IPv6的嵌入式设计与实现

　　摘要: 随着网络的发展，新的IPv6协议可以更好地满足嵌入式系统对联网功能的需求，在嵌入式系统中实现IPv6协议有着良好的应用前景，因此着重研究了如何对复杂的TCP/IPv6 协议栈进行精简，并提出了一套可行的方案，此方案能够适应嵌入式系统的需要，然后用软件实现嵌入式系统中的精简的TCP/IPv6 协议栈，模块之间能够互相通信。

　　引言

　　随着嵌入式系统应用的快速发展，为实现对其他设备的控制、监视或管理等功能，需要将嵌入式设备连入互联网，以便于远程控制和监测。为将嵌入式设备连入互联网，需要有通信模块实现通信协议。目前嵌入式设备能够通过主流的TCP/IP 协议可直接与外网连接。然而随着网络规模的日益扩大、上网设备和人数的激增，目前采用的IPv4逐渐接近其自身发展的极限，其中比较显著的问题是IP 地址资源的不足。IPv6[1] 采用长度为128 位的地址，地址空间几乎可以视为无限，IPv6不仅完全地解决了地址短缺问题，还对在IPv4 中解决不好的其他问题(如，端到端IP连接、服务质量、安全性、移动性等方面）进行了改进。IPv6成为嵌入式设备进行网络互连的。

　　1 嵌入式系统中TCP/IPv6 协议栈的特点与设计

　　1.1 嵌入式系统中TCP/IPv6 协议栈的特点

　　嵌入式系统不同于普通系统，它在硬件资源的占有量以及处理器的处理能力等方面受到限制，因此TCP/IP 协议栈在嵌入式系统与其在通用操作系统中的实现有很大不同。对于嵌入式系统而言，考虑到TCP/IP协议的复杂性以及嵌入式系统自身资源的有限，对TCP/IP 的实现并不是一件容易的事情[2]。因此就需要对原本复杂的TCP/IPv6 协议栈的实现进行精简。嵌入式IPv6 协议栈独立于嵌入式设备的操作，代码空间小、移植性好，可以在无法承载操作系统的小存储空间的嵌入式设备上实施，以实现这些设备间的基本网络功能。

　　1.2 嵌入式系统中TCP/IPv6 协议栈的设计

　　芯片采用挪威Chipcon 公司推出的符合2.4GHz IEEE802.15.4 标准的射频收发器CC2420[3] 。该协议栈要实现TCP/IPv6 协议栈的基本功能，运行于无线网环境下。底层协议采用IEEE 802.15 工作组制定的802.15.4 协议，802.15.4 协议是一个短距离的无线通信标准。网络层支持TCP、ICMPv6 协议，不实现UDP 协议。

　　1.2.1 网络接口层

　　网络接口层是TCP/IPv6 协议栈与以太网设备的驱动程序之间的接口。一方面，它将从网卡接收到的数据提交给上层网络层协议软件处理;另一方面，它将从网络层接收来的数据传送给网卡驱动。接口函数介绍如下:

　　（1）初始化函数

　　初始化函数InitNi（)负责实现网络接口层以及下层的物理设备驱动程序的初始化。主要包括以太网控制器的上电复位、MAC 地址的配置、收发缓冲环首尾地址的配置以及DMA 的初始化和收发数据格式的定义等。

　　（2）发送函数

　　在发送数据时，网络接口层发送函数Send_Ethernet_Frame()负责接收IP协议产生的数据，将其封装成以太网数据帧后，调用下层的Send_ Packet()函数实现发送。Send_Packet()函数实现的是把以太网数据帧通过远程DMA 通道送到RTL8019AS 中的发送缓存区，然后再启动本地DMA，将数据发送网上。

　　（3）接收函数

　　在接收数据时，网络接口层接收函数Rec_Ethernet_Packed( )被下层以太网驱动程序的数据接收函数Rec_Packet()调用。Rec_Ethernet_Packed()的作用根据以太类型值，调用不同的函数，同时去除以太帧的头部，将正确的IPv6 数据从NIC 的数据缓冲区内发送到ARM 的接收缓冲区内。Rec_Packet()函数通过读取RTL8019AS的当前寄存器CURR(写寄存器)和边界寄存器BNRY(读寄存器)的值来确定是否有新数据的到来，若有新数据到来，则设置数据地址和数据长度，然后启动远程DMA 将接收缓冲环中的以太网帧送交给上层。

　　2 嵌入式TCP/IPv6 协议栈的实现

　　2.1 嵌入式TCP/IPv6 协议栈处理流程

　　如图1 所示，嵌入式TCP/IPv6 协议接收数据包的过程就是解析数据包的过程。首先由底层处理函数解析数据包，根据类型，将去掉帧首部的数据包分配到缓冲区BUF 中，接着由IP 协议处理程序继续解析。IP 协议处理程序对数据包解析后，将数据交给TCP 或ICMPv6 协议处理程序。嵌入式TCP/IPv6 协议栈发送数据包的过程是封装数据包的过程，数据经过某层协议的处理，就会在数据包首部增加某种格式的首部。

　　2.2 软件实现

　　首先做如下类型定义：

　　#define PROTO_ICMP 58 #define PROTO_TCP 6 #define ICMP_ECHO_REPLY 129 #define ICMP_ECHO 128 芯片接收到数据包后，放入缓冲区BUF 中交由上层协议处理。然后对数据包进行判断。过程下：for(c=0;c<8;c++)

　　if(BUF->destipaddr[c] != hostaddr[c])

