摘? 要: 研究了目前嵌入式Internet技術(shù)的二種典型體系結(jié)構(gòu),在此基礎(chǔ)上分析和研究了嵌入式TCP/IP協(xié)議棧的特點及其實現(xiàn)方法。

　　關(guān)鍵詞: 嵌入式Internet? 體系結(jié)構(gòu)? 嵌入式TCP/IP協(xié)議棧

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　　嵌入式Internet是一種將嵌入式設(shè)備接入Internet的技術(shù)。利用該技術(shù)可將Internet從PC機延伸到8位、16位、32位單片機,并實現(xiàn)基于Internet的遠程數(shù)據(jù)采集、遠程控制、自動報警、上傳下載數(shù)據(jù)文件、自動發(fā)送Email等功能,大大擴展了Internet的應(yīng)用范圍。網(wǎng)絡(luò)專家預(yù)測,將來在Internet上傳輸?shù)男畔⒅?有70%的信息來自小型嵌入式系統(tǒng)。嵌入式Internet將會產(chǎn)生比PC機時代多成百上千倍的瘦服務(wù)器和超級嵌入式瘦服務(wù)器。這些瘦服務(wù)器將與人們所能想到的各種物理信息、生物信息相聯(lián)接,通過Internet網(wǎng)自動地、實時地、方便地、簡單地提供給需要這些信息的對象。

　　嵌入式Internet的技術(shù)正在不斷發(fā)展,新技術(shù)、新產(chǎn)品層出不窮,從底層硬件技術(shù)到頂層軟件所提供的解決方案都在不斷的完善。但從根本上講,嵌入式設(shè)備要接入Internet,它必須支持TCP/IP通信協(xié)議,這是不能選擇的。由于嵌入式系統(tǒng)是以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)、軟硬件可裁剪并對成本、體積、功耗有嚴格要求的專用系統(tǒng),它對TCP/IP通信協(xié)議的支持有其自身的特點,這些特點也決定了嵌入式Internet的體系結(jié)構(gòu)。

1? 嵌入式Internet的體系結(jié)構(gòu)

　　目前,很多研究機構(gòu)和企業(yè)提出了許多有關(guān)嵌入式設(shè)備連入Internet的解決方案。從嵌入式設(shè)備對TCP/IP通信協(xié)議的支持方式和體系結(jié)構(gòu)分析,可以把這些解決方案歸納為以下二種。

1.1 基于網(wǎng)關(guān)的體系結(jié)構(gòu)

　　嵌入式設(shè)備要支持TCP/IP通信協(xié)議,所需要的計算資源和存儲資源相當(dāng)可觀。而目前大多數(shù)的嵌入式設(shè)備其計算資源和存儲資源是有限的,不能直接支持TCP/IP協(xié)議棧。于是就出現(xiàn)了一種基于網(wǎng)關(guān)的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的核心思想就是,采用桌面計算機或高性能嵌入式處理器作為網(wǎng)關(guān),支持TCP/IP協(xié)議棧并運行Internet服務(wù)程序(通常是Web Server)。網(wǎng)關(guān)和嵌入式設(shè)備之間則通過一些標(biāo)準的輕量級總線(RS232、RS485等)和私有通信協(xié)議(由解決方案提供商提供)進行通信。用戶通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器訪問網(wǎng)關(guān)上運行的服務(wù)器實現(xiàn)對這些嵌入式設(shè)備的遠程訪問和控制,從而實現(xiàn)嵌入式設(shè)備連入Internet。

　　emWare公司開發(fā)的嵌入式微Internet網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(Embedded Micro Internetworking Technology,EMIT)就是這種體系結(jié)構(gòu)的典型應(yīng)用。EMIT由emNet和emGateway二部分組成,如圖1所示。emNet協(xié)議運行在MCU內(nèi)部,是為嵌入式系統(tǒng)和其他網(wǎng)絡(luò)(如RS485、IR、RF和電力線等)進行聯(lián)接的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。同時,emNet使得集成emMicro的嵌入式系統(tǒng)能夠和嵌入式微控制器網(wǎng)關(guān)emGateway進行有效的通信。嵌入式微控制器網(wǎng)關(guān)(即emGateway)運行在計算機、TV機頂盒或?qū)Ｓ玫募矣秒娖鞣?wù)器中,它是嵌入式設(shè)備和Internet之間聯(lián)接的橋梁。應(yīng)用系統(tǒng)運行MCU內(nèi)的emNet,通過emGateway連入Internet。

