畢業(yè)設(shè)計說明書第1頁基于TCP/IP的以太網(wǎng)通訊端口的設(shè)計摘要隨著Internet的發(fā)展，TCP/IP已經(jīng)成為通信領(lǐng)域事實上的國際標準。嵌入式系統(tǒng)通過嵌入式TCP/IP協(xié)議棧連接Internet，甚至Internet，將具有更好的實用性和巨大的經(jīng)濟效益。在對當(dāng)前國內(nèi)外嵌入式TCP/IP協(xié)議棧產(chǎn)品現(xiàn)狀進行調(diào)研的基礎(chǔ)上，自主研發(fā)了可利用TCP/IP協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ā１菊撐膶RP、ICMP、UDP、TCP等幾個協(xié)議進行詳細剖析，包括協(xié)議可配置性分析，并闡述TCP/IP協(xié)議棧的實現(xiàn)思路及方法。TCP/IP協(xié)議棧采用分層體系結(jié)構(gòu)，嚴格按照IEEE國際標準，沒有任何私有協(xié)議，也沒有做任何假設(shè)，從而確保協(xié)議的完整性和一致性。TCP/IP協(xié)議棧在設(shè)計上充分考慮了移植性，整個協(xié)議棧架構(gòu)在系統(tǒng)抽象層之上，通過系統(tǒng)抽象層屏蔽掉硬件體系結(jié)構(gòu)、底層嵌入式操作系統(tǒng)以及編譯器等的差異。關(guān)鍵詞：TCP/IP，IP協(xié)議棧，IEEE國際標準畢業(yè)設(shè)計說明書第2頁TheDesignOfEthernetCommunicationInterfaceOnTheBasisOfTCP/IPAbstractWiththedevelopmentofInternet,TCP/IPhasvirtuallybecometheinternationalstandardinthecommunicationfield.Iftheconnection,bymeansofembeddedTCP/IPstack,betweentheembeddedsystemandIntranet,evenInternetcancometrue,theembeddedsystemwillbemuchmorepracticalandbringaboutenormouseconomicbenefits.BasedontheresearchandstudyofthecurrentsituationoftheembeddedTCP/IPstackproductshomeandabroad,independentlytheconfigurableembeddedTCP/IPstack-VIPstackhasbeendeveloped.AccordingtoVIPstack,thispaperexpatiatesonARP、ICMPv4、UDP、TCPandotherprotocols,includingananalysisofprotocolconfiguration,andalsoofferstheimplementationmethodofVIPstack.VIPstack,withtheadoptionoflayeredarchitecture,canbecarriedoutbymeansofANSIClanguage,strictlyabidingbyinternationalRFCstandardwithoutanyprivateprotocolandanyassumption,soastoensureintegralityandconsistencyoftheprotocolstack.IntheaspectofdesignVIPstacktakesfullconsiderationofthepropertyoftransplantation.ThewholeVIPstackstandsontopofthesystemabstractlayer,whicheliminatesthedifferencesofhardwarearchitecture,embeddedoperatingsystemandcompilers.Keywords:TCP/IP,IPstack,IEEEstandard畢業(yè)設(shè)計說明書第3頁目錄1緒論.11.1課題背景及目的.11.2國內(nèi)外研究狀況.11.3課題研究方法.11.4論文構(gòu)成及研究內(nèi)容.12TCP/IP協(xié)議的介紹.32.1TCP/IP以太網(wǎng)的連接方式.32.2TCP/IP以太網(wǎng