嵌入式TCPIP协议栈

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*)&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;i<UIP_CONNS;i++){