基于VxWorks系统的嵌入式TCP/IP协议栈的研究与实现

本文摘要:由于计算机科学技术的大大发展,嵌入式系统早已被普遍应用于军事、航空航天、工业、通信以及人们的日常生活等各个领域。近几年来嵌入式系统的Internet网络化早已沦为嵌入式应用领域研究的研究热点。而要构建嵌入式系统的Internet网络化首先就必需在嵌入式系统中构建TCP/IP协议栈。

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由于计算机科学技术的大大发展,嵌入式系统早已被普遍应用于军事、航空航天、工业、通信以及人们的日常生活等各个领域。近几年来嵌入式系统的Internet网络化早已沦为嵌入式应用领域研究的研究热点。而要构建嵌入式系统的Internet网络化首先就必需在嵌入式系统中构建TCP/IP协议栈。

本研究以德国控创科技公司的嵌入式平台AM4140为硬件平台,以美国风河公司的VxWorks操作系统为软件平台,以WindRiverWorkbench3.3作为构建研发环境,通过深入研究嵌入式TCP/IP协议原理以及设计思想,自行设计并构建了一个轻型高效的并且合乎应用于市场需求的嵌入式TCP/IP协议栈。本文从讲解嵌入式系统抵达,在自学了嵌入式系统的构成原理及特点,深入研究了实时操作系统VxWorks6.9及其研发环境WindRiverWorkbench3.3特点的基础上,细心研究了风河公司的VxWorks操作系统的构成原理。然后,深入研究了涉及TCP/IP协议,自学其设计原理和构建方案,描写了TCP/IP协议的设计思想及构建方法,针对嵌入式TCP/IP协议的特点和功能市场需求,设计并构建了一个轻型的同时符合项目市场需求的嵌入式TCP/IP协议栈。

在设计与构建嵌入式TCP/IP协议栈当中,不仅详尽区分了必须构建的明确协议的功能模块,对各个功能模块的起到不作了详尽解释,而且自行设计了嵌入式TCP/IP协议栈内存池,并且将TCP/IP协议栈链接到VxWorks操作系统,最后嵌入式TCP/IP协议栈在硬件平台展开了性能测试,测试结果解释所设计的TCP/IP协议栈需要符合项目市场需求,并且具备较好的稳定性与可靠性。关键词:嵌入式TCP/IP协议;实时操作系统;VxWorks;内存池管理第一章绪论21世纪以来,随着计算机科学技术的飞速发展以及人们生活市场需求的日益减少,微型电子设备早已逐步渗透到到了人们生活每一个方面,现如今完全每人都在用于嵌入式电子设备,嵌入式计算机系统的发展早已逐步转入普适计算机时代。

比如人们日常生活用于的手机、车载GPS导航系统、娱乐PDA、数码随身听等消费类电子都应用于了嵌入式系统。众所周知,系统精简、功能单一、专用型强劲、运营速度和效率高、没标准输出和标准输入组成部分是嵌入式计算机系统的主要特点,所以一般来说嵌入式系统也不具备标准化计算机的综合处理能力。1.1研究的背景及意义近几年来,因为日常生活的市场需求,更加多的工程开发人员热衷把嵌入式设备(比如电视、机顶盒等)终端Internet网络,因为Internet网络通信使用的是标准化标准TCP/IP协议,所以要想要让嵌入式设备需要终端Internet网络构建网络通信,就必须设计与构建专用的嵌入式TCP/IP协议栈。

国外一些专业的嵌入式操作系统提供商为了便利自己的嵌入式系统产品无缝终端Internet网络,配置文件都会获取TCP/IP网络组件。但是这些网络组件因为平台问题完全很难在其它的嵌入式环境下必要用于,也就是说这些网络组件的移植性很差,所以在本课题研究当中,设计与构建合适本工程项目应用于的嵌入式TCP/IP协议栈,对于已完成工程项目具备十分最重要的应用于价值。

本课题源于中国科学院计算技术研究所无线通信研究中心的Superbasestation课题项目,即嵌入式TCP/IP协议栈在Superbasestation通信系统中的应用于,该系统使用32位的PowerPC作为嵌入式系统的微处理器,微处理器接管通信数据并按照嵌入式TCP/IP协议栈将数据发送到以太网中,以太网另一侧是处置通信数据的核心网,因为Superbasestation系统使用嵌入式VxWorks操作系统,所以必需对TCP/IP协议栈展开精简,自定义一种合乎工程项目拒绝的嵌入式TCP/IP协议栈。1.2国内外研究概况根据嵌入式系统特点由此可知,嵌入式系统就是专门针对某一特定应用于而设计的计算机系统。

为了符合实际应用于必须,在微处理器系统之外通过加到外围设备而构建某种特定功能,所以在嵌入式系统受限的资源条件下无法构建标准TCP/IP协议栈。同时也没适当几乎构建标准的TCP/IP协议栈,只必须根据实际应用于市场需求构建部分TCP/IP协议才可。为了修改协议层数便利撰写代码构建功能,而在当前的嵌入式系统当中,嵌入式TCP/IP协议只有四层协议模型,分别是数据链路层、网络层、运输层以及应用层。

