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  • 浅谈单片机以太网接入方案

    千次阅读 2015-11-26 12:14:37
    单片机的种类繁多,从低端到高端...对于无操作系统要求的单片机如何实现网络接入,我下面将这些方案按TCP/IP协议栈的不同归结为两大类:第一类是传统的软件TCP/IP协议栈方案;第二类是最新的硬件TCP/IP协议栈方案。下面
    单片机的种类繁多,从低端到高端,有以51单片机为代表的8位单片机和以ARM为代表的32位单片机,不同档次的单片机实现网络接口的方法不同。对于像ARM等高端处理器一般都可以运行嵌入式操作系统,例如嵌入式Linux。对于无操作系统要求的单片机如何实现网络接入,我下面将这些方案按TCP/IP协议栈的不同归结为两大类:第一类是传统的软件TCP/IP协议栈方案;第二类是最新的硬件TCP/IP协议栈方案。下面我就这两类方案的实现方式进行分析。 
    


    1. MAC+PHY方案

    所谓的TCP/IP协议栈是一系列网络协议的统称,不仅包括我们熟知的TCP协议和IP协议,还有网络层的ICMPInternet控制报文)协议、IGMPInternet 组管理)协议、ARP(地址解析)协议,传输层的UDP(用户数据包)协议,应用层的HTTP(超文本传输)协议、DNS(域名解析)协议、FTP(文件传送)协议、SMTP(简单邮件管理)协议等等。

    传统的以太网接入方案如下图,由MCU+MAC+PHY再加入网络接口实现以太网的物理连接,通过在主控芯片中植入TCP/IP协议代码实现通信及上层应用。

    以太網接入方案1

    3-1-1 MAC+PHY以太网方案


    应用这种软件TCP/IP协议栈方式实现的比较成熟方案有ENC28J60 CS8900ADM9000,当然也有像STM32F107这类(内部自带MAC+PHY等方案。

           由于软件协议栈操作需要主控MCU不断地响应中断,这在很大程度上占用了MCU运算/时钟资源。经过测试发现,单线程操作的情况下,MCU的运行速度和数据的处理速度仅能满足需要,但随着线程增多,MCU的工作效率直线下降,会严重影响通信质量。

    代码量方面,即便是采用轻量级的TCP/IP协议栈LWIP协议,也会为主控芯片带来超过40KB的代码量,这对于本身内存资源匮乏的单片机来说负荷过重。

    再从安全性的角度,设备并入互联网之后必须考虑网络安全问题,这种软件协议栈的方式系统一旦受到复杂的恶意攻击,单片机很有可能瘫痪掉,这对系统就是致命性打击,虽然目前网络技术不断发展,各类新的加密技术试图让通信变得更加安全,但是还会出现各种各样的漏洞。

     

    2. 硬件协议栈芯片方案

           硬件协议栈芯片方案如下图所示。由MCU+硬件协议栈芯片(内含MACPHY)直接加网络接口,便可方便的实现单片机联网,所有的处理TCP/IP协议的工作都是通过这位MCU小秘书”——硬件协议栈芯片来完成。

     以太网接入方案2

    3-2-1 硬件协议栈芯片方案

           这套方案是由WIZnet首次提出,并成功推出以太网系列芯片:W5100W5200W5300W5500

          所谓硬件协议栈是指通过将传统的软件TCP/IP协议栈用硬件化的逻辑门电路来实现,如下图所示。

     以太网接入方案3

    3-2-2 TCP/IP硬件协议栈内核原理简图


    以太网芯片的内核由传输层的TCPUDPICMPIGMP等协议、网络层的IPARPPPPoE等协议以及链路层的MAC构成,再加上物理层的PHY和外围的寄存器、内存、SPI接口组成了这一整套硬件化的以太网解决方案。

    这套硬件TCP/IP协议栈代替了以往的MCU来处理这些中断请求,MCU只需要处理面向用户的应用层数据即可,传输层、网络层、链路层及物理层全部由外围WIZnet的芯片完成。这套方案从硬件开销和软件开发两个方面来简化前面所述的五层网络模型,简化产品开发方案。这样一来,工程师们就不必再面对繁琐的通信协议代码,只需要了解简单的寄存器功能以及Socket编程便能完成产品开发工作的的网络功能开发部分。

          由于硬件协议栈的加入协助单片机处理了几乎所有的TCP/IP协议工作,不仅极大地减少了单片机的中断次数,让单片机腾出更多资源去完成其他工作,而且硬件化的电路处理协议会更加快速、稳定。经试验测试,单线程下,该方案的通信速度是软件协议方案的10倍左右;随着线程的增加,因为硬件协议栈是通过独立的Socket进行通信,因而通信速度实现累加,而且单片机工作效率仍然会维持在高位。

          代码量方面,因为这套方案主要是完成对Socket的编程以及寄存器的调用,因此仅有10K左右的代码量,远小于软件协议方案,对51以及STM32等内存很有限的单片机来说非常适用。

          从成本角度来讲,硬件协议栈芯片的价格跟用MAC+PHY比起来基本差不多。而前者简单易用,用很短时间便能完成产品的开发过程。另外,官方例程库及上位机程序丰富,也缩短了测试过程,后期基本免于维护。

          最后安全性方面,硬件化的逻辑门电路来处理TCP/IP协议是不可攻击的,也就是说网络攻击和病毒对它无效,这也充分弥补了网络协议安全性不足的短板。也正是因为这一优势,硬件协议栈技术在未来物联网以及智能家居领域有着广泛的发展前景,让人们尽情享受现代科技带来的乐趣的同时,免受安全问题的困扰。

    当然,不可避免的硬件化的协议栈相对来说失去了软件协议栈那样的灵活性。目前只支持4/8Socket,不能随时开启更多Socket。但是,在嵌入式应用中8Socket已经足够应对超过大部分的应用。

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  • 以太网模型以及以太网接入方案

    千次阅读 2019-08-30 10:18:31
    以太网的实现采用层次结构的概念,每一层都有自己的功能,就像建筑物一样,每一层都靠下一层支持,每一层都为上一层功能的实现打好基础。 实际上,用户接触到的只是最上面的一层,根本感觉不到底层的存在。要理解与...

