第二章 uIP协议栈分析V1.00

第二章uIP协议栈分析2．1uIP特性uIP由瑞典计算机科学学院(网络嵌入式系统小组)的AdamDunkels开发。其源代码由C语言编写，并完全公开，所有代码和相关说明文档可以到下载。最新版本是uIP1.0版本，本书移植和使用的版本正是此版本。uIP协议栈去掉了完整的TCP/IP中不常用的功能，简化了通讯流程，但保留了网络通信必须使用的协议，设计重点放在了IP/TCP/ICMP/UDP/ARP这些网络层和传输层协议上，保证了其代码的通用性和结构的稳定性。由于uIP协议栈专门为嵌入式系统而设计，因此还具有如下优越功能：（1）代码非常少，其协议栈代码不到6K，很方便阅读和移植。（2）占用的内存数非常少，RAM占用仅几百字节。（3）其硬件处理层、协议栈层和应用层共用一个全局缓存区，不存在数据的拷贝，且发送和接收都是依靠这个缓存区，极大的节省空间和时间。（4）支持多个主动连接和被动连接并发。（5）其源代码中提供一套实例程序：web服务器，web客户端，电子邮件发送程序(SMTP客户端)，Telnet服务器，DNS主机名解析程序等。通用性强，移植起来基本不用修改就可以通过。（6）对数据的处理采用轮循机制，不需要操作系统的支持。由于uIP对资源的需求少和移植容易，大部分的8位微控制器都使用过uIP协议栈,而且很多的著名的嵌入式产品和项目(如卫星，Cisco路由器，无线传感器网络)中都在使用uIP协议栈。2．2uIP架构uIP相当于一个代码库，通过一系列的函数实现与底层硬件和高层应用程序的通讯，对于整个系统来说它内部的协议组是透明的，从而增加了协议的通用性。uIP协议栈与系统底层和高层应用之间的关系如图2－1所示。图2－1uIP在系统中的位置从上图可以看出，uIP协议栈主要提供了三个函数供系统底层调用。即uip_init(),uip_input()和uip_periodic()。其与应用程序的主要接口是UIP_APPCALL()。uip_init()是系统初始化时调用的，主要初始化协议栈的侦听端口和默认所有连接是关闭的。当网卡驱动收到一个输入包时，将放入全局缓冲区uip_buf中，包的大小由全局变量uip_len约束。同时将调用uip_input()函数，这个函数将会根据包首部的协议处理这个包和需要时调用应用程序。当uip_input()返回时，一个输出包同样放在全局缓冲区uip_buf里，大小赋给uip_len。如果uip_len是0，则说明没有包要发送。否则调用底层系统的发包函数将包发送到网络上。uIP周期计时是用于驱动所有的uIP内部时钟事件。当周期计时激发，每一个TCP连接都会调用uIP函数uip_periodic()。类似于uip_input()函数。uip_periodic()函数返回时，输出的IP包要放到uip_buf中，供底层系统查询uip_len的大小发送。由于使用TCP/IP的应用场景很多，因此应用程序作为单独的模块由用户实现。uIP协议栈提供一系列接口函数供用户程序调用，其中大部分函数是作为C的宏命令实现的，主要是为了速度、代码大小、效率和堆栈的使用。用户需要将应用层入口程序作为接口提供给uIP协议栈，并将这个函数定义为宏UIP_APPCALL()。这样，uIP在接受到底层传来的数据包后，在需要送到上层应用程序处理的地方，调用UIP_APPCALL()。在不用修改协议栈的情况下可以适配不同的应用程序。2．3uIP在MCS-51单片机上的移植1．为此项目建立一个keilC工程，建立src目录存放源文件。2．通过阅读uip-1.0\unix\main.c，了解uIP的的主循环代码架构，并将main.c放到src目录下。3．仿照uip-1.0\unix\tapdev.c写网卡驱动程序，与具体硬件相关。这一步比较费点时间，不过好在大部分网卡芯片的驱动程序都有代码借鉴或移植。驱动需要提供三个函数，以RTL9019AS驱动为例。etherdev_init（）：网卡初始化函数，初始化网卡的工作模式。u16_tetherdev_read(void)：读包函数。将网卡收到的数据放入全局缓存区uip_buf中，返回包的长度，赋给uip_len。voidetherdev_send(void)：发包函数。将全局缓存区uip_buf里的数据（长度放在uip_len中）发送出去。所以，收包和发包主要是操作uip_buf和uip_len。具体驱动分析可参考《第三章网络芯片的驱动》。4．由于uIP协议栈需要使用时钟，为TCP和ARP的定时器服务。因此使用单片机的定时器0用作时钟，每20ms让计数tick_cnt加1，这样，25次计数（0.5S）满了后可以调用TCP的定时处理程序。10S后可以调用ARP老化程序。对uIP1.0版本，增加了timer.c/timer.h，专门用来管理时钟，都放到src下。5．uIP协议栈的主要内容在uip-1.0\uip\下的uip.c/uip.h中，放到src下。如果需要ARP协议，需要将uip_arp.c和uip_arp.h也放到src下。6．uipopt.h/uip-conf.h是配置文件，用来设置本地的IP地址、网关地址、MAC地址、全局缓冲区的大小、支持的最大连接数、侦听数、ARP表大小等。需要放在src下，并且根据需要配置。在V1.00版本中对配置做了如下修改：（1）配置IP地址，默认先关IP，在初始化中再设定。