源碼公開的TCP/IP協(xié)議棧在遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用
1嵌入式TCP/IP協(xié)議棧
目前，市面上幾乎所有的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧都是根據(jù)BSD版的TCP/IP協(xié)議棧改寫的。在商業(yè)嵌入式TCP/IP協(xié)議棧大都相當(dāng)昂貴的情況下，很多人轉(zhuǎn)而使用一些源代碼公開的免費(fèi)協(xié)議棧，并加以改造應(yīng)用。目前較為著名的免費(fèi)協(xié)議棧有：
lwIP(LightweightTCP/IPStack)——支持的協(xié)議比較完整，一般需要多任務(wù)環(huán)境支持，代碼占用ROM>40KB，不適合8位機(jī)系統(tǒng)，沒(méi)有完整的應(yīng)用文檔；
uC/IP(TCP/IPstackforuC/OS)——基于uC/OS的任務(wù)管理，接口較復(fù)雜，沒(méi)有說(shuō)明文檔。
筆者采用的協(xié)議棧系瑞典計(jì)算機(jī)科學(xué)研究所AdamDunkels開發(fā)的uIP0.9。其功能特性總結(jié)如下：
◇完整的說(shuō)明文檔和公開的源代碼(全部用C語(yǔ)言編寫，并附有詳細(xì)注釋)；
◇極少的代碼占用量和RAM資源要求，尤其適用于8/16位單片機(jī)(見(jiàn)表1)；
◇高度可配置性，以適應(yīng)不同資源條件和應(yīng)用場(chǎng)合；
◇支持ARP、IP、ICMP、TCP、UDP(可選)等必要的功能特性；
◇支持多個(gè)主動(dòng)連接和被動(dòng)連接并發(fā)，支持連接的動(dòng)態(tài)分配和釋放；
◇簡(jiǎn)易的應(yīng)用層接口和設(shè)備驅(qū)動(dòng)層接口；
◇完善的示例程序和應(yīng)用協(xié)議實(shí)現(xiàn)范例。
正是由于uIP所具有的顯著特點(diǎn)，自從0.6版本以來(lái)就被移植到多種處理器上，包括MSP430、AVR和Z80等。筆者使用的uIP0.9是2003年11月發(fā)布的版本。目前，筆者已將它成功移植到MCS-51上了。
2uIP0.9的體系結(jié)構(gòu)
uIP0.9是一個(gè)適用于8/16位機(jī)上的小型嵌入式TCP/IP協(xié)議棧，簡(jiǎn)單易用，資源占用少是它的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。它去掉了許多全功能協(xié)議棧中不常用的功能，而保留網(wǎng)絡(luò)通信所必要的協(xié)議機(jī)制。其設(shè)計(jì)重點(diǎn)放在IP、ICMP和TCP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)上，將這三個(gè)模塊合為一個(gè)有機(jī)的整體，而將UDP和ARP協(xié)議實(shí)現(xiàn)作為可選模塊。uIP0.9的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。
uIP0.9處于網(wǎng)絡(luò)通信的中間層，其上層協(xié)議在這里被稱之為應(yīng)用程序，而下層硬件或固件被稱之為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)。顯然，uIP0.9并不是僅僅針對(duì)以太網(wǎng)設(shè)計(jì)的，它具有媒體無(wú)關(guān)性。
為了節(jié)省資源占用，簡(jiǎn)化應(yīng)用接口，uIP0.9在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)上作了特殊的處理。
①注意各模塊的融合，減少處理函數(shù)的個(gè)數(shù)和調(diào)用次數(shù)，提高代碼復(fù)用率，以減少ROM占用。
②基于單一全局?jǐn)?shù)組的收發(fā)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，不支持內(nèi)存動(dòng)態(tài)分配，由應(yīng)用負(fù)責(zé)處理收發(fā)的數(shù)據(jù)。
③基于事件驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用程序接口，各并發(fā)連接采用輪循處理，僅當(dāng)網(wǎng)絡(luò)事件發(fā)生時(shí)，由uIP內(nèi)核喚起應(yīng)用程序處理。這樣，uIP用戶只須關(guān)注特定應(yīng)用就可以了。傳統(tǒng)的TCP/IP實(shí)現(xiàn)一般要基于多任務(wù)處理環(huán)境，而大多數(shù)8位機(jī)系統(tǒng)不具備這個(gè)條件。
