e b 服务器的数据采集卡应用实例： 5 对系统进行测试工作。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 1 5 2 设计目标 1 在嵌入式系统上，d o s 平台下，成功运行嵌入式w e b 服务器，网络 上的任何一台主机可以访问并控制与嵌入式系统相连的设备。 2 尽量做到代码精简、存储开销小，这是使用d o s 系统做为嵌入式操作 系统的优势。 3 虽然本设计面向的是非实时性的嵌入式应用，但还是应该尽量达到较 强的实时性，尽量使数据的传输延迟达到最小，并且此开销要尽可能确定。 1 2 本设计的硬件实验平台 本设计硬件实验平台图片资料见图1 1 。 图1 1 本设计硬件实验平台图片资料 嵌入式实验平台的具体配置如下： 1 3i s a 插槽无源底板； 2 r 见8 0 1 9 a s 网卡； 3 数据采集卡； 4 嵌入式主板，其配置如下： 薅南交通太举硕士研究嫩学位论文第4 贾 1 6 6 m 主簇p e n t i u m m m xc p u ； s 1 2 k b l o s ： 8 m d o c ( d i s k o n c h i p ) ，斑装d o s 系统； 3 2 m 内存； r s 2 3 2 串蕊； v g a 显示器接图； p s 2 键盘按翻。 1 3 嵌入式t o p ! l p 栈及w e b 应用总体设计 零设计嵌入式t c p i p 棱及w e b 应膊总钵设计圈觅爨1 。2 。 鞠1 0 嵌入式t c p , q p 棱及w e b 应爨蕊体莰计鹫 1 2 2 1 数据发送过穰 零设计的h t t p 、c g i 服务器选撵的蹙面向遴接的t c p 协议。应爝程序 透过通过本设诗爨宠义熬t c p 编稳按翻姆应用豢数缀交绘嵌入式t c p 协议檬 块处理，t c p 协议模袋将该数据辩装藏t c p 壤文羧e 西南交通大学硕士_ | 珊究生学位论文第5 页 奉设计酌u d p 数援采集瑰能毽薅基于无连较弱u d p 臻议。疲矮程穿透过 本设计自定义的u d p 编程接口将应用层数据交给嵌入式u d p 协议模块处理， u d p 协议模块将该数据封装成u d p 数据报。 封装好的t c p 报文段或u d p 数据报下一步将交给嵌入式l p 协议模块处 理。t c p 摄文段或u d p 数锯强将液封装残狰数疆包。雾 务议模块耱根据瓣 的i p 地址为之进行选路工作，将非本地子网的i p 数据包的目的i p 改写为默 认网关。 之露，将i p 数糖氛交给网络接日层。瞬络接弱屡剥用嵌入式a r p 协议模 块我爨强懿t p 连整对应静m a c 魄蟪，涛瑶数强辩装盛鞋太瓣颧，然嚣谖爝 网卡的帧发送函数发送。 1 2 2 2 数据接收过程 出阙卡驱动程序遇过查询方式接收数据帧。麓先，判断接收列的数据帧的 类墅，热暴接牧到懿怒a r p 掇文鄹交给嵌入式a r p 穆滚攘块麓理：魏采按裁 到的是i p 数据包，则将i p 数据包变给i p 协议模块处理。i p 协议模块取出i p 首部信息，然后根据数据包的类型，将该报文交给相应的协议模块处理，这然 模块包括嵌入式i c m p 协议模块，u d p 协议模块，或t c p 协议模块。嵌入式 u d p 袋t c p 攘涣渡到掇文螽，取国营部售惠，劳将瘟强震数豢交给虚溺潞软 件。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 员 第2 章嵌入式潮络接口瑟的设计实现 踊终接口层处于t c p i p 协议栈的底部，定义了协议处理模块与底层硬件 之闯静羧墨，它霹薮了底层硬 孛处溪纲节，楚餐稳丽的滋议软箨蕤够痒舅l 予不 同的网络硬件。 