設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)可獲得設(shè)備的工作環(huán)境參數(shù)和設(shè)備運行狀況，對確保設(shè)備安全正常運行、充分發(fā)揮設(shè)備效能、提高企業(yè)經(jīng)濟效益有極其重要的作用[1]。目前已有許多企業(yè)構(gòu)建了設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，但大部分是通過RS232、RS485和CAN總線等協(xié)議進行通信，不僅在數(shù)據(jù)傳輸距離和傳輸速度上有很大限制，而且無法直接接入互聯(lián)網(wǎng)，無法滿足信息化條件下對企業(yè)生產(chǎn)作業(yè)管理的要求[2]。本文將結(jié)合嵌入式技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計一種遠程設(shè)備監(jiān)控方案，保證設(shè)備工作狀態(tài)的準確采集和快速傳遞，同時輔助工作人員實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的及時維護與管理。

    瑞士計算機科學院的Adam Dunkels等開發(fā)了一套用于嵌入式系統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議棧-LwIP，這是一種既可以移植到操作系統(tǒng)上，又可以獨立運行的輕型嵌入式TCP/IP協(xié)議棧，其主要特點是在保持TCP協(xié)議主要功能的基礎(chǔ)上減少了對RAM的占用[2-3]。LwIP作為一種嵌入式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，具有相對齊全的功能，并提供一套非常完善的內(nèi)存管理方法，適合在32位的低端嵌入式系統(tǒng)中使用。
    在綜合考慮設(shè)計成本和穩(wěn)定性等多方面因素后，本文在32位ARM處理器 STM32F207和嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II組成的軟硬件平臺上移植和改進LwIP協(xié)議棧，從而實現(xiàn)了對遠端設(shè)備的監(jiān)控與管理。
1 系統(tǒng)硬件平臺
    設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)主要包括以太網(wǎng)通信和本地數(shù)據(jù)采集兩大模塊。采用STM32F207系列作為開發(fā)板核心處理器，硬件功能模塊主要包括網(wǎng)絡(luò)功能模塊、串口設(shè)備驅(qū)動模塊、A/D模塊、看門狗定時器功能模塊、Flash數(shù)據(jù)讀寫模塊等，通過各模塊之間的互相輔助與合作，保證監(jiān)控終端的穩(wěn)定可靠工作，實現(xiàn)配電狀態(tài)檢測、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)檢測以及環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)采集等功能，并通過以太網(wǎng)向上位機傳遞現(xiàn)場設(shè)備信息[4]。硬件電路結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