其中每一层协议由多个明确协议的人组构成。因此嵌入式TCP/IP协议栈是对标准TCP/IP协议族展开删改统合而出的协议子集。1.2.1国外研究概况uC/IP协议栈是由BritishColumbiaInstituteofTechnology的GuyLancaster撰写的一套基于uC/OS操作系统的TCP/IP协议栈,该协议栈几乎开源,获取的网络功能是当时嵌入式系统领域比较完善的微型协议栈,并且该协议栈需要按须要削减以及便利的重制到其它操作系统上,uC/IP协议栈大部分源码就是指公开发表源码BSD公布站点重制过来的。uC/IP协议栈需要很好地反对IP/TCP/UDP协议,甚至还反对PPP协议,只不过该协议是必须身份验证和报头传输的,同时还具备优化的单一催促/恢复交互过程等特点。

uC/IP协议栈代码容量空间一般在50-80KB之间。所以它一般来说被设计为一个带上最小化用户模块的网络模块,但是该模块不存在很多严重不足,比如容易应用于在文档反对与软件升级上。

uIP协议栈是由知名的瑞典计算机科学学院网络嵌入式系统小组的AdamDunkels学者研发,目前近期的版本为uIP1.0,该协议栈获得了BSD的许可。该嵌入式TCP/IP协议栈的特点是具备很好的互操作性、严苛遵循RFC标准;是专门为8位和16位嵌入式微控制器设计的轻型嵌入式TCP/IP协议栈。

uIP协议栈反对ARP协议、IP协议、SLIP协议、UDP协议、TCP协议和ICMP协议,其中TCP和IP协议遵循RFC标准,同时还具备流控制、超时重传以及段落拆分等。它仅次于的优点是源代码占用空间小,RAM闲置只有几百字节。但是,该协议栈不能被应用于在一些高可靠性的场合下。

TinyTcp协议栈是一个十分小的TCP/IP协议栈,它获取FTP客户,TinyTcp协议栈的特点就是代码容量小、功能精简,只限于某些类似场合。LwIP协议栈是瑞士计算机科学院的AdamDunkels等在uIP协议栈基础上研发的一套源代码TCP/IP协议栈。LwIP(LightWeightIP)是轻型TCP/IP协议栈,LwIP容量只只有几十K,具备40K左右的ROM就可以运营该协议,并且它可以在没操作系统的情况下运营,当然该协议也可以映射到操作系统内部,作为操作系统的组件用于。1.2.2国外研究概况2004年,伍洲凯,王波(2004)对可配备嵌入式TCP/IP协议栈展开研究,设计了便利在8位微处理器上重制和配备的嵌入式VIP协议栈。

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该VIP协议栈不仅可配备性好,在8位微处理器上的可靠性也十分好。2006年,王瑞朋,隆克平(2006)在Linux操作系统下,设计了一种针对低端MCU为核心的嵌入式TCP/IP协议栈,该协议栈能有用作无线环境。2007年,周海瑞,戴冠中(2007)基于P89C51单片机系统设计了eIP协议栈,将嵌入式TCP/IP协议应用于在了中低端单片机上,具备很好的平稳和可靠性。

2008年,陈锋,柯敏毅(2008)在友好之臂S3C2410实验板的硬件平台下构建了需要在ARM体系架构运营的嵌入式TCP/IP协议栈,该协议减少了对IPv6的反对以强化了嵌入式系统的安全性。2010年,王文良,李岩(2010)基于实时操作系统uC/OS-Ⅱ和S3C44B0处理器,研究重制LwIP的方法,研发了具备网络地址端口切换(NAPT)的嵌入式TCP/IP协议栈,填补了LwIP不具备网络地址端口切换(NAPT)的缺点。1.3嵌入式TCP/IP协议栈原则设计一个嵌入式TCP/IP协议栈必须遵从以下原则:(1)较好的移植性。

嵌入式系统仅次于的特点就是移植性劣,多种多样的自由选择造成了嵌入式产品的多样性。所以如果需要在符合市场需求的基础上,尽可能设计一个具备较好移植性的软件是至关重要的,这样也就节省了开发人员的时间,把主要精力都放到应用程序的撰写上,节省了劳动成本。(2)构建代码简练。在嵌入式系统受限的资源下,最大限度的精简构建TCP/IP协议栈代码,只要构建基本的功能,把多余的功能删去,减少嵌入式产品的研发的可玩性,节省存储空间。