2 1 传输帧格式及其数据结构 援锯t c p i p 蛰议标准豹要求，姆台逶遭1 0 鞑b 秘网卡与i n t e m e t 鞠连载主 祝都必须能发送和接收采用r f c 8 9 4 ( 以太丽) 封装格式豹分缀，同时还应该 能接收r f c l 0 4 2 ( i e e e s 0 2 ) 封装格式的分组。这两种帧格式分别如图2 1 和2 2 所示。 图2 1以太网( d i x 撇结捣 目的源地长d s a ps s a p c n t l o r g c o d e 类 数据c r c 地址址度型 图2 , 2i e e e 8 0 2 帧结掬 邈髑种帧的区别之一在于类型长度字段。解决办法是：该字段的值大予 最大搴雯长度，嚣1 5 1 8 1 ) ，爨表示类熬段，试戈该峻梵菇度嚣峻；覆之蹙试秀爱 1 e e e 8 0 2 帧。实际的做法为：取值1 5 3 6 d ( 0 6 0 0 h ) 作为界限，大于威等予0 6 0 0 h ， 认为是以太网帧，此字段按类型处理：否则，认为是8 0 2 帧，此字段按长度处 理。 磁耱枣蛮还毫一个嚣巍：在戳太瓣姣按式中，瓷蹙字段之爱必数蘩字段；露 在8 0 2 帧格式中，之后的字段却憝3 个字节的8 0 2 2 l l c 和5 个字节的 8 0 2 2 s n a p 。目的服务访问点( d s a p ) 和源服努访问点( s s a p ) 的值设定为 0 x a a 。c t r l 字段的值设定为0 x 0 3 。随后的3 个字节的o r gc o d e 都设为0 x 0 0 。 本浚诗嚣嚣秘峻麴楚莲方法燕，磐莱遇到8 0 2 羧，粼将之转换麦d i x 枣雯 处理。 西南交邋大学硕士硪究嫩学位论文第? 页 双太鲻( d 瀚峻头数撼黪梅： t y p e d e f s t r u c t u n s i g n e dc h a rd e s t m a c 6 ； u n s i g n e dc h a rs o u r e e m a c ：黟器 u n s i g n e di n tp t y p e ； e t h e r h d r ； 嚣的以太列地址掌， ，睾漩戳太髑她皴奉， p 协议类徽戚长度掣 ，幸啦太刚( 掰x ) 赣臻稼；数锚长发为最大 壤长度躐蠢籁头长发耩c r c 长发+ ， t y p e d e f s t r u 髓 e t h e r h d rh ：，$ 帧头掣 u n s i g n e dc h a rd a m e t h e r m t u ；产鼗摅吖 e t h e r f r a m e ； 2 2 网卡驱动稳膨设计 鄹卡驱貔程序鸯鼹磺燕鬟静任务；鞠始饱掰卡；赛凝两终上数据豹接嫂霸 发送。i n i t2 n i c o i 嚣数熬爨嘲卡韵秘戆佬，为了辘够旋n 1 c 襄动静处于准蛰接 收或准备发送数据的状态酋先必须对网卡进行初始他。s e n df r a m e ( ) i 蟊数负 责从上层协议接收标准的i p 分组，加上以太喇帧头，然后将帧发送剿网络的 传输线上。r e c vf r a 氛能( ) 遨数炊网络臻输线上缓段到按| ；冀太瓣羧格式或爨 8 0 2 3 赖揍式瓣装的羧，瓣梭头去掉变绘上层处联，收到黥数据搬为撑数据嘏 或a r p 数攒报。 委2 3 搠卡驱费程黟番蕊数关系 西南交邋必攀硕士研究嫩举位论文第8 炎 2 2 。 阏卡视飧髅：涵数l n tt , i l g 0 懿实瑷步骤 2 2 。1 准备工作 1 分配发送缓冲区、接收缓? 申隧 编髯阕卡驱动程膨，必须对鄹卡r a m 进行分怒，划分发送缓冲区帮接收 缓冲送。n e 2 0 0 0 兼容瓣。器r a m 遮皱空闻豹分配如辫2 4 。