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引言
隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，以及人們對日常生活舒適度、方便度要求的提高，信息家電、智能儀表等產(chǎn)品越來越頻繁的出現(xiàn)在我們的生活當中；人們也越來越熱衷于把家電、儀表等設備連接到Internet 中，從而可以方便、及時的對它們進行遠程察看、遠程控制。把這些設備接入Internet ，就需要考慮TCP/IP 網(wǎng)絡協(xié)議的實現(xiàn)。
MSP430 系列單片機是由TI 公司開發(fā)的16 位單片機，其突出特點是超低功耗，非常適合于各種功率要求比較低的場合，該系列已經(jīng)應用在智能儀表、醫(yī)療設備和保安系統(tǒng)等方面。本文給出了在MSP430F149 硬件平臺上移植TCP/IP 協(xié)議的方案，實現(xiàn)了終端設備到Internet 的接入。
嵌入式TCP/IP 協(xié)議棧uIP
TCP/IP 是一個協(xié)議族，它是一個四層網(wǎng)絡協(xié)議模型，分別包含應用層、傳輸層、網(wǎng)絡層、網(wǎng)絡接口層。應用層定義清晰的會話過程，平常所用的協(xié)議如HTTP、FTP、SMTP、Telnet 等都屬于應用層。傳輸層提供端對端的通信，該層協(xié)議有傳輸控制協(xié)議（TCP） 和用戶數(shù)據(jù)協(xié)議（UDP） 。網(wǎng)絡層負責數(shù)據(jù)打包和邏輯尋址，這一層的協(xié)議有IP、ICMP、ARP 等協(xié)議。網(wǎng)絡接口層負責在源和目的節(jié)點間的線路上進行無差錯的傳送數(shù)據(jù)，并且具有流量控制等功能。
在嵌入式系統(tǒng)中，應用TCP/IP 協(xié)議是主要為了完成數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸，不需要實現(xiàn)網(wǎng)頁瀏覽、文件傳輸?shù)裙δ埽瑫r，MSP430 芯片也沒有足夠的空間資源實現(xiàn)所有的TCP/IP協(xié)議，所以在本文的方案中，采用了UIP TCP/IP 棧。它是瑞士計算機科學院的Adam Dunkels 等開發(fā)的一種免費公開源代碼的小型TCP/IP 協(xié)議棧，它專門為8 位和16 位MCU 編寫。uIP 代碼的大小和RAM的需求比其它一般的TCP/IP 棧要小得多。
UIP實現(xiàn)了TCP/IP 協(xié)議組的四個基本協(xié)議：ARP（地址解析協(xié)議） ，IP（網(wǎng)際協(xié)議） ，ICMP（因特網(wǎng)信息控制協(xié)議） 和TCP（傳輸控制協(xié)議） 。鏈路層協(xié)議例如PPP 等可以由UIP 下面的設備驅(qū)動實現(xiàn)；應用層協(xié)議例如HTTP、FTP、SMTP、Telnet 等可以由uIP 之上的應用程序?qū)崿F(xiàn)。
ARP 協(xié)議
ARP 協(xié)議把目標IP 地址解析為相應的以太網(wǎng)MAC 地址。當一個IP 包要在以太網(wǎng)上發(fā)出時，先查詢ARP 表，找出包要發(fā)送去的MAC 地址。如果在表里找不到對應的IP 地址，就會廣播ARP 請求包，以獲取給出IP 地址所對應的MAC地址。目的主機收到請求包后發(fā)出一個ARP 回應包，給出自己的MAC 地址和IP 地址。
當ARP 表中沒有對應的地址條目時，就會發(fā)送ARP 請求包時，同時該請求包會覆蓋掉發(fā)出請求的IP 包，以節(jié)省儲存器。ARP 表每十秒更新一次。
IP 協(xié)議
UIP 的IP 協(xié)議主要負責驗證輸入包的IP 頭的正確性，以及在ICMP 和TCP 之間復用數(shù)據(jù)包。IP 層沒有實現(xiàn)數(shù)據(jù)包的分段和重組，從而代碼得到極大的簡化。
ICMP 協(xié)議
