基于avr單片機的網絡智能家居系統-資料下載頁

　　

【正文】 是由底層的IP協議和TCP協議組成的。TCP/IP協議的開發工作始于70年代，是用于互聯網的第一套協議。TCP/IP協議的開發研制人員將Internet分為五個層次，以便于理解，它也稱為互聯網分層模型或互聯網分層參考模型，如下圖： TCP/IP協議層次圖1. 物理層：對應于網絡的基本硬件，這也是Internet物理構成，即我們可以看得見的硬件設備，如PC機、互連網服務器、網絡設備等，必須對這些硬件設備的電氣特性作一個規范，使這些設備都能夠互相連接并兼容使用。2. 網絡接口層：模型的基層是網絡接口層。負責數據幀的發送和接收，幀是獨立的網絡信息傳輸單元。網絡接口層將幀放在網上，或從網上把幀取下來。3. 互聯網層：互聯協議將數據包封裝成internet數據報，并運行必要的路由算法。這里有四個互聯協議：1. 網際協議IP：負責在主機和網絡之間尋址和路由數據包。2. 地址解析協議ARP：獲得同一物理網絡中的硬件主機地址。3. 網際控制消息協議ICMP：發送消息，并報告有關數據包的傳送錯誤。4. 互聯組管理協議IGMP：被IP主機拿來向本地多路廣播路由器報告主機組成員。4. 傳輸層：傳輸協議在計算機之間提供通信會話。傳輸協議的選擇根據數據傳輸方式而定。 兩個傳輸協議： 5. 傳輸控制協議TCP：為應用程序提供可靠的通信連接。適合于一次傳輸大批數據的情況。并適用于要求得到響應的應用程序。 6. 用戶數據報協議UDP：提供了無連接通信，且不對傳送包進行可靠的保證。適合于一次傳輸小量數據，可靠性則由應用層來負責。7. 應用層：它定義了應用程序使用互聯網的規程。 網絡接口層設計由于ENC28J60芯片本身就是提供了物理層，所以用戶可以從網絡接口層開始設計應用程序。如上文所述，ENC28J60提供了MAC幀的收發功能，上層接口在調用時必須遵照ENC28J60的規范來填充MAC幀。ENC28J60的MAC幀規范如下圖： ENC28J60的MAC幀規范圖符合IEEE 標準的以太網幀的長度一般介于64 字節與1518 字節之間。它們由五個或六個不同的字段組成，這些字段分別是：目標MAC 地址、源MAC 地址、類型/ 長度字段、數據有效負載、可選的填充字段和循環冗余校驗（Cyclic Redundancy Check，CRC）字段。另外，當通過以太網介質發送數據包時，一個7 字節的前導字段和一個字節的幀起始定界符將被附加到以太網數據包的開頭。前導字段/ 幀起始定界符：當使用ENC28J60 發送數據時，將自動生成前導字段和幀起始定界符字節；當使用ENC28J60 接收數據時，將自動從數據包剝離前導字段和幀起始定界符字節。主控制器無需介入對它們的處理。通常，主控制器也無需介入對填充和CRC 的處理，因為ENC28J6 也將在發送數據時自動生成它們，在接收數據時對它們進行自動校驗。然而，當數據包到達時，填充和CRC 字段將被寫入接收緩沖器，所以必要時主控制器可以對它們進行評估。目標地址：目標地址字段是一個六字節的字段，裝有數據包發往的設備的MAC 地址。如果MAC 地址中第一個字節的最低有效位為1，則該地址是組播目標地址。例如，01000000F000 和33456789ABCD 是組播地址，而00000000F000 和32456789ABCD 不是組播地址。帶有組播目標地址的數據包將被送達一組選定的以太網節點。如果目標地址字段是保留的組播地址FFFFFFFFFFFF，則該數據包是廣播數據包，它將被發送給共享該網絡的每一個節點。如果MAC 地址中第一個字節的最低有效位為0，則該地址是單播地址，數據包將僅供具有該地址的節點使用。ENC28J60 具有一個接收過濾器，它可以用來丟棄或接收具有組播、廣播和/ 或單播目標地址的數據包。發送數據包時，主控制器負責將所需的目標地址寫入發送緩沖器。源地址：源地址字段是一個六字節的字段，裝有創建該以太網數據包的節點的MAC 地址。ENC28J60 的用戶必須為每個控制器生成一個惟一的MAC 地址。MAC地址由兩個部分組成。前三個字節稱為組織惟一標識符（Organizationally Unique Identifier，OUI）。OUI由IEEE 分配。后三個字節是由購買該OUI 的公司定義的地址字節。發送數據包時，主控制器必須將分配的源MAC 地址寫入發送緩沖器。ENC28J60 將不會自動發送MAADR 寄存器的內容，MAADR 寄存器供單播接收過濾器和單播WOL 過濾器使用。