基于TCP/lP嵌入式網關的IP地址遠程設置

摘要 提出一種全新的對嵌入式網關IP地址等網絡參數的設置方案及其具體實現方法。該方案通過在數據鏈路層架構協議，在網絡底層和嵌入式網關通信，既回避了在傳輸層之上通信必須知道IP地址和端口號的矛盾，又實現了網絡化設置和管理的目的。采用Winpcap開發包編寫服務囂端軟件，嵌入式網關添加必要的協議解析和服務器協同工作，真正建立一個快捷、便利的嵌入式網關參數設置的網絡化環境。
關鍵詞 嵌入式系統 以太網 IP地址 MAC地址 遠程設置

引 言
近年來，人們都把TCP/IP協議棧作必要裁減后移植到8位或16位微處理器上，完成嵌入式異型網關的構建(如北京英貝多EM2002系列網關，海華信網絡通等)，從而使不同類型的數據包可以通過透明傳輸接入到現有的IP網絡，自此開辟了網絡測控的新紀元。

嵌入式網關的運行必然遇到IP地址的設置問題。傳統的方案是在設備出廠前直接燒寫在Flash中，或利用串口本地設置，或在已知IP的前提下利用以太網口設置。上述方案繁瑣和不靈活，希望有一種靈活、便捷、全新的IP設置方案。通過對網絡各層協議的分析，實現一種在數據鏈路層完成對嵌入式網關IP遠程設置方案。該方案的優點集中表現在出廠無須固化IP、遠程動態設置、穿透子網、集中管理等。

1 技術對比
目前，實現嵌入式網關的設置模式主要有圖l所示的兩種：一是本地化，二是網絡化，但具體實現方法不同。為了描述方便，把用于設置的PC機定義為上位機，嵌入式網關定義為下位機。

(1)直接燒寫法
直接燒寫是在程序中給定1P、MAC地址端口號等參數，編譯后燒寫在Flash中。該方法明顯不夠靈活，每次修改都須重新編譯、重新下載。

(2)串口法
串口法是通過串口通信修改存儲在EEPROM中的IP地址等網絡參數。該方案較前一種有一定的靈活性，但由于RS 232的傳輸距離和網絡擴展難的限制，往往只能應用在一對一的本地設置

(3)已知lP遠程修改法
該方法可以達到網絡化管理的目的，但設備須在出廠前一一預設不同的IP地址才能完成建立在傳輸層之上的網絡通信。一般此時設置的IP不滿足具體網絡環境的要求，即意味著此次設置是一次不必要的重復勞動。

綜合上述方案的優缺點，提出在數據鏈路層架構協議，在網絡底層完成數據通信的方案，彌補了出廠前必須固化IP的不足，實現了在項目實施后統一對設備網絡化管理。該方案的優點還表現在由于其回避TCP/IP包，這樣在一個節點可修改位于不同子網中的任意嵌入式網關的IP地址。該方案的實質是省去了TCP、IP報頭，直接根據MAC地址完成目標主機的識別和通信。

2 實現原理
2.1 數據鏈路層幀格式的分析
由于網絡設備運行于Ethernet(以太網)，所以這里所涉及的數據鏈路層協議是指Ethernet的數據鏈路層協議。IEEE 802項目將數據鏈路層分為LLc(邏輯鏈路控制)層和MAC(介質訪問控制)層。LLC層包含數據幀中和終端用戶相關的部分，如邏輯地址、控制信息和數據;MAC層解決了共享介質的競爭問題，包含同步、標識、流量和差錯控制。IEEE802.3制定了支持LAN標準CSMA/CD訪問控制模式的Ethernet標準，其幀格式下：

2.2 幀格式的定義
通過對數據鏈路層幀格式的分析，不難發現在數據鏈路層包含了能惟一標識一臺主機的MAC地址。不需要ARP協議做IP和MAC地址映射，進而實現未知目的IP的鏈路層通信。

為了滿足實現對嵌人式網關的遠程設置要求，可根據Ethernet協議標準定義幀格式，且命名為RSF幀(Remote Set Frame)：

目的MAC地址，6字節；
源MAC地址，6字節；
幀類型(RSF=0801 IP=0800 ARP=0806 RARF=8035)，2字節；
OP操作選項(RSF query=01，RSF setIp=02，RSFreplyr=03)，2字節；
目的port，2字節；
發送端MAC地址，6字節；
發送端IP地址，4字節；
目的MAC地址，6字節；
目的IP地址，4字節；
設置結果，1字節。

