嵌入式Internet是隨著嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的一種新概念和技術(shù)，嵌入式系統(tǒng)以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，且軟硬件可裁剪，現(xiàn)已贏得了巨大的市場。隨著Internet的發(fā)展，各種設(shè)備都產(chǎn)生了連接性的需求，從冰箱到電表，似乎所有電器需要連入互聯(lián)網(wǎng)。通過為現(xiàn)有嵌入式系統(tǒng)增加因特網(wǎng)接入能力來擴展其功能，以Internet為介質(zhì)實現(xiàn)信息交互，從而產(chǎn)生了嵌入式Internet技術(shù)，要實現(xiàn)嵌入式設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化，需要實現(xiàn)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，但由于Internet上各種通信協(xié)議對計算機存儲器、運算速度等的要求比較高，使得嵌入式系統(tǒng)協(xié)議棧的開發(fā)實現(xiàn)并不順利。
目前過兩個關(guān)鍵因素影響網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的開發(fā)，一是性能和效率，二是開發(fā)調(diào)試方便。傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)一般只能顧及其中的一個方面。例如在Linux、FreeBSD中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧作為系統(tǒng)內(nèi)核的一部分實現(xiàn)，通常具有較高的通信效率，但是不方便用戶添加實現(xiàn)新的用戶協(xié)議及根據(jù)特殊需要對協(xié)議的實現(xiàn)細(xì)節(jié)調(diào)整，同時對協(xié)議代碼的維護、調(diào)試和開發(fā)也不方便，這個缺點在嵌入式領(lǐng)域表現(xiàn)的尤為突出。
由于嵌入式設(shè)備的多樣性和通信需求的多樣性，嵌入式領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的復(fù)用率非常低。本文將構(gòu)件技術(shù)引入網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的開發(fā)，并在國產(chǎn)和欣操作系統(tǒng)上實現(xiàn)了一個構(gòu)件化的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，很好地解決了開發(fā)與效率的問題。
1 和欣嵌入式操作系統(tǒng)的CAR構(gòu)件技術(shù)
1.1 和欣嵌入式操作系統(tǒng)
和欣操作系統(tǒng)基于微內(nèi)核，服務(wù)動態(tài)加載。內(nèi)核包括硬件驅(qū)動(串口、USB、以太網(wǎng)卡、無線通信模塊)、內(nèi)存管理等系統(tǒng)基本服務(wù)，如圖1所示。TCP/IP協(xié)議棧完全由構(gòu)件實現(xiàn)，是運行在構(gòu)件平臺之上的一個服務(wù)構(gòu)件，底層網(wǎng)卡、串口等設(shè)備得到數(shù)據(jù)之后將數(shù)據(jù)交上層服務(wù)構(gòu)件處理。
和欣嵌入式操作系統(tǒng)是基于構(gòu)件化軟件模型，構(gòu)件化軟件設(shè)計思想貫穿了整個系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，系統(tǒng)實現(xiàn)本身就是構(gòu)件模式，除內(nèi)核中最底層控制部分外，所有系統(tǒng)功能都以構(gòu)件接口形式提供。另外，操作系統(tǒng)對構(gòu)件化軟件模型提供了必要的運行環(huán)境，來源不同的構(gòu)件可以在該環(huán)境上實現(xiàn)互操作，系統(tǒng)提供了構(gòu)件自動尋址/自動加載機制，用戶不必知道調(diào)用的構(gòu)件程序是本地的還是來自于網(wǎng)上，即構(gòu)件運行環(huán)境對用戶透明。構(gòu)件化系統(tǒng)的實現(xiàn)，使得操作系統(tǒng)本身具有高度的靈活性和擴展性。和欣采用了CAR構(gòu)件技術(shù)。
1.2 CAR構(gòu)件技術(shù)
CAR構(gòu)件技術(shù)是在總結(jié)面向?qū)ο缶幊獭⒚嫦驑?gòu)件編程技術(shù)的發(fā)展歷史和經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，為更好地支持面向以Web服務(wù)為代表的下一帶網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用軟件開發(fā)而發(fā)明的。CAR(Component Assembly Runtime)構(gòu)件技術(shù)定義了一套網(wǎng)絡(luò)編程時代的構(gòu)件編程模型和編程規(guī)范，它規(guī)定了一組構(gòu)件間相互調(diào)用的標(biāo)準(zhǔn)，使二進制構(gòu)件可自描述并能夠在運行時動態(tài)鏈接。
CAR構(gòu)件技術(shù)通過二進制的封裝及動態(tài)鏈接技術(shù)解決軟件的動態(tài)升級和軟件的動態(tài)替換問題，面向構(gòu)件技術(shù)對一組類的組合進行封裝，并代表完成一個或多個功能的特定服務(wù)，同時為用戶提供多個接口。整個構(gòu)件隱藏了具體的實現(xiàn)，只用接口提供服務(wù)。這樣，在不同層次上，構(gòu)件均可以將底層多個邏輯組合成高層次上粒度更大的新構(gòu)件，構(gòu)件之間通過約定的接口進行數(shù)據(jù)交換和信息傳遞，構(gòu)件的位置相互透明，可以在同一個或不同的用戶進程空間、不同的機器設(shè)置不同的構(gòu)件上用不同的語言編寫，只要其符合事先約定的構(gòu)件規(guī)范。
