基于TCP/lP嵌入式网关的IP地址远程设置

摘要 提出一种全新的对嵌入式网关IP地址等网络参数的设置方案及其具体实现方法。该方案通过在数据链路层架构协议，在网络底层和嵌入式网关通信，既回避了在传输层之上通信必须知道IP地址和端口号的矛盾，又实现了网络化设置和管理的目的。采用Winpcap开发包编写服务嚣端软件，嵌入式网关添加必要的协议解析和服务器协同工作，真正建立一个快捷、便利的嵌入式网关参数设置的网络化环境。
关键词 嵌入式系统 以太网 IP地址 MAC地址 远程设置

引 言
近年来，人们都把TCP/IP协议栈作必要裁减后移植到8位或16位微处理器上，完成嵌入式异型网关的构建(如北京英贝多EM2002系列网关，海华信网络通等)，从而使不同类型的数据包可以通过透明传输接入到现有的IP网络，自此开辟了网络测控的新纪元。

嵌入式网关的运行必然遇到IP地址的设置问题。传统的方案是在设备出厂前直接烧写在Flash中，或利用串口本地设置，或在已知IP的前提下利用以太网口设置。上述方案繁琐和不灵活，希望有一种灵活、便捷、全新的IP设置方案。通过对网络各层协议的分析，实现一种在数据链路层完成对嵌入式网关IP远程设置方案。该方案的优点集中表现在出厂无须固化IP、远程动态设置、穿透子网、集中管理等。

1 技术对比
目前，实现嵌入式网关的设置模式主要有图l所示的两种：一是本地化，二是网络化，但具体实现方法不同。为了描述方便，把用于设置的PC机定义为上位机，嵌入式网关定义为下位机。

(1)直接烧写法
直接烧写是在程序中给定1P、MAC地址端口号等参数，编译后烧写在Flash中。该方法明显不够灵活，每次修改都须重新编译、重新下载。

(2)串口法
串口法是通过串口通信修改存储在EEPROM中的IP地址等网络参数。该方案较前一种有一定的灵活性，但由于RS 232的传输距离和网络扩展难的限制，往往只能应用在一对一的本地设置

(3)已知lP远程修改法
该方法可以达到网络化管理的目的，但设备须在出厂前一一预设不同的IP地址才能完成建立在传输层之上的网络通信。一般此时设置的IP不满足具体网络环境的要求，即意味着此次设置是一次不必要的重复劳动。

综合上述方案的优缺点，提出在数据链路层架构协议，在网络底层完成数据通信的方案，弥补了出厂前必须固化IP的不足，实现了在项目实施后统一对设备网络化管理。该方案的优点还表现在由于其回避TCP/IP包，这样在一个节点可修改位于不同子网中的任意嵌入式网关的IP地址。该方案的实质是省去了TCP、IP报头，直接根据MAC地址完成目标主机的识别和通信。

2 实现原理
2.1 数据链路层帧格式的分析
由于网络设备运行于Ethernet(以太网)，所以这里所涉及的数据链路层协议是指Ethernet的数据链路层协议。IEEE 802项目将数据链路层分为LLc(逻辑链路控制)层和MAC(介质访问控制)层。LLC层包含数据帧中和终端用户相关的部分，如逻辑地址、控制信息和数据;MAC层解决了共享介质的竞争问题，包含同步、标识、流量和差错控制。IEEE802.3制定了支持LAN标准CSMA/CD访问控制模式的Ethernet标准，其帧格式下：

2.2 帧格式的定义
通过对数据链路层帧格式的分析，不难发现在数据链路层包含了能惟一标识一台主机的MAC地址。不需要ARP协议做IP和MAC地址映射，进而实现未知目的IP的链路层通信。

为了满足实现对嵌人式网关的远程设置要求，可根据Ethernet协议标准定义帧格式，且命名为RSF帧(Remote Set Frame)：

目的MAC地址，6字节；
源MAC地址，6字节；
帧类型(RSF=0801 IP=0800 ARP=0806 RARF=8035)，2字节；
OP操作选项(RSF query=01，RSF setIp=02，RSFreplyr=03)，2字节；
目的port，2字节；
发送端MAC地址，6字节；
发送端IP地址，4字节；
目的MAC地址，6字节；
目的IP地址，4字节；
设置结果，1字节。