    以太网的实现采用层次结构的概念,每一层都有自己的功能,就像建筑物一样,每一层都靠下一层支持,每一层都为上一层功能的实现打好基础。

    实际上,用户接触到的只是最上面的一层,根本感觉不到底层的存在。要理解与以太网,必须从最下层开始,自下而上理解每一层的功能。

    五层结构

    以太网的模型有不同的分层方式,ISO(国际标椎组织)提出OSI七层网络模型,自上而下分别为:应用层,表示层,会话层,传输层,网络层,数据链路层,物理层。OSI七层模型主要是为了解决异种网络互连时所遇到的兼容性问题。它最大的优点是将服务,接口和协议这三个概念明确区分来,也使网络的不同功能模块承担起不同的职责。由于互联网网络体系结构以TCP/IP协议为核心 ,因而基于TCP/IP的参考模型将以太网可以分为四层,自上而下分别为:应用层,传输层,网络互联层,网络接口层。

    根据个人理解,把以太网分成五层比较容易理解。这五层结构不尽符合OSI结构强调的不同层次承担不同的职责的特点,同时也符合TCP/IP协议参考模型协议之间互相支持,相互调用的逻辑关系。

    如上图所示,最底下的一层叫做'物理层',也叫作‘PHY层’,最上层的一层叫做“应用层”,中间的三层(自下而上)分别是“链路层”也叫“MAC层” “网络层”和“传输层”。越下面的层,越靠近硬件;越上面的层越接近用户。

    层与协议

    每一层都有其各自的功能,为了实现这些功能,需要大家都遵循一个共同的规则

    那么这个共同的规则,就叫做协议。以太网的每一层都定义了很多协议。这些协议的总称就叫做“互联网协议”,他们是互联网的核心,下面介绍每一层的功能,及其中的主要协议。

    下面对以太网的五层结构模型进行详细解释,让大家对网络的通信过程,每层的具体定义和功能,数据收发机制以及要遵守的协议进行理解。不同层由于封装包机制不同,数据的叫法也不同,这样有利于大家更好的理解下面的内容。传输层叫做段,网络层叫数据报,链路层叫做帧。

    物理层也叫作“PHY层”,它负责将上层所要发送的信息编码成电流脉冲或其他信号用于网上传输。

    物理层由计算机和网络介质之间的实际界面组成,可定义成电气信号,信号线的状态和时钟要求,数据编码和数据传输用的连接器。如常用的RS-232规范,曼彻斯特编码就属于这一层,所有比物理层高的层都通过事先定义好的接口而与他通话。

    链路层

    数据链路层通过物理网络链路提供可靠的数据传输。不同的数据链路层定义了不同的网络和协议特征,其中包括物理编址,网络拓扑结构,错误校验,帧序列以及流控

    物理编址(相对应的是网络编址)定义了设备在数据链路层的编址方式;网络拓扑结构定义了设备的物理连接方式,如总线拓扑结构和环拓扑结构,错误校验向发生传输错误的上层协议告警;数据帧序列重新整理并传输除序列以外的帧;流控可能延缓数据的传输以便接收设备不会因为在某一时刻接收到超过其处理能力的信息流而崩溃。

    以太网协议

    早期的时候,每家公司都有自己的电信号分组方式,后来逐渐形成了以“以太网”为主的一整套协议。

    以太网规定,一组电信号构成一个数据包,叫做“帧”,每一帧分成三个部分:以太网首部  数据 以及以太网尾部。

    “以太网首部”包括数据帧的一些说明项,比如发送者 接收者  数据类型等等  “数据”部分则是数据的具体内容;“以太网尾部”则是CRC校验码。

    以太网首部的长度固定为14字节。数据的长度最短为46字节,最长为1500字节,以太网尾部的长度固定4字节,因此整个帧最短为64字节,最长1518字节,如果数据很长,就必须分割成多个帧进行发送。

    MAC地址

    上面提到了  以太网数据帧的首部  包含了发送者和接收者的信息,那么发送者和接收者是如何标识的

    以数据链路层实际上由两个独立的部分组成   介质存取控制和逻辑链路控制层。MAC 描述在共享, 介质环境中如何进行站的调度、发生和接收数据。MAC 确保信息跨链路的可靠传输,对数据传输进行同步,识别错误和控制数据的流向。一般地讲,MAC 只在共享介质环境中才是重要的,只有在共享介质环境中多个节点才能连接到同一 传输介质上。IEEE MAC 规则定义了地址,也就是 MAC 地址,以标识数据链路层中的多个设备,因此链路层也叫“MAC 层”。

    每块网卡出厂的时候,都有一个全世界独一无二的 MAC 地址,长度是 48 个二进制位,通常用 12 个十六进制数表示。

    前 6 个十六进制数是厂商编号,后 6 个是该厂商的网卡流水号。有了 MAC 地址,就可以定位网卡和数据包的路径了。

    广播

    定义地址只是第一步, 那么一块网卡怎么会知道另一块网卡的 MAC 地址? ARP 协议可以解决这个问题。这个留到后面介绍,这里只需要知道,以太网数据帧必须知道接收方的 MAC 地址,然后才能发送。 其次,就算有了 MAC 地址,系统怎样才能把数据帧准确送到接收方?