類型/長度：類型/ 長度字段是一個兩字節的字段，它定義其后的數據包屬于何種協議。另外，如果該字段被填充的數值小于等于05DCh （1500），則該字段將被視為一個長度字段，它指定數據字段中非填充數據的長度。實現專用網絡的用戶可以選擇將此字段用作長度字段，而使用諸如Internet 協議（Internet Protocol，IP）或地址解析協議（Address Resolution Protocol， ARP）的應用在發送數據包時，需將此字段編程為由協議規范所定義的相應類型。數據：數據字段的長度可在0 與1500 字節之間變化。超過這個范圍的數據包是違反以太網標準的，它將被大多數以太網節點丟棄。然而，當巨大幀使能位被置1（ = 1）時，ENC28J60 能夠發送和接收超大規格的數據包。填充：這一部分由芯片本身生成，用戶可以不必理會。CRC：CRC 字段是一個四字節字段，它包含一個行業標準的32 位CRC 值，該CRC 值是通過對目標、源、類型、數據和填充字段中的數據進行計算得出的。當接收數據包時，ENC28J60 將檢查每個傳入數據包的CRC。 位置1，將自動丟棄具有無效CRC 的數據。如果CRCEN 清零并且該數據包符合除CRC 外所有其他的接收過濾條件，則該數據包將被寫入接收緩沖器，主控制器將通過讀取接收狀態向量來確定該CRC 是否有效。當發送數據包時， ENC28J60 將自動生成一個有效的CRC 并發送它。否則，必須由主控制器生成CRC，并將它放在發送緩沖器中。鑒于計算CRC 的復雜性，強烈建議對PADCFG 位進行配置從而使ENC28J60 自動生成CRC 字段。MAC幀的編程接口如下：//初始化ENC28J60extern void ENC28J60_Init(unsigned char *macAddr)。//發包extern void ENC28J60_PacketSend(unsigned char *packet, unsigned short len)。//收包extern unsigned short ENC28J60_PacketReceive(unsigned char *packet, unsigned short maxLen)。要在網絡上通信，主機就必須知道對方主機的硬件地址。地址解析就是將主機IP地址映射為硬件地址的過程。地址解析協議ARP用于獲得在同一物理網絡中的主機的硬件地址。解釋本地IP地址主機IP地址解析為硬件地址： 1) 當一臺主機要與別的主機通信時，初始化ARP請求。當該IP斷定IP地址是本地時，源主機在ARP緩存中查找目標主機的硬件地址。2) 要是找不到映射的話，ARP建立一個請求，源主機IP地址和硬件地址會被包括在請求中，該請求通過廣播，使所有本地主機均能接收并處理。3) 本地網上的每個主機都收到廣播并尋找相符的IP地址。4) 當目標主機斷定請求中的IP地址與自己的相符時，直接發送一個ARP答復，將自己的硬件地址傳給源主機。以源主機的IP地址和硬件地址更新它的ARP緩存。源主機收到回答后便建立起了通信。解析遠程IP地址 不同網絡中的主機互相通信，ARP廣播的是源主機的缺省網關。目標IP地址是一個遠程網絡主機的話，ARP將廣播一個路由器的地址。1) 通信請求初始化時，得知目標IP地址為遠程地址。源主機在本地路由表中查找，若無，源主機認為是缺省網關的IP地址。在ARP緩存中查找符合該網關記錄的IP地址(硬件地址)。2) 若沒找到該網關的記錄，ARP將廣播請求網關地址而不是目標主機的地址。路由器用自己的硬件地址響應源主機的ARP請求。源主機則將數據包送到路由器以傳送到目標主機的網絡，最終達到目標主機。3) 在路由器上，由IP決定目標IP地址是本地還是遠程。如果是本地，路由器用ARP(緩存或廣播)獲得硬件地址。如果是遠程，路由器在其路由表中查找該網關，然后運用ARP獲得此網關的硬件地址。數據包被直接發送到下一個目標主機。4) 目標主機收到請求后，形成ICMP響應。因源主機在遠程網上，將在本地路由表中查找源主機網的網關。找到網關后，ARP即獲取它的硬件地址。5) 如果此網關的硬件地址不在ARP緩存中，通過ARP廣播獲得。一旦它獲得硬件地址，ICMP響應就送到路由器上，然后傳到源主機。ARP緩存 為減少廣播量，ARP在緩存中保存地址映射以備用。ARP緩存保存有動態項和靜態項。動態項是自動添加和刪除的，靜態項則保留在CACHE中直到單片機重新啟動。ARP緩存總是為本地子網保留硬件廣播地址(0xffffffffffffh)作為一個永久項。