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,，似乎所有電器都需要連入互聯(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" title="網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧">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,。
　　目前有兩個關(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)得尤為突出,。
　　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)和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)為代表的下一代網(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,、不同的機器甚至不同的構(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間盡可能短,；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,，在遇到大數(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)，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)際協(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?；谇度胧絎eb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，在嵌入式IP中,，為了減少代碼規(guī)模,，未引入選路功能,。
2.2.3 網(wǎng)際控制報文協(xié)議ICMP
　　在嵌入式TCP/IP協(xié)議棧中，只處理一種ICMP消息類型：ICMP回送消息,。ICMP回復(fù)消息經(jīng)常被用來調(diào)用ping程序測試對方主機是否在線,。在嵌入式TCP/IP協(xié)議棧中，ICMP回送消息用一種十分簡單的方式實現(xiàn),，即將ICMP類型的字段由“echo”類型改變?yōu)椤癳cho reply”類型,。改變IP首部的IP地址，將數(shù)據(jù)包送回發(fā)送者,。
2.2.4 傳輸控制協(xié)議TCP
　　TCP協(xié)議是面向連接的,、端到端的可靠通信協(xié)議。它采用了許多機制保證傳輸可靠性,，應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)顯得過于復(fù)雜,。在嵌入式TCP/IP協(xié)議棧中，為了減少存儲空間的占用,，沒有引入發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的可靠窗口機制,。通常，嵌入式Web服務(wù)器處于被動服務(wù)狀態(tài),，所以可以將標(biāo)準(zhǔn)TCP有限狀態(tài)機的主動創(chuàng)建連接的SYN SENT狀態(tài),、主動關(guān)閉連接的FIN WAIT1、FIN WAIT2,、CLOSING,、TIME WAIT狀態(tài)裁剪。設(shè)計中還去掉了LISTENING狀態(tài),，使它在CLOSED狀態(tài)下就處于偵聽狀態(tài),，監(jiān)聽客戶端的連接請求。這樣避免了主動或被動打開及關(guān)閉的操作,，使嵌入式TCP/IP協(xié)議棧更精簡,。嵌入式TCP/IP中到達TCP段的數(shù)據(jù)不被緩存，應(yīng)用程序必須立即處理它,。當(dāng)然,，這并不阻止應(yīng)用層緩存數(shù)據(jù)。每次連接在發(fā)送數(shù)據(jù)時,，無法同時處理多于一個的TCP 段,。TCP協(xié)議的實現(xiàn)原理比較復(fù)雜，在嵌入式TCP/IP協(xié)議中,，實現(xiàn)TCP 協(xié)議是一個最關(guān)鍵的問題,。
2.2.5 構(gòu)件化的協(xié)議棧
　　采用構(gòu)件化方法實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的關(guān)鍵是：
　　(1)如何劃分構(gòu)件的粒度。需要根據(jù)用戶的需要決定，如果用戶是開發(fā)一個新的協(xié)議棧,，可以采用大粒度的構(gòu)件劃分方式(如圖2所示),，即把整個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧作為一個大的構(gòu)件，繼承預(yù)先定義的構(gòu)件,。