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　　Webchip是一種使嵌入式電子設(shè)備和家用電器與網(wǎng)絡(luò)方便聯(lián)接的實用解決方案(圖2)。它也是基于網(wǎng)關(guān)的體系結(jié)構(gòu)應(yīng)用的一個典型實例。Webchip是獨立于各種微控制器的專用網(wǎng)絡(luò)接口芯片。它通過標(biāo)準的輸入、輸出口與各種MCU相連。MCU通過Webchip與網(wǎng)關(guān)聯(lián)接即可接收并執(zhí)行經(jīng)由Internet遠程傳來的命令或?qū)?shù)據(jù)交給Webchip發(fā)送出去。MCU應(yīng)用系統(tǒng)通過Webchip網(wǎng)絡(luò)芯片與Gateway聯(lián)接,再連入Internet。基于Webchip的嵌入式Internet體系結(jié)構(gòu)最終還是要通過網(wǎng)關(guān)連入Internet,它只不過是用硬件代替軟件實現(xiàn)的方式屏蔽了底層的通信機制和網(wǎng)關(guān)的交互過程,可以說是EMIT體系結(jié)構(gòu)的一個變種。

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　　基于網(wǎng)關(guān)的體系結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)點就是網(wǎng)關(guān)中的一個IP地址可以聯(lián)接多個嵌入式設(shè)備。但它需要PC機做網(wǎng)關(guān),因而增加了整個系統(tǒng)的成本。

1.2 直連的體系結(jié)構(gòu)

　　讓嵌入式設(shè)備連入Internet的最直接方法就是讓嵌入式系統(tǒng)本身支持完整TCP/IP協(xié)議棧。要支持TCP/IP通信協(xié)議,所需要的計算資源和存儲資源相當(dāng)可觀。因此這種讓嵌入式設(shè)備本身支持完整的TCP/IP協(xié)議棧直接連入Internet的結(jié)構(gòu)只適用于那些高檔的嵌入式處理器,如32位的ARM、SH3、MIPS等。而對那些低檔的8位和16位嵌入式系統(tǒng),這個方案顯然行不通。

　　要讓那些低檔的8位和16位嵌入式系統(tǒng)支持TCP/IP協(xié)議棧而直接連入Internet,可行的辦法就是針對嵌入式系統(tǒng)的特點對傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議棧進行裁剪。讓這些嵌入式設(shè)備支持一種輕量級的TCP/IP協(xié)議棧而直接連入Internet。基于Webit的嵌入式Internet直連結(jié)構(gòu)就是這一體系結(jié)構(gòu)典型的應(yīng)用實例。

　　Webit是國內(nèi)某公司研制開發(fā)的用于嵌入式系統(tǒng)接入Internet的一個實用產(chǎn)品,它將MCU和以太網(wǎng)控制器集成到一塊小板卡上,將它內(nèi)置到嵌入系統(tǒng)中就可以完成嵌入式系統(tǒng)與Internet網(wǎng)的聯(lián)接,如圖3所示。Webit有自己的IP地址,有很高的集成度。它將協(xié)議處理部分獨立出來,使開發(fā)人員省去了網(wǎng)絡(luò)部分的設(shè)計,可將主要精力放在應(yīng)用系統(tǒng)本身。

Webit實際上是個嵌入式瘦Web服務(wù)器。其中運行的TCP/IP協(xié)議棧是經(jīng)過裁剪了的。嵌入式Internet直連體系結(jié)構(gòu)無需網(wǎng)關(guān),發(fā)布比較靈活,開發(fā)成本相對較低,但需要獨立的IP地址。