該幀格式的定義類似于TCP/IP協議棧中的ARP協議幀，包含了以太網頭14個字節。幀類型，在該字段802項目定義的有效長的值與以太網的有效類型值無一相同，這樣可以區分這兩種幀的格式，這里設定該幀類型為0801，以區別于已定義的幀類型；OP操作碼，RSF query=01表示服務器發送的數據包用于查詢網絡中的嵌入式網絡設備的MAc地址，RsF setlp=02表示服務器發送的數據包用于設置嵌入式網絡設備的IP地址，RsF reply=03用于設置信息的返回；端口號是目的端預設置的端口號：剩下的20字節為發送端和目的端的IP和MAC地址。

3 具體實現
根據上述幀格式的定義和圖2所示的系統流程，分別在上位機和下位機添加相應的接口和功能模塊來實現。

上位機發出查詢下位機MAc地址的請求指令，下位機接收后響應請求，返回本地MAC地址；上位機為查詢到的不同MAc地址分配不同的IP地址之后發送設置IP請求；下位機接收后響應請求，并截取數據包中的信息來完成本地設置；最后上位機根據設置返回的狀態決定是否重新設置。其中給查詢到的MAc地址分配相應的IP地址，分為手工和自動方法。手工方法是由用戶根據自己的需要設置IP地址；自動方法是根據ip pool(ip池)原理來實現IP的自動分配。

3.1上位機部分
由于該方案旨在利用數據鏈路層協議來解決對嵌入式網關的IP遠程設置問題，就必然要求上位機編程要繞過位于第4層與第5層問的套接字編程接口(socket)。幸運的是，位于第2與第3層間的NDIs(網絡驅動器接口)提供了訪問網絡底層的能力。其優點在于屏蔽了下層各種網卡的差別，為上層提供了一個完備NDIS庫，可以完成原始數據包的捕獲，數據包的過濾，以及原始數據包的發送等強大的功能。另外，意大利的Fulvio Riss0、LorisDegioanni等專家開發了一個Windows平臺下免費公共的網絡訪問系統，并提供Winpcap開發包，方便地提供了一個訪問網絡底層的接口。

尋找到訪問網絡底層的編程接口后，只需要定義相應的數據包結構，并調用庫中發包函數就能完成原始數據包的接收和發送功能。這里只給出關鍵的數據結構的定義代碼。

以太網頭的數據結構：
Typedef structtag DLCHeader {
unsigned char DesMAC[6]； //以太網目的地址
unsigned char srcMAC[6]； //以太網源地址
unsigned short Etherype； //幀類型
)；
RSF幀結構：
typedef struct tagRSFFrame
{unsigned short opcode； //操作碼
unsigned short Prot //目標端口號
unsigned char Send_HW_Addr[6]；//發送端以太網地址
unsigned long Send_Prot_Addr； //發送端IP地址
unsigned char Targ_HW_Addr[6]；//目的以太網地址
unsigned long Targ_Prot_Addr； //目的lP地址
unsigned char ReturnValue //設置結果
}；
RSF包結構：
typedef struct tagRSFPacket{
DLCHEADER dlcHeader；
RSFFRAME rsfFrame；
}；

3.2 下位機部分
嵌入式網關的實現關鍵在于TCP/IP協議棧的實現。目前主要有TCP/IP的軟移植(如ulP TCP/IP的移植)、硬移植(主要由專業芯片實現)和嵌入式系統自帶TCP/IP協議棧。如果是利用嵌入式系統來實現嵌人式網關，就必須對操作系統內核驅動作相應的改動。這里只重點介紹TCP/IP在微處理器上軟移植的情況。在這種情況，只要在數據鏈路層模塊中添加幀的識別和處理功能模塊，就可以獲得數據幀中的IP地址等數據，并對本地IP進行設置。具體設置是調用對EEPROM的讀寫程序模塊來完成的，關鍵代碼如下：
void eth_rcve(UCHAR xdata*inbuf)//數據鏈路層接收模塊
{ ……
switch(etb->frame-type)
{ ……
case RSF_PACKET：//在原協議棧中添加自定義協議調用修改本地IP模塊； break;
case ARP_PACKET：調用ARP處理模塊； break；
……

}
}
void eth_send(UCHAR xdata*outbuf，UCHAR*hwaddr，UINT ptype，UINT Ien)//數據鏈路層發送模塊
{……}

結語
通用計算機數據鏈路層自定義幀的實現，可應用于解決嵌入式網絡設備的遠程設置問題，改進了過去嵌入式網絡設備IP地址使用直接燒寫或串口本地配置等方法。該方案的特點是繞開了套接字編程，直接將上位機與下位機的通信建立在數據鏈路層的基礎之上。相對于依靠上層協議通信，在數據鏈路層直接通信，可以避開上層協議的約束，從而達到對網絡數據更直接和靈活處理的目的。