)的工作原理.42.3TCP/IP層次模型.52.4傳輸協(xié)議的介紹.82.4.1ARP協(xié)議.82.4.2IP協(xié)議.102.4.3ICMP協(xié)議.112.4.4UDP協(xié)議.132.4.5TCP/IP協(xié)議.142.5TCP連接的建立與終止.163硬件實現(xiàn).183.1電路設(shè)計環(huán)境.183.2RTL8019AS芯片簡介.193.2.1RTL8019AS內(nèi)部結(jié)構(gòu).213.2.2網(wǎng)卡的上電復(fù)位和初始化.243.2.3接收和發(fā)送以太網(wǎng)幀的實現(xiàn).274上位機軟件設(shè)計.314.1Winsock概述.31畢業(yè)設(shè)計說明書第4頁4.2RTL8019AS以太網(wǎng)驅(qū)動程序.324.3ARP協(xié)議的實現(xiàn).334.4ICMP的程序?qū)崿F(xiàn).364.5ARP協(xié)議的程序?qū)崿F(xiàn).384.6TCP協(xié)議的程序?qū)崿F(xiàn).39結(jié)論.41致謝.42參考文獻.43畢業(yè)設(shè)計說明書第1頁1緒論1.1課題背景及目的近年來，由于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，寬帶網(wǎng)絡(luò)迅速發(fā)展，以太網(wǎng)己成為許多住宅小區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施。以太網(wǎng)技術(shù)是當(dāng)今最成熟的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。從以太網(wǎng)出現(xiàn)以來，它的發(fā)展一直受到廣泛的重視和大量的技術(shù)投入，10M、100M的以太網(wǎng)技術(shù)早己獲得了廣泛的應(yīng)用，1000M的以太網(wǎng)技術(shù)也在形成之中。采用以太網(wǎng)傳輸媒介，在技術(shù)支持和升級方面無需專門的研發(fā)投入，這一點是任何現(xiàn)有的現(xiàn)場總線技術(shù)，包括RS-485技術(shù)，都無法比擬的。同時以太網(wǎng)技術(shù)得到廣泛的開發(fā)技術(shù)支持，以太網(wǎng)是應(yīng)用最廣泛的計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，幾乎所有的編程語言都支持以太網(wǎng)的應(yīng)用開發(fā)，例如Java、Visua1C+、ViusalBasic等。這些編程語言由于被廣泛應(yīng)用，為人們所熟悉，并受到軟件開發(fā)商的高度重視，具有很好的發(fā)展前景，其性能也會不斷改進。所以，選擇以太網(wǎng)作為傳輸媒介，不會拘泥于一種開發(fā)語言或者軟件平臺，有更寬的選擇自由度。1.2國內(nèi)外研究狀況當(dāng)前，以太網(wǎng)技術(shù)已深入到國民經(jīng)濟的各個方面。在防盜、工控、儀器儀表數(shù)據(jù)傳遞、機電控制單元等領(lǐng)域，以太網(wǎng)技術(shù)已成為電子系統(tǒng)智能化的最好平臺。以太網(wǎng)的應(yīng)用也隨處可見，通過以太網(wǎng)技術(shù)和芯片RTL8019AS的組合應(yīng)用可以實現(xiàn)很多的功能。使其應(yīng)用在不同的領(lǐng)域。1.3課題研究方法1、了解現(xiàn)階段所使用的數(shù)據(jù)傳輸方法，選擇性能較好的進行設(shè)計應(yīng)用。2、設(shè)計以太網(wǎng)的傳輸速率以及RTL8019AS內(nèi)部程序，使其達到設(shè)計要求。3、對TCP/IP進行數(shù)據(jù)端口的規(guī)劃。4、通過軟件編程來實現(xiàn)所要實現(xiàn)的功能。1.4論文構(gòu)成及研究內(nèi)容本系統(tǒng)內(nèi)實現(xiàn)了真正的無縫連接，對外部來說，由于以太網(wǎng)協(xié)議的標準性，通用性，畢業(yè)設(shè)計說明書第2頁使不同系統(tǒng)間的連接非常的方便，為智能小區(qū)的互聯(lián)和信息共享提供了技術(shù)支持。同時還可使用戶擁有成本下降。掌握以太網(wǎng)技術(shù)的工作人員比較多，而無需專人去學(xué)習(xí)控制網(wǎng)絡(luò)的方法。