基于单片机的试验站远程监控系统网络接口 (1)

2 TCP/IP协议栈的总体设计

该网络的最终目的是实现网络节点上任意两点之间的数据通信，但是设计一个对所有可能的通信模式均是有效的、完整的、全面的协议是不可能实现的，于是将通信问题划分成小块，并为每个小块设计单独的协议，这样使得每种协议变得容易设计、分析、执行和测试。一方面，每种协议应该处理其他协议没有处理的通信问题，以免重复工作。另一方面，设计的协议应该能够共享数据结构和信息，以提高执行效率。当然最重要的是各个协议之间能够很好的协同工作，不能将每种协议设计成孤立的协议，这就需要将他们设计成一个相互支持、相互补充的系统，系统中的每种协议解决一部分通信问题，而所有的协议便能解决所有可能的网络通信问题。

本系统网络接口采用以太网接口，所以协议栈遵循TCP/IP模型来设计。考虑到系统的程序空间极为有限，所以设计时对标准协议栈进行了简化，通过选择合适的协议，可以降低对处理器硬件资源的需求。例如，由于对可靠性要求较高，可以只选择使用TCP协议，而不使用不可靠的UDP协议。另外，对于己经选择使用的协议，在具体实现时也进行了适当的简化，保留其中必须具备的部分，以节约程序空间和执行时间。同时保证系统的可靠性与安全性，遵循分层设计思想和模块化设计方法，各协议由对应的模块实现，模块对外提供接口函数供主程序调用，精简的TCP/IP协议栈如图3所示。

图3 TCP/IP协议栈

网络接口层是TCP/IP模型的最底层，由RTL8019AS的驱动程序来完成基本功能。RTL8019AS的驱动程序负责将单片机传输到Internet上的数据封装成以太网数据包的格式发送，以及将网络上传来的数据包进行分析使其进入上一层的协议处理程序。

网络层的功能则由ARP(地址解析协议)、IP(网际协议)和ICMP(因特网控制报文协议)协议共同完成。ARP协议能够判断数据帧中的目的地址是否与本地IP地址相同，如果相同则接收数据帧，否则将数据帧抛弃。而IP是TCP/IP协议栈最为核心的协议，所有的网络层和运输层的数据都是以IP数据报格式传输。ICMP允许主机或路由器报告差错情况和提供有关异常情况的报告。



图4 数据的封装过程

系统需要传输的数据通过在每个协议层添加头部信息，最后封装成为以太网数据包，在物理网络上进行传输，数据的封装过程如图4所示。

结论

对于工业控制领域，嵌入式Internet设备将测控网与Internet互连，由此实现测控网和信息网的统一。在这样构成的网络中，传统仪器设备充当着网络中独立节点的角色，信息可跨越网络传输至所及的任何领域，实时、动态(包括远程)的在线测控成为现实。