该帧格式的定义类似于TCP/IP协议栈中的ARP协议帧，包含了以太网头14个字节。帧类型，在该字段802项目定义的有效长的值与以太网的有效类型值无一相同，这样可以区分这两种帧的格式，这里设定该帧类型为0801，以区别于已定义的帧类型；OP操作码，RSF query=01表示服务器发送的数据包用于查询网络中的嵌入式网络设备的MAc地址，RsF setlp=02表示服务器发送的数据包用于设置嵌入式网络设备的IP地址，RsF reply=03用于设置信息的返回；端口号是目的端预设置的端口号：剩下的20字节为发送端和目的端的IP和MAC地址。

3 具体实现
根据上述帧格式的定义和图2所示的系统流程，分别在上位机和下位机添加相应的接口和功能模块来实现。

上位机发出查询下位机MAc地址的请求指令，下位机接收后响应请求，返回本地MAC地址；上位机为查询到的不同MAc地址分配不同的IP地址之后发送设置IP请求；下位机接收后响应请求，并截取数据包中的信息来完成本地设置；最后上位机根据设置返回的状态决定是否重新设置。其中给查询到的MAc地址分配相应的IP地址，分为手工和自动方法。手工方法是由用户根据自己的需要设置IP地址；自动方法是根据ip pool(ip池)原理来实现IP的自动分配。

3.1上位机部分
由于该方案旨在利用数据链路层协议来解决对嵌入式网关的IP远程设置问题，就必然要求上位机编程要绕过位于第4层与第5层问的套接字编程接口(socket)。幸运的是，位于第2与第3层间的NDIs(网络驱动器接口)提供了访问网络底层的能力。其优点在于屏蔽了下层各种网卡的差别，为上层提供了一个完备NDIS库，可以完成原始数据包的捕获，数据包的过滤，以及原始数据包的发送等强大的功能。另外，意大利的Fulvio Riss0、LorisDegioanni等专家开发了一个Windows平台下免费公共的网络访问系统，并提供Winpcap开发包，方便地提供了一个访问网络底层的接口。

寻找到访问网络底层的编程接口后，只需要定义相应的数据包结构，并调用库中发包函数就能完成原始数据包的接收和发送功能。这里只给出关键的数据结构的定义代码。

以太网头的数据结构：
Typedef structtag DLCHeader {
unsigned char DesMAC[6]； //以太网目的地址
unsigned char srcMAC[6]； //以太网源地址
unsigned short Etherype； //帧类型
)；
RSF帧结构：
typedef struct tagRSFFrame
{unsigned short opcode； //操作码
unsigned short Prot //目标端口号
unsigned char Send_HW_Addr[6]；//发送端以太网地址
unsigned long Send_Prot_Addr； //发送端IP地址
unsigned char Targ_HW_Addr[6]；//目的以太网地址
unsigned long Targ_Prot_Addr； //目的lP地址
unsigned char ReturnValue //设置结果
}；
RSF包结构：
typedef struct tagRSFPacket{
DLCHEADER dlcHeader；
RSFFRAME rsfFrame；
}；

3.2 下位机部分
嵌入式网关的实现关键在于TCP/IP协议栈的实现。目前主要有TCP/IP的软移植(如ulP TCP/IP的移植)、硬移植(主要由专业芯片实现)和嵌入式系统自带TCP/IP协议栈。如果是利用嵌入式系统来实现嵌人式网关，就必须对操作系统内核驱动作相应的改动。这里只重点介绍TCP/IP在微处理器上软移植的情况。在这种情况，只要在数据链路层模块中添加帧的识别和处理功能模块，就可以获得数据帧中的IP地址等数据，并对本地IP进行设置。具体设置是调用对EEPROM的读写程序模块来完成的，关键代码如下：
void eth_rcve(UCHAR xdata*inbuf)//数据链路层接收模块
{ ……
switch(etb->frame-type)
{ ……
case RSF_PACKET：//在原协议栈中添加自定义协议调用修改本地IP模块； break;
case ARP_PACKET：调用ARP处理模块； break；
……

}
}
void eth_send(UCHAR xdata*outbuf，UCHAR*hwaddr，UINT ptype，UINT Ien)//数据链路层发送模块
{……}

结语
通用计算机数据链路层自定义帧的实现，可应用于解决嵌入式网络设备的远程设置问题，改进了过去嵌入式网络设备IP地址使用直接烧写或串口本地配置等方法。该方案的特点是绕开了套接字编程，直接将上位机与下位机的通信建立在数据链路层的基础之上。相对于依靠上层协议通信，在数据链路层直接通信，可以避开上层协议的约束，从而达到对网络数据更直接和灵活处理的目的。