英中0 x 0 0 0 x 0 b 麓 于存放本节点m a c 她皱；4 0 0 0 h 。7 f f f h 为1 6 k 般翻r a m 的谶蜒。嘲卡的发 送缓冲区、接收缓冲送就分配在这个1 6 k 的双口r a m 中。 至于靛邀缓冲区、接牧缓冲区1 6 k 双口r a m 爨的安撼，怒潮蹋户鑫，行凌 定静。t 6 k 双妇r a m 在嗣卡r a m 中占用豹戆激窑阕为4 0 0 0 h 7 f f f 。网卡移 储数据戗楚按页存储的，不满一页，也使糟页，下一个数据龟将膈下页开 始存储。如襞以页来计，一页2 5 6 字节，则双口r a m 占用6 4 页，页地址为 o x 4 0 0 x 7 f 。 转1 5d o o o 鞋r 一 l 。l f f _ _ 4 0 0 0 1 - i 8 0 0 0 蹦2 4n e 2 0 0 0 兼容网卡r a m 窳麟 圈卡发邋缓捧送没妊瑟敬缀大，阂必即使嚣要黧笈，在主梳审辘黻缣整 发送包的备份，而没脊必簧在网卡r a m 中。因j 嗷发邀缓冲区只鬻能存储一个 最大的以太鲻包就足够了，即6 页( 0 x 4 0 * 0 x 4 5 ) 的空阅。接收缓冲隧则应该尽w 戆取大悠，窳缓存戆辩掰l 牧翻懿数黎包，所以我翻将双日r a m 剩余豹5 8 燹( 0 x 4 6 。淑箨) 懿警麓潍绷传接彀缀洚医。 发送缓冲区的超始页地址由t p s r 寄稃嚣设鬻。发送缓冲隧蠢鬻设置结聚 页，因为嘲卡编程中，发送缓冲区、接收缓冲区占用连续的空阐，接收缓冲区 躲开始爨毅发送缓冲区斡缩寒炙。p s t a r t 、p s t o p 鼹个寄存爨隈定了接段缓 冲区黪开熊帮结裳嚣。只黉将p s t a r t 鹃值设黉尧0 x 4 6 ；p s t o p 麴毽设置为 西南交通大学硕士研究生学位论文第0 页 0 x s 0 ，蠲卡羲会使弱0 x 4 6 0 0 0 x 7 f f f 稳r a m 来存储薤牧裂的数据毽。 2 网卡上电复位后，从9 3 c 4 6 中读出自身的m a c 地址存放到从 0 x 0 0 0 x 0 b 的r a m 空间，其中奇数地址和偶数地址中的内容魑麓复的。因此， 在初始化网卡物理地城寄存器时，应先启动远程d m a 读操作，读出这1 2 个 字节静数据，去簿重复翡数据，髯驾入p a r 0 - p a r 5 中。 3 由于所设计的嵌入式t c p i p 协议栈目前并不考虑对多播协议的支持， 所以嗣书的多地址寄存器( m a r 0 - n l k r 7 ) 都设置为0 ，禁止接收多地址的数掇 帧。 2 2 。t 2 圈卡季嚣娥亿秘编程步骧 1 对n i c 进行复位操作。读入复位端口数据再写回复位端口，以启动 r t l 8 0 1 9 a s 工作。 2 囱念令寄存嚣c r 写入2 1 h ，选择寄存器页匿0 。设鬟数据配置寄存 嚣d c r 为4 8 h ，设鬟发送配置寄存器t c r 为0 2 辍。 3 读取网卡的m a c 地址：设鼹远程d m a 计数器r b c r l 、r b c r 0 的德 为0 0 0 c h ；设置远程d m a 地址r s a r i 、r s a r 0 的值为0 0 0 0 h ；通过设置命 令寄存糕c r 为0 a h 磨动远程d m a 卖操作；从数据端口中逢续读取1 2 个字 节，这 2 巾字节即楚弱卡懿m a c 这篷；箨丘逡程d m a 操雩# ，设餮c r 为 2 1 h ，r b c r l 、r b c r 0 为0 0 0 0 h 。 4 设置接收配置寄存器r c r 为c c h 。 5 划分缓冲区为接收缓冲区秘发送缓冲区，并建立接收缓洚环，跫鼹 p s t a r t 为4 6 ，p s t o p 为8 0 h ，b n r y 为4 6 h 。 