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　　相對于技術(shù)和應(yīng)用比較成熟的基于網(wǎng)關(guān)的體系結(jié)構(gòu),嵌入式Internet直連結(jié)構(gòu)還需要不斷完善。從這種體系結(jié)構(gòu)的特點可以看出,實現(xiàn)這種體系結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵問題就是如何針對嵌入式系統(tǒng)的特點及其具體的應(yīng)用場合對傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議棧進行裁剪,以得到適合于嵌入式Internet直連結(jié)構(gòu)的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧,這也正是近年來研究的熱點。

2?嵌入式TCP/IP協(xié)議棧的特點及其實現(xiàn)方法

　　和嵌入式系統(tǒng)面向特定的應(yīng)用一樣,分析嵌入式TCP/IP協(xié)議棧的特點和對傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議棧進行簡化也要針對特定的系統(tǒng)環(huán)境和應(yīng)用背景。離開了特定的系統(tǒng)環(huán)境和應(yīng)用背景來討論嵌入式TCP/IP協(xié)議棧的特點和對TCP/IP協(xié)議棧進行簡化是沒有意義的。這里所討論的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧是針對那些低檔的8位和16位嵌入式系統(tǒng)能支持嵌入式Internet直連體系結(jié)構(gòu)而提出的。

　　低檔嵌入式系統(tǒng)中一般沒有多任務(wù)操作系統(tǒng)支持,嵌入式TCP/IP協(xié)議棧直接面對硬件。MCU中的程序結(jié)構(gòu)一般是順序執(zhí)行和硬件中斷相配合的方式。由于嵌入式處理器的時鐘頻率低,地址、數(shù)據(jù)總線窄,所以對一個IP包的處理要花很多的時間。如果采用中斷處理方式,勢必影響其他中斷和任務(wù)的執(zhí)行。當(dāng)系統(tǒng)中有實時數(shù)據(jù)采集、串口通信中斷、鍵盤中斷等實時任務(wù)時,則會造成很大的沖突。設(shè)計時需要合理劃分中斷處理程序,將無實時要求和費時的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧的處理放在主程序順序循環(huán)中。對網(wǎng)絡(luò)接口控制芯片采用查詢式,即在其他中斷任務(wù)的執(zhí)行間隙處理嵌入式TCP/IP協(xié)議棧,以犧牲響應(yīng)速度來換取系統(tǒng)可靠性(圖4)。由于處理不及時可能會發(fā)生溢出、丟包等,這可依靠TCP協(xié)議本身的機制來保證可靠傳輸。

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　　緩沖區(qū)方案的選擇對TCP/IP協(xié)議棧的性能影響很大。8位或16位嵌入式系統(tǒng)中存儲空間一般只有幾十字節(jié),在設(shè)計嵌入式TCP/IP協(xié)議棧時,不但要考慮協(xié)議棧本身的大小,還要考慮緩沖區(qū)的設(shè)置。一個最大的以太網(wǎng)包的大小超過1500個字節(jié),嵌入式系統(tǒng)一般只能提供幾十字節(jié)的空間,并要被各個協(xié)議所用。所以只能申請一個能存放一個最大以太網(wǎng)包的緩沖區(qū)來存放接收到的數(shù)據(jù)包,收到一包處理一包,其存儲地址是固定的,而不是動態(tài)分配的。同時這個緩沖區(qū)還要作為發(fā)送包時的緩沖區(qū)用。在大多數(shù)應(yīng)用中,嵌入式TCP/IP協(xié)議棧用于嵌入式瘦服務(wù)器,其接收包的類型一般為系統(tǒng)狀態(tài)配置包、控制動作命令包、通信控制包等,包中裝載的數(shù)據(jù)較少。而嵌入式瘦服務(wù)器發(fā)回給客戶的數(shù)據(jù)包中含有一些嵌入式瘦服務(wù)器的實時狀態(tài)信息或網(wǎng)頁,包中裝載的數(shù)據(jù)較多,可以通過精心設(shè)計,使這些數(shù)據(jù)能用一個以太網(wǎng)包發(fā)送出去。

