源碼公開的TCPIP協(xié)議棧在遠(yuǎn)程監(jiān)測中的應(yīng)用

1、源碼公開的 TCP/IP 協(xié)議棧在遠(yuǎn)程監(jiān)測中的應(yīng)用摘要：介紹一個適用于8/16位單片機的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧（ulP）在發(fā)電 機遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用。重點闡述 uIP 的功能特性、體系結(jié)構(gòu)和相關(guān)接口， 并詳細(xì)介紹如何在該協(xié)議棧上實現(xiàn)一個嵌入式Web服務(wù)器。目前ulP已成功地移植到 51 單片機上。關(guān)鍵詞：TCP/IP協(xié)議棧嵌入式Wet服務(wù)器遠(yuǎn)程監(jiān)測目前，隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，越來越多的工業(yè)測控設(shè)備已經(jīng)將網(wǎng)絡(luò)接入功能 作為其默認(rèn)配置，以實現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和信息分布式處理。筆者曾參與某發(fā) 電機射頻監(jiān)測儀的開發(fā)，該設(shè)備主要用于診斷和預(yù)警發(fā)電機早期故障，并通過 RS232接口定時輸出電平和狀態(tài)數(shù)據(jù)，現(xiàn)

2、場專門設(shè)一臺PC作接收、顯示及存儲。每年都要有專家到各發(fā)電廠對以往數(shù)據(jù)作檢查和診斷，不勝其煩。因此有 必要設(shè)計一個RS232到In ternet的數(shù)據(jù)傳輸模塊，以便對發(fā)電機的運行狀況作 遠(yuǎn)程監(jiān)測。設(shè)計該模塊的關(guān)鍵在于如何實現(xiàn)一個嵌入式 TCP/lP 協(xié)議棧，根據(jù)以 往的經(jīng)驗，自己設(shè)計一個協(xié)議棧的難度很可能超過應(yīng)用本身，而采用商業(yè)的協(xié) 議棧似乎又無必要（功能過于復(fù)雜），最后筆者選用一種功能簡易的免費 TCP/IP 協(xié)議棧 uIP 0.9 作為設(shè)計核心。1 嵌入式 TCP/IP 協(xié)議棧目前，市場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

3、/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協(xié)議棧，并加以改造應(yīng)用。目前較為著名的免費 協(xié)議棧有：lwIP（Light weight TCP/IP Stack） 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位機系統(tǒng)，沒有完整的應(yīng)用文 檔；uC/IP（TCP/IP stack for uC/OS） 基于 uC/OS的任務(wù)管理，接口較復(fù) 雜，沒有說明文檔。筆者采用的協(xié)議棧系瑞典計算機科學(xué)研究所 Adam Du nkels開發(fā)的 uIP0.9 。其功能特性總結(jié)如下：*完整的說明文檔和公開的源代碼（全部用C語言編寫，并附有詳細(xì)注釋）

4、；*極少的代碼占用量和RAMS源要求，尤其適用于8/16位單片機（見表高度可配置性，以適應(yīng)不同資源條件和應(yīng)用場合；支持ARR IP、ICMP TCP UDP（可選）等必要的功能特性；支持多個主動連接和被動連接并發(fā)，支持連接的動態(tài)分配和釋放;簡易的應(yīng)用層接口和設(shè)備驅(qū)動層接口；完善的示例程序和應(yīng)用協(xié)議實現(xiàn)范例。表1 uIP 在ATMEL AV上代碼和 RAh/占用情況協(xié)議模塊代碼大小/B使用的RAM/BARP1324118IP/ICMP/TCP3304360HTTP994110校驗和函數(shù)6360數(shù)據(jù)包緩存0400總和6258988注：配置為1個TCP聽端口，10個連接，10個ARP表項，400字節(jié)

5、數(shù)據(jù)包 緩存。正是由于uIP所具有的顯著特點，自從0.6版本以來就被移植到多種處理 器上，包括MSP430 AVR和Z80等。筆者使用的ulP0.9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。2 uIP0.9的體系結(jié)構(gòu)UIP0.9是一個適用于8/16位機上的小型嵌入式TCP/IP協(xié)議棧，簡單易 用，資源占用少是它的設(shè)計特點。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)議機制。其設(shè)計重點放在IP、ICMP和 TCP協(xié)議的實現(xiàn)上，將這三個模塊合為一個有機的整體，而將UDP和ARP協(xié)議實現(xiàn)作為可選模塊。UIP0.9的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。UIP0