　　{  STAT(++stat.ip.drop);

　　goto drop; } 接收数据包后，检查下一个报头中的协议类型，如果是TCP 或ICMP 协议，则分别转向其处理程序，否则丢弃。

　　if(BUF->proto == PROTO_TCP) /* Check for TCP packet.If so,jump to the tcp_input label.*/

　　goto tcp_input;

　　if(BUF->proto = PROTO_ICMP) /*Check for ICMP packet.If so,jump to the icmp_input label.*/ goto icmp_input; goto drop;

　　3 IPv6 在ARM 中的移植

　　IPv6协议栈在设计时就考虑到了移植问题，已把所有与硬件、OS、编译器相关的部分独立出来[4]。因此，IPv6 在本文研究的系统中的移植就是针对LPC2210 硬件平台、uC/OS-II 操作系统和ADS1.2 的编译器对其进行相应的修改。

　　1 数据类型定义

　　IPv6 的数据定义应该与uC/OS-II 定义的数据长度类型是一致的。

　　typedef unsigned char uint8;/* 无符号8 位整型变量*/

　　typedef signed char int8;/* 有符号8 位整型变量*/

　　typedef unsigned short uintl6;/* 无符号16 位整型变量*/

　　typedef signed short int16;/* 有符号16 位整型变量*/

　　typedef unsigned int uint32;/* 无符号32 位整型变量*/

　　typedef signed int int32;/*有符号32位整型变量*/

　　typedef float fp32;/* 单浮点数(32 位长度)*/

　　typedef double fp64;/* 双浮点数(64 位长度)*/

　　2 操作系统相关部分

　　（1）信号量

　　IPv6 中需要使用信号量进行同步。信号量实际上是一种约定机制，在多任务内核中普遍使用。信号像是一把钥匙，任务要运行下去，得先拿到这把钥匙。如果信号已被别的任务占用，该任务被挂起，直到信号被当前使用者释放。一般地说，对信号量只能实施三种操作:初始化(也可称作建立)、等信号(也可称作挂起)、给信号或发信号。信号量初始化时要给信号量赋初值，等待信号量的任务表应清为空。想要得到信号量的任务执行等待操作。如果该信号量有效(即信号量值大于0)，则信号量值减1，任务得以继续运行。如果信号量的值为0,等待信号量的任务就被列入等待信号量任务表。多数内核允许用户定义等待超时，如果等待时间超过了某一设定值时，该信号量还是无效，则等待信号量的任务进入就绪态准备运行，并返回出错代码(指出发生了等待超时错误)。任务以发信号操作释放信号量。如果没有任务在等待信号量，信号量的值仅仅是简单地加1。如果有任务在等待该信号量，那么就会有一个任务进入就绪态，信号量的值也就不加1。于是，钥匙给了等待信号量的诸任务中的等待信号量任务中优先级的任务、信号量处理函数:

　　OSSemCreate / * 创建一个信号量* /

　　OSSemDel()/* 删除信号量*/

　　OSSemPend()/* 等待信号量*/

　　OSSemPost()/* 发送信号量*/

　　(2) 消息队列

　　消息队列用于给任务发消息。通过内核提供的服务、任务或中断服务子程序可以将一条消息(该消息的指针)放入消息队列。同样，一个或多个任务可以通过内核服务从消息队列中得到消息。发送和接收消息的任务约定，传递的消息实际上是传递的指针指向的内容。通常，先进入消息队列的消息先传给任务[5]，也就是说，任务先得到的是入消息队列的消息，即先进先出原则(FIFO)。然而,uC/OS-II也允许使用后进先出方式(LIFO)。当一个以上的任务要从消息队列接收消息时，每个消息队列有一张等待消息任务的等待列表。如果消息队列中没有消息，即消息队列是空，等待消息的任务就被挂起并放入等待消息任务列表中，直到有消息到来。通常，内核允许等待消息的任务定义等待超时的时间。如果限定时间内，任务没有收到消息，该任务就进入就绪态并开始运行，同时返回出错代码，指出出现等待超时错误。一旦一则消息放入消息队列，该消息将传给等待消息的任务中优先级的那个任务，或是入等待消息任务列表的任务。

　　2.3 库函数的实现

　　IPv6 协议栈中用到了6 个外部函数，这些函数通常与用户使用的系统或编译器有关。返回字符串长度、字符串比较、内存数据块之间的互相拷贝和内存中指定长度的数据块清零，4 个函数已由ADS1.2 中的运行时库提供，不需要再编写。因为网络数据采用的是大端数据存储[6] ， 而LPC2210 是工作在小端，所以，在存取网络数据时要进行字节的交换。下面两个简单的函数需要实现: uintl6 swapw( uintl6 n); //16位数据高低字节交换

　　{ return(((n＜＜8)&0xff00)}((n＞＞8)&0x00ff)); } uint32 swapl(uint32 n)；//32 位数据大小头对调{ return(((n ＜＜ 24 & 0xff000000L) ) ((n +8) & 0x00ff0000L) ( ( n ＞＞ 8 ) & 0x0000ff00L) ( ( n ＞＞ 2 4 )&0x000000ffL)); }

　　3 结束语

　　该文详细描述了在嵌入式系统中如何实现IPv6 协议栈，使得在资源有限的嵌入式系统中实现IPv6 协议栈具有可能， 随着IPv6 技术及嵌入式技术的不断发展,可以用微型网关、微型路由器实现嵌入式网与互联网的通信,并终使IPv6 技术应用于工业控制、家庭网络等各个领域.

　　本文作者创新点: 通过分析IEEE 802.15.4 和IPv6 协议，在保证实现网络基本功能的前提下，着重研究了如何对复杂的TCP/IPv6 协议栈进行精简，并提出了一套可行的方案，此方案能够适应嵌入式系统的需要，然后用软件实现嵌入式系统中的精简的TCP/IPv6 协议栈，模块之间能够互相通信。