④應(yīng)用程序主動(dòng)參與部分協(xié)議棧功能的實(shí)現(xiàn)(如TCP的重發(fā)機(jī)制，數(shù)據(jù)包分段和流量控制)，由uIP內(nèi)核設(shè)置重發(fā)事件，應(yīng)用程序重新生成數(shù)據(jù)提交發(fā)送，免去了大量?jī)?nèi)部緩存的占用。基于事件驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用接口使得這些實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單。
3uIP的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序接口
uIP內(nèi)核中有兩個(gè)函數(shù)直接需要底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的支持。
一是uip_input()。當(dāng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序從網(wǎng)絡(luò)層收到一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)要調(diào)用這個(gè)函數(shù)，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序必須事先將數(shù)據(jù)包存放到uip_buf[]中，包長(zhǎng)放到uip_len，然后交由uip_input()處理。當(dāng)函數(shù)返回時(shí)，如果uip_len不為0，則表明有帶外數(shù)據(jù)(如SYN，ACK等)要發(fā)送。當(dāng)需要ARP支持時(shí)，還需要考慮更新ARP表或發(fā)出ARP請(qǐng)求和回應(yīng)，示例如下。
#defineBUF((structuip_eth_hdr*)&uip_buf[0])
uip_len=ethernet_devicedriver_poll();//接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包
//(設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序)
if(uip_len>0){//收到數(shù)據(jù)
if(BUF->type==HTONS(UIP_ETHTYPE_IP)){//是IP包嗎？
uip_arp_ipin();//去除以太網(wǎng)頭結(jié)
//構(gòu)，更新ARP表
uip_input();//IP包處理
if(uip_len>0){//有帶外回應(yīng)數(shù)據(jù)
uip_arp_out();//加以太網(wǎng)頭結(jié)構(gòu)，在主動(dòng)連接時(shí)可能要
//構(gòu)造ARP請(qǐng)求
ethernet_devicedriver_send();//發(fā)送數(shù)據(jù)到以太網(wǎng)
//(設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序)
}
}elseif(BUF->type==HTONS(UIP_ETHTYPE_ARP)){
//是ARP請(qǐng)求包
uip_arp_arpin();//如是是ARP回應(yīng)，更新ARP表；如果是
//請(qǐng)求，構(gòu)造回應(yīng)數(shù)據(jù)包
if(uip_len>0){//是ARP請(qǐng)求，要發(fā)送回應(yīng)
ethernet_devicedriver_send();//發(fā)ARP回應(yīng)到以太網(wǎng)上
}
}
另一個(gè)需要驅(qū)動(dòng)程序支持的函數(shù)是uip_periodic(conn)。這個(gè)函數(shù)用于uIP內(nèi)核對(duì)各連接的定時(shí)輪循，因此需要一個(gè)硬件支持的定時(shí)程序周期性地用它輪循各連接，一般用于檢查主機(jī)是否有數(shù)據(jù)要發(fā)送，如有，則構(gòu)造IP包。使用示例如下。
for(i=0;iuip_periodic(i);
if(uip_len>0){
uip_arp_out();
ethernet_devicedriver_send();
}
}
從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，uip_input()和uip_periodic()在內(nèi)部是一個(gè)函數(shù)，即uip_process(u8tflag)，UIP的設(shè)計(jì)者將uip_process(UIP_DATA)定義成uip_input()，而將uip_process(UIP_TIMER)定義成uip_periodic()，因此從代碼實(shí)現(xiàn)上來(lái)說(shuō)是完全復(fù)用的。
