uIP协议栈分析_协议栈

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uIP特性

uIP协议栈往掉了完整的TCP/IP中不常用的功能，简化了通讯流程，但保存了网络通讯必须使用的协议，设计重点放在了IP/TCP/ICMP/UDP/ARP这些网络层和传输层协议上，保证了其代码的通用性和结构的稳定性。

由于uIP协议栈专门为嵌进式系统而设计，因此还具有如下优越功能：

（1）    代码非常少，其协议栈代码不到6K，很方便阅读和移植。

（2）    占用的内存数非常少，RAM占用仅几百字节。

（3）    其硬件处理层、协议栈层和应用层共用一个全局缓存区，不存在数据的拷贝，且发送和接收都是依靠这个缓存区，极大的节省空间和时间。

（4）    支持多个主动连接和被动连接并发。

（5）    其源代码中提供一套实例程序：web服务器，web客户端，电子邮件发送程序(SMTP客户端)，Telnet服务器， DNS主机名解析程序等。通用性强，移植起来基本不用修改就可以通过。

（6）    对数据的处理采用轮循机制，不需要操纵系统的支持。

由于uIP对资源的需求少和移植轻易，大部分的8位微控制器都使用过uIP协议栈, 而且很多的著名的嵌进式产品和项目(如卫星，Cisco路由器，无线传感器网络)中都在使用uIP协议栈。

uIP架构

uIP相当于一个代码库，通过一系列的函数实现与底层硬件和高层应用程序的通讯，对于整个系统来说它内部的协议组是透明的，从而增加了协议的通用性。uIP协议栈与系统底层和高层应用之间的关系如图2－1所示。

    从上图可以看出，uIP协议栈主要提供了三个函数供系统底层调用。即uip_init(), uip_input() 和uip_periodic()。其与应用程序的主要接口是UIP_APPCALL( )。

uip_init()是系统初始化时调用的，主要初始化协议栈的侦听端口和默认所有连接是封闭的。

当网卡驱动收到一个输进包时，将放进全局缓冲区uip_buf中，包的大小由全局变量uip_len约束。同时将调用uip_input()函数，这个函数将会根据包首部的协议处理这个包和需要时调用应用程序。当uip_input()返回时，一个输出包同样放在全局缓冲区uip_buf里，大小赋给uip_len。假如uip_len是0，则说明没有包要发送。否则调用底层系统的发包函数将包发送到网络上。

uIP周期计时是用于驱动所有的uIP内部时钟事件。当周期计时激发，每一个TCP连接都会调用uIP函数uip_periodic()。类似于uip_input()函数。uip_periodic()函数返回时，输出的IP包要放到uip_buf中，供底层系统查询uip_len的大小发送。

由于使用TCP/IP的应用场景很多，因此应用程序作为单独的模块由用户实现。uIP协议栈提供一系列接口函数供用户程序调用，其中大部分函数是作为C的宏命令实现的，主要是为了速度、代码大小、效率和堆栈的使用。用户需要将应用层进口程序作为接口提供给uIP协议栈，并将这个函数定义为宏UIP_APPCALL()。这样，uIP在接受到底层传来的数据包后，在需要送到上层应用程序处理的地方，调用UIP_APPCALL( )。在不用修改协议栈的情况下可以适配不同的应用程序。

uIP在MCS-51单片机上的移植

1．为此项目建立一个keil C工程，建立src目录存放源文件。

2．通过阅读uip-1.0\unix\main.c，了解uIP的的主循环代码架构，并将main.c放到src目录下。

3．仿照uip-1.0\unix\tapdev.c写网卡驱动程序，与具体硬件相关。这一步比较费点时间，不过好在大部分网卡芯片的驱动程序都有代码鉴戒或移植。驱动需要提供三个函数，以RTL9019AS驱动为例。

etherdev_init（）：网卡初始化函数，初始化网卡的工作模式。

u16_t etherdev_read(void)：读包函数。将网卡收到的数据放进全局缓存区uip_buf中，返回包的长度，赋给uip_len。

void etherdev_send(void)：发包函数。将全局缓存区uip_buf里的数据（长度放在uip_len中）发送出往。

所以，收包和发包主要是操纵uip_buf和uip_len。具体驱动分析可参考《第三章  网络芯片的驱动》。

4．由于uIP协议栈需要使用时钟，为TCP和ARP的定时器服务。因此使用单片机的定时器0用作时钟，每20ms让计数TIck_cnt加1，这样，25次计数（0.5S）满了后可以调用TCP的定时处理程序。10S后可以调用ARP老化程序。对uIP1.0版本，增加了timer.c/timer.h，专门用来治理时钟，都放到src下。