ICMP 中echo 和echo reply 信息常常用在ping 程序里，以檢查目的主機能否連通。在uIP 只實現(xiàn)echo 。在處理收到的echo 信息時，只需要把ICMP 類型字段從“echo”類型改變到“echo reply”類型，調(diào)整ICMP 校驗和，并互掉IP 數(shù)據(jù)包頭里的目的地址和源地址，把包發(fā)回到發(fā)送方。
TCP
為了減少儲存器的使用，在UIP 里，TCP 不再實現(xiàn)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的窗口調(diào)整；不會緩存剛剛收到的TCP 段，而是立即由應用程序處理，應用程序可以自己緩沖數(shù)據(jù)；在輸出數(shù)據(jù)時，在每個連接只能有一個正在傳輸?shù)腡CP 段。
以上四個協(xié)議實現(xiàn)的過程中，極大的簡化了代碼和處理過程，節(jié)省了存儲空間和緩存空間。
UIP 協(xié)議棧的接口
UIP 協(xié)議通過一系列接口函數(shù)與底層系統(tǒng)和上層應用通信，它內(nèi)部的協(xié)議集合對外部系統(tǒng)來說是透明的，從而增強了該協(xié)議的通用性和獨立性，可以非常方便地移植到不同系統(tǒng)和應用平臺。
圖1 描述了UIP、底層系統(tǒng)和應用程序三者之間的調(diào)用關(guān)系。其中UIP 提供了三個函數(shù)給底層系統(tǒng)：UIP_init （ ） ，UIP_input （ ） ，UIP_periodic （ ） 。應用程序向UIP 提供一個調(diào)用函數(shù)UIP_ APPCALL（ ） ，在網(wǎng)絡事件或計時事件發(fā)生時進行調(diào)用；同時，UIP 也要向應用程序提供一些與協(xié)議棧的接口函數(shù)，應用程序根據(jù)接口函數(shù)提供的信息或者狀態(tài)，執(zhí)行相應的操作。
圖1 UIP 協(xié)議棧接口
UIP 應用接口
UIP 使用基于事件的程序模式，應用程序由C 語言函數(shù)實現(xiàn)。當收發(fā)數(shù)據(jù)、新連接建立或者數(shù)據(jù)需要重新傳輸時，UIP 都會調(diào)用應用程序。同時，應用程序還要周期查詢是否有新的數(shù)據(jù)收發(fā)。因為應用程序只提供了一個回調(diào)函數(shù)，所以應用程序還要把不同的網(wǎng)絡服務映射到不同的端口和連接。
UIP 在接受到底層傳來的數(shù)據(jù)包后，如果需要送上層應用程序處理，就調(diào)用UIP_APPCALL（ ） 。同時，UIP 設置結(jié)構(gòu)體UIP_conn 指針指向當前連接。UIP_conn 記錄一條TCP 連接的所有相關(guān)信息，它是維持uIP 運行的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，定義如下：
struct uip_conn {
u8_t tcpstateflags ； PPTCP 的狀態(tài)和標志
u16_t lport ， rport ； PP當?shù)睾瓦h端端口
u16_t ripaddr［2］ ； PP遠端的IP 地址
u8_t rcv- nxt ［4］ ； PP下一個要接收的序列號
u8_t snd- nxt ［4］ ； PP上一個已發(fā)送的序列號
u8_t ack- nxt ［4］ ； PP對端下一個應答序列號
u8_t timer ； PP重傳時間
u8_t nrtx ； PP計算特殊段的重發(fā)數(shù)量
u8_t mss ； PP連接中最大分段的大小
u8_t appstate［UIP_APPSTATE_SIZE］ ；
} ；
UIP提供給應用程序的接口函數(shù)如： uip_listen （ ） 、uip_connect （ ） 、uip_send（ ） 、uip_datalen（ ） 、uip_close （ ） 、uip_abort （ ） 、uip_stop （ ） 、uip_stopped（ ） 、uip_restart （ ） 等，實現(xiàn)了TCP/IP 協(xié)議棧的基本功能。