6 设置c r 为6 1 h ，选择寄存器页面l 。 7 设置网卡物瓒地址寄存器，把p a r 0 - - p a r 5 的值设置为步骤3 中所读 取的物壤她蛙。 8 设置当蓠页嚣窿存嚣c u r r 秀p s t a r t + i ，帮4 7 h ；瀵狳多疆寄存嚣， 即m a r o - m a r 7 为0 0 h 。 9 设置c r 为2 l h ，选择寄存器页面0 ；清除中断状态寄存器，设置i s r 先f f h ；设置中数群凝寄存爨i 凇为0 0 h ，屏蔽所有的中龌请求。 l o 设置发送嚣黉寄存器t c r 兔e o h ；设激c r 为2 2 h ，使r t l 8 0 t 9 a s 进入正常工作状态。 2 2 。2 帧接收发送函数的实现 犊浚渡豹过程慧：鑫n i c 邋遂本遵d m a 褥赣存a 谈波缓淬繇；邈 过远程d m a 并在主机的配合下将按收缓冲环中的帧读入内存。 西南交通大学硕士研究生学位论文第l0 页 帧发送的过程是：主机将待发送的帧通过远程d m a 写入网 r a m 的 发送缓冲区；启动n i c ，通过本地d m a 将帧发送到网络的传输线上。 远 本 数据链路层接口主机 t上 主机帧接收缓冲区 l 主机帧发送缓冲区 i e d m a 读操作远程d m a 写操作 ill 网卡r a m 接收缓冲区ii 网卡r a m 发送缓冲区 l 网卡 i l d m a 读操作本地d m a 写操作 传输媒介( 网线) 图2 5 帧发送接收过程 1 帧发送 帧发送函数v o i ds e n df r a m e ( n b u f * p b u f ) 首先通过远程d m a 写操作， 把将要发送的数据写到r t l 8 0 1 9 a s 内部的发送缓冲区中，再将发送缓冲区的 起始地址送t p s r 寄存器，发送数据的长度送t b c r 寄存器，然后对命令寄存 器的发送位置位，随后网卡便自动完成数据的发送操作。 2 帧接收 帧接收函数b o o l r e c vf r a m e ( v o i d ) 实现，用来判断网卡是否已经收到 完整的数据帧。数据帧的接收是由网卡的本地d m a 自动完成，本地d m a 使 用缓冲环结构对接收的帧数据进行缓存。帧接收包括两步： ( 1 ) 由n i c 通过本地d m a 将帧存入接收缓冲环 接收缓冲环为一个循环f i f o 队列。控制一个循环队列至少需要4 个参数。 除起始地址和结束地址外，还需一个读指针、一个写指针控制循环队列的读写 操作。接收缓冲区的读、写操作分别由界限指针寄存器( b n r y ) 、当前页寄存 器( c u r r ) 控制。 b n r y 寄存器是主机对接收缓冲区的读指针，指向主机已经读完的最后一 个缓冲页，该指针由主机程序来控制。主机每从接收缓冲区读走一页数据，将 b n r y 指针加1 ，当b n r y 指针加到停止页p s t o p 时，将b n r y 指针重新指 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 向开始页p s t a r t 。c u r r 寄存器是网卡对接收缓冲区的写指针，指向此时要 写的页，新接收到的数据帧放在c u r r 指针所指的页及其后续页中，该指针由 网卡芯片来控制。由上述可以看出初始化的时候应使b n r y = c u r r 1 页，即 c u r r = 0 x 4 7 ，b n r y = 0 x 4 6 。新接收的数据包将从0 x 4 7 页开始存储，b n r y 指针指向初始化后即将读取的新数据帧所存放页0 x 4 7 的上一页0 x 4 6 。 若接收缓冲环中没有新数据帧收到，c u r r = b n r y + 1 这个等式会始终成 立。 