5．uIP协议栈的主要内容在uip-1.0\uip\下的uip.c/uip.h中，放到src下。假如需要ARP协议，需要将uip_arp.c和uip_arp.h也放到src下。

6．uipopt.h/uip-cONf.h是配置文件，用来设置本地的IP地址、网关地址、MAC地址、全局缓冲区的大小、支持的最大连接数、侦听数、ARP表大小等。需要放在src下，并且根据需要配置。在V1.00版本中对配置做了如下修改：

（1）配置IP地址，默认先关IP，在初始化中再设定。

#define UIP_FIXEDADDR   0

#define UIP_IPADDR0     192

#define UIP_IPADDR1     168

#define UIP_IPADDR2     1 

#define UIP_IPADDR3     9

#define UIP_NETMASK0    255

#define UIP_NETMASK1    255

#define UIP_NETMASK2    255

#define UIP_NETMASK3    0  

#define UIP_DRIPADDR0   192

#define UIP_DRIPADDR1   168

#define UIP_DRIPADDR2   1 

#define UIP_DRIPADDR3   1  

（2）使能MAC地址

#define UIP_FIXEDETHADDR 1  

#define UIP_ETHADDR0    0x00 

#define UIP_ETHADDR1    0x4f

#define UIP_ETHADDR2    0x49

#define UIP_ETHADDR3    0x12

#define UIP_ETHADDR4    0x12 

#define UIP_ETHADDR5    0x13

（3）使能ping功能

#define UIP_PINGADDRCONF  1

（4）封闭主动请求连接的功能

#define UIP_ACTIVE_OPEN 0

（5）将uip_tcp_appstate_t定位u8_t类型。

（6）由于单片机是大端结构，因此宏定义需要修改

#define UIP_CONF_BYTE_ORDER      UIP_BIG_ENDIAN

（7）暂时不移植打印信息，先封闭

#define UIP_CONF_LOGGING     0

（8）定义数据结构类型

typedef unsigned char u8_t;

typedef unsigned int u16_t;

typedef unsigned long u32_t;

7． 假如使用keil C的小模式编译，需要在大部分的RAM的变量前增加xdata。

8．data为keil C的关键词，代码中所有出现data的地方（主要是参数、局部变量、结构体成员）改为pucdata或ucdata。

9．解决编译过程中的错误。uIP协议栈为C语言编写，编译过程中的题目比较少，并且轻易解决。 

uIP的主控制循环

通过实际的代码说明uIP协议栈的主控制循环。 
void main(void)

{

    timer_set(&periodic_timer, CLOCK_CONF_SECOND / 2);

    timer_set(&arp_timer, CLOCK_CONF_SECOND * 10);

    init_Timer();

    uip_init();

uip_arp_init();

    example1_init();

    etherdev_init();

    uip_ipaddr(ipaddr, 192,168,1,9);

    uip_sethostaddr(ipaddr);

    uip_ipaddr(ipaddr, 192,168,1,16);

    uip_setdraddr(ipaddr);

    uip_ipaddr(ipaddr, 255,255,255,0);

    uip_setnetmask(ipaddr);

    while(1)

    {

    uip_len = etherdev_read();

    if(uip_len > 0)

    {

        if(BUF->type == htons(UIP_ETHTYPE_IP))

        {

            uip_arp_ipin();

            uip_input();

            if(uip_len > 0)

        {

                uip_arp_out();

                etherdev_send();

            }

        }

        else if(BUF->type == htons(UIP_ETHTYPE_ARP)) {

         uip_arp_arpin();

             if(uip_len > 0)

         {

                 etherdev_send();

             }

      }

        }

        else if(timer_expired(&periodic_timer))

        {

        timer_reset(&periodic_timer);

        for(i = 0; i < UIP_CONNS; i++)

        {

           uip_periodic(i);

           if(uip_len > 0)

          {

              uip_arp_out();

              etherdev_send();

                }

          }         

          if(timer_expired(&arp_timer))

          {

             timer_reset(&arp_timer);

             uip_arp_timer();

          }

        }

  }

  return;

}

uIP协议栈提供的主要接口

提供的接口在uip.h中，为了减少函数调用造成的额外支出，大部分接口函数以宏命令实现的。

    1．初始化uIP协议栈：uip_init()

    2．处理输进包：uip_input()

    3．处理周期计时势件：uip_periodic()

    4．开始监听端口：uip_listen()

    5．连接到远程主机：uip_connect()

    6．接收到连接请求：uip_connected()

    7．主动封闭连接：uip_close()

    8．连接被封闭：uip_closed()

    9．发出往的数据被应答：uip_acked()

    10．在当前连接发送数据：uip_send()

    11．在当前连接上收到新的数据：uip_newdata()

    12．告诉对方要停止连接：uip_stop()

    13．连接被意外终止：uip_aborted()