基于ARM的嵌入式TCP/IP协议的实现

在网络应用日益普遍的今天，越来越多的嵌入式设备实现Ｉｎｔｅｒｎｅｔ网络化。ＴＣＰ／ＩＰ协议是一种目前被广泛采用的网络协议。嵌入式Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的技术核心是在嵌入式系统中部分或完整地实现ＴＣＰ／ＩＰ协议。由于ＴＣＰ／ＩＰ协议比较复杂，而目前嵌入式系统中大量应用低速处理器，受内存和速度限制，有必要将ＴＣＰ／ＩＰ协议简化。


１ ＴＣＰ／ＩＰ协议的实现

嵌入式ＴＣＰ／ＩＰ协议一般实现：ＡＲＰ／ＲＡＲＰ、ＩＰ、ＩＣＭＰ、ＴＣＰ、ＵＤＰ、ＨＴＴＰ、ＳＭＴＰ、ＦＴＰ、ＴＥＬＮＥＴ等协议，协议处理的主要流程如图１所示。

１．１ ＴＣＰ协议的实现

工业控制领域传输层采用ＴＣＰ协议、不用ＵＤＰ协议，是考虑到实时监控系统中传输量并不大，而可靠性要求较高。ＴＣＰ协议是面向连接的、端对端的可靠通信协议。它采用了许多机制来保证可靠传输，应用于嵌入式系统显得过于复杂。

ＴＣＰ协议数据传输可分为三个阶段：建立连接、传输数据和断开连接。它的实现过程可以用状态机来描述。建立连接有两种方法，即主动打开和被动打开。服务器端是一种被动打开，它一直在侦听连接请求；而客户端是一种主动打开，它发送连接请求以建立连接。研究发现，如果ＴＣＰ层的上层实现服务器端的应用，可以将标准ＴＣＰ状态机建立连接过程中客户端建立连接的状态机部分简化掉。同理，如果应用是基于客户端的，可以将服务器端建立连接的状态机部分简化掉。断开连接有两种方式：一是主动断开连接；另一是被动断开连接。被动断开连接的处理较为简单，但标准ＴＣＰ协议的主动断开连接的状态机部分过于复杂。经过实验发现，在需要主动断开连接的时候，发送一个Ｆｉｎ数据报；接收到对Ｆｉｎ数据报的确认后，再发送一个Ｒｅｓｅｔ数据报，即可顺利完成一次主动断开连接。

标准的ＴＣＰ协议使用慢启动的滑动窗口机制。滑动窗口是一种在流量控制和网络传输效率之间折中的方案。它允许发送方在等待一个确认之前发送多个窗口，其确认是一种批量的确认。研究滑动窗口协议发现，滑动窗口的一个极限情况，是只使用单个窗口，就变成了一种简单确认的处理方法。使用该方法后，所有的处理只是对单个数据报的发送和确认，节约了系统的资源，也使维护更加方便。为了协议的兼容性，需要通信的另一方也使用简单确认方法。因为如果对方使用较大的窗口，就可能造成处理器被淹没。这个问题可以通过设置待发送数据报的ＴＣＰ头部的Ｗｉｎｄｏｗｓ字段的大小解决。

在上述基础上，简化实现ＴＣＰ协议的流程图如图２所示。其中“不同状态的相应处理”指根据接收到的ＴＣＰ报文准备待发送数据报并将其发送到以太网上。这部分根据ＴＣＰ所处的不同状态，所做的处理是不一样的。

１．２ ＩＰ协议

ＩＰ协议是ＴＣＰ／ＩＰ的基础，为不同网络的主机之间发送数据报的操作序列提供无连接服务。通过在数据报前添加ＩＰ协议头，使每个数据报具有寻址能力。嵌入式系统只把ＩＰ作为传输工具，进行简化以完成主要的操作。得到ＩＰ包后，检验ＩＰ头部的版本、目的地址、校验和正确否，解析出协议类型字段，由此交给相应的高层协议处理。发送ＩＰ包时，将缓冲区内的源地址与目的地址互换，设置校验和，然后交给下层协议处理。不符合要求，则将此包丢弃。ＩＰ包最大可以为６５ＫＢ，可以分段传输，而在嵌入式系统里根本无法容纳如此大的数据包，因此一般不支持分段传输。所以限制ＭＣＵ发送和接收数据包的方式以避免分段传输，从而减少程序复杂度。