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ip协议栈-毕业论文.pdf

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上传者: xiaoxiong0566 2011-06-14 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《ip协议栈-毕业论文pdf》,可适用于IT/计算机领域,主题内容包含分类号密级UDC学位论文基于μCOSⅡ的嵌入式TCPIP协议栈的研究与实现作者姓名:钟芳伟指导教师:傅仲逑教授东北大学秦皇岛分校计算机工程系申请学位符等。

分类号密级UDC学位论文基于μCOSⅡ的嵌入式TCPIP协议栈的研究与实现作者姓名:钟芳伟指导教师:傅仲逑教授东北大学秦皇岛分校计算机工程系申请学位级别:硕士学科类别:工学学科专业名称:计算机软件与理论论文提交日期:年月日论文答辩日期:年月日学位授予日期:答辩委员会主席:才书训教授评阅人:王翠荣教授张付志教授东北大学年月ADissertationinComputerSoftwareandTheoryResearchandImplementofEmbeddedTCPIPProtocolStackBasedonμCOSⅡbyZhongFangweiSupervisor:ProfessorFuZhongqiuNortheasternUniversityDecember-I-独创声明本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示诚挚的谢意。学位论文作者签名:日期:学位论文版权使用授权书本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定:即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。(如作者和导师不同意网上交流请在下方签名否则视为同意)学位论文作者签名:导师签名:签字日期:签字日期:东北大学硕士学位论文摘要-II-基于μCOSⅡ的嵌入式TCPIP协议栈的研究与实现摘要随着Internet的发展和应用越来越多的设备需要接入网络以实现远程控制或资源共享。嵌入式系统由于具有体积小、价格低、专用性能高的优势被广泛应用于各种电子设备中。基于嵌入式系统的网络接入技术即嵌入式Internet技术是未来应用的主要趋势该技术的出现是Internet发展过程中一个新的里程碑。受嵌入式系统存储资源和计算资源的限制嵌入式Internet主要有两种系统结构:基于网关的嵌入式Internet系统结构和直连嵌入式Internet系统结构。比较而言直连嵌入式Internet系统结构是一种新的系统结构在系统成本、开放性、移动性方面具有较大优势因而更有应用前景。针对嵌入式系统连入Internet的要求本文以位微控制器为出发点首先介绍了目前嵌入式Internet技术的发展情况并确定本课题的实现方案其次分析了μCOSⅡ在ARM上的移植然后重点研究了如何对标准TCPIP协议的简化以实现一个性能稳定的轻量级嵌入式TCPIP协议栈的方法。课题中设计并实现的轻量级嵌入式TCPIP协议栈是以标准TCPIP协议栈为基础采用Lwip中的缓冲区管理机制使用基于中断驱动的模式改造API层适应多个网络程序同时运行该协议栈还具有可配置性强和移植性好的特点。论文最后使用该协议栈提供的接口函数实现了一个简单的嵌入式WebServer测试用例并在SCBX开发板上进行测试测试结果表明该协议栈具有可配置性、占用系统资源少、可移植性、接口简单易用等特点。关键词:嵌入式系统嵌入式Internet轻量级嵌入式TCPIP协议栈东北大学硕士学位论文Abstract-III-ResearchandImplementofEmbeddedTCPIPProtocolStackBasedonμCOSⅡAbstractWiththedevelopmentandapplicationoftheInternet,moreandmoreequipmentsareneededtoconnectwithnetworkforachievinglongdistancecontrolandsharingresourceEmbeddedsystemsareusedmorewidely,forsmallprofile,lowpriceandhighperformanceThetechnologyofembeddednetworksystemsorembeddedInternetisthemaintrendoffutureapplicationIthasbecomeanewmilestoneintheprocessofInternetdevelopmentForthelimitationofcomputationandmemoryresourcesinembeddedsystem,embeddedInternetcanbeclassifiedintotwoarchitectures:GatewaybasedarchitectureandDirectconnectionarchitectureComparedtoGatewaybasedarchitecture,Directconnectionarchitectureisanewarchitectureandhasmoreappliedprospectforthereasonofitsadvantageinlowsystemcost,openandportablecharactersTowardstherequirementofconnectingtheembeddedsystemtoInternet,ThispaperbasedonbitmicrocontrollerFirst,weintroducethedevelopmentsituationoftheembeddedInternetatpresentanddeterminetherealizationplanofthistopicSecond,weanalyzetheportingofμCOSⅡatARMboard,then,westudythemethodsofsimplifyingfullTCPIPprotocolstacktoimplementalightweightTCPIPprotocolstackofstableperformanceThelightweightTCPIPprotocolstackofthispaperisbasedonthestandardTCPIPprotocolstackThisprotocolstackusesthebuffermanagementmechanismofLwipandaninterruptionbasedprogrammingmodel,wealsoimprovetheAPIlayerofthisprotocolstacktoadaptmanyprogramstorunatthesametimeMoreover,thisprotocolstackhascharactersofconfigurableandportableAttheend,asimpleembeddedwebserverasatestingcaseusingnetworkinterfaceaffordedbythisstackisimplementedAlso,thissimpleembeddedwebserveristestedonanembeddedsystemplatformofSCBX,Accordingthetestingresult,wedrawconclusionthatthisstackhaveconfigurable,portablecharactersandalsohavecharactersoflimitedsystemresourcesConsumption,simpleandeasyinterfacespecificationandsoonKeywords:embeddedsystemembeddedInternetLightweightembeddedTCPIPprotocolstack东北大学硕士学位论文目录-IV-目录独创声明I摘要IIAbstractIII第一章绪论课题的背景、现状及意义课题的提出论文的组织第二章嵌入式Internet系统结构嵌入式系统嵌入式系统的基本概念嵌入式系统的基本特征嵌入式Internet技术嵌入式Internet原理和特点嵌入式Internet系统结构嵌入式TCPIP协议TCPIP协议介绍TCPIP协议进程模型嵌入式TCPIP协议栈的实现要素第三章μCOSⅡ在ARM上的移植嵌入式实时操作系统μCOSⅡ概述μCOSII的内核原理μCOSII的任务管理和调度任务管理任务的调度μCOSII的中断及时钟节拍中断μCOSII的时钟节拍μCOSII的通信机制事件控制块通信机制的实现东北大学硕士学位论文目录-V-μCOSII在SCBX上的移植移植条件任务模式的取舍移植实现移植测试第四章嵌入式TCPIP协议栈设计与实现协议栈实现框架嵌入式TCPIP协议栈设计嵌入式TCPIP协议栈需求分析缓冲区管理“一次拷贝”技术网卡驱动程序设计数据帧的组成初始化操作数据接收操作数据发送操作网络层协议实现IP协议的实现ICMP协议的实现ARP协议的实现传输层协议的实现UDP协议的实现TCP协议的实现SOCKETAPI接口实现API层定义的主要数据结构API主要功能函数的实现嵌入式TCPIP协议通用接口层的实现第五章嵌入式TCPIP协议栈测试测试环境嵌入式协议的功能测试IP层及其以下模块的测试IP层以上模块的测试嵌入式协议的性能测试TCP建立连接的响应时间TCP关闭连接的响应时间东北大学硕士学位论文目录-VI-TCP协议的数据传输率测试小结第六章结论与展望结论展望参考文献致谢攻读硕士期间发表的论文东北大学硕士学位论文第一章绪论--第一章绪论课题的背景、现状及意义近年来随着嵌入式计算技术的不断发展嵌入式计算己深入到人类社会的各个领域。