#defineUIP_FIXEDADDR0#defineUIP_IPADDR0192#defineUIP_IPADDR1168#defineUIP_IPADDR21#defineUIP_IPADDR39#defineUIP_NETMASK0255#defineUIP_NETMASK1255#defineUIP_NETMASK2255#defineUIP_NETMASK30#defineUIP_DRIPADDR0192#defineUIP_DRIPADDR1168#defineUIP_DRIPADDR21#defineUIP_DRIPADDR31（2）使能MAC地址#defineUIP_FIXEDETHADDR1#defineUIP_ETHADDR00x00#defineUIP_ETHADDR10x4f#defineUIP_ETHADDR20x49#defineUIP_ETHADDR30x12#defineUIP_ETHADDR40x12#defineUIP_ETHADDR50x13（3）使能ping功能#defineUIP_PINGADDRCONF1（4）关闭主动请求连接的功能#defineUIP_ACTIVE_OPEN0（5）将uip_tcp_appstate_t定位u8_t类型。（6）由于单片机是大端结构，因此宏定义需要修改#defineUIP_CONF_BYTE_ORDERUIP_BIG_ENDIAN（7）暂时不移植打印信息，先关闭#defineUIP_CONF_LOGGING0（8）定义数据结构类型typedefunsignedcharu8_t;typedefunsignedintu16_t;typedefunsignedlongu32_t;7．如果使用keilC的小模式编译，需要在大部分的RAM的变量前增加xdata。8．data为keilC的关键词，代码中所有出现data的地方（主要是参数、局部变量、结构体成员）改为pucdata或ucdata。9．解决编译过程中的错误。uIP协议栈为C语言编写，编译过程中的问题比较少，并且容易解决。2．4uIP的主控制循环通过实际的代码说明uIP协议栈的主控制循环。voidmain(void){/*省略部分代码*//*设置TCP超时处理时间和ARP老化时间*/timer_set(&periodic_timer,CLOCK_CONF_SECOND/2);timer_set(&arp_timer,CLOCK_CONF_SECOND*10);/*定时器初始化*/init_Timer();/*协议栈初始化*/uip_init();uip_arp_init();/*应用层初始化*/example1_init();/*驱动层初始化*/etherdev_init();/*IP地址、网关、掩码设置*/uip_ipaddr(ipaddr,192,168,1,9);uip_sethostaddr(ipaddr);uip_ipaddr(ipaddr,192,168,1,16);uip_setdraddr(ipaddr);uip_ipaddr(ipaddr,255,255,255,0);uip_setnetmask(ipaddr);/*主循环*/while(1){/*从网卡读数据*/uip_len=etherdev_read();/*如果存在数据则按协议处理*/if(uip_len0){/*收到的是IP数据，调用uip_input()处理*/if(BUF-type==htons(UIP_ETHTYPE_IP)){uip_arp_ipin();uip_input();/*处理完成后，如果uip_buf中有数据，则调用etherdev_send发送出去*/if(uip_len0){uip_arp_out();etherdev_send();}}/*收到的是ARP数据，调用uip_arp_arpin()处理*/elseif(BUF-type==htons(UIP_ETHTYPE_ARP)){uip_arp_arpin();if(uip_len0){etherdev_send();}}}/*查看0.5S是否到了，到了则调用uip_periodic处理TCP超时程序*/elseif(timer_expired(&periodic_timer)){timer_reset(&periodic_timer);for(i=0;iUIP_CONNS;i++){uip_periodic(i);if(uip_len0){uip_arp_out();etherdev_send();}}/*查看10S是否到了，到了则调用ARP处理程序*/if(timer_expired(&arp_timer)){timer_reset(&arp_timer);uip_arp_timer();}}}return;}2．5uIP协议栈提供的主要接口提供的接口在uip.h中，为了减少函数调用造成的额外支出，大部分接口函数以宏命令实现的。1．初始化uIP协议栈：uip_init()2．处理输入包：uip_input()3．处理周期计时事件：uip_periodic()4．开始监听端口：uip_listen()5．连接到远程主机：uip_connect()6．接收到连接请求：uip_connected()7．主动关闭连接：uip_close()8．连接被关闭：uip_closed()9．发出去的数据被应答：uip_acked()10．在当前连接发送数据：uip_send()11．在当前连接上收到新的数据：uip_newdata()12．告诉对方要停止连接：uip_stop()13．连接被意外终止：uip_aborted()版本：V1.0初稿，欢迎指导作者：gateway邮箱：[e-mail]：1079197758修改日期：2009.3.26