(3)更容易剪裁。因为嵌入式产品是多种多样的,然后嵌入式产品硬件存储器空间十分有限,在对设计的嵌入式TCP/IP协议栈展开剪裁后,还要需要符合嵌入式产品的拒绝。

1.4论文研究内容及的组织1.4.1论文的研究内容本论文主要做到了以下几个方面的研究工作:(1)在了解自学美国WindRiver公司的嵌入式实时操作系统VxWorks6.9的之后,自学如何用于系统集成研发环境WindRiverWorkbench3.3展开嵌入式TCP/IP协议栈的设计与研发。(2)深入研究标准TCP/IP协议栈的设计原理以及研发思路,融合中国科学院计算技术研究所Superbasestation系统功能拒绝,按照项目市场需求设计并构建一个轻型、简练的嵌入式TCP/IP协议栈。(3)研究如何将嵌入式TCP/IP协议栈链接到VxWorks操作系统,使之作为操作系统的一个组件供应用开发人员用于,设计TCP/IP协议栈链接方案。

(4)系统展开功能测试,检验设计的嵌入式TCP/IP协议栈的正确性和可靠性。1.4.2论文的的组织格式第一章,绪论,讲解研究的背景与研究意义,罗列国内外在嵌入式领域TCP/IP协议研究的工作情况与获得的成就,以引向本研究来源以及研究价值。第二章,讲解VxWorks系统及构建研发环境WindRiverWorkbench3.3。

首先阐释了嵌入式实时操作系统VxWorks的特点以及VxWorks操作系统在硬件启动过程,然后讲解了构建研发环境WindRiverWorkbench3.3涉及工具,最后非常简单讲解了WindRiverWorkbench3.3构建研发环境的特点。第三章,嵌入式TCP/IP网络协议栈分析。

首先讲解了嵌入式TCP/IP分层模型以及VxWorks操作系统的网络架构,然后分析了以太网MAC帧数据格式,进而分析了嵌入式TCP/IP协议族中的ARP协议原理、IP协议原理、UDP协议原理、ICMP协议原理,对各个协议数据报格式做到了详尽的讲解。第四章,嵌入式TCP/IP网络协议栈的构建。

首先讲解嵌入式TCP/IP网络协议栈的整体设计思想,然后根据设计的嵌入式TCP/IP协议栈分层模型讲解了嵌入式TCP/IP协议栈的总体构建流程,最后根据设计的嵌入式TCP/IP协议各个功能模块分别讲解了各个协议模块的构建。第五章,嵌入式TCP/IP协议栈链接到VxWorks操作系统。首先讲解了嵌入式TCP/IP协议栈链接到VxWorks的方案,然后讲解如何自定义VxWorks操作系统内核,最后讲解如何将嵌入式TCP/IP协议栈链接到VxWorks操作系统。

第六章,嵌入式TCP/IP网络协议栈在硬件平台测试。讲解构建的嵌入式TCP/IP网络协议栈在硬件平台的测试结果。第七章,总结与未来发展。

总结本研究的主要工作内容以及创意点。分析当前研究工作中不存在的一些严重不足,认为了拓展嵌入式TCP/IP协议栈功能一些未来市场需求。第七章总结与未来发展7.1工作总结本文以中国科学院计算技术研究所工程项目为背景,针对特定的嵌入式硬件平台,研究与构建了符合特定嵌入式硬件平台的嵌入式TCP/IP协议栈。本课题是根据在嵌入式领域设计研发经验,融合标准TCP/IP协议设计思想,利用计算机信息技术设计的一种需要用作嵌入式平台的嵌入式TCP/IP协议栈,在设计与构建嵌入式TCP/IP协议栈时,除了必须充足理解标准TCP/IP网络通信协议之外,还要对嵌入式平台涉及特点有十分精确的了解,同时还必须十分熟知嵌入式软件研发过程。

明确做到了以下研究工作:首先深入研究了标准TCP/IP协议协议及源代码。对协议标准的研究主要是针对RFC791(InternetProtocol),RFC792(InternetControlMessageProtocol),RFC826(AnEthernetAddressResolutionProtocol)和RFC792(TransmissionControlProtocol)等协议展开了更为详尽的研究。

在研究标准TCP/IP协议之后,融合嵌入式系统明确环境和实际应用于,对标准TCP/IP协议栈展开精简,得出结论必须构建的嵌入式TCP/IP协议栈还包括MAC帧发送到与接管模块、IP协议、ICMP协议、ARP协议、UDP协议。然后根据嵌入式硬件平台特点对该嵌入式TCP/IP协议栈展开了功能测试,测试结果证明本设计的嵌入式TCP/IP协议功能准确,需要符合实际项目应用于。7.2工作未来发展因为研究时间受限,再加本文中设计与构建的嵌入式TCP/IP协议栈具备很强的针对性,没很好的考虑到本课题设计的嵌入式TCP/IP协议栈的可扩展性,所以作为今后本课题的拓展,可以从以下几个方面著手:(1)在设计的嵌入式TCP/IP协议栈中加到设计TCP协议模块。

(2)加到IP协议的数据报分片与报重组机制。(3)加到数据传输的安全性机制。


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