所以，若能夠采用以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，可以避免單獨布線的問題，而且TCP/IP協(xié)議作為以太網(wǎng)互聯(lián)的最廣泛的協(xié)議，其開放性和兼容性使系統(tǒng)的應(yīng)用范圍具有較大的擴展空間。隨著科技的進步，住宅小區(qū)要求的提高，直接使用以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)一定會成為將來的主流技術(shù)。畢業(yè)設(shè)計說明書第3頁2TCP/IP協(xié)議的介紹以太網(wǎng)(Ethernet)最初起源于Xeorx公司建造的一個2.9Mbps的CSMA/CD(載波監(jiān)聽/多路訪問)系統(tǒng)，它以無源電纜作為總線來傳輸數(shù)據(jù)，在1000M的電纜上連接了100多臺計算機，并以曾經(jīng)在歷史上表示傳播電磁波的以太(Ether)來命名，這就是如今的以太網(wǎng)的鼻祖。隨后DEC、Intel及Xerox合作公布了Ethernet物理層和數(shù)據(jù)鏈路層1的規(guī)范，稱為DIX規(guī)范。在此基礎(chǔ)上，電氣和電子工程師協(xié)會(IEEE)制定了IEEE802.3標準。以太網(wǎng)可以支持多種傳輸介質(zhì)。以太網(wǎng)按傳輸介質(zhì)標準主要可分為三類，粗纜以太網(wǎng)、細纜以太網(wǎng)、雙絞線以太網(wǎng)，即10BASE-5、10BASE-2、10BASE-T，近幾年又出現(xiàn)了以光纖為傳輸介質(zhì)的快速以太網(wǎng)。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，以太網(wǎng)的傳輸速度也得到很大提高，從10Mbps逐漸發(fā)展到100Mbps、1000Mbps，甚至10Gbps也提上研究日程。2.1TCP/IP以太網(wǎng)的連接方式1、拓撲結(jié)構(gòu)總線型:所需的電纜較少、價格便宜、管理成本高，不易隔離故障點、采用共享的訪問機制，易造成網(wǎng)絡(luò)擁塞。早期以太網(wǎng)多使用總線型的拓撲結(jié)構(gòu)，采用同軸纜為傳輸介質(zhì)，連接簡單，通常在小規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)中不需要專用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，但由于它存在的固有缺陷，己經(jīng)逐漸被以集線器和交換機為核心的星型網(wǎng)絡(luò)所代替。星型:管理方便、容易擴展、需要專用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)的核心節(jié)點、需要更多的網(wǎng)線、對核心設(shè)的可靠性要求高。采用專用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(如集線器或交換機)作為核心節(jié)點，通過雙絞線將局域網(wǎng)中的各臺主機連接到核心節(jié)點上，這就形成了星型結(jié)構(gòu)。星型網(wǎng)絡(luò)雖然需要的線纜比總線型多，但布線和連接器比總線型的要便宜。此外，星型拓撲可以通過級聯(lián)的方式很方便的將網(wǎng)絡(luò)擴展到很大的規(guī)模，因此得到了廣泛的應(yīng)用，被絕大部分的以太網(wǎng)所采用。2、傳輸介質(zhì)以太網(wǎng)可以采用多種連接介質(zhì)，包括同軸纜、雙絞線和光纖等。其中雙絞線多用于從主機到集線器或交換機的連接，而光纖則主要用于交換機間的級聯(lián)和交換機到路由器間的點到點鏈路上。同軸纜作為早期的主要連接介質(zhì)已經(jīng)逐漸趨于淘汰。當(dāng)前以太網(wǎng)支畢業(yè)設(shè)計說明書第4頁持光纖和雙絞線媒體支持下的四種傳輸速率:10MbPs-10Base-Ethernet(802.3)100MbPs-FastEthernet(802.3u)1000MbPs-GigabitEthernet(802.3z)10GigabitEthernet-IEEE802.3ae2.2TCP/IP以太網(wǎng)的工作原理1、工作過程以太網(wǎng)采用帶沖突檢測的載波幀聽多路訪問(CSMA/CD)機制。