3 LwIP協(xié)議的移植與改進
3.1 LwIP協(xié)議進程模式
    LwIP的設(shè)計與實現(xiàn)采用分層模式，每層協(xié)議都解決網(wǎng)絡(luò)通信的一部分問題并作為獨立的模塊來實現(xiàn)，提供一些與其他協(xié)議的接口函數(shù)。各層之間通過共享內(nèi)存的方式實現(xiàn)通信，從而減少了內(nèi)存拷貝開銷，提高其性能[5]。LwIP所支持的協(xié)議主要包括IP、ICMP、UDP和TCP等協(xié)議，這些模塊能夠完成網(wǎng)絡(luò)通信的主要功能。除此之外，還設(shè)計了一些輔助模塊，主要包括內(nèi)存管理子系統(tǒng)、操作系統(tǒng)模擬層、網(wǎng)絡(luò)API函數(shù)等[6]。
3.2 LwIP協(xié)議的移植
    (1)與CPU或編譯器相關(guān)的文件移植
    修改/include/arch目錄下cc.h文件中有關(guān)數(shù)據(jù)長度、字的高低位順序等的宏定義。同時，使用_packed關(guān)鍵字聲明結(jié)構(gòu)體struct，以便LwIP讀取pbuf結(jié)構(gòu)體中不同長度的數(shù)據(jù)[2]。
    (2)與操作系統(tǒng)相關(guān)的部分
    LwIP中使用信號量通信，所以在 sys_arch.h、sys_arch.c中應(yīng)實現(xiàn)信號量結(jié)構(gòu)體sys_sem_t和相關(guān)的信號量處理函數(shù)，包括sys_sem_new()、sys_ sem _free()、sys_sem_signal()、sys_arch_sem_wait()等，完成信號量的建立、釋放、發(fā)送和等待接收功能。同時，LwIP使用消息隊列來緩沖、傳遞數(shù)據(jù)報文, 因此需要實現(xiàn)消息隊列結(jié)構(gòu)體sys_mbox_t以及相應(yīng)的操作函數(shù)（包括sys_mbox_new()、sys_mbox_free()、sys_mbox_post()等），從而實現(xiàn)消息隊列的創(chuàng)建、釋放、發(fā)送和獲取等功能。
    LwIP與外界網(wǎng)絡(luò)連接的線程都有獨立的等待超時時間，也就要求在移植過程中用戶要實現(xiàn)sys_arch_
timeouts()函數(shù), 返回當前該線程所對應(yīng)的timeout隊列指針。另外，LwIP 中網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的處理需要新建任務(wù)來完成操作, 有必要實現(xiàn)sys_thread_new()函數(shù)來保證數(shù)據(jù)處理任務(wù)在操作系統(tǒng)中能夠被建立。
    (3)相關(guān)庫函數(shù)的實現(xiàn)
    LwIP協(xié)議棧中用到了8個外部函數(shù)，主要完成16 bit數(shù)據(jù)的高低字節(jié)交換、32 bit數(shù)據(jù)的大小頭對調(diào)、返回字符串長度、字符串比較、內(nèi)存數(shù)據(jù)塊拷貝、指定長度的數(shù)據(jù)塊清零等功能，與系統(tǒng)或編譯器有關(guān)，需要用戶實現(xiàn)。
    (4)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序
    在LwIP中可以有多個網(wǎng)絡(luò)接口，每個網(wǎng)絡(luò)接口都對應(yīng)了一個struct netif結(jié)構(gòu)，這個netif包含了相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)接口的屬性、收發(fā)函數(shù)。在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序中主要是實現(xiàn)4個網(wǎng)絡(luò)接口函數(shù)：網(wǎng)卡初始化、網(wǎng)卡接收數(shù)據(jù)、網(wǎng)卡發(fā)送數(shù)據(jù)以及網(wǎng)卡中斷處理函數(shù)。
3.3 LwIP問題分析
    LwIP中對ICMP協(xié)議的數(shù)據(jù)處理比較簡單，基本流程如圖3所示。底層物理接口將接收ICMP包并向上傳送至網(wǎng)絡(luò)層，經(jīng)由IP模塊中的ip_input()函數(shù)移交到ICMP層處理，在ICMP協(xié)議中調(diào)用icmp_input()函數(shù)解析出IP包頭、ICMP包頭及數(shù)據(jù)內(nèi)容。一些ICMP信息被傳遞到更高協(xié)議層并被傳輸層的一些特殊函數(shù)處理，其中函數(shù)icmp_dest_unreach()用來通過傳輸層的UDP協(xié)議發(fā)送目標無法到達消息[7]。通常情況下，使用ICMP ECHO信息來探測LwIP協(xié)議移植情況，主要在函數(shù)icmp_input()中完成對ICMP ECHO信息的響應(yīng)，包括地址信息驗證、目的與源地址進行交換、修改ICMP數(shù)據(jù)類型、求取校驗和，然后通過IP層協(xié)議中的ip_output()將應(yīng)答信息回傳。

