基于uIP TCP IP协议栈的嵌入式网页服务器的实现.doc

基于uIP TCP/IP协议栈的嵌入式网页服务器的实现关键词：uIP；嵌入式系统；Web服务器摘要：如今，网络正成为嵌入式系统调查的热点。互联网与嵌入式系统相结合一直是一个重要的发展方向，同时对于嵌入式系统的未来而言，这也是不可或缺的功能之一。本文提出了嵌入式网络服务器系统的设计和实现：首先，分析开源TCP/IP协议栈uIP，描述其属性，系统架构及相关接口；第二，展示如何移植uIP到嵌入式平台，如何构建嵌入式网络服务器；最后，通过一个视频点播应用演示了网络嵌入式系统的效果。1 介绍随着嵌入式技术的飞速发展，越来越多的嵌入式设备（如无线传感器，信息化家电，智能仪表）需要进行合作连接在一起。传统的嵌入式设备使用现场总线，或其他特殊的协议相互通信。但是，由于连通性要求，这些网络不能够无缝连接到互联网。因此，嵌入式设备是无法直接访问互联网的。在这种情况下，人们都关注如何连接互联网与嵌入式设备。同时，基于互联网的嵌入式设备的需求越来越强。目前，许多企业已经提出方案去解决这个问题。一般来说，他们被分成三类：（1）由一个特定的嵌入式网关连接。在轻量级窄带宽的嵌入式设备网络和重量级宽带网络互联网之间，网关是一种起中间作用的 “桥梁”或“经纪人”。除了实现协议转换功能，嵌入式设备网络的网关应提供网络管理，配置性，安全性，网络服务，以及流量控制。（2）由一个特定网络服务器实施。通过使用CAN，RS-232或者RS-485总线去形成一个子网络来把所有嵌入式设备连接在一起。网络服务器被视为是一个子网络中的路由器，它在内部嵌入式设备和外部互联网之间实现通信。（3）给嵌入式设备延长标准网络技术。换句话说，嵌入式系统实现网络服务器本身的功能。这三种解决方案相比，第三种最有用，也最实际，因为其独立性和整合性。到目前为止，对于这个问题这是最好的解决方案。本文研究TCP/IP协议栈中的一种-uIP，成功地将uIP移植到嵌入式系统，并实现了嵌入式网络服务器。它实现了与互联网的无缝连接，解决了网络异质性问题，从而极大的扩展了嵌入式系统的应用领域。最后，一个网络视频点播应用的成功实现给其提供了一个实际的例子。2 硬件与软件平台2.1 硬件平台这个嵌入式系统的硬件平台是由AD公司研发的ADSPBF537 EZ-KIT Lite。它是一个ADSP-BF537Blackfin处理器的评价系统1。该处理器的性能可达到600兆赫兹。在这块板上有一个容量为4 MB的快闪存储器。它可以用来存储用户特定的引导代码，使板子作为一个独立单元运行。这个板子有一个64 MB的SDRAM，它可以在运行时使用。除了这些，它还包括一个片上10/100兆位/秒的以太网MAC（SMSC的LAN83C185设备）。在板上预留的接口给EZ-KITLite和现有的TCP / IP网络之间提供了一个方便的连接。硬件结构图如图1所示。图1 硬件结构2.2 软件平台目前，市场上大多数的嵌入式TCP/IP栈是根据BSD版本2改写而来的。虽然商业版的效果是完美的，但是它的价格是非常昂贵的。在这种情况下，许多开发商想选择一些免费的开源TCP/ IP协议栈，并加以改进，以满足他们的需求。本文使用的名为uIP（0.9版本）的TCP/ IP协议栈是由瑞典计算机科学研究所Adam Dunkels发明的网络化嵌入式系统。uIP有以下特征：l 有案可查的良好注释的源代码，几乎每行代码都有注释。l 非常小的代码量。l 非常低的RAM使用量，在编译时易于配置。l ARP，SLIP，IP，UDP，ICMP（PING）和TCP协议。l 包括一组示例应用程序：网络服务器，网页客户端，电子邮件发送器（SMTP客户端），Telnet服务器，DNS主机名解析。l 任意数量的可同时活动的TCP连接，在编译时最大数量的可配置项。l 任意数量的被动式听（服务器）TCP连接，在编译时最大数量的可配置项。l 商业和非商业用途免费。l 符合RFC的TCP和IP协议的实现，包括流量控制，分片重组和重传超时估计。uIP的配置项都保存在一个单一的.h文件中称为uipopt.h。此文件包含的不仅是具体项目（如uIP的节点同时连接的最大数量的IP地址），而且包含了架构和C编译器特定的选项配置选项。用户可以方便地按照他的要求来修改他们。由于其明显的优势，uIP已被越来越多的开发商密切关注，并在设立小型网络设备的嵌入式产品和项目中大量使用。3 uIP的移植uIP是在网络层中，上述提到的协议被称为应用程序。同样，底层被称为网络设备驱动程序。在TCP /IP模型中，如PPP数据链路层协议，可以由网络设备驱动程序来实现应用层协议，如HTTP、FTP、SMTP，可以通过应用程序实现。uIP的底层系统提供了三种函数，uip init（），uip input（）和uip periodic（）。应用程序必须提供一个回调函数（UIP_APPCALL（）给uIP。网络或定时事件发生时，回调函数被使用。uIP的交互与应用程序提供了多项功能堆栈。用这种方式，uIP的是非常普遍的和独立的。它是非常方便的把uIP移植到不同的系统，以满足不同的应用，这反映了TCP / IP协议的平台的独立性。图2展示了uIP，底层系统和应用程序之间的关系。图2 uIP 可以作为库3.1 uIP系统接口从系统的角度来看，有两个C函数：uip_input（）和uip_periodic（）3。