从军用高技术装备到信息家电从通信设备到医疗器械从工业控制到智能仪器仪表处处都需要嵌入式计算技术。有人把这种嵌入式计算广泛应用的阶段叫“后PC时代”所谓的后PC时代是英文pervasivecomputing的中文意译它以嵌入式计算机技术为依托正逐步渗透到人类社会的方方面面。随着Internet技术的快速发展和不断成熟使得Internet的应用范围和领域不断扩大。除了传统的信息检索、电子邮件、远程登录、文件传输等业务外各种新应用(如信息家电、远程医疗、嵌入式Web传感器、远程数据采集、工业控制等)越来越受到人们的大量关注。目前大多数嵌入式系统仍然处于单独应用的阶段其系统架构一般以MCU为核心与一些监测、指示设备进行连接以实现一定的应用功能。在一些工业控制和汽车应用领域中为了实现多个嵌入式系统之间的信息交流一般利用CAN、RS、RS等总线将多个嵌入式系统组网但这种网络的有效半径有限有关的通信协议也比较少同时又孤立于Internet之外。Internet现己成为社会重要的基础设施之一是信息流通的重要渠道把嵌入式系统连接到Internet通过Internet实现各种嵌入式设备网络化应用是一种趋势也是一种必然在这种发展需求下嵌入式Internet(EI)技术应运而生。嵌入式Internet技术的出现是Internet发展历史上的一个里程碑它依托于Internet、Web和嵌入式三大技术。嵌入式Internet技术是一种设备接入技术和异种网络互连技术主要解决的问题是通过Web和嵌入式技术实现从不同子网、不同的物理区域对接入到Internet的设备和异类子网进行监控、诊断、测试、管理、及维护等功能从而使接入到Internet的各种设备或其它类型的子网具有远程监控、诊断和管理的功能。嵌入式Internet技术是传统的嵌入式技术与新兴的Internet技术相结合的产物它的出现使得众多的工业仪器、设备和家用电器连入Internet成为可能。嵌入式Internet具有的主要优点在于它可以从设备的角度来看Internet把Internet的功能嵌入到设备中称为EmbeddedInternetDevice(EID)通过这种方式来方便设备操作简化远程控制。随着嵌入式Internet的迅速发展针对不同的软硬件环境以及应用场合国内东北大学硕士学位论文第一章绪论--外也先后提出了很多不同的嵌入式系统的Internet解决方案。嵌入式Internet主要有两种系统结构:基于网关的嵌入式Internet系统结构和直连嵌入式Internet系统结构。基于网关的嵌入式Internet系统结构的主要实现思想是:采用PC或高性能嵌入式计算设备等做网关支持标准TCPIP协议栈并运行基于Internet的服务程序(通常是WebServer)。网关和嵌入式系统之间则通过一些标准的串行通讯协议(如:RS,RS等)或者私有通讯协议(由嵌入式Internet解决方案提供商提供)进行通讯。这种系统结构相对比较成熟应用也很广泛。如:基于嵌入式WebServer的网络视频监控系统水电站综合自动化系统等。直连嵌入式Internet系统结构则是一种新的嵌入式Internet其主要实现思想是:针对嵌入式系统的软硬件环境以及具体的嵌入式Internet应用对标准的TCPIP协议栈进行简化。让系统资源有限的嵌入式系统支持一种轻量级TCPIP协议栈而直接连入Internet。直连嵌入式Internt系统结构还处于不断的研究和完善之中目前应用不是很广泛。比较而言直连嵌入式Internt系统结构作为一种新的嵌入式Internet系统结构在系统成本、开放性、移动性方面具有较大优势因而更有应用前景。嵌入式设备与Internet的结合代表着嵌入式系统和网络技术的真正未来它具有巨大的市场潜力目前包括Siemens、Philips和Motorola在内的数十家公司联合成立的“嵌入式Internet联盟(ETI)”、中国单片机公共实验室、全国嵌入式系统学术交流会和国内外其他一些研究组织共同推动该技术的发展。国内外著名的公司有emWare北京英贝多嵌入式网络技术有限公司和沈阳东大新业信息技术股份有限公司他们都使嵌入式Internet技术运用到了实用产品中。完善嵌入式TCPIP协议栈推动嵌入式Internet广泛应用将使我们这个世界变得更加自动化、智能化和人性化。课题的提出嵌入式Internet技术产生的基础是嵌入式技术和Internet技术实现嵌入式Internet技术的关键是如何在嵌入式微处理器上实现TCPIP协议栈。