4uIP的應(yīng)用程序接口
為了將用戶的應(yīng)用程序掛接到uIP中，必須將宏UIP_APPCALL()定義成實(shí)際的應(yīng)用程序函數(shù)名，這樣每當(dāng)某個(gè)uIP事件發(fā)生時(shí)，內(nèi)核就會(huì)調(diào)用該應(yīng)用程序進(jìn)行處理。如果要加入應(yīng)用程序狀態(tài)的話，必須將宏UIP_APPSTATE_SIZE定義成應(yīng)用程序狀態(tài)結(jié)構(gòu)體的長(zhǎng)度。在應(yīng)用程序函數(shù)中，依靠uIP事件檢測(cè)函數(shù)來(lái)決定處理的方法，另外可以通過(guò)判斷當(dāng)前連接的端口號(hào)來(lái)區(qū)分處理不同的連接。下面的示例程序是筆者實(shí)現(xiàn)的一個(gè)Web服務(wù)器應(yīng)用的框架。
#defineUIP_APPCALLuip51_appcall
#defineUIP_APPSTATE_SIZEsizeof(structuip51app_state)
structuip51app_state{
unsignedchar*dataptr;
unsignedintdataleft;
};
voiduip51_initapp{//設(shè)置主機(jī)地址
u16_tipaddr[2];
uip_ipaddr(ipaddr，202，120，127，192);
uip_sethostaddr(ipaddr);
uip_listen(HTTP_PORT);//HTTPWEBPORT(80);
}
voiduip51_appcall(void){
structuip51app_state*s;
s=(structuip51app_state*)uip_conn->appstate;
//獲取當(dāng)前連接狀態(tài)指針
if(uip_connected()){
…//有一個(gè)客戶機(jī)連上
}
if(uip_newdata()||uip_rexmit()){//收到新數(shù)據(jù)或需要重發(fā)
if(uip_datalen()>0){
if(uip_conn->lport==80){//收到GETHTTP請(qǐng)求
update_table_data();//根據(jù)電平狀態(tài)數(shù)據(jù)表動(dòng)態(tài)
//生成網(wǎng)頁(yè)
s->dataptr=newpage;
s->dataleft=2653;
uip_send(s->dataptr，s->dataleft);
//發(fā)送長(zhǎng)度為2653B的網(wǎng)頁(yè)
}
}
}
if(uip_acked()){//收到客戶機(jī)的ACK
if(s->dataleft>uip_mss()&&uip_conn->lport==80){
//發(fā)送長(zhǎng)度>最大段長(zhǎng)時(shí)
s->dataptr+=uip_conn->len;//繼續(xù)發(fā)送剩下的數(shù)據(jù)
s->dataleft-=uip_conn->len;
uip_send(s->dataptr，s->dataleft);
}
return;
}
if(uip_poll())
{…//將串口緩存的數(shù)據(jù)復(fù)制到
//電平狀態(tài)數(shù)據(jù)表
return;
}
if(uip_timedout()||//重發(fā)確認(rèn)超時(shí)
uip_closed()||//客戶機(jī)關(guān)閉了連接
uip_aborted()){//客戶機(jī)中斷連接
return;}
}
5uIP0.9在發(fā)電機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用
筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)嵌入式Web模塊UIPWEB51，用于將發(fā)電機(jī)射頻監(jiān)測(cè)儀串口輸出的數(shù)據(jù)上網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)工作狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，目前已取得初步成功。該模塊的硬件框圖如圖2所示。