函数uip_input（）被调用当网络设备驱动程序读入一个IP数据包到数据包缓冲区（即uip_buf），此函数将处理数据包，并在必要时调用应用程序。当uip_input（）函数返回，一个开放的数据包被放置在数据包缓冲区。传出的数据包的大小放在全局变量uip_Ien中。如果uip_Ien是零，没有包被发送出去，否则，有其他一些数据（如SYN，ACK等）被送交。当ARP参与，其更新，请求和答复应予以考虑。定期计时器是用于驱动所有uIP的内部定时器事件，如数据包重传。当定期计时器溢出时，uIP函数uip_periodic（）被调用，TCP连接一次调用一次，而不管他们是否是开启或关闭。连接的次数作为一个参数被传到uip_periodic（）函数中。类似的uip_input（）函数，当uip_periodic（）函数返回时，一个出站IP数据包可能被放入数据包缓冲区，如果uip_Ien变量被设置为一个大于零的值。设备驱动程序应该被调用去发送数据包。图3显示uIP如何处理数据包的细节。在那里，UIP_CONNS宏表示同时打开的TCP连接的最大数量;uip_arp_ipin（）是指传入IP数据包的ARP进程;uip_arp_arpin（）是指ARP传入的ARP数据包的进程;uip_arp_out（）是指假设以太网头到IP数据包，看看我们是否需要发送一个ARP请求；emac_tx_start（）是指通过以太网MAC的方式发送包ADSPBF537 EZ-KIT Lite。从本质上讲，uip_input（）和uip_periodic（）是相同的功能，这是uip_process（U8标志位）。uIP定义uip_input为uip_process（UIP_DATA），并且定义uip_periodic（）为uip_process（UIP_TIMER）。因此，这段代码是完全可重复使用。图3 uIP 过程数据包3.2 uIP的应用接口uIP使用基于编程模型的事件，它调用应用程序，当接收数据时，当数据已经成功传递到连接的另一端，当一个新的连接已经建立，或当数据被重传。同时，应用程序还定期轮询新的数据。为了被uIP调用，应用程序必须被定义为一个C函数，UIP_APPCALL（）。此函数被实现为C宏将评估零或非零。如果在uIP从底层系统收到数据后，数据包需要由应用程序处理，uIP将会调用VIP_APPCALL（）。表1是一个部分函数的总结，这些函数是由uIP提供给应用程序的4。接口函数应用程序事件uip_listen()开始侦听端口uip_send()在当前连接中发送数据uip_acked()发送已经被确认的数据uip_newdata()远程主机发送新的数据uip_datalen()传入数据的大小uip_connect()连接一个远程主机Uip_connected()当前的连接已经被连接uip_poll()应用正被调查uip_close()关闭当前连接uip_abort()中止当前连接Uip_stop()停止当前连接表1 uIP 函数总结4 嵌入式网页服务器的实现这是一个基于HTTP的Web服务器的例子，HTTP由uIP提供的源代码。Web服务器使用一个简单的文件系统，在数据存储器中保存静态网页。用户可以参考此示例和uIP提供的应用程序接口去实现应用层的编程。在需求方面，本文设立视频点播系统，其结构流程图如图4所示。首先，Web服务器打开端口80检测。一旦客户端计算机检测到访问，uIP分布一个连接给它。在收到从客户端浏览器来的申请“GET HTTP.”后，在数据存储器中的相应的网站将被发送。其次，Web服务器收到访问征用时，客户要求访问媒体文件，它会搜索并找到媒体服务器请求的文件。在此之后，客户在媒体服务器和播放器之间建立一个稳定的连接。最后，媒体服务器发送相互关联的媒体文件给客户端。在客户端收到数据包后，他们首先被存储在计算机的缓冲区，然后将会在播放器中被播放。图4 视频点播系统一旦用户关闭浏览器，uIP将会自动审查这一事件（使用uip_closed（）来检查应用程序），并释放此连接。由于此方案采用直接调用客户端播放器的方式，用户可以立即通过在网站上建立的播放器来观看视频，不需要再次启动媒体播放器。媒体服务器安装在Windows 2003服务器上，可以保留需要的媒体文件。5 结论嵌入式Web服务器连接到校园网。通过客户端的IE浏览器访问，如图5所示该网站将被调回。嵌入网站中的媒体播放器是Windows媒体播放器，它支持如ASF，AVI，WMV等大多数主流视频文件。如果有必要，解码器可以更新以便支持更多的视频格式。你可以在网站上使用下拉列表来选择喜欢的视频播放器，并通过播放，停止，前进，后退以及调整音量控制视频，此外，双击使播放器全屏幕显示。通过测试，这台网页服务器工作稳定，拥有满意的数据传输速度，保持系统的简洁与便利，它适合一个小型的局域网网络。图5 应用效果目前，互联网已覆盖了整个世界;Web服务器变得越来越重要。然而，传统的Web服务器拥有高处理能力和巨大的存储容量，需要一个PC或工作站硬件平台和一个非实时操作系统软件平台。这种服务器上的程序是庞大而复杂的。这种Web服务器并不适合工业控制领域。随着嵌入式Web服务器的发展，这种局面将被彻底改变。虽然嵌入式TCP/IP的应用还在研究中，目前仅实现了数据的传输这个阶段。但是在未来，嵌入式TCP /IP设备将通过互联网实时显示图像和视频。甚至你可以通过您的手机观看现场比赛。到那时，嵌入式TCP