本文采用的是直连嵌入式Internet系统结构而实现直连嵌入式Internet系统结构的关键之处是:如何结合系统资源有限的嵌入式系统软硬件环境以及具体的嵌入式Internet应用对标准的TCPIP协议栈进行简化从而实现一种轻量级嵌入式TCPIP协议栈。TCPIP是Internet的基本协议以其实用性、高效性已经成为事实上的工业标准。嵌入式设备要与Internet网络直接交换信息就必须支持TCPIP协议。在嵌入式TCPIP协议栈的研究方面国内外做了很多研究。像JeremyBentham的PICmicro协议栈TexasInstument的MSPTCPIP协议栈以及TinyTCPcode东北大学硕士学位论文第一章绪论--出现的比较早但是由于这些协议栈的实现和应用紧密联系没有实现协议栈与应用的分离没有接口的概念也没有做成函数库的形式所以这些协议栈基本退出了历史舞台。近年来AdamDunkels的uIP和AdamDunkels等开发的Lwip在嵌入式Internet领域用的比较广泛uIP侧重于减小代码量(选择AVR为目标器件时代码为K左右)和减小RAM使用量(字节左右)。但是uIP采用了不保存需要应答的数据包的RAM使用方案没有和BSD的套接字接口兼容应用层接口较复杂而Lwip的功能虽然很全面但是相对来说代码较大编程复杂。基于上述嵌入式TCPIP协议栈的不足之处本课题主要研究如何结合嵌入式Internet应用以及嵌入式系统的软硬件系统环境以标准TCPIP协议为基础结合Lwip中的缓冲区管理机制采用基于中断驱动的模式接口通过API形式以适应多个网络程序同时运行设计并实现一种与应用分离同时具有占用系统资源少、可配置、易于移植、接口简单易用等特点的轻量级嵌入式TCPIP协议栈。使用这种轻量级嵌入式TCPIP协议栈可以让嵌入式Internet应用开发人员省去TCPIP通讯协议部分的设计与实现把主要的工作放在应用程序(协议)的分析和设计上同时为了适应μCOSⅡ这样的实时操作系统协议栈整体作为任务的形式实现。最后使用本课题实现的这个嵌入式TCPIP协议栈提供的接口函数实现一个简单的嵌入式Webserver测试用例并在位的SCBXARM平台上以μCOSⅡ实时操作系统为软件基础进行功能和性能测试用来证明本文提出的嵌入式TCPIP协议栈设计方法的有效性和合理性。论文的组织本文共分为六章以下是各章的简要介绍:第一章是绪论主要介绍了本课题的背景、目的、意义以及课题的提出。第二章是嵌入式Internet系统结构主要介绍了嵌入式Internet两种典型的系统结构并在此基础上分析了嵌入式Internet系统结构的发展趋势。第三章是μCOSⅡ在ARM上的移植主要介绍了开源的实时操作系统μCOSⅡ在SCBX上的移植。第四章是嵌入式TCPIP协议栈设计与实现主要对嵌入式协议栈和μCOSⅡ的结合方式对各部分协议需要实现的功能进行说明对各部分的难点、关键技术和相关数据结构进行分析与实现并实现了网络接口的驱动程序。第五章是嵌入式TCPIP协议测试主要是检测本文设计的协议栈及网络接口驱动的设计是否达到了预期的目的。第六章是结论与展望是全文工作的结论和未来工作的展望。东北大学硕士学位论文第一章绪论--东北大学硕士学位论文第二章嵌入式Internet系统结构--第二章嵌入式Internet系统结构嵌入式系统近年来随着软硬件资源的成熟与完善嵌入式系统的应用得到迅猛的发展其领域涉及通信、自动化、信息家电、军事、医疗、汽车电子等各个方面。IDG发布的统计数字表明未来的四五年内信息家电市场会成长倍倍。信息家电作为家庭信息终端之所以变得火爆一个很重要的原因就是嵌入式系统的引入。嵌入式系统以其得天独厚的优势广泛地应用于各种信息产品其数量之大、种类之多标志着嵌入式系统的应用发展浪潮己经来临。嵌入式系统的基本概念嵌入式系统一般指非PC系统它以应用为中心、以计算机技术为基础软硬件可裁剪适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。它包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器微处理器、存储器及外设器件和IO端口、图形控制器等。软件部分包括操作系统软件(要求实时和多任务操作)和应用程序软件。这种系统具有软件代码小、高度智能化、响应速度快等特点特别适合于要求实时的和多任务的体系。有时设计人员把这两种软件组合在一起。应用程序控制着系统的运作和行为而操作系统控制着应用程序软件与硬件的交互作用。嵌入式系统基本要素如图所示。图嵌入式系统的基本要素FigElementsofembeddedsystem嵌入式计算机系统最早出现在年代武器控制中后来用于军事指挥控制和通信系统现在广泛用于民用机电一体化产品中。嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用计算机一台通用计算机的外部设备中就包含了个嵌入式微处理器键盘、鼠标、软驱、硬盘、显示卡、显示器、网卡、Modem、声卡、打印机、扫描仪、数字相机、USB集线器等均是由嵌入式处理器控制的。