若收到新的数据包，9 6 | 】卡首先将收到的数据包存入接收缓冲环，并修改 c u r r 指针，使之指向新收到数据帧所占用缓冲页的末页的下一页。这样，等 式c u r r = b n r y + 1 不再成立，主机程序由此得知网卡收到新的数据包，于是 主机开始读取新数据包并修改b n r y 指针，直到c 汛_ b n r y 十l 等式重新成 立，表示接收缓冲区中的数据包已读完。 综上所述，通过比较c u r r 是否与b n r y + i 相等，即可判断接收缓冲环 中是否包含有效的数据帧。然后主机就可以将接收缓冲环中的帧读入内存了， 称为帧读取。 ( 2 ) 通过远程d m a 并在主机的配合下将接收缓冲环中的帧读入内存 当网络上有数据帧到达时，r t l 8 0 1 9 a s 从当前页寄存器所指的页地址开 始连续存放接收的数据。数据帧接收成功后，在帧数据开始前的4 个字节的空 间中，网卡将自动添加“接收状态、下一页指针、以太网帧长度( 以字节为单 位) ”三个数据成员( 共4 字节) 。这些数据成员的引入方便了驱动程序的设计， 体现了软硬件互相配合协同工作的设计思路。本设计中为了更好的管理这些状 态信息，自行定义结构体： 网卡自动添加的网卡头数据结构： t y p e d e f s t r u c t u n s i g n e dc h a rs l a t ； + 接收状态+ u 1 1 s i g n e dc h a rn e x t ；+ 下一页指针+ u n s i g n e ds h o r tl e n ； 幸以太网帧长度( 包括c r c 字段) + n i c h d r ； 所以主机首先应该通过远程d m a 读取新收到帧的前4 个字节以得到上述 结构体的信息。然后再根据其中的以太网帧长度信息，通过远程d m a 从网卡 内部接收缓冲区中读取相应字节大小的数据，就是该帧的数据了，然后我们将 该帧保存到帧接收缓冲区。当然，最后不能忘记修改b n r y 寄存器的值( 根 据这4 个字节中的n e x t 指针) 。 西南交通大学硕士讲究生学位论文第12 页 2 。3 嵌入式a r p 秘议设计实现 2 3 1 简化传统a r p 实现方法的设计思想 a r p “遗缝蟹褥耱议”，搴震怒突或蕊终建致爨物理建缝的浃菇。当某皇 机要翔懿太网中另一台主视发送i p 数据对，它酋先根据器韵主枫的i p 地址在 a r p 高速缓存中查询相应的以太网地址，a r p 高速缓存是主机维护的一个i p 地址到糊应以太网地址的映射表。如果查到匹配的节点，则相应的以太网地址 会被写入良太阚帧营郝，数据报载糖灭到辕出酞列等待发送。如莱壹谗失效， a r p 会先保留待发送的i p 数据壤，然后广播一个诲闷耳的主枫硬件地址的缀 文，等收到回答后再将i p 数据报发送出去。 2 3 1 1 数据结构设计 a r p 蹇逮缓孬裘( i p 地耍、默太网遗蛙懿黢袋表) 设诗 在a r p 协议模块的设计中，a r p 高速缓存表怒眈较重要酌一块。在邋鲻 计算机系统中，a r p 商速缓存一般设计成双向数据链的形式，这样整个缓存 可以方便地动态增减。但是这种非线性存储的链袭式缓存结构，在进行表项暇 配查援辩魄较费时，不逡合矮于嵌入式系统。本论文中采鬟了线瞧数缝形式浆 a r p 缓存结构，不间于链表结构酌是它在内存中建连续线性存储的，查找速 度较快。而且考虑到嵌入式应用中节点不是很多，即a r p 缓存容量无需太大， 所以我将a r p 高速缓存设计成固定大小。 