文章编号:1001-9081(2003)09-0082-03
微型TCPΠIP协议栈的设计与实现
姚光开，于永棠，柴乔林
(山东大学计算机科学与技术学院，济南山东250061)
摘　要:TCPΠIP协议已经成为当今开放互联网络系统中不可缺少的部分，详细说明了微型TCPΠIP协议栈的设计方法，它具有紧凑、轻便、模块化、高效和可升级等特点，实现了标准TCPΠIP协议栈的主要功能，但对系统资源的要求少，可以用于系统资源少的嵌入式系统进行网络通讯。
关键词：微型TCPΠIP；以太网控制器；协议栈
中图分类号:TP393  文献标识码:A
Design and R ealization of Tiny TCPΠIP Stack
Y AO G uang2kai,Y U Y ong2tang,CH AI Qiao2lin
(School o f Computer Science and Technology,Shandong Univer sity,Jinan Shandong250061,C hina)
Abstract:T CPΠIP has been an indispensable part of the current open internetw orking system.This article describes the design methods of tiny T CPΠIP stack in detail.The tiny T CPΠIP stack is compact,light,m odularized,efficient and upgradable.It realizes the main functions of the standard T CPΠIP stack with little requirement for system res ource,s o that it can be used for netw ork communication in embedded system with little system res ource.
K ey w ords:tiny T CPΠIP;E thernet controller;protocol stack
1　前言
随着Internet网络软、硬件的快速发展，互联网用户正在以指数增长。以太网经过20多年的发展，已经成为当今互联网络中底层链接不可缺少的部分;T CPΠIP协议栈[1]是一个非常复杂和庞大的系统，它是Internet互联网安全可靠通讯的重要组成部分，通常在通用计算机系统和操作系统下实现。而各种家电设备、PDA、仪器仪表、工业生产中数据的采集与控制等设备也正在逐渐地走向网络化，以便共享互联网络中庞大的资源。在某些应用领域，嵌入式设备在价格、体积及实时性等方面，有着通用计算机无法比拟的优点，因此，嵌入式设备的网络化开发有着广阔的前景。为了实现各种小型设备能够通过互联网进行远程监控，除了在网络硬件接口建设方面的开发以外，一个重要的问题就是根据嵌入式系统的资源有限，功能单一的特点开发一套微型T CPΠIP互联网络协议。如何在价格低廉、资源有限的
嵌入式系统的环境中实现网络通讯功能，已经成为嵌入式网络开发人员面对的重要问题。我们设计的微型T CPΠIP协议栈能满足这一需要，能够完成常用的网络通讯功能。
2　微型TCPΠIP协议栈的特点和实现
2.1　微型T CPΠIP协议栈的特点
T CPΠIP协议栈已经成为开放系统互联的标准，与其它任何协议相比,T CPΠIP协议能够提供更好的交互操作性能，可以在大多数系统中使用，并且它可兼容多种网络技术，因而T CPΠIP 非常流行并且已经得到了广泛使用。微型T CPΠIP协议栈具有T CPΠIP协议栈的最基本功能，运行于以太网环境下，底层可以处理ARP请求;IP层支持IC MP、T CP和UDP三种协议。
  收稿日期:2003-03-24
  作者简介：姚光开(1974-)，男，山东德州人，讲师，主要研究方向：计算机网络应用;　于永棠(1973-)，男，山东青岛人，讲师，主要研究方向：网络数据库应用;　柴乔林(1956-)，男，山东青岛人，教授，主要研究方向：计算机网络及应用、神经网络应用.
器在局域网甲，客户端A与它在同一个子网内，可以直接与它通讯。客户端B和客户端C与DHCP服务器不在同一个子网，它们与DHCP服务器通讯的初始化阶段必须由子网路由器上的转发代理来转发消
息包。
5　不足与展望
本系统初步实现了DHCPv6的部分功能，但还有一些实用的功能有待完善。比如对DDNS(动态DNS)和其它的一些网络配置信息(如NTP网络时间协议)的支持还没有，在地址冲突检测方面也没有很好的处理。另外，全状态和无状态地址自动配置这两种方式可以配合使用，由无状态配置协议生成地址，然后由全状态配置协议提供其它网络信息，这样将简化配置，提高网络效率。
参考文献
[1]　Droms R,Bound J,V olz B,et al.Dynam ic H ost C on figuration Protocol
for IPv6(DHCPv6)[S].,2002.