    其实,以太网采用了一种很“原始”的方式,它不是把数据帧准确送到接收 方,而是向本网络内所有计算机发送,让每台计算机自己判断,是否为接收方。 它们读取这个帧的“首部”,找到接收方的 MAC 地址,然后与自身的 MAC 地址相比较,如果两者相同,就接受这个帧,做进一步处理,否则就丢弃这一帧。这种发送方式就叫做“广播”(broadcasting)。 有了数据帧的定义、网卡的 MAC 地址、广播的发送方式,“链路层”就可以 在多台计算机之间传送数据了。

    网络层

    网络层负责在源和终点之间建立连接。它一般包括网络寻径,还可能包括流量控制、错误检查等。相同 MAC 标准的不同网段之间的数据传输一般只涉及到数据链路层,而不同的 MAC 标准之间的数据传输都涉及到网络层。例如 IP 路由器工作在网络层,因而可以实现多种网络间的互联。

    规定网络地址的协议,叫做 IP 协议。它所定义的地址,就被称为 IP 地址。 目前,广泛采用的是 IP 协议第四版,简称 IPv4。这个版本规定,网络地址由 32 个二进制位组成。

    习惯上,我们用分成四段的十进制数表示 IP 地址,从 0.0.0.0 一直到 255.255.255.255。 互联网上的每一台计算机,都会分配到一个 IP 地址。这个地址分成两个部 分,前一部分代表网络,后一部分代表主机。比如,IP 地址 172.16.254.1,这 是一个 32 位的地址,假定它的网络部分是前 24 位(172.16.254),那么主机部分就是后 8 位(最后的那个 1)。处于同一个子网络的电脑,它们 IP 地址的网络部分必定是相同的,也就是说 172.16.254.2 应该与 172.16.254.1 处在同一个子网络。

    根据 IP 协议发送的数据,就叫做 IP 数据报。不难想象,其中必定包括 IP 地址信息。 但是前面说过,以太网数据帧只包含 MAC 地址,并没有 IP 地址的信息。那么是否需要修改数据定义,再添加 IP 地址信息呢? 答案是不需要,我们可以把 IP 数据报直接放进以太网数据帧的“数据”部分, 因此完全不用修改以太网的规格。这就是互联网分层结构的好处:上层的变动完全不涉及下层的结构。 具体来说,IP 数据报分为“标头”和“数据”两个部分。

    “标头”部分主要包括版本、长度、IP 地址等信息,“数据”部分则是 IP 数据报的具体内容。 IP 数据报的“标头”部分长度为 20 到 60 字节,整个数据报的总长度最大为 65,535 字节。因此理论上,一个 IP 数据报的“数据”部分,最长为 65,515 字 节。前面说过,以太网数据帧的“数据”部分,最长只有 1500 字节。因此,如 果 IP 数据报超过了 1500 字节,它就需要分割成几个以太网数据帧,分开发送了。

    传输层

    传输层向高层提供可靠的端到端的网络数据流服务。传输层的功能一般包括流控、多路传输、虚电路管理及差错校验和恢复。流控管理设备之间的数据传输, 确保传输设备不发送比接收设备处理能力大的数据;多路传输使得多个应用程序的数据可以传输到一个物理链路上;虚电路由传输层建立、维护和终止;差错校验包括为检测传输错误而建立的各种不同结构;而差错恢复包括所采取的行动 (如请求数据重发),以便解决发生的任何错误

    udp协议

    我们必须在数据包中加入端口信息,这就需要新的协议。最简单的实现叫做 UDP 协议,UDP 数据段也是由“标头”和“数据”两部分组成。

    “标头”部分主要定义了发出端口和接收端口,“数据”部分就是具体的内 容。然后,把整个 UDP 数据段放入 IP 数据报的“数据”部分,而 IP 数据报又是放在以太网数据帧之中的。 UDP 数据段非常简单,“标头”部分一共只有 8 个字节,总长度不超过 65,535 字节,正好放进一个 IP 数据报。

    TCP协议

    为了提高网络可靠性,诞生了 TCP 协议。这个协议非常复杂,但可以近似认为,它就是有确认机制的 UDP 协议,每发出一个数据都要求确认。如果有一个数据遗失,就收不到确认,发出方就知道有必要重发这个数据了。 TCP 协议能够确保数据不会遗失,缺点是过程复杂、实现困难、消耗较多的资源。TCP 数据段和 UDP 数据段一样,都是内嵌在 IP 数据报的“数据”部分。 TCP 数据段没有长度限制,理论上可以无限长,但是为了保证网络的效率,通常 TCP 数据段的长度不会超过 IP 数据报的长度,以确保单个 TCP 数据段不必再分割。

    应用层

    应用层是最接近终端用户的第一层,这就意味着应用层和用户之间是通过应用软件直接相互作用的。注意,应用层并非由计算机上运行的实际应用软件组成,而是由向应用程序提供访问网络资源的API(应用程序接口)组成,应用层的功能一般包括标识通信伙伴,应用层必须为传输层数据的应用子程序定义通信伙伴的标识和可用性。定义资源可用性时,应用层为了请求通信而必须判定是否有足够的网络资源,在同步通信中,所有应用程序之间的通信都需要应用层的协同操作。

    应用程序收到“传输层”的数据,接下来就要进行解读。由于互联网是开放 架构,数据来源五花八门,必须事先规定好格式,否则根本无法解读。“应用层” 的作用,就是规定应用程序的数据格式。 应用层的 HTTP(超文本传输)协议、DNS(域名解析)协议、FTP(文件传送)协议、SMTP(简单邮件管理)协议等。