此項使主機能夠接受ARP廣播。當查看緩存時，該項不會顯示。每條ARP緩存記錄的生命周期為255，每個運行周期自動減少生存周期1。緩存容量滿時，刪除最老的記錄。加入靜態(永久)記錄 通過添加靜態ARP項可減少ARP請求訪問主機的次數。 ARP包的結構 ARP結構的字段如下： 硬件類型使用的硬件(網絡訪問層)類型。 協議類型解析過程中的協議使用以太類型的值。 硬件地址長度硬件地址的字節長度，對于以太網和令牌環來說，其長度為6字節。 協議地址長度協議地址字節的長度，IP的長度是4字節。 操作號指定當前執行操作的字段。 發送者的硬件地址發送者的硬件地址。 發送者的協議地址發送者的協議地址。 目的站硬件地址目標者的硬件地址。 目的站協議地址目標者的協議地址。ARP層的編程接口如下：//初始化ARPextern void ARP_Init(void)。//ARP請求extern void ARP_Request(unsigned char *dstIpAddr)。//處理ARP請求extern void ARP_Process(void)。//ARP響應extern void ARP_Reply(void)。//搜索ARP表,成功則返回MAC地址,pos返回該項在ARP表中的索引,失敗返回NULLextern unsigned char *ARP_FindArpTable(unsigned char *ip, unsigned char *pos)。//更新ARP表生存周期extern void ARP_UpdateArpTable(void)。互聯網層還包括IP協議的規范，之后上層所有協議的收發實質上都是調用IP包的收發方法。IP是一個無連接的協議，主要就是負責在主機間尋址并為數據包設定路由，在交換數據前它并不建立會話。因為它不保證正確傳遞，另一方面，數據在被收到時，IP不需要收到確認，所以它是不可靠的。 有一些字段，在當數據從傳輸層傳下來時，會被附加在數據包中，我們來看一下這些字段： 源IP地址：用IP地址確定數據報發送者。 目標IP地址：用IP地址確定數據報目標。 協議：告知目的機的IP是否將包傳給TCP或UDP。 檢查和：一個簡單的數學計算，用來證實收到的包的完整性。 TTL生存有效時間：指定一個數據報被丟棄之前，在網絡上能停留多少時間(以秒計)。它避免了包在網絡中無休止循環。路由器會根據數據在路由器中駐留的時間來遞減TTL。其中數據報通過一次路由器，TTL至少減少一秒。 根據我們前面提到關于ARP的知識，如果IP地址目標為本地地址時，IP將數據包直接傳給那個主機；如果目標地址為遠程地址的話，IP在本地的路由表中查找遠程主機的路由(看來好象我們平時撥114一樣)。如果找到一個路由，IP用它傳送數據包。如果沒找到呢，就會將數據包發送到源主機的缺省網關，也稱之為路由器。 這樣當路由器收到一個包后，該包向上傳給IP： 1) 如果交通阻塞，包在路由器中停滯，TTL至少減1或更多。要是它降到0的話，包就會被拋棄。 2) 如果對于下一網絡來說包太大的話，IP會將它分割成若干個小包。 3) 如果包被分解，IP為每個新包制造一個新頭，其中包括：一個標志，用來顯示其它小包在其后；一個小包ID，用來確定所有小包是一起的；一個小包偏移，用來告訴接收主機怎么重新組合它們。 4) IP計算一個新的檢驗和。 5) IP獲取一個路由的目標硬件地址。 6) IP轉發包。 在下一主機，包被發送到TCP或UDP。每個路由器都要重復該過程。直到包到達最終目的地。當包到達最終目的地后，IP將小包組裝成原來的包。IP包的編程接口如下：//IP層校驗和extern unsigned short IP_Chksum(unsigned char *buf, unsigned short len, unsigned char pro)。//填充IP包頭extern void IP_FillIpHead(unsigned char *srcIp, unsigned char *dstIp, unsigned short packetLen, unsigned char pro)。首先說明幾個問題：1) 由于AVR單片機的存儲空間比較小，所以不適合把整個TCP/IP協議棧全部放入單片機。即便是ARM處理器的系統，也需要酌情處理，一般也不會把完整的TCP/IP棧全部放入。所以本系統中，只是用最簡練的方法收編了UDP數據報協議。2) 本系統中也可以很方便地移植一個HTTP服務器，用來做簡單的Web服