以太網(wǎng)中節(jié)點都可以看到在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送的所有信息，因此，我們說以太網(wǎng)是一種廣播網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)以太網(wǎng)中的一臺主機要傳輸數(shù)據(jù)時，它將按如下步驟進行:(l)幀聽信道上收否有信號在傳輸。如果有的話，表明信道處于忙狀態(tài)，就繼續(xù)幀聽，直到信道空閑為止；(2)若沒有幀聽到任何信號，就傳輸數(shù)據(jù)；(3)傳輸?shù)臅r候繼續(xù)幀聽，如發(fā)現(xiàn)沖突則執(zhí)行退避算法，隨機等待一段時間后，重新執(zhí)行步驟1(當(dāng)沖突發(fā)生時，涉及沖突的計算機會發(fā)送一個擁塞序列2，以警告所有的節(jié)點)；(4)若未發(fā)現(xiàn)沖突則發(fā)送成功，計算機會返回到幀聽信道狀態(tài)；注意:每臺計算機一次只允許發(fā)送一個包，所有計算機在試圖再一次發(fā)送數(shù)據(jù)之前，必須在最近一次發(fā)送后等待9.6微秒(以10MbPs運行)。2、以太網(wǎng)協(xié)議以太網(wǎng)協(xié)議有兩種，一種是IEEE802.2/IEEE802.3，還有一種是以太網(wǎng)的封裝格式。一個標準的以太網(wǎng)物理傳輸幀由七部分組成，如表2.1所示。表2.1以太網(wǎng)物理傳輸幀結(jié)構(gòu)PRSDDASATYPEDATAFCS同步位分隔位目的地址源地址類型字段數(shù)據(jù)段幀校驗序列7166246-15004PR:同步位。用于收發(fā)雙方的時鐘同步，同時也指明了傳輸?shù)乃俾?，?6位的二進制數(shù)101010101010.。畢業(yè)設(shè)計說明書第5頁SD:分隔位。表示下面跟著的是真正的數(shù)據(jù)，而不是同步時鐘，為8位的10101011，跟同步位不同的是最后2位是11而不是10。DA:目的地址以太網(wǎng)的地址為48位(6個字節(jié))二進制地址，表明該幀傳輸給哪個網(wǎng)卡如果為FFFFFFFFFFFF，則是廣播地址，廣播地址的數(shù)據(jù)可以被任何網(wǎng)卡接收到。SA:源地址。48位，表明該幀的數(shù)據(jù)是哪個網(wǎng)卡發(fā)的，即發(fā)送端的網(wǎng)卡地址，同樣是6個字節(jié)。TYPE:類型字段。表明該幀的數(shù)據(jù)是什么類型的數(shù)據(jù)，不同的協(xié)議的類型字段不同。如:0x0800表示數(shù)據(jù)為IP包，0x0806表示數(shù)據(jù)為ARP包，0x814C是SNMP包，0X8137為IPX/SPX包，(小于0x0600的值是用于IEEE802的，表示數(shù)據(jù)包的長度)。DATA:數(shù)據(jù)段。該段數(shù)據(jù)不能超過1500字節(jié)。因為以太網(wǎng)規(guī)定整個傳輸包的最大長度不能超過1514字節(jié)(14字節(jié)為DA，SA，TYPE)。PAD:填充位。由于以太網(wǎng)幀傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包最小不能小于60字節(jié)，除去(DA，SA，TYPE14字節(jié))，還必須傳輸46字節(jié)的數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)不足46字節(jié)時，后面補0(也可以補其它值)。FCS:32位數(shù)據(jù)校驗位。為32位的CRC校驗，該校驗由網(wǎng)卡自動計算，自動生成，自動校驗，自動在數(shù)據(jù)段后面填入。由此可見，以太網(wǎng)幀除了數(shù)據(jù)段的長度不定外，其他部分的長度固定不變。整個傳輸包的最大長度不能超過1514字節(jié)(14字節(jié)為DA、SA、TYPE)，最小不能小于60字節(jié)。除去DA、SA、TYPE14字節(jié)，還必須傳輸46字節(jié)的數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)不足46字節(jié)時需填充；超過1500字節(jié)時，需拆成多個幀傳送。發(fā)送數(shù)據(jù)時，PR、SD、FCS及填充字段這幾個數(shù)據(jù)段由以太網(wǎng)控制器自動產(chǎn)生；而