    举例来说,TCP 协议可以为各种各样的程序传递数据,比如发 Email 用的 SMTP(简单邮件管理)协议、网上冲浪用到的 HTTP(超文本传输)协议、下载资料用到的 FTP(文件传送)协议等等,这些应用程序协议就构成了“应用层”。 这是最高的一层,直接面对用户。它的数据就放在 TCP 数据段的“数据”部 分。因此,现在的以太网的数据帧就变成下图这样。

    至此,整个以太网的五层结构就介绍完毕。包括计算机和单片机在内的任何设备需要联网,就必须搭建这五层物理连接以及处理层内和层与层之间的 TCP/IP 协议方能实现网络应用。

    以太网的接入方案

    以太网的五层结构模型及各层所要实现的功能,按 照这一模型诞生出了各式各样的单片机网络连接方案来满足客户的不同要求。单片机的种类繁多,从低端到高端,有以 51 单片机为代表的 8 位单片机和以 ARM 为代表的 32 位单片机,不同档次的单片机实现网络接口的方法不同。对于像 ARM 等高端处理器一般都可以运行嵌入式操作系统,例如嵌入式 Linux。对于无操作系 统要求的单片机如何实现网络接入,我下面将这些方案按 TCP/IP 协议栈的不同归 结为两大类:第一类是传统的软件TCP/IP协议栈方案;第二类是最新的硬件TCP/IP 协议栈方案。下面我就这两类方案的实现方式进行分析。

    MAC + PHY方案

    所谓的 TCP/IP 协议栈是一系列网络协议的统称,不仅包括我们熟知的 TCP 协 议和 IP 协议,还有网络层的 ICMP(Internet 控制报文)协议、IGMP(Internet 组 管理)协议、ARP(地址解析)协议,传输层的 UDP(用户数据包)协议,应用层 的 HTTP(超文本传输)协议、DNS(域名解析)协议、FTP(文件传送)协议、 SMTP(简单邮件管理)协议等等。

    传统的以太网接入方案如下图,由 MCU+MAC+PHY 再加入网络接口实现以太网的物理连接,通过在主控芯片中植入 TCP/IP 协议代码实现通信及上层应用。

    应用这种软件TCP/IP。由于软件协议栈操作需要主控 MCU 不断地响应中断,这在很大程度上占用了 MCU 的运算/时钟资源。经过测试发现,单线程操作的情况下,MCU 的运行速度和数据的处理速度仅能满足需要,但随着线程增多,MCU 的工作效率直线下降,会 严重影响通信质量。

    代码量方面,即便是采用轻量级的 TCP/IP 协议栈 LWIP 协议,也会为主控芯 片带来超过 40KB 的代码量,这对于本身内存资源匮乏的单片机来说负荷过重。

    再从安全性的角度,设备并入互联网之后必须考虑网络安全问题,这种软件协 议栈的方式系统一旦受到复杂的恶意攻击,单片机很有可能瘫痪掉,这对系统就 是致命性打击,虽然目前网络技术不断发展,各类新的加密技术试图让通信变得 更加安全,但是还会出现各种各样的漏洞。

    硬件协议栈芯片方案

    硬件协议栈芯片方案如下图所示。由 MCU+硬件协议栈芯片(内含 MAC和 PHY) 直接加网络接口,便可方便的实现单片机联网,所有的处理 TCP/IP 协议的工作都 是通过这位 MCU 的“小秘书”——硬件协议栈芯片来完成。

    所谓硬件协议栈是指通过将传统的软件 TCP/IP 协议栈用硬件化的逻辑门电路 来实现,如下图所示。

    以太网芯片的内核由传输层的 TCP、UDP、ICMP、IGMP 等协议、网络层的 IP、 ARP、PPPoE 等协议以及链路层的 MAC 构成,再加上物理层的 PHY 和外围的寄存 器、内存、SPI 接口组成了这一整套硬件化的以太网解决方案。

    这套硬件 TCP/IP 协议栈代替了以往的 MCU 来处理这些中断请求,即 MCU 只 需要处理面向用户的应用层数据即可,传输层、网络层、链路层及物理层全部由 外围 WIZnet 的芯片完成。这套方案从硬件开销和软件开发两个方面来简化前面所 述的五层网络模型,简化产品开发方案。这样一来,工程师们就不必再面对繁琐 的通信协议代码,只需要了解简单的寄存器功能以及 Socket 编程便能完成产品开 发工作的的网络功能开发部分。

    由于硬件协议栈的加入协助单片机处理了几乎所有的 TCP/IP 协议工作,不仅 极大地减少了单片机的中断次数,让单片机腾出更多资源去完成其他工作,而且 硬件化的电路处理协议会更加快速、稳定。经试验测试,单线程下,该方案的通 信速度是软件协议方案的 10 倍左右;随着线程的增加,因为硬件协议栈是通过独 立的 Socket 进行通信,因而通信速度实现累加,而且单片机工作效率仍然会维持 在高位。

    代码量方面,因为这套方案主要是完成对 Socket 的编程以及寄存器的调用, 因此仅有 10K 左右的代码量,远小于软件协议方案,对 51 以及 STM32 等内存很 有限的单片机来说非常适用。

    从成本角度来讲,硬件协议栈芯片的价格跟用 MAC+PHY 比起来基本差不多。 而前者简单易用,用很短时间便能完成产品的开发过程。另外,官方例程库及上 位机程序丰富,也缩短了测试过程,后期基本免于维护。

