嵌入式ＴＣＰ／ＩＰ网络通信协议的实现
作者：龚峰文王剑
来源：《硅谷》2008年第24期
[摘要]TCP/IP已成为网络互联的标准，并成为支持Internet/Intranet的协议标准。就是针对当前流行的TCP/IP网络通信协议的实现进行具体的研究和探讨。
[关键词]TCP/IP协议 Internet 网络通信
中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2008）1220053－01
Internet已经发展得更加商业化，更加面向消费者，尽管基本目的发生了改变，但其最初的质量标准（也就是开放式、抗毁性和可靠性）依然是必需的。这些特性包括可靠传输数据、自动检测、避免网络发生错误等。更重要的就是TCP/IP是一个开放式的通信协议，开放性就意味着在任何组合间，不管这些设备的物理特征有多大差异，都可以进行通信。
一、标准TCP/IP协议
如同OSI参考模型一样，TCP/IP也是一种分层模型。与OSI参考模型不同的是，TCP/IP 参考模型更侧重于互联设备间的数据传送，而不是严格的功能层次划分。TCP/IP通过解释功能层次分布的重要性来做到这一点，但它仍为设计者具体实现协议留下很大的余地。因此，OSI参考模型适用于解释互联网络的通信机制，而TCP/IP更适合做互联网络协议的市场标准。
TCP/IP协议是一套把因特网上的各种系统互联起来的协议组，可以保证因特网上数据准确又快速地传输。TCP/IP协议是一个很大的协议族，通常表示为一个简化的四层模型。这四层分别是应用层、传输层、网络层和链路层。
二、IP协议的实现
IP是TCP/IP协议中最为核心的协议。所有的数据都以IP数据报格式传输。IP协议可以实现无连接数据报传送、数据报路由选择和差错控制的功能。在本课题中，由于单片机资源有限，结合实际需要只实现了IP数据报传送和接收，没有实现路由选择算法和差错控制，同时也不支持IP数据报的分片和重组。
IP协议主要通过IP接收函数和IP发送函数两个函数实现。
（一）IP发送函数
voidip_send对来自上层的数据，按照IP数据报的结构构造数据报。通过调用ARP处理程序解析对应IP的物理地址。若返回NULL值，则将数据存入一个已定义的结构体WAITE中，并发送ARP请求。若返回对应IP的物理地址，则将数据交给底层以太网驱动程序处理。
（二）IP接收函数
Voidiprcve（UCHARxdata*inbuf）单片机收到数据包之后，应先对数据包的类型进行判断。如果是IP数据报，则调用该程序。接着再判断其数据域中所使用的协议类型，是ICMP 协议调用ICMP处理子程序，是UDP协议调用UDP处理子程序，是TCP协议调用TCP处理子程序，其它返回。程序流程图如图1所示：
在大多数TCP/IP协议中采用的差错检验方法是校验和，校验和是在分组上附加的信息。校验和能够防止分组在传输时所受到的损伤。在发送端先计算检验和并将得到的结果与分组一起发送过去。接收端对包括校验和的整个分组重复进行同样的计算。若得到的结果正确则接收此分组，否则就将其丢弃。发送端和接收端的校验和计算方法分别如下：
①发送端按以下步骤产生校验和；
②接收端按以下步骤产生校验和。
三、TCP协议的实现
TCP协议的实现是整个TCP/IP协议栈中最复杂的一个。TCP协议是面向连接的、端对端的可靠通信协议。TCP采取了很多机制来保证它的可靠性，比如TCP连接的建立与关闭机制、超时重传机制、数据包确认机制、流量控制机制等等。在嵌入式系统中实现TCP协议所要做的就是实现这些机制，当然要在不影响协议栈功能的前提下适当做一下简化。
当一个TCP连接顺利建立起来后，TCP连接的双方可以互相传递数据了。TCP的可靠传输是靠确认机制来实现的，也就是每发送一个数据包后，只有接收到对方发送确认包后，才能确定该数据包已经成功发送，否则就要重发。
TCP的流量控制是为了协调通信双方的收发速率不均衡而设计的。远端的客户机一般是通用计算机，相对与本地的嵌入式WebServer来说运行速度要快得多。因此，当远端快的发送方向本地慢的接收方发送数据的时候，如果发送速度很快，则会导致本端来不及处理，甚至导致死机。TCP连接建立时，双方会利用TCP首部中的Window窗口字段通报双方的可用窗口。实际上，接收方通报的窗口大小是根据其接收缓存的大小而定，考虑到本系统在使用TCP协议时，只设置了一个中等IP包大小接收缓存，因此接收窗口设为1024。同时，每次接收包的ACK确认时，窗口大小不再动态改变，恒定设置为1024。这样远端主机就会以较慢的传输速率与本端的WebServer进行通信。
四、结论
本文主要针对目前流行的TCP/IP网络通信协议的实现进行研究和探索，由于时间仓促，加上本人对该领域的研究才刚刚起步，所以还存在一些问题值得进一步研究探讨，主要有：
1．对于TCP/IP协议，时间的控制非常重要。包括TCP的超时重传，TCP状态的保活等。如果时间处理不当，将影响整个系统的通讯性能。
2．如何进一步实现TCP/IP对于多点通信以及完整协议栈的实现还有待于进一步研究。
3．IPv6作为下一代互联网的核心协议，能够提供几乎无限的地址空间，从根本上克服了IPv4中地址空间不足的问题。因此，下一步可增加对IPv6协议的研究与实现。
参考文献：
[1]胡海，嵌入式TCP/IP协议栈研究与实现[D]，西南交通大学，2006.8.
[2]吴艳光，嵌入式TCP/IP协议栈设计方法的研究[D]，太原理工大学，2006.2.