源码公开的TCP/IP协议栈在远程监测中的应用

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网 关键字:源码  公开  协议  协议栈
摘要:介绍一个适用于8/16位单片机的嵌入式TCP/IP协议栈(uIP)在发电机远程监测系统中的应用。重点阐述uIP的功能特性、体系结构和相关接口,并详细介绍如何在该协议栈上实现一个嵌入式Web服务器。目前uIP已成功地移植到51单片机上。 关键词:TCP/IP协议栈 嵌入式Web服务器 远程监测 目前,随着互联网的发展,越来越多的工业测控设备已经将网络接入功能作为其默认配置,以实现设备的远程监控和信息分布式处理。笔者曾参与某发电机射频监测仪的开发,该设备主要用于诊断和预警发电机早期故障,并通过RS232接口定时输出电平和状态数据,现场专门设一台PC作接收、显示及存储。每年都要有专家到各发电厂对以往数据作检查和诊断,不胜其烦。因此有必要设计一个RS232到Internet的数据传输模块,以便对发电机的运行状况作远程监测。设计该模块的关键在于如何实现一个嵌入式TCP/IP协议栈,根据以往的经验,自己设计一个协议栈的难度很可能超过应用本身,而采用商业的协议栈似乎又无必要 (功能过于复杂),最后笔者选用一种功能简易的免费TCP/IP协议栈uIP 0.9作为设计核心。 1 嵌入式TCP/IP协议栈 目前,市场上几乎所有的嵌入式TCP/IP协议栈都是根据BSD版的TCP/IP协议栈改写的。在商业嵌入式TCP/IP协议栈大都相当昂贵的情况下,很多人转而使用一些源代码公开的免费协议栈,并加以改造应用。目前较为著名的免费协议栈有: lwIP(Light weight TCP/IP Stack)——支持的协议比较完整,一般需要多任务环境支持,代码占用ROM>40KB,不适合8位机系统,没有完整的应用文档; uC/IP(TCP/IP stack for uC/OS)—基于uC/OS的任务管理,接口较复杂,没有说明文档。 笔者采用的协议栈系瑞典计算机科学研究所Adam Dunkels开发的uIP0.9。其功能特性总结如下: *完整的说明文档和公开的源代码(全部用C语言编写,并附有详细注释); *极少的代码占用量和RAM资源要求,尤其适用于8/16位单片机(见表1); *高度可配置性,以适应不同资源条件和应用场合; *支持ARP、IP、ICMP、TCP、UDP(可选)等必要的功能特性; *支持多个主动连接和被动连接并发,支持连接的动态分配和释放; *简易的应用层接口和设备驱动层接口; *完善的示例程序和应用协议实现范例。 表1 uIP在ATMEL AVR上代码和RAM占用情况 协议模块 代码大小/B 使用的RAM/B ARP 1324 118 IP/ICMP/TCP 3304 360 HTTP 994 110 校验和函数 636 0 数据包缓存 0 400 总和 6258 988 注:配置为1个TCP听端口,10个连接,10个ARP表项,400字节数据包缓存。 正是由于uIP所具有的显著特点,自从0.6版本以来就被移植到多种处理器上,包括MSP430、AVR和Z80等。笔者使用的uIP0.9是2003年11月发布的版本。目前,笔者已将它成功移植到MCS-51上了。 2 uIP0.9的体系结构 uIP0.9是一个适用于8/16位机上的小型嵌入式TCP/IP协议栈,简单易用,资源占用少是它的设计特点。它去掉了许多全功能协议栈中不常用的功能,而保留网络通信所必要的协议机制。其设计重点放在IP、ICMP和TCP协议的实现上,将这三个模块合为一个有机的整体,而将UDP和ARP协议实现作为可选模块。UIP0.9的体系结构如图1所示。 UIP0.9处于网络通信的中间层,其上层协议在这里被称之为应用程序,而下层硬件或固件被称之为网络设备驱动。显然,uIP0.9并不是仅仅针对以太网设计的,以具有媒体无关性。 为了节省资源占用,简化应用接口,uIP0.9在内部实现上作了特殊的处理。 ①注意各模块的融合,减少处理函数的个数和调用次数,提高代码复用率,以减少ROM占用。 ②基于单一全局数组的收发数据缓冲区,不支持内存动态分配,由应用负责处理收发的数据。 ③基于事件驱动的应用程序接口,各并发连接采用轮循处理,仅当网络事件发生时,由uIP内核唤起应用程序处理。这样,uIP用户只须关注特定应用就可以了。传统的TCP/IP实现一般要基于多任务处理环境,而大多数8位机系统不具备这个条件。 ④应用程序主动参与部分协议栈功能的实现(如TCP的重发机制,数据包分段和流量控制),由uIP内核设置重发事件,应用程序重新生成数据提交发送,免去了大量内部缓存的占用。基于事件驱动的应用接口使得这些实现较为简单。 3 uIP的设备驱动程序接口 uIP内核中有两个函数直接需要底层设备驱动程序的支持。 一是uip_input()。当设置驱动程序从网络层收到的一个数据包时要调用这个函数,设备驱动程序必须事先将数据包存入到uip_buf[]中,包长放到uip_len,然后交由uip_input()处理。当函数返回时,如果uip_len不为0,则表明有带外数据(如SYN,ACK等)要发送。当需要ARP支持时,还需要考虑更新ARP表示或发出ARP请求和回应,示例如下: #define BUF((struct uip_eth_hdr*)%26;amp;uip_buf[0]) uip_len=ethernet_devicedriver_poll(); //接收以太网数据包(设备驱动程序) if(uip_len>0){ //收到数据 if(BUF->type= =HTONS(UIP_ETHTYPE_IP)){//是IP包吗? uip_arp_ipin(); //去除以太网头结结,更新ARP表 uip_input(); //IP包处理 if(uip_len>0){ //有带外回应数据 uip_arp_out(); //加以太网头结构,在主动连接时可能要构造ARP请求 ethernet_devicedriver_send(); //发送数据到以太网(设备驱动程序) } }else if(BUF->type==HTONS(UIP_ETHTYPE_ARP)){ //是ARP请求包 uip_arp_arpin(); //如是是ARP回应,更新ARP表;如果是请求,构造回应数据包 if(uip_len>0){ //是ARP请求,要发送回应 ethernet_devicedriver_send(); //发ARP回应到以太网上 } } 另一个需要驱动程序支持的函数是uip_periodie(conn)。这个函数用于uIP内核对各连接的定时轮循,因此需要一个硬件支持的定时程序周期性地用它轮循各连接,一般用于检查主机是否有数据要发送,如有,则构造IP包。使用示例如下: for(i=0;i0){ uip_arp_out(); ethernet_devicedriver_send(); } } 从本质上来说,uip_input()和uip_periodic()在内部是一个函数,即uip_process(u8t flag),UIP的设计者将uip_process(UIP_DATA)定义成uip_input(),而将uip_process(UIP_TIMER)定义成uip_periodic(),因此从代码实现上来说是完全复用的。 4 uIP的应用程序接口 为了将用户的应用程序挂接到uIP中,必须将宏UIP_APPCALL()定义成实际的应用程序函数名,这样每当某个uIP事件发生时,内核就会调用该应用程序进行处理。如果要加入应用程序状态的话,必须将宏UIP_APPSTATE_SIZE定义成应用程序状态结构体的长度。在应用程序函数中,依靠uIP事件检测函数来决定处理的方法,另外可以通过判断当前连接的端口号来区分处理不同的连接。下面的示例程序是笔者实现的一个Web服务器应用的框架。 #define UIP_APPCALL uip51_appcall #define UIP_APPSTATE_SIZE sizeof(struct uip51app_state) struct uip51app_state{ unsigned char * dataptr; unsigned int dataleft; }; void uip51_initapp{ //设置主机地址 u16_t ipaddr[2]; uip_ipaddr(ipaddr,202,120,127,192); uip_sethostaddr(ipaddr); uip_listen(HTTP_PORT); //HTTP WEB PORT(80); } void uip51_appcall(void){ struct uip51app_state *s; s=(struct uip51lapp_state *)uip_conn->appstate; //获取当前连接状态指针 if(uip_connected()){ … //有一个客户机连上 } if(uip_newdat()||uip_rexmit()){ //收到新数据或需要重发 if(uip_datalen()>0){ if(uip_conn->lport==80){ //收到GET HTTP请求 update_table_data();//根据电平状态数据表动态生成网页 s->dataptr=newpage; s->dataleft=2653; uip_send(s->dataptr,s->dataleft); //发送长度为2653B的网页 } } } if(uip_acked()){ //收到客户机的ACK if(s->dataleft>uip_mss()%26;amp;%26;amp;uip_conn->lport==80){ //发送长度>最大段长时 s->dataptr+=uip_conn->len; //继续发送剩下的数据 s->dataleft-=uip-conn->len; uip_send(s->dataptr,s->dataleft); } return; } if(uip_poll()) {… //将串口缓存的数据复制到电平状态数据表 return; } if(uip_timedout()|| //重发确认超时 uip_closed()|| //客户机关闭了连接 uip_aborted()){ //客户机中断连接 return;} } 5 uIP0.9在电机远程监测系统中的应用 笔者设计了一个嵌入式Web模块UIPWEB51,用于将发电机射频监测仪串口输出的数据上网,以实现对发电机工作状态的远程监测,目前已获得初步成功。该模块的硬件框图如图2所示。 单片机采用的是Atmel的AT89C55WD,它内置20KB程序Flash,512字节RAM,3个这时器/计数器,工作在22.1184MHz时具有约2MIPS的处理速度。网卡芯片同样采用的是低成本的RTL8019AS,是一款NE2000兼容的网卡芯片,系统外扩了32KB的SRAM,用于串口数据和网络数据的缓冲,另外还存放了uIP的许多全局变量。 UIPWEB51的主程序采用中断加轮循的方式,用中断触发的方式接收发电机射频监测仪发出的数据,开设置了一个接收队列暂存这些数据。在程序中轮循有无网络数据包输入,如有则调用uIP的相关处理函数(如上uip_input()使用示例);如无则检测定时轮循中断是否发生。这里将T2设为uIP的定时轮循计数器,在T2中断中设置轮循标志,一旦主程序检测到这一标志就调用uip_periodic()轮循各连接(如上uip_periodic()使用示例)。 UIPWeb51的应用程序(如uIP的应用程序接口示例),这个Web服务器首先打开80端口的监听,一旦有客户机要求连上,uIP内部会给它分配一个连接项,接着等收到客户机IE浏览器发出的“GET HTTP……”请求后,将发电机电平与状态数据队列中的数据填入网页模板,生成一幅新的网页发给客户机。因为这幅网页的大小已经超过uIP的最大段长(MSS),因此在uIP内核第一次实际只发出了MSS个字节,在连接处于空闲的时候(uip_poll()),应用程序可以从串口队列中读出原始数据,经格式处理后再存到电机电平与状态数据队列中,而在这个队列中保存着当前1min的设备工作数据,以便下次更新网页时使用。在网页中添加了更新按钮,一旦浏览器用户占击了按钮,浏览器会自动发出CGI请求,UIPWEB51收到后,立即发送包含最新数据的网页。如果uIP接收ACK超时,它会自动设置重发标志,应用程序中可以用uip_rexmit()来检测这个标志,重新生成网页并发送。一旦用户关闭了浏览器,uIP也会自动检测到这一事件(应用程序中可以用uip_closed()来检测),并且释放掉这个连接项。 图3是UIPWEB51的总体程序结构图。 6 测试结果 将uIP0.9配置成允许4个并发连接,1个监听端,10端个ARP表项,去掉UDP支持,UIP_ZBUFSIZE=1500和其它优化选项。用KEIL C编译,整个uIP0.9内核模式代码量小于8KB(含Web应用程序),内核对RAM的占用小于2KB(不含网页)。整个系统程序的代码量小于12KB,占用的RAM小于10KB。另外,在公网上测试了该模式的传输速度,大于20Kbps,对于此项应用已达到要求。目前,该模块正准备应用于新一代的发电机射频监测系统中。

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