    但是在設(shè)備監(jiān)控中，要求LwIP能夠識別ICMP_ER類型的回送報文。因此，需要對LwIP中的ICMP模塊進行補充，以滿足嵌入式終端對局域網(wǎng)中設(shè)備網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的監(jiān)控。另外，為了模擬類似Linux系統(tǒng)中ping功能系統(tǒng)調(diào)用，需要開發(fā)相應(yīng)的功能接口函數(shù)來組成所需IP數(shù)據(jù)包，并通過IP層的報文發(fā)送函數(shù)ip_output()或者原始套接字將數(shù)據(jù)包發(fā)送到目的主機，以達到監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的目的。
3.4 LwIP改進方法
    根據(jù)以上所述問題，本文所采取的改進方法主要包括合成ICMP報文、建立套接字并發(fā)送報文到目的地址、添加ICMP協(xié)議支持這三個基本步驟。
    (1)ping指令簡介
    因特網(wǎng)包探索器ping(packet internet groper)，是用來檢查網(wǎng)絡(luò)是否通暢或者網(wǎng)絡(luò)連接速度的命令。ping發(fā)送一個ICMP包，發(fā)送請求消息給目的主機并報告是否收到所希望的ICMP應(yīng)答。ping本質(zhì)上屬于IP協(xié)議層，并且根據(jù)用戶輸入不同的指令參數(shù)返回網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息。
    (2)合成ICMP_ER報文
    LwIP本身具有一套較為完善的內(nèi)存管理機制，利用pbuf結(jié)構(gòu)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞，這與BSD中的Mbuf 很相似。pbuf主要用于保存用戶應(yīng)用程序與LwIP之間互相傳遞的用戶數(shù)據(jù)。利用LwIP提供的內(nèi)存分配函數(shù)pbuf_alloc()，在RAM中分配一塊空間存儲IP數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)大小為sizeof(struct icmp_echo_hdr)，然后填充icmp_echo_hdr類型對象iecho。基本過程如下：
    q=pbuf_alloc(PBUF_IP,sizeof(struct IcmpHeader),
PBUF_RAM);
    iecho=q->payload;
    iecho->type=ICMP_ECHO;
    iecho->code=0;
    iecho->seqno=htons(1);
    iecho->id=htons(13);
    iecho->chksum=0;  //由硬件求取校驗和
    (3)通過RAW套接字發(fā)送請求
    RAW SOCKET可以接收本機網(wǎng)卡上的所有數(shù)據(jù)幀或者數(shù)據(jù)包，這對于監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)的流量和分析是很有作用的。所以選擇利用LwIP提供的API套接字函數(shù)操作建立RAW SOCKET，并調(diào)用lwip_sendto()函數(shù)將數(shù)據(jù)通過RAW SOCKET發(fā)送到目的IP。基本過程如下：
    sockfd=socket(AF_INET，SOCK_RAW，IPPROTO_ICMP)；
    lwip_sendto(sockfd,q->payload, sizeof(q->payload), 0,
(struct sockaddr *) & dest_addr,sizeof(dest_addr));
    (4)修改ICMP協(xié)議文件
    為了實現(xiàn)對ICMP_ER消息的監(jiān)聽和處理，需要對/src/core/ipv4目錄下的icmp.c文件做補充修改。在主要的報文處理函數(shù)icmp_input()中，添加ICMP_ER消息中斷響應(yīng)方法，由于IP包頭已經(jīng)被剝離，所以需要在switch(type){}框架中添加case ICMP_ER:單元，主要處理是計算響應(yīng)時間和消息存活時間，并提取icmp_seq、對方IP地址等相關(guān)信息，主要實現(xiàn)方法如下：
    case ICMP_ER:
    timeofrecv = OSTimeGet();
    iechr = (struct IcmpHeader *)p->payload;
    timeofsend = iechr->timestamp;
    timeofrecv = (timeofrecv - timeofsend) * 1000 /
OS_TICKS_PER_SEC;
    printf("%d byte from %s: icmp_seq=%u ttl=%d rtt=
%u ms \n\r",ntohs(iphdr->_len),ip_ntoa(&(iphdr->src)),
ntohs(iecho->seqno),IPH_TTL(iphdr),timeofrecv);
4 實驗分析
4.1 LwIP移植情況測試
    移植情況測試是通過設(shè)備監(jiān)控終端與PC之間的網(wǎng)絡(luò)ping指令實現(xiàn)的。監(jiān)控終端IP地址為：172.20.36.93，主機IP地址為：172.20.36.72。從圖4中可以看出，終端響應(yīng)時間為1 ms，可以滿足數(shù)據(jù)快速收發(fā)的要求，數(shù)據(jù)存活時間為ttl=255 ms，丟包率為0，說明LwIP協(xié)議已經(jīng)移植成功。

4.2 改進后設(shè)備監(jiān)控功能測試
    在地址為172.20.36.72的主機上使用IP Sinffer軟件偵聽網(wǎng)絡(luò)中傳遞上來的ICMP報文，如圖5所示。分析圖5可知，主機接收到了多條由終端發(fā)送上來的ICMP報文，數(shù)據(jù)包具體內(nèi)容顯示在右側(cè)邊框中，IP數(shù)據(jù)包的內(nèi)容是ICMP_ER類型的ICMP報文；ID號0x0D與終端中所設(shè)置的報文ID相等，即iecho->id=htons(13)；序號為1與終端中所設(shè)置的報文序號相等，即iecho->seqno=htons(1)。由此說明終端中所合成的ICMP_ER類型的IP報文已經(jīng)成功發(fā)送到了目的地址，并且目的主機立刻返回了ICMP請求。

    對實驗環(huán)境的具體要求：通過監(jiān)控終端監(jiān)測IP尾數(shù)為204和128的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，同時監(jiān)測設(shè)備電源配電狀況并回顯配電狀態(tài)參數(shù)。分析圖6可知，局域網(wǎng)內(nèi)被監(jiān)控設(shè)備網(wǎng)絡(luò)連接正常，能快速響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)檢測數(shù)據(jù)包，丟包率為0，說明對LwIP的協(xié)議棧優(yōu)化后，能夠發(fā)送網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)檢測數(shù)據(jù)，并獲得對方主機響應(yīng)。另外，監(jiān)控終端與主機網(wǎng)絡(luò)連接正常，可以將設(shè)備狀態(tài)參數(shù)通過網(wǎng)絡(luò)及時上傳到控制中心。

    本文在分析設(shè)備遠程監(jiān)控實際需求的基礎(chǔ)上，以32位微處理器STM32F207系列的處理器為核心，完成了LwIP嵌入式TCP/IP協(xié)議棧的移植與改進，設(shè)計并實現(xiàn)了一個基于改進LwIP的設(shè)備監(jiān)控方案。該方案已經(jīng)在實驗室環(huán)境下完成了樣機的研制并驗證了其功能。實踐表明，改進后的LwIP彌補了原有協(xié)議棧對ICMP協(xié)議功能支持上的不足，滿足了用戶需要，相信在未來的設(shè)備監(jiān)控等領(lǐng)域必將有著廣闊的應(yīng)用前景。
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