6、.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。顯然，uIPO.9并不是僅僅針對以太網(wǎng)設(shè)計的，以具有媒體無關(guān)性。為了節(jié)省資源占用，簡化應(yīng)用接口，uIPO.9在內(nèi)部實現(xiàn)上作了特殊的處 注意各模塊的融合，減少處理函數(shù)的個數(shù)和調(diào)用次數(shù)，提高代碼復(fù)用 率，以減少ROM占用。 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)存動態(tài)分配，由應(yīng)用負(fù) 責(zé)處理收發(fā)的數(shù)據(jù)。 基于事件驅(qū)動的應(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，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 實現(xiàn)一般要基于多任

7、務(wù)處理環(huán)境，而大多數(shù) 8 位機系 統(tǒng)不具備這個條件。 應(yīng)用程序主動參與部分協(xié)議棧功能的實現(xiàn)（如TCP的重發(fā)機制，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，免去了大量內(nèi)部緩存的占用。基于事件驅(qū)動的應(yīng)用接口使得這些實現(xiàn)較為 簡單。3 uIP 的設(shè)備驅(qū)動程序接口uIP 內(nèi)核中有兩個函數(shù)直接需要底層設(shè)備驅(qū)動程序的支持一是 uip_input（） 。當(dāng)設(shè)置驅(qū)動程序從網(wǎng)絡(luò)層收到的一個數(shù)據(jù)包時要調(diào)用 這個函數(shù)，設(shè)備驅(qū)動程序必須事先將數(shù)據(jù)包存入到 uip_buf 中，包長放到 uip_len ，然后交由 uip_input（） 處理。當(dāng)函數(shù)返回時，如果 uip_le

8、n 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，還需要考慮 更新ARP表示或發(fā)出ARPi青求和回應(yīng)，示例如下：#define BUF(struct uip_eth_hdr*)&uip_buf0) uip_len=ethernet_devicedriver_poll(); /接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包(設(shè)備驅(qū)動程序)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)結(jié)，更新ARPSuip_input(); /IP包處理if(u

9、ip_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)，在主動連接時可能要構(gòu)造 ARP請求ethernet_devicedriver_send(); /發(fā)送數(shù)據(jù)到以太網(wǎng)（設(shè)備驅(qū)動程序）else if(BUF->type=HTONS(UIP_ETHTYPE_ARP)/是ARP青求包uip_arp_arpin(); / 如是是ARP回應(yīng)，更新 ARF表;如果是請求，構(gòu)造 回應(yīng)數(shù)據(jù)包if(uip_len>0) /是ARP青求，要發(fā)送回應(yīng)ethernet_devicedriver_send(); /發(fā) ARP回應(yīng)到以太網(wǎng)上另一個需要驅(qū)動程序支持的函數(shù)是ui

10、p_periodie( conn)。這個函數(shù)用于uIP 內(nèi)核對各連接的定時輪循，因此需要一個硬件支持的定時程序周期性地用 它輪循各連接，一般用于檢查主機是否有數(shù)據(jù)要發(fā)送，如有，則構(gòu)造 IP 包。使 用示例如下：for(i=0;i<UIP_CONNS;i+)uip_periodic(i);if(uip_len>0)uip_arp_out();ethernet_devicedriver_send();從本質(zhì)上來說， uip_input() 和 uip_periodic() 在內(nèi)部是一個函數(shù)，即 uip_process(u8t flag) ， UIP 的設(shè)計者將 uip_process(

11、UIP_DATA) 定義成 uip_input() ，而將 uip_process(UIP_TIMER) 定義成 uip_periodic() ，因此從 代碼實現(xiàn)上來說是完全復(fù)用的。4 uIP 的應(yīng)用程序接口為了將用戶的應(yīng)用程序掛接到 ulP中，必須將宏UIP_APPCAL()定義成 實際的應(yīng)用程序函數(shù)名，這樣每當(dāng)某個 uIP 事件發(fā)生時，內(nèi)核就會調(diào)用該應(yīng)用 程序進行處理。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)體的長度。在應(yīng)用程序函數(shù)中，依靠 uIP 事件檢測函數(shù)來決定處理的方法，另外可以通過判斷當(dāng)前連接的端口號來區(qū)分處理不同的 連接。