[2]　Droms R.Dynam ic H ost C on figuration Protocol[S].RFC2131.IETF,
1998.
[3]　Ldshin P.IPv6详解[M].沙斐，等译.北京：机械工业出版社,
tcpip路由协议
2000.
[4]　Naganand D,Dan H.IPSec———新一代因特网安全标准[M].京京
工作室，译.北京：机械工业出版社,2000.
第23卷第9期2003年9月　
计算机应用
C om puter Applications
Vol.23,No.9
Sept.,2003
其中IC MP 协议能对ECH O 命令响应,T CP 协议提供了一个快
速的、可靠的连接。高层协议比如HTTP 、TE LNET 等能够稳定运行于T CP 之上。各层分别采用独立的模块，整个系统具有紧凑、轻便、模块化、高效和可升级等特点。由于微型T CP ΠIP 协议栈主要应用于基于单片机的嵌入式系统，该系统的各种资源有限，如CPU 的处理速度、字长、RAM 和ROM
存储器的容量，接口数量等和通用计算机相比有很大的差距，因此，如何使微型T CP ΠIP 协议栈做到精细、通讯可靠、
功能相对完善，而且又能发挥单片机的特点成为微型T CP ΠIP 协议栈设计的关键问题。为了减少系统的资源开销，微型T CP ΠIP 协议栈在功能上根据需要进行了精简，我们作了如下限制:
1)每次仅仅进行一个T CP 或UDP 会话;2)不能重组接收的IP 帧;
3)在错误的顺序号下不能缓冲T CP 数据段;4)不支持服务类型T oS 和安全选项;5)忽略接收的T CP 选项
。2.2　微型T CP ΠIP 协议栈的实现2.  2.1　软件模型
我们使用4层实现T CP ΠIP 协议栈软件，如图1所示。为了有效利用单片机系统有限的资源并提高效率，各层协议的具体实现和通常的T CP ΠIP 协议相比作了较大的简化，但它具有最基本的功能。
图1　微型TCP ΠIP 协议栈软件模型
最底层是物理层，它定义了以太网控制器的工作方式，以
太网帧的封装和分析、发送以及接收等，我们使用了RealT ek 公司的以太网控制器芯片RT L8019AS 。
第二层是Internet 层，它完成了IP 数据报的封装和IP 头的分析，并根据帧的类型(IC MP 、T CP 或U DP 等)进行相应的处理。
第三层是传输层，主要是T CP ，它对Internet 提供点到点服务，在这层上只允许单个连接。它实现了RFC793中相应的功能，包括三次握手建立连接，各种状态之间的转换，超时重传，连接的撤销等。
最上层是应用层，解决用户特定的应用，而不用关心底层的具体实现。在我们的系统中实现了一个简单的Web 服务。2.2.2　硬件框架和工作过程
系统硬件主要由图2所示部分组成:R J45接口连接至以太网络，以太网控制器完成以太帧的接收与发送；外部扩展RAM 用来存放接收与发送数据的缓冲区以及系统中使用的变量;EEPROM 用来存放M AC 地址、IP 地址、子网掩码、默认网关等信息。系统的工作过程如图3所示。当系统加电时，系统首先读取保存在AT 24C01EEPROM 中的M AC 地址、IP 地址、子网掩码和默认网关等参数。然后对RT L8019AS 以太网控制器进行初始化，初始化完成后，系统进入监听状态，被动地等待数据的到达。当RT L8019AS 接收到请求数据包后，引发系统产生外部中断，系统主机开始接收数据包，根据以太帧(即刚刚接收的数据包)中包含的帧的类型分别进行ARP 、
IC MP 、T CP 和UDP 的处理，并准备相应的回答帧，交给以太网
控制器，由以太网控制器发送至以太网络。处理结束后，系统继续等待接收下一个数据包。如此循环。
图2　微型TCP ΠIP 系统硬件框图
图3　系统的工作过程
CPU 使用AT ME L 的89C52，具有8K 的片内ROM ，足以存
储可执行代码，不需再使用外部ROM 。我们使用K eil C51进
行编程，程序中的变量主要在CPU 的内部RAM 分配，从而使得系统的速度得以提高并充分利用系统有限的资源。用于存储以太帧的缓冲区以及读写EEPROM 的数据结构则在外部RAM 中分配。
3　RT L8019AS 以太网控制器