    最后安全性方面,硬件化的逻辑门电路来处理 TCP/IP 协议是不可攻击的,也 就是说网络攻击和病毒对它无效,这也充分弥补了网络协议安全性不足的短板。 也正是因为这一优势,硬件协议栈技术在未来物联网以及智能家居领域有着广泛 的发展前景,让人们尽情享受现代科技带来的乐趣的同时,免受安全问题的困扰。

    当然,不可避免的硬件化的协议栈相对来说失去了软件协议栈那样的灵活性。 目前只支持 4 个/8 个 Socket,不能随时开启更多 Socket。但是,在嵌入式应用中 8 个 Socket 已经足够应对超过大部分的应用。

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  • 摘要:随着以太网的发展,单片机通过串行口接入网络的要求日益提高。本文就如何利用MOXA公司的Nport Express使单片机接入以太网进行了一些探讨。 关键词:单片机;串行口;Nport Express;WinSock; RS-232 中图...
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  • 什么是以太网接入以太网接入是指将以太网技术与综合布线相结合,作为公共电信网的接入网,直接向用户提供基于IP的多种业务传送信道 4.1 以太网技术在宽带接入领域的应用 4.1.1 以太网技术的发展 4.1.2 基于...

    什么是以太网接入: 以太网接入是指将以太网技术综合布线相结合,作为公共电信网接入网,直接向用户提供基于IP的多种业务传送信道

    4.1 以太网技术在宽带接入领域的应用

    4.1.1 以太网技术的发展

    4.1.2 基于以太网技术的宽带接入网

    一、以太网技术的应用方式

    1、VLAN方式
    VLAN方式的网络结构,将局域网交换机的每个用户端口配置成独立的VLAN,享有独立的VID(VLANID),利用支持VLAN的局域网交换机进行信息的隔离,用户的IP地址被绑定在端口的VLAN号上,以保证正确路由选择;同时,利用VLAN可以隔离ARP、DHCP等携带用户信息的广播消息,从而使用户数据的安全性得到了进一步提高。
    缺点: 无法对用户进行认证、授权。需要将用户的IP地址与该用户所连接的端口VID进行绑定,通过核实IP地址与VID来识别用户是否合法。

    2、VLAN+PPPoE方式
    可以解决用户数据的安全性问题,PPP协议提供了用户认证、授权以及分配用户IP地址的功能。
    缺点: PPP不能支持组播业务。

    二、基于以太网技术的宽带接入网实施方案

    1、系统组成
    (1)局端设备
    具有汇聚用户侧设备网管信息的功能,它不同于路由器,路由器维护的是端口-网络地址映射表,而局端设备维护的是端口-主机地址映射表
    (2)用户端设备
    不同于以太网交换机,只有链路层功能(只完成以太网帧的复用和解复用),在复用器方式下,各用户之间在物理层和链路层相互隔离
    在这里插入图片描述
    特点:
    (1)用户端设备可以在局端设备的控制下动态改变其端口速率,从而保证用户最低接入速率、限制用户最高接入速率,支持对业务的QoS保证。
    (2)由局端设备控制各多播组状态和组内成员的情况用户端设备只执行受控的多播复制,不需要多播组管理功能。
    (3)局端设备支持对用户的认证、授权和计费以及用户IP地址的动态分配
    (4)局端设备用户端设备之间采用逻辑上独立的内部管理通道,保证设备的安全性

    2、以太网设备
    (1)集线器(早期设备,共享带宽
    (2)以太网交换机
    是一种在第二层(数据链路层)上工作的交换设备,它和集线器最大的不同在于能够自学习每个包的源地址和目的地址,并能动态建立一张转发路径表,由此使各个节点发送的数据包只在相对应的端口中发出而无须每次都广播,带宽指标是独占而非共享,从而极大地提高了通信效率和安全性。

    3、以太网设备的实现方法
    (1)10Base-S结构框图
    在这里插入图片描述
    混合线圈 :实现2线和4线的转换。

    分离滤波器 :
    是抑制电话等低频业务中的高频谐波,混合线圈和传输线之间一般还有用于抑制上下行频带相互间谐波干扰的高通和低通滤波器。从用户端来看,因为上行数据使用高频频带而下行数据使用低频频带,所以发送上行数据加高通滤波器,接收下行数据则加低通滤波器。而局端则正相反,发送接口加低通滤波器,接收接口加高通滤波器。

    (2)基于AR2224的以太网交换机
    AR2224的全称是Ardent2224,是支持网络管理功能的高端交换芯片。它共有24个10M/100M自适应以太网端口,可以通过MII与各种多通道以太网物理层芯片相连接;另有2个1000M端口,可用于连接上级高速数据通道,可以实现交换机的堆叠。芯片带有一个32位的通用CPU接口和一个串行接口,分别用来连接作为管理平台的32位嵌入式精简指令集计算机CPU或普通8051单片机。AR2224还带有符合PC100规范的同步DRAM接口和同步SRAM接口,通过扩展外部存储器可以缓存信息包和MAC地址表。

    (3)整体系统参考设计
    在这里插入图片描述
    (4)前端混合线圈与滤波器
    双绞电话线在一个频段上只能传送一个方向的信号。为了实现双向通信,必须要进行2/4线转换,其功能主要依靠前端混合线圈实现。
    它和分离器、滤波器一样都是无源器件,理论上它们都可以由绕制电感线圈或用电容电阻的相应电路来完成。
    一般建议使用专用模块,比如英国APC公司的APC77101和APV77112、APC77110。这种方法集成度比较高,性能有保障,但成本稍高。

