TCP/IP協(xié)議在單片機(jī)上的軟件設(shè)計(jì) - 基于單片機(jī)的串口協(xié)議網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)

　　3　TCP/IP協(xié)議在單片機(jī)上的軟件設(shè)計(jì)

　　3.1　TCPIP協(xié)議棧和鏈路層格式

　　Internet上使用的是TCP/IP協(xié)議簇，由下至上包含四層：數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層（IP）、傳輸層（TCP）和應(yīng)用層。我們在單片機(jī)上能實(shí)現(xiàn)的是數(shù)據(jù)鏈路層的功能，上層協(xié)議鑒于單片機(jī)有限的資源，只能實(shí)現(xiàn)部分功能。TCP/IP協(xié)議棧如表2:

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　　數(shù)據(jù)鏈路層處于協(xié)議棧的最低層，傳輸以太網(wǎng)的物理傳輸幀，其幀格式如表3：

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　　數(shù)據(jù)鏈路層是所有TCP/IP包的基礎(chǔ)，所有它上層的包都被封裝到鏈路層幀的數(shù)據(jù)段中。鏈路層就是MAC對MAC的通信。

　　3.2　PING命令在單片機(jī)上的實(shí)現(xiàn)

　　PING是網(wǎng)絡(luò)層（IP層）的命令，網(wǎng)絡(luò)層就是IP對IP之間的通信。主機(jī)對一個(gè)目標(biāo)IP地址發(fā)出狀態(tài)請求，后者發(fā)出回應(yīng)，這樣，就可以用來檢查兩者之間的線路是否暢通。這里涉及到兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議：

　　ARP和ICMP。首先，網(wǎng)絡(luò)中要知道目標(biāo)IP的MAC地址，才能發(fā)送數(shù)據(jù)。為了獲取該地址，我們向整個(gè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送一個(gè)ARP廣播包，詢問該IP對應(yīng)的MAC地址，然后目標(biāo)IP應(yīng)答，我們就從應(yīng)答信息中得到MAC地址。其次，發(fā)送一個(gè)ICMP包，請求目標(biāo)IP狀態(tài)，目標(biāo)IP回應(yīng)，就完成網(wǎng)絡(luò)連接測試。在我們的實(shí)驗(yàn)中，發(fā)出PING命令的是網(wǎng)絡(luò)中的PC主機(jī)，接收信號并產(chǎn)生響應(yīng)的是我們的單片機(jī)系統(tǒng)。我們假定單片機(jī)系統(tǒng)控制的網(wǎng)卡的IP為192.168.0.176。

　　第一步，實(shí)現(xiàn)ARP協(xié)議。ARP協(xié)議是"AddressResolutionProtocol"（地址解析協(xié)議）的縮寫，它的作用是將IP地址轉(zhuǎn)換成物理地址（就是常說的MAC地址）。協(xié)議ARP的分組格式如表4:

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　　當(dāng)單片機(jī)主處理器處理網(wǎng)卡收到的ARP廣播請求時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)是請求“192.168.0.176”的MAC地址，于是按要求打一個(gè)ARP應(yīng)答包，將自己的MAC地址放到應(yīng)答包中，發(fā)送回網(wǎng)絡(luò)就完成了PING的第一步。注意，要在應(yīng)答包尾加18byte的補(bǔ)丁，否則應(yīng)答包長度不滿足最小60byte的要求。

　　第二步，實(shí)現(xiàn)ICMP協(xié)議。ICMP是“InternetControlMessageProtocol”（Internet控制消息協(xié)議）的縮寫。用于在IP主機(jī)、路由器之間傳遞控制消息?？刂葡⑹侵妇W(wǎng)絡(luò)通不通、主機(jī)是否可達(dá)、路由是否可用等網(wǎng)絡(luò)本身的消息。這些控制消息雖然并不傳輸用戶數(shù)據(jù)，但是對于用戶數(shù)據(jù)的傳遞起著重要的作用。

　　ICMP是封裝在IP協(xié)議中，所以有IP包頭。

　　ICMP協(xié)議結(jié)構(gòu)如表5：

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　　網(wǎng)絡(luò)主機(jī)在收到ARP的應(yīng)答包后，取出其中的MAC地址，然后向該MAC發(fā)出ICMP請求。主處理器處理該請求時(shí)，將請求包的標(biāo)識和序列號對應(yīng)填入ICMP應(yīng)答包，其它部分按要求填寫。校驗(yàn)和的計(jì)算有成熟的公式，容易計(jì)算，只要先把校驗(yàn)和部分置0,將包頭的計(jì)算結(jié)果再填入校驗(yàn)和就可以了。

　　最后將該ICMP應(yīng)答包送入網(wǎng)絡(luò)，這樣就完成了PING的全過程。此時(shí)，發(fā)出PING命令的網(wǎng)絡(luò)主機(jī)就會得到“Replyfrom192.168.0.176:bytes=32time<10msTTL=128”的信息。

　　4　串行數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換的討論

　　網(wǎng)絡(luò)層之上，有兩種傳輸層協(xié)議：TCP（Trans2missionControlProtocol）和UDP（UserDatagramProtocol）。對于數(shù)據(jù)傳輸要求高的場合，需要使用TCP協(xié)議作為雙方通信方式，但此種方式較為復(fù)雜。而對于一些實(shí)時(shí)信號及其反向控制信號的傳遞，實(shí)現(xiàn)UDP協(xié)議就可以滿足要求了。表6是UDP協(xié)議結(jié)構(gòu)：

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　　當(dāng)原始數(shù)據(jù)從串口送到到主處理器后，主處理器將其打包成UDP報(bào)文，發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中。網(wǎng)絡(luò)端監(jiān)控主機(jī)接收并處理該UDP報(bào)文，然后將控制信息同樣以UDP報(bào)文發(fā)出。主處理器把網(wǎng)絡(luò)控制信號返回給串口。這樣，我們在Internet中就可以方便地完成對現(xiàn)場串口數(shù)據(jù)源的監(jiān)視和控制過程。

　　5　結(jié)語

　　因?yàn)閱纹瑱C(jī)對于各種電器設(shè)備有良好的接入和控制能力，所以，我們實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)的網(wǎng)絡(luò)接入功能后，就在電器的硬件設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)之間建起了一道橋梁。通過它，可以實(shí)現(xiàn)對各種實(shí)時(shí)信號、儀器儀表、家用設(shè)施等目標(biāo)的遠(yuǎn)程監(jiān)視，在宏觀上對各種設(shè)備統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)人與系統(tǒng)的和諧的交互。這必將大大提高工作效率，改善工作環(huán)境，提升人們的生產(chǎn)、生活水平。

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