在制造工业、过程ApplicationProtocolstackRTOSBSPDevicedriverHardware应用程序协议栈嵌入式操作系统板级支持包设备驱动硬件东北大学硕士学位论文第二章嵌入式Internet系统结构--控制、医疗、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费类产品等方面均是嵌入式计算机的应用领域。嵌入式系统的基本特征()嵌入式系统通常使用而向特定应用的嵌入式CPU。与通用型CPU的最大不同就是嵌入式CPU大多工作在为特定用户群设计的系统中它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点能够把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化移动能力大大增强跟网络的耦合也越来越紧密。()嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。()嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计量体裁衣、去除冗余力争在同样的硅片面积上实现更高的性能这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争力。()嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起它的升级换代也是和具体产品同步进行因此嵌入式系统产品一旦进入市场具有较长的生命周期。为了提高执行速度和系统可靠性嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中而不是存贮于磁盘等载体中。嵌入式Internet技术嵌入式Internet是指在嵌入式系统应用领域以Internet技术为基础使嵌入式系统与Internet相互连接实现嵌入式系统与Internet之间的资源共享、信息通信和状态控制等功能。它主要解决的问题是通过Web和嵌入式技术实现从不同子网、不同的物理区域对接入到Internet的设备和异类子网进行监控、诊断、测试、管理、及维护等操作从而使用户对接入到Internet上的各种设备或其它类型的子网具有远程监控、诊断和管理的能力。嵌入式Internet原理和特点嵌入式Internet是嵌入式技术与Internet技术相结合的产物。它既保留了嵌入式设备的小巧、智能、可编程的特点又借助于Internet这个全球最大的计算机网络来把对现场设备的控制延伸到地球上几乎任何一个角落。利用嵌入式Internet技术可以真正实现设备的远程管理和控制并且可以利用Internet来对设备进行远程维护甚至可以允许重新下载智能设备的运行程序。而这一切的控制操作只需通过东北大学硕士学位论文第二章嵌入式Internet系统结构--标准的Internet浏览器就能实现并不需要使用专用的客户端软件所完成的功能与专有客户端是一样的。在嵌入式Internet环境下设备通常是现场总线上的多台设备或者是孤立的一台传统设备。要实现这些设备与Internet联网需要有嵌入式Internet服务器(或称为嵌入式网关)为传统的孤立设备提供网络接口或者为现场总线和Internet之间的通信提供协议转换的功能。Internet上的用户只需使用标准的浏览器或专用的客户端软件就可以与嵌入式Internet服务器建立TCP或HTTP连接由嵌入式Internet服务器来把用户的指令转换成设备能识别的代码或者把设备的信息打成IP包后再发给客户端应用程序。用户在客户端可以选择两种应用程序如果通过在标准的浏览器运行JavaApplets则能够做到客户端与操作系统平台无关使用专用的客户端软件则能够根据实际情况灵活地设计应用程序从而避免对浏览器的依赖图所示的是嵌入式Internet的基本原理图。图嵌入式Internet基本原理FigThebasictheoryofEmbeddedInternet嵌入式Internet系统结构嵌入式Internet技术正在不断的发展新技术层出不穷新产品不断产生从底层硬件技术到上层软件所提供的解决方案都在不断的完善。目前国内外有关嵌入式Internet系统结构可以分为基于网关的嵌入式Internet系统结构和直连的嵌入式Internet系统结构。基于网关的嵌入式Internet系统结构让嵌入式系统支持TCPIP协议栈的目的就是要使嵌入式系统能够与Internet上其它的网络计算设备进行通讯既然让系统资源非常有限的嵌入式系统支持标准的TCPIP协议栈显得不太合适那么是否可以让这些嵌入式系统通过一个运行标准TCPIP协议栈的代理而间接地提供对TCPIP协议栈的支持。于是就出现了一种基

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