2 和欣操作系統(tǒng)上的TCP/IP協(xié)議棧的特點與實現(xiàn)
2.1 和欣嵌入式操作系統(tǒng)上TCP/IP協(xié)議棧的特點
由于嵌入式系統(tǒng)在硬件資源的占有量以及處理器的處理能力等方面的限制，使得TCP/IP協(xié)議的嵌入式實現(xiàn)與其在通用操作系統(tǒng)中的實現(xiàn)有很大不同。首先，由于嵌入式處理器的時鐘頻率低，地址、數(shù)據(jù)總線窄，導(dǎo)致嵌入式系統(tǒng)對一個通用IP包的處理要花費更多的處理機時間，從而影響其他任務(wù)的執(zhí)行，因此需要對龐大的復(fù)雜的TCP/IP協(xié)議棧進行裁剪，使之具有簡單、高效的特點同時在設(shè)計嵌入式TCP/IP協(xié)議棧時要合理控制中斷處理程序的大小，使得中斷處理程序的運行時候盡可能短;同時把那些無實時性要求和費時的工作移到主程序中執(zhí)行，從而保證協(xié)議的正確執(zhí)行，具體來說，就是把TCP/IP協(xié)議的處理工作放到主程序中對網(wǎng)絡(luò)接口的控制芯片采用循環(huán)查詢方式，在其他中斷任務(wù)的執(zhí)行間隙處理TCP/IP協(xié)議，以犧牲系統(tǒng)的響應(yīng)時間換取系統(tǒng)的可靠性，再者由于嵌入式的系統(tǒng)的存儲空間有限，一般情況下只能開辟幾KB字節(jié)的緩存區(qū)接收數(shù)據(jù)包，并且其存儲空間固定，不是動態(tài)分配的。因此，遇到大數(shù)據(jù)包時就會出現(xiàn)緩沖區(qū)溢出的錯誤。通常，嵌入式系統(tǒng)接收的數(shù)據(jù)包類型僅為系統(tǒng)狀態(tài)配置包、控制動作命令包、通信控制包等，這些包容量較小，由實時數(shù)據(jù)或網(wǎng)頁向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的數(shù)據(jù)包比較長，但可以通過設(shè)計格式加以控制。
和欣操作系統(tǒng)是基于微內(nèi)核的操作系統(tǒng)， 其上的TCP/IP協(xié)議棧既可以運行在用戶態(tài)，也可以運行在內(nèi)核態(tài)度，具有通用接口和方便的框架，方便用戶開發(fā)適合自己領(lǐng)域或特殊需要的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，因為和欣操作系統(tǒng)提供了高效的進程上下文切換功能和進程間通信，所以整個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧作為一個用戶態(tài)進程提供服務(wù)。使用前先創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件實例，然后向操作系統(tǒng)注冊服務(wù)。此后用戶就可以使用網(wǎng)絡(luò)編程接口了，如果用戶對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧有更高的效率要求，則可以將該協(xié)議棧加載到內(nèi)核態(tài)。
2.2 和欣嵌入式操作系統(tǒng)TCP/IP的實現(xiàn)
根據(jù)和欣嵌入式TCP/IP協(xié)議堆棧的特點，在實現(xiàn)嵌入式TCP/IP協(xié)議棧時只需要用到下述四個基本協(xié)議：TCP協(xié)議、ICMP協(xié)議、IP協(xié)議、ARP協(xié)議。其余的鏈路層協(xié)議如PPP協(xié)議需要在嵌入式TCP/IP協(xié)議棧下面的設(shè)備驅(qū)動程序中實現(xiàn);而像HTTP、FTP這樣的應(yīng)用層協(xié)議則要在嵌入式TCP/IP協(xié)議棧上面的應(yīng)用層中實現(xiàn)。
2.2.1 地址轉(zhuǎn)化協(xié)議ARP
ARP協(xié)議為IP地址和以太網(wǎng)MAC地址建立一個映射表。這個協(xié)議對于以太網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議的操作是必不可少的。為了節(jié)省空間，一個IP地址的ARP請求覆蓋即將發(fā)送的數(shù)據(jù)包，該ARP請求就是因為要發(fā)送這個包而發(fā)送的。這種方法在假設(shè)上層會重發(fā)被覆蓋的數(shù)據(jù)時采用。每隔十秒鐘，表就會刷新一次，舊的記錄被丟棄，在嵌入式TCP/IP協(xié)議棧中，記錄的有效時間為1秒。
2.2.2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IP
在嵌入式TCP/IP中，IP協(xié)議執(zhí)行兩項功能：(1)封裝來自上層的TCP數(shù)據(jù)包或ICMP數(shù)據(jù)包，計算IP數(shù)據(jù)包的檢驗和;(2)解析IP緩存中的數(shù)據(jù)包，檢查數(shù)據(jù)包的協(xié)議字段，以判斷該數(shù)據(jù)包應(yīng)該交給ICMP協(xié)議還是TCP協(xié)議處理。基于嵌入式Web服務(wù)器與客戶端通信的信息量很小，數(shù)據(jù)包的大小不會超過鏈路層的MTU(最大傳輸單元)，嵌入式IP沒有引入數(shù)據(jù)包分片和重組功能，標(biāo)準(zhǔn)的IP協(xié)議有選路功能，可以選擇較短路徑傳送數(shù)據(jù)包，嵌入式IP中為了減少代碼規(guī)模，未引入選路功能。
