用uCLinux开发嵌入式网关

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1、第一章 引言 1.1 嵌入式设备互联网络化趋势 1.1.1 从封闭式网络到开放式网络 网络被称为第二次信息技术革命。在巨型机统治的时代，绝大多数情况，一个企业的所有信息数据都储存在一个大型计算机中。处理能力和存储量的需求，产生了多个大型机协同工作，相互通讯方式，这是网络的发端。为了使各大型机进行通讯，计算机制造商制定了各自的通讯规范和通讯协议，并且这些不同的规范和协议相互不兼容。这种方式被带入到微型计算机领域。与此同时，有人预见到在不同厂商的不同计算机上必须有一个信息共享的方式。随着这种要求的增多，“开放式网络”的概念被提出。但是由于每个计算机制造商都声称各自拥有最佳的解决方案，同时排斥其它厂

2、商的解决方案，开放式网络一直停留在字面的阶段。这种情况一直延续到PC时代，从一定程度上说，PC是局域网（LAN，Local Area Network）的直接推动者。 局域网很好的解决了多台计算机之间共享数据和通信的问题，但同时又产生了另外的兼容性问题。不同计算机厂商和不同网络设备提供商对局域网络的形式和拓卜结构有不同的阐述，同时制定了不同的实现标准。当人们再次呼唤开放式网络时，同样的事情发生了，每一个提供商都宣称自己的解决方案是最好的，但许诺将会支持一般的通用解决方案。由此，一个标准制定委员会被成立，在耗费了很多的时间和人力之后，这个所谓的通用标准都没有真正出现。 1.1.2 互联网络的现状

3、市场的选择，最终导致了开放式网络时代的到来。支持开放式网络的企业成功了，而另一些始终守着自有网络协议的企业则被撇在了一边。 今天TCP/IP协议和以太网就是一种开发式网络。所有主要的操作系统，主要的计算机制造商（大型机，微型机及PC）都支持以太网和TCP/IP协议。在这个开放式网络的基础上，产生了不可计数的应用，从大型企业的网络解决方案到电脑游戏。既然已经存在一个通用的标准，制造商就可以发展出一种基于网络的嵌入式解决方案，并且可以肯定它将有很大的应用面。 回顾过去，我们可以看到这样一个发展过程。计算机从一个相对昂贵，不易使用，缺乏通信能力的设备变为大量普及、易于使用操作、可进行低成本通讯的PC

4、。在这个过程中，一个明显的趋势，一些更为廉价的设备将变得更接近用户，并且将具有更好的互操作性。根据这种趋势，一些更低成本的处理器将逐渐走向普通用户，同时由于网络的影响，这些低成本的微处理器将会出现在网络中，从而形成“嵌入式网络”。 1.1.3 开放式网络的优点 开放式网络可以给企业带来很多好处。方便的数据信息获取带来迅速高效的决策。从最低端的设备到超级计算机，企业有一个整体控制。开放式网络的可扩展性使得企业可以保持已有的技术投资，相对于特定的网络标准，假如企业采用一种新的解决方案时，已有网络系统将被推翻，从这一点上说，开放式网络为企业运营降低了成本。 1.1.4 嵌入式设备网络化的动机 嵌入式

5、设备网络化是市场的需要。从最终用户的角度看，他们希望所有设备互联工作，这种互联越广泛越好，因为这意味着他们工作生活的自由度提高了。当今社会是信息化的社会，快速获取最新信息是高效决策的关键。企业的管理者希望他们的触角能够到达企业的任何位置，从而可以快速的进行资源配置，对生产过程进行实时监控，并能够随时修正（假如需要的话），重新配置资源。现代企业具有多大的灵活性很大程度上决定了它能否在竞争中胜出。 从嵌入式设备制造者的角度来看，他们通常更关心成本因素。嵌入式设备的网络化使得他们在进行售后服务时有了一个根本性的变革：通过因特网远程控制检测设备，使得进行远程技术支持成为可能（首要一点是被检测设备必须能