淡下是a r p 褰遮缓存表璜戆数摆绩筏： t y p e d e f s t r e e t u n s i g n e dc h a rs t a t u s ；p 该袭颈的状态，指糸地址对是否有效吖 t m s i g n e di n tt t l ； 产生存瓣冁簟 u n s i g n e dc h a ri p a d r 4 ；产1 p 地址+ u n s i g n e dc h a rm a e a d r 6 ；+ 以太捌地址+ a r p t a b l e ； a r p 缓存表壹状态、生存器雩阉、p 缝篷、m a c 蘧缝4 个孛段缝或。状 态字段指示地琏对楚褥有效：0 无效，1 有效；生存时间用子a r p 缓存表酌激 化操作；i p 地址和m a c 地址字段保存网络i p 地 址和以太网地址的映射。 关于a r p 高速缓存表更新时的替换策略，本论文选择了一个简单的算法。 在选撵装替换静表瑗跨，蠡票存在失效懿表矮，粼簦换它，否剿逡释垮会最蹙 失效的寝项。当获得一个新的魄班对，首先应蠢找整个a r p 缓存区，如聚肖 西南交通大学硕士研究生学位论文第l3 页 相同的记录，则将该记录的n l 字段重新置为最大值。如果找不到相同的记录， 则看一下缓冲区中是否有已经失效的表项，这样的表项所占用的存储区可以看 作已经被释放，任何新的表项都可以占用。如果找不到已经失效的表项，则进 一步查找t t l 字段最接近0 的表项来供新表项替换。 2 a r p 数据报结构 t y p e d e f s t r u c t u n s i g n e di n th r d ； + 硬件类型，以太网为0 x 0 0 0 1 + u n s i g n e di n tp r o ： + 协议类型，为0 x 0 8 0 0 + u n s i g n e dc h a rh l n ； + 物理地址长度2 0 x 0 6 + u n s i g n e dc h a rp i n ； + i p 地址长度= 0 x 0 4 + u n s i g n e di n to p ； + a r p 操作码：0 x 0 0 0 1 为请求，0 x 0 0 0 2 为应答，0 x 0 0 0 3 为反向地址请求，0 x 0 0 0 4 为反向地址应答。 + u n s i g n e dc h a rs t o a t 6 ； + 源以太网地址+ u n s i g n e dc h a rs i p 4 ； 产源i p 地址+ u n s i g n e dc h a rd m a c 6 ； 丰目的以太网地址+ u n s i g n e d c h a rd i p 4 1 ；牛目的i p 地址+ a r p k t ； 2 3 1 2a r p 协议函数设计 a r p) 发出 请求报文，输入参数是所一个待解析的i p 地址，r e q u e s t ( a r p 目的是获驭该i p 地址的以太网地址。通过两种方法可获取所需的地址对。首 先，在a r p 高速缓存表中查找与待解析的i p 地址相匹配的且有效的表项。若 找不到匹配的表项或该表项已经无效，则必须采用第二种办法：向网络广播一 个a r p 请求报文。a r p 请求报文的构造很简单，只需按a r p 数据报文结构 一一填充，然后发送该报文，并阻塞i p 数据报的发送，直到接收到a r p 应答 报文。 a r p p r o c e s s 0 函数负责接收a r p 报文。首先，对收到的a r p 报文进行分 析，看该报文为a r p 请求还是a r p 应答。若为a r p 请求，则调用a r pa r l s w e r 0 函数处理；若为a r p 应答，我们提取a r p 应答报文中的地址对，交给发出这 一请求的上层协议，并做出适当的标记解除对先前要发送的i p 数据报的阻塞。 最后是对a r p 高速缓存做出适当的更新。 