    4.1.3 以太网接入的主要技术问题

    一、Ethernet的帧格式

    1、Ethernet帧格式的发展
    1980 DEC、Intel、Xerox制订了Ethernet I的标准。
    1982 DEC、Intel、Xerox制订了Ethernet II的标准。
    1982 IEEE开始研究Ethernet的国际标准802.3。
    1983 Novell基于IEEE的802.3的原始版开发了专用的Ethernet帧格式。
    1985 IEEE推出IEEE 802.3规范。
    后来为解决Ethernet II与802.3帧格式的兼容问题推出折衷的Ethernet SNAP格式。

    2、各种不同的帧格式
    (1)Ethernet II
    由6个字节的目的MAC地址,6个字节的源MAC地址,2个字节的类型域(用于标示封装在这个Frame里面数据的类型),这些就构成了Frame Header;接下来是46~1500 字节的数据和4字节的帧校验。

    (2)Novell Ethernet
    其帧头与Ethernet有所不同,其中Ethernet II帧头中的类型域变成了长度域,后面接着的两个字节为0xFFFF用于标识该帧是Novell Ether类型的Frame。由于前面的0xFFFF占掉了两个字节,所以数据域缩小为44~1498个字节,帧校验不变。

    (3)IEEE 802.3/802.2
    其Frame Header和Ethernet II的帧头有所不同,既把Ethernet II类型域变成了长度域,又引入802.2协议(LLC)在802.3帧头后面添加了一个逻辑链路控制(LLC)首部,由DSAP(Destination Service Access Point)、SSAP(Source SAP)和一个控制域各1 个字节(byte)构成。服务访问点(SAP)用于标识帧的上层协议。

    (4)Ethernet SNAP
    Ethernet SNAP帧格式与802.3/802.2 帧格式的最大区别在于:Ethernet SNAP帧格式中,把DSAP和SSAP字段内容均被固定为16进制数0xAA,控制域内容被固定为16进制数0x03;增加了一个5 字节的SNAP ID,其中前面3个字节通常与源MAC地址的前3个字节相同,为厂商代码(Organizationally Unique Identifier,OUI ID),有时也可设为0;后2 个字节与Ethernet II的类型域相同。

    3、如何区分不同的帧格式
    Ethernet中存在这四种Frame,如何区分Ethernet II与其他三种格式的Frame呢?如果帧头跟随源MAC地址的2个字节值大于1500,则此Frame为Ethernet II格式;接着比较紧接着的2个字节,如果为0xFFFF,则为Novell Ether 类型的Frame;如果为0xAAAA,则为Ethernet SNAP格式的Frame;如果都不是则为Ethernet 802.3/802.2格式的帧。

    二、认证计费
    用户认证授权计费(AAA)一般包括用户终端、AAA Client、AAA Server和计费软件四个环节。
    (1)AAA Client与AAA Server之间采用RADIUS协议进行通信。
    (2)AAA Server和计费软件之间的通信为内部协议,计费时可根据经营方式的需要考虑按时长、流量、次数、应用、带宽等多种方式进行。
    (3)用户终端与AAA Client之间的通信方式通常称为“认证方式”,目前的主要技术有PPPoE、DHCP+WEB、IEEE802.1x三种 。

    三、用户和网络安全
    主要体现在用户通信信息的保密、用户账号和密码的安全、用户IP地址防盗用、重要网络设备(如DHCP服务器)的安全等方面。
    互不信任的不同用户间信息保密,通过以太网交换机实现端口隔离,实现用户之间的二层隔离和三层受控互通。用户账号和密码的安全依靠相应信息的加密传送实现。用户IP地址防盗用可通过绑定机制实现,例如IP地址与MAC地址、用户端口的绑定。对于DHCP服务器的安全,应防止用户通过改变MAC地址申请IP地址而耗尽地址资源。

    四、服务质量控制
    一是应保证网络上有足够的带宽,二是可借鉴Diffserv(差分服务)的一些方法,如整形、管制、分类、队列调度、拥塞控制等。

    五、网络管理
    为了满足电信网络运行、维护、管理的需要,应当对设备的网管功能提出比较全面的要求。当前,以太网接入网络中的设备应支持基于SNMPv2的网元级管理。

    4.2 千兆以太网接入技术

    千兆以太网是建立在以太网标准基础之上的技术。千兆以太网和大量使用的以太网与快速以太网完全兼容,并利用了原以太网标准所规定的全部技术规范,其中包括CSMA/CD协议、以太网帧、全双工、流量控制以及IEEE 802.3标准中所定义的管理对象
    千兆以太网已经发展成为主流网络技术。大到成千上万人的大型企业,小到几十人的中小型企业,在建设企业局域网时都会把千兆以太网技术作为首选的高速网络技术。千兆以太网技术正在成为城域网建设的主力军

    4.2.1 千兆以太网技术的特点

    1、千兆以太网提供完美无缺的迁移途径,充分保护在现有网络基础设施上的投资。在升级的同时,保留现有的线缆、操作系统、协议、桌面应用程序、网络管理策略与工具。
    2、千兆以太网相对于原有的快速以太网、FDDI、ATM等主干网解决方案,提供了一条最佳的路径。网络管理人员将为用户提供对Internet、城域网与广域网的更快速的访问。
    3、IEEE 802.3工作组建立了802.3z和802.3ab千兆以太网工作组,其任务是开发适应不同需求的千兆以太网标准。该标准支持全双工和半双工1000Mbit/s,相应的操作采用IEEE 802.3以太网的帧格式和CSMA/CD媒质访问控制方法。千兆以太网还要与10Base-T和100Base-T向后兼容。此外,IEEE还针对多模光纤、单模光纤和铜轴电缆三类传输媒质制定802.3千兆以太网标准,填补了802.3以太网/快速以太网标准的不足。