[2,3]
RT L8019AS 是一个高度集成的、全双工的、低功耗的10MH z 以太网控制器，具有即插即用和NE2000兼容的性能。
对RT L8019AS 的初始化设置是系统运行的重要组成部分,RT L8019AS 是通过内部寄存器的设置进行工作的，首先介绍一下RT L8019AS 的几个重要寄存器:
1)CR (命令寄存器)：用于选择寄存器页(RT L8019AS 的寄存器组分布在四个页中)，使能或禁止远程DM A 操作，并且发出命令，它是RT L8019AS 内部最重要的寄存器。
2)ISR (中断状态寄存器)：反映了以太控制器当前的状态,CPU 通过读取它判断引起中断的原因。
3)I MR (中断屏蔽寄存器)：各位分别控制ISR 各位，设置I MR 的单独位，可以响应相应的中断，从而置位ISR 相应位。
4)DCR (数据控制寄存器)：控制FIFO 缓冲区的大小，远程DM A 是否自动初始化，字节顺序选择,DM A 字节Π字传输模式选择。
5)T CR 、RCR (发送，接收控制寄存器)：控制接收、发送的方式。
6)PST ART 、PST OP 、BNRY 、C URR ：这四个寄存器设置接收缓冲区(RT L8019AS 有16K 的RAM ，每256字节称为一页，页地址为0X 40～0X 7F )。PST ART 设置起始页,PST OP 设置停止页，这两个寄存器设置了接收缓冲区的首尾;BNRY 指示最后一个被取走的缓冲区页,C URR 指示第一个用于接收的缓冲区页，这两个寄存器保证接收缓冲区不会溢出。
7)TPSR 、T BCR0、T BCR1:TPSR 设置发送缓冲区的起始页,
3
8第9期姚光开等：微型TCP ΠIP 协议栈的设计与实现   
T BCR0、T BCR1设置发送字节数。
8)RS AR0、RS AR1、R BCR0、R BCR1:RT L8019AS通过远程DM A和系统交换数据，前两个寄存器设置远程DM A的起始地址，后两个设置远程DM A数据字节数。
4　功能函数[4]
各个协议处理函数所处理的协议帧由两个全局无符号字符数组存放，一个用于接收数据，一个用于发送数据。因为单片机的资源有限，所以并不是采用各类通用操作系统使用的M BUF数据结构；而且内部RAM只有256字节，因此把它分配在扩展的外部RAM中。下面简单介绍几个主要的API。
4.1　物理层(E thernet Layer)
以太网控制器初始化函数Init8019：它用来复位以太网控制器(包括硬复位和软复位)，初始化RT L8019
AS的寄存器组。设置RT L8019AS的工作方式，中断的响应，发送、接受缓冲区的开始地址、大小,M AC地址等。
reset=1;ΠΠ硬复位for(i=0;i<256;i++);ΠΠdelay for s ome times reset=0;
ByteRead=RSTPORT;ΠΠ软复位for(i=0;i<256;i++);ΠΠdelay for s ome times RSTPORT=ByteRead;
for(i=0;i<256;i++);
CR=0x21;ΠΠ选择页0，网卡停止工作DCR=0xc0;ΠΠ8字节FIFO,lookback m ode RBCR0=0;RBCR1=0;ΠΠ清除远程DM A字节计数器RCR=0xc0;
ΠΠ可以接收广播和发送至本机的包，包的长度大于60
TCR=0xe4;ΠΠLookback m ode PST ART=0x46;ΠΠ接收缓冲区开始页PST OP=0x60;ΠΠ接收缓冲区停止页BNRY=0x46;ΠΠBNRY ISR=0x ff;ΠΠ清除中断状态寄存器IMR=0x11;ΠΠ允许PRX OVW中断CR=0x61;ΠΠpage1 CURR=0x46;ΠΠ当前页寄存器PAR0=MY M AC[0];ΠΠ设置M AC地址PAR1=MY M AC[1];
PAR2=MY M AC[2];
PAR3=MY M AC[3];
PAR4=MY M AC[4];
PAR5=MY M AC[5];
CR=0x22;ΠΠpage0，启动网卡工作TCR=0xe0;
接收数据包(以太帧)的函数ReadETHFrameFrom8019：它从以太网控制器的接收缓冲区通过远程DM A接收数据。