a r pa n s w e r ( ) 函数则负责处理收到的a r p 请求报文。当收到一个a r p 请 求，a r pa n s w e r ( ) i n 数首先判断这是否是一个向本机发起的请求，如果不是， 则忽略该报文；如果是，则应立刻向对方回应个a r p 应答。因为收到的a r p 西南交通大举硕士研究嫩学位论文第14 页 请求报文包含了对方主机的l p 地址和m a c 地址，所以我们用单擐方式就可 以将a r p 应答羧文传送绘对方。至于应褡壤文选较麓擎，只要交换a r p 请求 报文地址内容，填写自己_ 的m a c 地址和很少的改动聪发送即可。之后，我们 还必须将对方主机的“i p 嫩址，以太网士呶址”对存入a r p 高速缓存。我们在 a r p 高速缓器中添加一条关于对方主枫的表项，这榉可以省去在将来本地主 毒凡蔫次自发感请求懿主橇发送请求报文。 定时器函数a r pt i m e r o 负责a r p 缀存表的定时避新。a r p 缓存表除了 在收到a r p 响应包和a r p 请求包时需要更新外，还需要定时更新。这主要是 考虑到网络上的其他主枫掰能会更换网卡，扶丽导致本枫的a r p 缓存表中存 在错误表矮。每一个薪热入a r p 缓存衰瓣表项都要将绷字瑗稿始纯嫒丈 壹。 以后，砌字段的操作就转交于a r pt i m e r ( ) 负责，每隔段时间减1 ，直至为 0 将s t a t u s 字段清0 ，表示该地址失效。 2 3 2 设诗实萤4 - a 静扫描嚣的实琥 为了验诋上述思想的正确性，本论文设计一个a r p 扫描器。 2 3 2 1 客户端程序设计 客户蜈程枣设诗愚籍燹瓣2 。6 ，箕中鸯3 点震要诞唆： 1 查询宵式实现数据帧的接收 对数据帧的接收采取周期查询的方式，累统将循环调用函数 r e c e i v e _ f r a m e 0 判断n i c 是否接收到新的数据帧。港收到新的数据帧，将 之存入菝菝浚缓滓区。 2 定时嚣调度算法 a r p 掴描器以及后面的许多程序都髅使用定时器调度。本着尽髓做到平 台无关性的原则，本设计使用了一个简单的定时器调殿簿法，它对操作系统的 俊毂蛙攫，j 、。 本设计中设置了一个蕊数t i m e o u t o ，应用不断稔焱定时器函数t i m e o u t o 是否超过设寇的时间，若越过则触发一个预先设定的攀件。 t i m e o u t ( ) 躏数有两个参数：第一个参数是指向一个变量的指针，该变量保 枣了舞热辩润，第二令参数蠓存了鞋移计数戆趣鼓肄阙。 在开始饿用计时器之前，必须用时阊0 调用t i m e o u t 0 ，这样做的辩的是让 在开始时间变量中写入当前时间。然后，以当前时间为计时起点，不断检查是 谱超过超时时间，若超过，趱数在开始时间变量中重麟写入当前时间，并返回 菲0 藿。 西南交潺太学硕士研究嫩学位论文第l5 页 程序殍始 读取命令杼参数( 配鹭文件，所扫描的地蟪范围) 读取配置文件，打辩粥卡驱动程序，嗣动a r p 缀存袭更新定时器 循环 、裂竺竺么 蹙磷麓时 是夕 对所据攒范围的一个舻媲蛙，程a r p 缀存表中餐找l p 魄址 退 稳骐瓤的且膏效戆袭疆 出 、_ 三三? 冀竺! ，彳 循 显示蟪壤砖囱鲻络广撩a r p 诸求报文 嚣 _ 弋芝二! ! ! f 是务 燮赫a r p 缓存袭 程 ：寨禁乡7 其 序 它 包 不 结 辩发蹬请求熬繁捡藏蹙嚣发给本节患熬， 处 理柬 点发出削谨碰答若趱，剃显示其地皱瓣， 关闭网卡驱动程序 匿2 6a r p 扫描器客户端程序设计愿路 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 3 两次发送a r p 请求报文时间间隔的设置 该时间间隔必须合理的设置，因为越冲请求是广播，大量的广播消息会 影响网络中所有节点的性能。