    4.2.2 千兆以太网的构建

    一、千兆以太网联网规范
    1、1000Base-SX就是针对工作于多模光纤上的短波长(850nm)激光收发器而制定的IEEE802.3z标准。
    2、1000Base-LX就是针对单模或多模光纤上的长波长(1300nm) 激光收发器而制定的IEEE802.3z标准。
    3、1000Base-CX就是针对屏蔽绞合线或同轴电缆的短途铜线缆而制定的IEEE802.3z标准。
    4、1000Base-T千兆以太网物理层标准规定了100米长的4对五类非屏蔽双绞线的工作方式。

    二、千兆以太网卡
    当服务器和工作站的传输速率提高至1Gbit/s的时候,必须小心地挑选千兆以太网网卡(NIC),否则其CPU可能无法适应网络的吞吐量,理论上,一个工作站有多少吞吐量取决于其总线结构、内存结构和CPU速度。总线为32位的计算机只能提供1Gbit/s的吞吐量,64位的计算机能提供2Gbit/s的吞吐量。
    千兆以太网需要第三代适配器,其包含一个机械精简指令集计算处理器,该处理器能执行智能的和主机特有的卸载功能。进入的数据直接从网上传到主机存储器单元,处理器就立刻对其进行调整以便访问。

    三、千兆以太网交换机
    随着千兆位的通信流经过局域网主干,交换并传输数据、图像和声音构成的混合信息,主干交换机得发挥高端作用,通信管理、拥挤控制和服务质量等成为千兆网所关心的重要问题。

    四、缓存式分配器
    缓存式分配器是一种全双工、多端口的类似集线器的设备,可将两个工作在1Gbit/s以上的802.3链路连接起来。能把分组转发到除源链路外的其它所有链路上,提供共享带宽域(与802.3的冲突域相对),也被称为“盒子中的CSMA/CD”。允许分组在转发到达各链路的帧之前先加以缓冲。

    五、千兆以太网构建举例
    1、以太网升级到千兆以太网的几点说明
    (1)把10M、100M网络升级至千兆的条件并不多,最主要的是综合布线条件。
    (2)如果原来的网络只覆盖了一幢建筑,而且最远的网络节点与网络中心的距离不超过100米,则可以利用原来的五类或超五类布线系统。如果原来的布线系统达不到五类标准,或者采用了总线型布线系统而不是星型布线系统,则必须重新布五类线。
    (3)升级至千兆以太网,首先要将网络主干交换机升级至千兆,以提高网络主干所能承受的数据流量。以前的百兆交换机作为分支交换机,以前的集线器则可以在布线点不足的地方使用。
    (4)若服务器需要吞吐大量的数据,在原来的服务器上添加千兆网卡(优选64位PCI的千兆网卡)。
    (5)网络主干升级了,网络的分支也应随之升级。如果原来的用户计算机已经安装了10M/100M自适应网卡,则可以不必升级网卡,否则需要将10M网卡更换为10M/100M自适应网卡。

    2、升级方式的举例
    (1)升级交换机到交换机的连接
    在这里插入图片描述(2)升级交换机到服务器的连接
    在这里插入图片描述(3)升级交换式快速以太网主干
    在这里插入图片描述(4)升级共享FDDI主干
    在这里插入图片描述在这里插入图片描述(5)升级到高性能桌面
    在这里插入图片描述

    4.3 万兆以太网接入技术

    4.3.1 国内万兆以太网的发展

        在国内网络厂商中,华为率先推出了支持万兆的高端路由器和交换机,包括:
    

    (1)华为QuidwayS8500万兆多层核心交换机;
    (2)华为QuidwayNetEngine5000万兆核心路由器;
    (3)华为QuidwayNetEngine80/40第五代高端核心
    路由器。
    该系列万兆路由器和交换机的推出,标志着我国大容量核心路由器和以太网交换机设计技术已经迈入国际一流水平。

    应用前景:
    1、宽带交换机与宽带交换机互连
    过去需要采用数个千兆捆绑来满足交换机互连所需的高带宽;现在可以采用万兆互连,甚至4个万兆捆绑互连,达到40G的宽带水平。
    2、数据中心或服务器群组网络中作为宽带汇聚
    在愈来愈多的服务器改用千兆以太网技术后,数据中心或群组网络的骨干带宽相应增加,以千兆或千兆捆绑作为平台已不敷使用,升级到万兆以太网在服务质量及成本上都将占有相对的优势。
    3、城域网宽带汇聚与骨干更新
    在宽带城域网的大量建设中,接入层会有愈来愈多的万兆或千兆以太网上连到城域网的汇聚层,而汇聚层也会有愈来愈多的千兆以太网上连到城域网的骨干层,这使得像万兆或万兆捆绑这样的宽带需求在城域网中的汇聚层及骨干层有相当多的市场需求。
    4、新兴的宽带广域网
    以太网与SONET/SDH在长期发展中有相当的价格优势,而万兆以太网又支持与SONET/SDH基础架构的无缝连接能力,这使得过去一直是SONET/SDH垄断的广域网市场出现了新的竞争者。
    5、存储网络(SoIP或SAN)
    在以太网技术作为存储网络平台时,时延与高带宽都是关键性的部件,因此千兆以太网及万兆位以太网都可以用来架构一个以太网平台的存储网络。这是一个新兴的应用,不仅可以满足存储设备的高速互连,也可以实现存储设备的备份(Backup)及灾难恢复,在考虑到成本的情况下,千兆以太网与万兆以太网都可以在这个新兴的应用上得到发挥。

