3　TCP/IP協議在單片機上的軟件設計

　　3.1　TCPIP協議棧和鏈路層格式

　　Internet上使用的是TCP/IP協議簇，由下至上包含四層：數據鏈路層、網絡層（IP）、傳輸層（TCP）和應用層。我們在單片機上能實現的是數據鏈路層的功能，上層協議鑒于單片機有限的資源，只能實現部分功能。TCP/IP協議棧如表2:

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　　數據鏈路層處于協議棧的最低層，傳輸以太網的物理傳輸幀，其幀格式如表3：

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　　數據鏈路層是所有TCP/IP包的基礎，所有它上層的包都被封裝到鏈路層幀的數據段中。鏈路層就是MAC對MAC的通信。

　　3.2　PING命令在單片機上的實現

　　PING是網絡層（IP層）的命令，網絡層就是IP對IP之間的通信。主機對一個目標IP地址發出狀態請求，后者發出回應，這樣，就可以用來檢查兩者之間的線路是否暢通。這里涉及到兩個網絡層協議：

　　ARP和ICMP。首先，網絡中要知道目標IP的MAC地址，才能發送數據。為了獲取該地址，我們向整個網絡發送一個ARP廣播包，詢問該IP對應的MAC地址，然后目標IP應答，我們就從應答信息中得到MAC地址。其次，發送一個ICMP包，請求目標IP狀態，目標IP回應，就完成網絡連接測試。在我們的實驗中，發出PING命令的是網絡中的PC主機，接收信號并產生響應的是我們的單片機系統。我們假定單片機系統控制的網卡的IP為192.168.0.176。

　　第一步，實現ARP協議。ARP協議是"AddressResolutionProtocol"（地址解析協議）的縮寫，它的作用是將IP地址轉換成物理地址（就是常說的MAC地址）。協議ARP的分組格式如表4:

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　　當單片機主處理器處理網卡收到的ARP廣播請求時，如果發現是請求“192.168.0.176”的MAC地址，于是按要求打一個ARP應答包，將自己的MAC地址放到應答包中，發送回網絡就完成了PING的第一步。注意，要在應答包尾加18byte的補丁，否則應答包長度不滿足最小60byte的要求。

　　第二步，實現ICMP協議。ICMP是“InternetControlMessageProtocol”（Internet控制消息協議）的縮寫。用于在IP主機、路由器之間傳遞控制消息。控制消息是指網絡通不通、主機是否可達、路由是否可用等網絡本身的消息。這些控制消息雖然并不傳輸用戶數據，但是對于用戶數據的傳遞起著重要的作用。

　　ICMP是封裝在IP協議中，所以有IP包頭。

　　ICMP協議結構如表5：

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　　網絡主機在收到ARP的應答包后，取出其中的MAC地址，然后向該MAC發出ICMP請求。主處理器處理該請求時，將請求包的標識和序列號對應填入ICMP應答包，其它部分按要求填寫。校驗和的計算有成熟的公式，容易計算，只要先把校驗和部分置0,將包頭的計算結果再填入校驗和就可以了。

　　最后將該ICMP應答包送入網絡，這樣就完成了PING的全過程。此時，發出PING命令的網絡主機就會得到“Replyfrom192.168.0.176:bytes=32time<10msTTL=128”的信息。

　　4　串行數據與網絡的數據交換的討論

　　網絡層之上，有兩種傳輸層協議：TCP（Trans2missionControlProtocol）和UDP（UserDatagramProtocol）。對于數據傳輸要求高的場合，需要使用TCP協議作為雙方通信方式，但此種方式較為復雜。而對于一些實時信號及其反向控制信號的傳遞，實現UDP協議就可以滿足要求了。表6是UDP協議結構：

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　　當原始數據從串口送到到主處理器后，主處理器將其打包成UDP報文，發送到網絡中。網絡端監控主機接收并處理該UDP報文，然后將控制信息同樣以UDP報文發出。主處理器把網絡控制信號返回給串口。這樣，我們在Internet中就可以方便地完成對現場串口數據源的監視和控制過程。

　　5　結語

　　因為單片機對于各種電器設備有良好的接入和控制能力，所以，我們實現了單片機的網絡接入功能后，就在電器的硬件設備和網絡之間建起了一道橋梁。通過它，可以實現對各種實時信號、儀器儀表、家用設施等目標的遠程監視，在宏觀上對各種設備統一管理，實現人與系統的和諧的交互。這必將大大提高工作效率，改善工作環境，提升人們的生產、生活水平。

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