在网络负载和扫描速度之间做一个折中，合理的 等待时间应该设为1 0 0 毫秒，这也是假设没有网络错误的情况下a r p 应答被 接收到的合理时间。 7 1 2 3 2 2 服务器端设计 和客户端程序不同，服务器端程序不必定时发送a i l p 请求报文，只要负 责接收a r p 请求报文并产生应答就可以了。因此，本设计服务器端的程序就 是客户端程序的一个截取。图2 6 的循环体中，将定时发送a r p 请求报文的 程序略去，从“判断帧接收缓冲区是否收到新帧”开始执行循环，并将该循环 的设计改为无限循环，即服务器端程序。 西南交通大学硕士研究生学位论文第l7 页 第3 章嵌入式lp 的设计实现 3 1 嵌入式ip 算法的简化 1 不实现路由功能 常规的实现要考虑较多的问题：协议必须具有通用性，无论是在网络中的 一台丰机，还是在连接不同网络的网关上都要能够运行。 由于本设计的设计目的是实现一个低端的嵌入式w e b 服务器应用，而不 是做嵌入式网关、路由器，所以在这里，经过一番仔细衡量以后，我决定考虑 裁掉其路由功能。有关路由的相关问题均可以不用考虑，一切都交由默认网关 去处理。这样做，可以简化t p 协议，节约嵌入式系统资源。 由于本设计不支持路由功能，所以不像路由器那样，必须接收目的i p 地 址与其自身不匹配的数据报，并使用与它自身的源i p 不同的地址发送数据报。 ( 1 ) 对于所接收的数据报 它只接收目的i p 地址与自身口地址相匹配的数据报。这样，不会接收到 来自陌生i p 的数据报，自然也就不像一个路由器那样必须缓存那些等待对其 目标地址进行解析的数据报。 ( 2 ) 对于所发送的数据报 由于本设计不提供路由功能，使输出数据报的选路工作变得非常简单。可 以分为两种情况：目的主机在本地子网：目的主机在本地子网之外。 我们可以通过本地子网掩码方便地区分这两部分网络。通过判断等式 ( ( d e s t i p n i o c i p ) l o c m a s k ) 一0 是否成立可以判断d e s t i p 是否在本地子网的i p 范围内。 当目的主机在本地网络时可阻直接发送数据包。当目的主机不在本地子网 内时，数据包将发往缺省网关，由缺省网关处理该数据报的选路工作。 2 不考虑存在多个网络接口的问题 本设计不考虑存在多个网络接口的情况，只支持一个以太网络接口，只接 收以太网数据帧。 3 减少最大分段的数量 对于大小超过网络硬件所允许的最大值( m t u ) 的数据报的发送。i p 有 简单的解决办法，即将这些数据报在传输时进行分段，然后在接收方进行重组。 但是分段重组会付出明显的性能代价，因为在把它们重新组装起来的时候会占 用大量的空间，可见用在嵌入式这样的小型系统中是一个不小的负担。 设想在嵌入式系统中，我们发送的数据报足够小，这样就能够忽略分段了， 西南交通大学硕士研究生学位论文第l8 页 可良大大遣篱讫饯疆，提高簸率。事实上，嚣瑟缀多嵌入式系统懿实现稷本不 支持任何分段和重组。 但怒不支持分段羹组的话，可能会出现下述情况：若不支持分段功能： 嵌入式系统必须小心羧剖数据报大小，使之足够小，能够直接通过隧络传输。 琶对予本设计上瑟打舞实臻静一些u d p 应甥来滋，需要传簸熬数疆量穗露还 是比较大，为了适应这种需要，看来需要设计分段功能。若不支持重组功能： 数据报在通过小m t u 网络的网关时会被分段，也就是说远程客户端发来的 个数据掇，最后到达零嵌入式系统融，可能已被中溺网络分段。如果我们无滋 娃理辩分片缒话，将无法薤蓬该请求，这撵褥会彩豌疆络豹器畦藿。 综上所述考虑两方面的原因做个折中，本设计将支持两个分段。 4 忽略j p 服务类裂字段的处瑷