6、够进行远程访问）。这种做法提高了设备维护的方便性，同时降低了维护的成本。 1.1.5 结论 回顾整个网络的发展历程，从巨型机时代，网络化进程开始到PC时代开放式网络的出现，一个必然的趋势是嵌入式设备的网络化。 在当前的数字信息技术和网络技术高速发展的后PC（Post-PC）时代，嵌入式系统已经广泛的渗透到科学研究、工程设计、军事技术、各类产业和商业文化艺术、娱乐业以及人们的日常生活等方方面面中。随着国内外嵌入式产品如车载电脑、机顶盒等等的进一步开发和推广，嵌入式技术越来越和人们的生活紧密结合。在PC时代，可能有人从来没有接触过计算机；但是在Post-PC时代，他就不可能会接触不到嵌入式系统，因

7、为嵌入式系统可能存在于生活的方方面面中，从家里的洗衣机、电冰箱，到作为交通工具的自行车、小汽车，到办公室里的远程会议系统等等，都属于可以使用嵌入式技术开发和改造的产品。因此嵌入式设备的网络化，是人们把控制触角从工作生产向生活延伸的一个必然步骤。 1.2 嵌入式设备网络化的多种解决方案 1.2.1 嵌入式设备网络化需要关心的几个问题 一. 网络化所需的成本 成本是一个在任何时候都很敏感的话题，嵌入式设备互联网络化必然需要一定的投入。昂贵的解决方案，即使非常完善也将无人问津。 二. 网络化如何解决现有的多个标准 PC机在网络化时遇到多个标准的问题，在嵌入式设备中同样存在。在嵌入式设备网络走向开放式

8、网络的时候，同样要考虑已有的多个标准。如果推翻现有的网络重新构建新网络，必然造成网络改造时成本的增加，这时所有用户都不愿看到的。假如保持现有网络框架，则必须寻找一种方法使得这些特有嵌入式设备网络能够相互通讯，同时还能够同已有的开放网络（以太网、TCP/IP）通讯。 三. 怎样实现人机交互 嵌入式设备的网络化，可能使得原有嵌入式网络的拓卜结构发生变化，同时也改变了已有的控制使用设备的方式。用户追求最方便的使用方式，最友好的人机交互界面。嵌入式设备不同于一般的PC机，通常不带有显示设备，必须找寻一种在开放式网络中能够进入嵌入式设备网的良好方法。 1.2.2 网络化的多种解决方案 嵌入式网络化有多种

9、解决方案，每一种解决方案都有其优缺点。我们将针对上述网络化所需要考虑的问题进行分析，以提出一个好的解决方案。 解决方案一：直接把设备挂到互联网络上 这种一种嵌入式设备直接向开放式网络开放的解决方案，每一个设备都带有以太网口，并且在嵌入式系统上实现TCP/IP协议栈，因此每一个嵌入式设备都具有直接联入互联网络的功能。这种方案把嵌入式设备提升到与PC对等的地位，从而从互联网络上访问嵌入式设备与访问一个PC节点没有区别，使得访问控制具有相当的灵活性。 但是其缺点也是明显的。从成本角度讲，这种方案几乎完全推翻了原有的嵌入式设备网络，所有嵌入式设备重新设计，所有的嵌入式网络重新建立。仅是这一项工作所需的

10、成本就相当昂贵，另外还需考虑由于在每一个设备中实现以太网和TCP/IP栈，这导致器件成本的升高，在成本敏感的今天，这种方案很难被用户接受。 解决方案二：使用传统PC作为中间转发设备 这是一种较为传统的解决方案，这种方案保留原有的嵌入式设备网络，嵌入式设备网络挂接在PC机的串口或并口等外围接口上。当通讯发生时，嵌入网络向PC机发送信息，由PC机对这些信息进行处理，进行信息的转发。同时由互联网络传来的数据也可以由PC转发给嵌入式网络，而在每一个嵌入式网络内部则可以使用原有的通讯协议通讯。相对于第一种完全以太网化的解决方案，这种方案更具有实用性，它在一定程度上削减了成本，使其达到用户可以接受的程度。

11、 这种解决方案同样具有的缺点。由于PC的局限性，使得网络扩展有一定的困难（PC通常都置于机房中），PC的体积太大，需要一定的工作环境，这一点影响嵌入式网络拓卜的灵活性。另外，仅使用PC作为转发设备是一种浪费，PC的处理能力没能充分的发挥。 解决方案三：直接使用嵌入式设备代替PC作为转发网关（我们设想的解决方案） 这种解决方案实际上是综合了上述两种解决方案而提出的。由于保有了现有网络，所以这种方案具有方案二所具有的优点。同时由于嵌入式网关体积小，使得铺设网络更加灵活。 这种方案增加的困难在于，它需要开发一种专有的廉价设备用作嵌入式网关，但这种困难在于网关的开放者。对于用户使用而言，不存在增加的任