12、下面的示例程序是筆者實現(xiàn)的一個 Web服務(wù)器應(yīng)用的框架。#define UIP_APPCALL uip51_appcall#define UIP_APPSTATE_SIZE sizeof(struct uip51app_state)struct uip51app_stateunsigned char * dataptr;unsigned int dataleft;void uip51_initapp / 設(shè)置主機地址u16_t ipaddr2;uip_ipaddr(ipaddr,202,120,127,192);uip_sethostaddr(ipaddr);uip_listen(HTTP_P

13、ORT); /HTTP WEB PORT (80)；void uip51_appcall(void)struct uip51app_state *s;s=(struct uip51lapp_state *)uip_conn->appstate; /獲取當(dāng)前連接狀態(tài)指針if(uip_connected()/有一個客戶機連上if(uip_newdat()|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 GET HTTP請求update_table_data();/ 根據(jù)電平狀態(tài)數(shù)據(jù)表動態(tài)生

14、成網(wǎng)頁s->dataptr=newpage;2653B的網(wǎng)頁發(fā)送長度 最大s->dataleft=2653; uip_send(s->dataptr,s->dataleft); / 發(fā)送長度為 if(uip_acked() / 收到客戶機的 ACK if(s->dataleft>uip_mss()&&uip_conn->lport=80) / 段長時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->da

15、taptr,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 uip_closed()| /客戶機關(guān)閉了連接uip_aborted() / 客戶機中斷連接 return;5 uIP0.9 在電機遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用筆者設(shè)計了一個嵌入式 Web莫塊UIPWEB51用于將發(fā)電機射頻監(jiān)測儀串口 輸出的數(shù)據(jù)上網(wǎng)，以實現(xiàn)對發(fā)電機工作狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)測，目前已獲得初步成 功。該莫塊的硬件框圖如圖 2 所示。單片機采用的是 Atmel的AT89C55W，它內(nèi)置20KB程序Flash

16、，512字節(jié) RAM 3個這時器/計數(shù)器，工作在22.1184MHz時具有約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NE200C兼容的網(wǎng)卡芯片，系 統(tǒng)外擴了 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。UIPWEB5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 射頻監(jiān)測儀發(fā)出的數(shù)據(jù)，開設(shè)置了一個接收隊列暫存這些數(shù)據(jù)。在程序中輪循 有無網(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）；如無則檢測定時輪循中斷是否發(fā)生。這里將 T2 設(shè)為 uIP 的定時輪循 計數(shù)

17、器，在 T2 中斷中設(shè)置輪循標(biāo)志，一旦主程序檢測到這一標(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 Web服務(wù)器首 先打開 80 端口的監(jiān)聽，一旦有客戶機要求連上， uIP 內(nèi)部會給它分配一個連接 項，接著等收到客戶機IE瀏覽器發(fā)出的“ GET HTTP”請求后，將發(fā)電機電 平與狀態(tài)數(shù)據(jù)隊列中的數(shù)據(jù)填入網(wǎng)頁莫板，生成一幅新的網(wǎng)頁發(fā)給客戶機。因 為這幅網(wǎng)頁的大小已經(jīng)超過uIP的最大段長（MSS，因此在uIP內(nèi)核第一次實 際只發(fā)出了 MSSt字節(jié)，在連接處于空閑的時候（uip_poll（），應(yīng)用程序可 以從串口隊列中讀出原始數(shù)據(jù)，經(jīng)格式處理后再存到電機電平與狀態(tài)數(shù)據(jù)隊列 中，而在這個隊列中保存著當(dāng)前 1min 的設(shè)備工作數(shù)據(jù)，以便下次更新網(wǎng)頁時使 用。在網(wǎng)頁中添加了更新按鈕，一旦瀏覽器用戶占擊了按鈕，瀏覽器會自動發(fā) 出CGI請求，UIPWEB5收到后，立即發(fā)送包含最新數(shù)據(jù)的網(wǎng)頁。如果uIP接收ACK超時，它會自動設(shè)置重發(fā)標(biāo)志，應(yīng)用程序中可以用uip_rexmit（）來檢測這個標(biāo)志，重新生成網(wǎng)頁并發(fā)送。一旦用戶關(guān)閉了瀏覽器， uIP 也會自動檢測到 這一事件（應(yīng)用程序中可以用 uip_c