源码公开的TCP/IP协议栈在远程监测中的应用

    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

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++){

uip_periodic(i);

if(uip_len>0){

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()&&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。