发送数据包的函数SendETHFrameT o8019：通过远程DM A 向以太网控制器的发送缓冲区写入数据，并发出发送命令(CR=0X24)，指示以太网控制器向网络发送。
4.2　网络层(Internet Layer)
D oNetW ork：当RT L8019AS接收到正确的数据包时，调用ReadETHFrameFrom8019接收，然后处理：如果是ARP请求包，则发送一个ARP响应包；如果是IP包，则根据IP包的类型(IC MP、T CP、UDP)，调用相应的处理函数。最后，如果有数据包发送，调用SendETHFrameT o8019。
switch(ProtocolT ype)
{
case IP-PROT OTY PE-IC MP:ProcessIC MP();break;
case IP-PROT OTY PE-TCP:ProcessTCP();break;
case IP-PROT OTY PE-UDP:ProcessUDP();break;
}
ProcessARP：它和通常的ARP协议不同，只是响应ARP 请求，而不会主动发出ARP请求。在完成ARP响应帧的封装后，设置发送标志，等待D oNetW ork处理。
ProcessIC MP：它只是完成PI NG命令应答帧的封装，设置发送标志，等待D oNetW ork处理。
4.3　传输层(T rans fer Layer)
T CP Listen：设置系统被动监听。
PrepareT CPFrame、PrepareT CPDataFrame：分别完成T CP控制帧、T CP数据帧的封装，并设置响应的发送标志。
ProcessT CP：完成RFC793描述的主要功能。T CP协议建立连接和释放连接所需的步骤用11种状态表示:C LOSE D, LISTE NI NG,SY NRC VD,SY NSE ND,EST ABLISHE D,FI NW AIT1, FI NW AIT2,TI ME DW AIT,C LOSI NG,C LOSEW AIT,LAST ACK。每个连接均开始于C LOSE D状态。
当一方执行了主动的连接或被动的连接时，便会脱离C LOSE D状态。如果此时另一方执行了相应的连接，连接便会建立，并且状态转变为EST ABLISHE D状态，此时数据可以传输。任何一方均可以首先请求释放连接。当连接释放后，状态又回到C LOSE D。如图4所示(实线代表客户的正常路径，虚线代表服务器的正常路径，每条线上均标有事件Π动作)。数据传输时，首先检查是否有超时的T CP数据包，若有，再检查重传次数是否大于设定值，若是，释放连接，否则重传；然后接收，处理；接下来根据不同的状态调用PrepareT CPFrame或者PrepareT CPDataFrame进行数据封装，设置相应的发送标志，并启动相应的定时器计时。
图4　TCP连接管理状态
5　小结
该文详细地说明了微型T CPΠIP协议栈的特点和设计方法，它适用于资源较少的嵌入式系统，如ROM、RAM和接口很少的8位或16位处理器，利用它可以实现一些简单的远程监控系统，由于采用单进程，因此每次仅仅支持一种服务。如果实现较复杂的远程控制，需要增加ROM和RAM以及支持多进程；如果支持图形，需要加入虚拟文件系统。
参考文献
[1]　(美)C omer DE.用TCPΠIP进行网际互联(第二卷)：设计、实现与
内核[M].张娟，王海，等译.北京：电子工业出版社,2001.
[2]　http:ΠΠw w w.laoguΠd ownloadΠrtl8019as.pd f[E BΠO L],2003-01.
[3]　http:ΠΠw w w.nationalΠdsΠDPΠDP8390D.pd f[E BΠO L],2003-01.
[4]　T anenbaum AS.计算机网络(第三版)[M].熊桂喜，王小虎，译.北
京：清华大学出版社,1998.
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    计算机应用2003年

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