12、何困难。 1.2.3 结论 要实现嵌入式设备网络同现有的开发式网络互联，网络改造的成本和不同标准之间的协调是主要关心的问题。一个好的解决方案，必须兼顾这些问题。同时我们注意到一些解决方案，有些解决方案太过于激进（方案一），导致成本昂贵，而有些解决方案又缺乏灵活性，我们将作出一些工作，试图解决这些方案中的一些问题。 1.3 小结 本章主要回顾了计算机网络的发展历程，从而得出嵌入式设备联入互联网络是网络革命的延续和必然。在此基础上，我们分析了一些嵌入式设备网络化的解决方案的优缺点，并设想一种好的解决方案。本文将以此为基础，具体说明在实现这种方案时我们作为开发人员所需要做的一些工作。 第二章 网关系

13、统方案分析 2.1 网关系统基本特征 2.1.1 网关系统路径结构 使用网关搭建一种嵌入式的框架结构，从而为即使是最小的控制器提供上网功能。网关将作为嵌入式设备网络与以太网络互联的窗口，在嵌入式设备网络通以太网络通讯时将作为“代理机构”，代表嵌入式网络或以太网络发言。在网关的两端分别是轻量级的网络（RS232，RS485，Modem，IR，RF）和重量级网络（企业内部网络，互联网络）。相对于一般的嵌入式控制器，网关必须具有更多的处理能力，具有更多的资源（内存，存储空间等），能够应付两种设备网络之间的通讯。 TCP/IP 轻量级 网络 网络 图一 网关系统连接方式 2.1.2 网关系统必须具有的

14、功能 一个网关使得8或16位的嵌入式设备可以访问英特网或企业网上的节点。作为网关的设备必须具有如下的一些功能： l 防火墙：因为嵌入式设备相对简单，在接入以太网络后，嵌入式设备本身无法保证自己的网络安全性。网关设备必须提供一系列恰当的认证加密技术，采取一定的安全策略，保护防火墙后的嵌入式设备，以保护其不受到来自英特网的攻击。 l 协议转换：嵌入式设备网络本身可能采用多种协议，多种硬件接口，为了完成互联，网关必须带有各种嵌入式设备的硬件接口，同时在软件层必须能够完成各种协议同TCP/IP协议的转换。 l 设备状态监视：这个是一个可选的功能，针对特定的应用需要定制这一功能。需要查看得状态包括，设备

15、是否始终保持连接，流量是多少等等。 l 事务处理：如果有一特定的事件发生了，必须启动一定的程序处理这一事件。向以太网一方发送信息，报告特定的事件发生了。 2.1.3 设计网关需要注意的问题 对于网关本身需要考虑如下问题： l 处理器：市场上有上千种各种各样的嵌入式微处理器。每一种都设计为低成本，在功能上各有偏重。没有任何一种处理器能够满足所有的嵌入式系统需求。通常情况下，嵌入式设备对成本比较敏感，因此选择处理器时针对一定的功能要求和成本折中考虑。对于网关所需的处理器，由于要管理多个轻量级网络，必须应付网络之间的传输要求，所以处理能力比一般嵌入式设备要求高些。 l 轻量级网络：嵌入式设备网络在实

16、现时采用不同的标准，由于我们保持原有的网络结构，所以网关系统必须支持多种嵌入式设备网络标准。这些不同的网络标准通常具有不同的硬件实现，同嵌入式处理器一样，没有一个通用的硬件设备能够适用于所有的这些标准。这样网关设备上必须带有多种硬件接口，从而支持多种嵌入式网络标准。 l 灵活性：由网关所组成的网络结构必须具有灵活性，可扩展性，能够应用于多种应用，包括多种已有的设备和网络标准。对于以太网用户而言，嵌入式设备网应该是透明的，用户访问嵌入式设备网络中的节点，就同他们访问以太网中的节点一样。当嵌入式设备网扩展时，应该不影响以太网络使用者的通用。 l 完善的用户接口：对于网关系统可选的用户接口可以有很多种的类型，当然这些可能的方案都基于TCP/IP协议。一个最基本的方法是使用socket套接字，在网关