　　在IP層,根據(jù)嵌入式系統(tǒng)特定的應(yīng)用背景,可以對其通信環(huán)境做出一些假設(shè)。只考慮一般的情況,例如:如果數(shù)據(jù)包經(jīng)過最大傳輸單元(MTV)不同的物理網(wǎng)絡(luò),則IP層必須支持數(shù)據(jù)包的分片和重裝。但現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)一般都支持以太網(wǎng),因此可以不考慮IP數(shù)據(jù)包的分片和重裝,這在一般情況下是可行的。因此嵌入式TCP/IP協(xié)議棧中的IP層協(xié)議可以把路由、分片、重裝等功能裁減掉。

　　TCP/IP協(xié)議棧中的TCP協(xié)議實現(xiàn)面向連接的、端到端的可靠通信協(xié)議。它采用了許多機制來保證傳輸?shù)目煽啃?例如通過確認ACK和定時器來判斷是否有必要重發(fā);通過序列號來解決通信時的丟失、重復(fù)、失序等問題。前面提到嵌入式TCP/IP協(xié)議棧一般用于嵌入式瘦服務(wù)器。TCP有限狀態(tài)機只需要實現(xiàn)服務(wù)器端的TCP有限狀態(tài)機即可。在發(fā)送數(shù)據(jù)包時可以采用“發(fā)送—停止—等待—確認—發(fā)送”的方式,不實現(xiàn)滑動窗口協(xié)議。由于每次只緩沖和發(fā)送一個包,接受一包處理一包,不必考慮流量控制和擁塞控制。在一般的應(yīng)用場合,和嵌入式TCP/IP協(xié)議棧通信的是完整的TCP/IP協(xié)議棧。當(dāng)這些嵌入式瘦服務(wù)器發(fā)送的包丟失后,對方收不到確認包,認為自己所發(fā)的包丟失,超時重發(fā),而嵌入式瘦服務(wù)器此時再響應(yīng),仍然可以保證可靠性。因此嵌入式TCP/IP協(xié)議棧的TCP協(xié)議可以不實現(xiàn)超時重發(fā)機制。嵌入式TCP/IP協(xié)議棧中TCP協(xié)議處理流程如圖5所示。

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　　嵌入式TCP/IP協(xié)議棧接口的設(shè)計一般不遵循BSD Socket接口標(biāo)準,而采用基于事件驅(qū)動的程序模型。應(yīng)用程序(協(xié)議)用一個C函數(shù)實現(xiàn)。當(dāng)一個事件到達時(如一個新的連接請求到達,一個新的數(shù)據(jù)包到達一個已經(jīng)建立的連接等),應(yīng)用程序(協(xié)議)就會被調(diào)用,并由應(yīng)用程序根據(jù)所發(fā)生的事件做出處理。嵌入式TCP/IP協(xié)議棧與傳統(tǒng)TCP/IP協(xié)議棧的區(qū)別如表1所示。

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3? 結(jié)束語

　　隨著嵌入式Internet技術(shù)的不斷發(fā)展,將來可能會出現(xiàn)新的嵌入式Internet解決方案。但有一點是不能選擇的:嵌入式系統(tǒng)要接入Internet則最終要通過TCP/IP通信協(xié)議的支持,不管這種支持是直接的還是間接的。同時TCP/IP協(xié)議棧解決的是個通信問題,對TCP/IP通信協(xié)議的研究和簡化不會因為嵌入式系統(tǒng)性能的提高而變得沒有意義。將來,也許會用輕量級TCP/IP協(xié)議棧取代目前一些標(biāo)準的輕量級通信協(xié)議(如RS-232等)而成為嵌入式設(shè)備和網(wǎng)關(guān)之間進行通信的一種解決方案。

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