單片機(jī)采用的是Atmel的AT89C55WD，它內(nèi)置20KB程序Flash，512字節(jié)RAM，3個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，工作在22.1184MHz時(shí)具有約2MIPS的處理速度。網(wǎng)卡芯片同樣采用的是低成本的RTL8019AS，是一款NE2000兼容的網(wǎng)卡芯片。系統(tǒng)外擴(kuò)了32KB的SRAM，用于串口數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的緩沖，另外還存放了uIP的許多全局變量。
UIPWEB51的主程序采用中斷加輪循的方式，用中斷觸發(fā)的方式接收發(fā)電機(jī)射頻監(jiān)測(cè)儀發(fā)出的數(shù)據(jù)，并設(shè)置了一個(gè)接收隊(duì)列暫存這些數(shù)據(jù)。在程序中輪循有無(wú)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包輸入，如有則調(diào)用uIP的相關(guān)處理函數(shù)(如上uip_input()使用示例)；如無(wú)則檢測(cè)定時(shí)輪循中斷是否發(fā)生。這里將T2設(shè)為uIP的定時(shí)輪循計(jì)數(shù)器，在T2中斷中設(shè)置輪循標(biāo)志，一旦主程序檢測(cè)到這一標(biāo)志就調(diào)用uip_periodic()輪循各連接(如上uip_periodic()使用示例)。
UIPWeb51的應(yīng)用程序(如uIP的應(yīng)用程序接口示例)，這個(gè)Web服務(wù)器首先打開80端口的監(jiān)聽，一旦有客戶機(jī)要求連上，uIP內(nèi)部會(huì)給它分配一個(gè)連接項(xiàng)，接著等收到客戶機(jī)IE瀏覽器發(fā)出的“GETHTTP…”請(qǐng)求后，將發(fā)電機(jī)電平與狀態(tài)數(shù)據(jù)隊(duì)列中的數(shù)據(jù)填入網(wǎng)頁(yè)模板，生成一幅新的網(wǎng)頁(yè)發(fā)給客戶機(jī)。因?yàn)檫@幅網(wǎng)頁(yè)的大小已經(jīng)超過(guò)uIP的最大段長(zhǎng)(MSS)，因此在uIP內(nèi)核第一次實(shí)際只發(fā)出了MSS個(gè)字節(jié)，在等到下一次輪循到該連接并且收到上次數(shù)據(jù)包的ACK時(shí)，發(fā)送剩下的網(wǎng)頁(yè)數(shù)據(jù)。在連接處于空閑的時(shí)候(uip_poll())，應(yīng)用程序可以從串口隊(duì)列中讀出原始數(shù)據(jù)，經(jīng)格式處理后再存到發(fā)電機(jī)電平與狀態(tài)數(shù)據(jù)隊(duì)列中，而在這個(gè)隊(duì)列中保存著當(dāng)前1min的設(shè)備工作數(shù)據(jù)，以便下次更新網(wǎng)頁(yè)時(shí)使用。在網(wǎng)頁(yè)中添加了更新按鈕，一旦瀏覽器用戶點(diǎn)擊了按鈕，瀏覽器會(huì)自動(dòng)發(fā)出CGI請(qǐng)求，UIPWEB51收到后，立即發(fā)送包含最新數(shù)據(jù)的網(wǎng)頁(yè)。如果uIP接收ACK超時(shí)，它會(huì)自動(dòng)設(shè)置重發(fā)標(biāo)志，應(yīng)用程序中可以用uip_rexmit()來(lái)檢測(cè)這個(gè)標(biāo)志，重新生成網(wǎng)頁(yè)并發(fā)送。一旦用戶關(guān)閉了瀏覽器，uIP也會(huì)自動(dòng)檢測(cè)到這一事件(應(yīng)用程序中可以用uip_closed()來(lái)檢測(cè))，并且釋放掉這個(gè)連接項(xiàng)。
圖3是UIPWEB51的總體程序結(jié)構(gòu)圖。
6測(cè)試結(jié)果
將uIP0.9配置成允許4個(gè)并發(fā)連接，1個(gè)監(jiān)聽端口，10個(gè)ARP表項(xiàng)，去掉UDP支持，UIP_BUFSIZE=1500和其它優(yōu)化選項(xiàng)。用KEILC編譯，整個(gè)uIP0.9內(nèi)核模塊代碼量小于8KB(含Web應(yīng)用程序)，內(nèi)核對(duì)RAM的占用小于2KB(不含網(wǎng)頁(yè))。整個(gè)系統(tǒng)程序的代碼量小于12KB，占用的RAM小于10KB。另外，在公網(wǎng)上測(cè)試了該模塊的傳輸速度，大于20Kbps，對(duì)于此項(xiàng)應(yīng)用已達(dá)到要求。目前，該模塊正準(zhǔn)備應(yīng)用于新一代的發(fā)電機(jī)射頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。
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