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TCP/IP协议栈在嵌入式异构网络互联中的应用

时间:2007-1-20栏目:电子通信论文

 摘要:随着测控技术与网络技术日益紧密的结合,测控系统接入互联网已经成为大势所趋。本文阐述在一种异构网络互联——CAN总线与以太网互联系统设计方案中嵌入式TCP/IP协议栈的设计与实现。从而实现了将基于TCP/IP协议的计算机网络设备与基于CAN总线协议的底层现场网络连通。

    关键词:TCP/IP协议栈 CAN总线 以太网 互联网 异构结构

引言

Internet现已成为社会重要的信息流通渠道。如果嵌入式系统能够连接到Internet上面,则可以方便、低廉地将信息传送到几乎世界上的任何一个地方。可以预言,嵌入式设备与Internet的结合代表着嵌入式系统和网络技术的真正未来。随着IPv6的应用,设备都可能获得一个全球唯一的IP地址,通过IP地址和互联网相连成为一个网络设备。但是传统的TCP/IP协议在实现实时性方面做得不够好,它把大量的精力花在保证数据传送的可靠性以及数据流量的控制上。而在实时性要求比较高的嵌入式领域中,传统的TCP/IP不能满足其实时要求。另外,传统TCP/IP的实现过于复杂,需占用大量系统资源,而嵌入式应用的系统资源往往都很有限。因此,需要把传统TCP/IP在不违背协议标准的前提下加以改进实现,使其实现性得到提高,占用的存储空间尽可能少,以满足嵌入式应用的要求。

在大型企业自动化系统中,上层企业管理层和生产监控层一般采用的都是以太网和PC机,而在下层车间现场都是采用现场总线和单片机测控设备。上下两层的沟通,通常采用工业控制机加以太网卡,再加上PC机插槽上的接口卡和并行打印口EPP接口卡来实现。这种连接方式成本高,开发周期长。针对这些情况,本文提出了一种单独的嵌入式CAN-以太网网关互连系统的设计方案,成功地实现以太网和现有的CAN总线网的直接数据传输。
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1 异构网络互联系统结构设计

CAN总线是一个设备互连总线型控制网络。在CAN总线上可以挂接多达110个设备节点,各设备间可以自主相互通信,实现复杂网络控制系统。但设备信息层无法直接到达信息管理层,要想设备信息进入信息管理层就要通过一种数据网关。

这里设计了一个SX52网关,用于CAN总线与以太网的互连。图1所示的系统总体结构分为三部分:现场测控网络(CAN网络)、嵌入式透明SX52网关和以太网信息管理终端(如监控平台和网络数据库等)。以太网信息管理终端与CAN总线上的CAN节点通过Ethernet、SX52网关、CAN总线相互通信,其中SX52网关起核心异构网络的互连作用。

协议转换是异构网络互连的技术关键和难点。协议转换一般遥相呼应采用分层转换的方法,自低向上逐层进行。目前互连大都是在网络层或网络层展开的,因而必须对互连层以下各层协议逐层向上转换。这种转换方法的依据是协议分层的基本原理,即低层支持高层,高层调用低层,低层断开连接后,高层连接也随之断开,但高层断开连接却不会影响低层。从网络的分层结构上来看我们设计的互连系统具有如图2所示的分层结构。以太网上运行TCP/IP协议,它具有应用层、传输层、网络层以太网数据链路层和物理层;CAN总线具有应用层、数据链路层和物理层,其中应用层由用户自己定义,数据链路层和物理层由CAN协议所定义;SX52数据网关具有物理层、数据链路层和应用层,其应用层也就是Ethernet与CAN的信息数据交换层,SX52微控制器在此层相互解释并转发这两种不同协议的数据。

在本设计中,SX52网关被设计成了一个透明数据网关。也就是在以太网应用层构建和解析完整的CAN协议数据包。CAN协议数据包作为TCP/IP网络的应用层的数据进行传输。对通信数据的具体实际意义不做任何解释。

透明式网关由通信处理器、CAN总线控制器和以太网控制器三个部分组成。其中SX52单片机为核心处理器,实现CAN控制网络与以太网之间的协议转换。以太网信息管理 层的控制指令发送到嵌入式透明SX52网关,经过它将TCP/IP协议包数据转换为CAN协议形式发送至CAN控制网络中的指定设备节点,完成信息管理层对现场设备层的控制。同样地,当CAN网络上的设备数据(如定时采样数据或报警信息)要传输到信息管理层时,可将数据发送到嵌入式透明SX52网关,再通过网关协议转换程序将CAN协议数据封装成TCP/IP协议的以太网数据帧发送至以太网上的监控计算机。

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