    4.3.2 万兆以太网技术的分析

    万兆以太网于2002年7月在IEEE通过,主要包括10GBase-X、10GBase-R和10GBase-W。
    10GBase-X使用一种特紧凑包装,含有1个较简单的WDM器件、4个接收器和4个在1300nm波长附近以大约25nm为间隔工作的激光器,每一对发送/接收器以3.125Gbit/s速度(数据流速度为2.5Gbit/s)工作。
    10GBase-R是一种使用64B/66B编码(不是在千兆以太网中所用的8B/10B)的串行接口,数据流为10.000Gbit/s,因而产生的时钟速率为10.3Gbit/s。
    10GBase-W是广域网接口,与SONET OC-192兼容,其时钟为9.953Gbit/s,数据流为9.585Gbit/s。

    1、10G串行物理媒质层
    按照波长不同,10G Base-SR/SW传输距离为2m到300m,10G Base-LR/LW传输距离为2m到10km,10GBase-ER/EW传输距离为2m到40km。
    2、PMD(物理媒质关联)子层
    PMD子层的功能是支持在物理媒质接入子层(PMA)和媒质之间交换串行化的符号代码位,将这些电信号转换成适合于在某种特定媒质上传输的形式。PMD是物理层的最低子层,负责从媒质上发送和接收信号。
    3、PMA(物理媒质接入)子层
    PMA子层提供了物理编码(PCS)和物理媒质关联(PMD)子层之间的串行化服务接口, PCS子层的连接称为PMA服务接口。另外,PMA子层还从接收位流中分离出符号定时时钟,该定时时钟用于对接收到的数据进行正确的符号对齐(定界)。
    4、WIS(广域网接口)子层
    WIS子层是可选的物理子层,可用在PMA与PCS之间,产生适配ANSI定义的SONET STS-192c传输格式或ITU定义SDH VC-4-64c容器速率的以太网数据流。该速率数据流可以直接映射到传输层而不需要高层处理。
    5、PCS(物理编码)子层
    PCS子层位于协调子层(RS)和物理媒质接入(PMA)子层之间。PCS子层完成将以太网媒质访问控制(MAC)功能映射到现存的编码和物理层信号系统的功能上去。PCS子层和上层接口由10Gbit/s媒体无关接口提供,与下层使用PMA服务接口。
    6、RS(协调子层)和10Gbit/s媒体无关接口
    协调子层的功能是将10Gbit/s媒体无关接口的通路数据和相关控制信号映射到MAC/PCS接口上。10Gbit/s媒体无关接口提供了10Gbit/s的MAC和物理层间的逻辑接口。10Gbit/s媒体无关接口和协调子层使MAC可以连接到不同类型的物理媒质上。
    7、万兆以太网的帧定界
    以太网一般利用物理层中特殊的10B代码实现帧定界的。当MAC层有数据需要发送时,PCS(物理编码)子层对这些数据进行8B/10B编码,当发现帧头和帧尾时,自动添加特殊的码组SFD(帧起始定界符)和EFD(帧结束定界符),因而PCS子层可很容易地根据接收的SFD和EFD找到帧的起始和结束从而完成帧定界。
    在利用千兆以太网的前导和帧起始定界符进行帧定界时,由于信息数据中出现与前导和帧起始定界符相同码组的概率较大,可能会造成接收端始终无法进行正确的以太网帧定界,因此,万兆以太网采用了HEC策略。
    8、万兆以太网的传输速率
    10G以太网实质上是高速以太网,为了与传统的以太网兼容必须采用传统以太网的帧格式承载业务。同时,为了达到10Gbit/s的高速率可以采用OC-192c帧格式传输。这就需要在物理子层实现从以太网帧到OC-192c帧格式的映射功能,借鉴了OC-192c的块状帧结构、指针、映射以及分层的开销,但是在SDH帧结构的基础上做了大量的简化。
    10G以太局域网和10G以太广域网物理层的速率不同,10G以太局域网的数据率为10Gbit/s,而10G以太广域网的数据率为9.58464Gbit/s 。

    4.3.3 万兆以太网的应用

    1、10GE在校园网的应用
    在这里插入图片描述
    2、10GE直接作为城域网骨干
    在这里插入图片描述

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  • 引言  在网络技术应用日益广泛的今天,网络传输是最经济有效的数据传输方式。...我们在设计方案中舍弃了耗费资源的高级协议,采用发送小数据包的方式以避免分段,来简化TCP协议和UDP协议,实现互联接入。  

           引言

           在网络技术应用日益广泛的今天,网络传输是最经济有效的数据传输方式。如何利用廉价的51单片机来控制网卡芯片进行数据传输,加载TCP/IP协议连接到互联网,实现网络通信成了众多设计者的目标。但由于指令及资源的限制,实施过程会有许多困难。我们在设计方案中舍弃了耗费资源的高级协议,采用发送小数据包的方式以避免分段,来简化TCP协议和UDP协议,实现互联接入。

           硬件设计与实现

           系统的硬件结构框图如图1所示。本系统的微控制器是Winbond公司的78E58,网络接口芯片是与NE2000系列兼容的Realtek公司的RTL8019AS。RTL8019AS内置了10BASE-T收发器,外接一个隔离LPF滤波器,经RJ-45接口输出。外部RAM是62256,24C02是I2C总线的EEPROM。

     

         图1  嵌入式协议转换硬件框图

           系统的软件设计与实现

           为适应上网的需求,系统软件设计主要包括两部分内容:一是要执行对RTL8019AS等的控制功能,二是要执行与连接Internet相关的功能,实现TCP/IP协议。本文着重介绍第二部分,主程序采用C51语言编写。

           RTL8019AS初始化

           要将嵌入式系统接入以太网,首先要设置RTL8019AS的工作方式和工作状态,分配收发数据的缓冲区,通过对地址及数据口的读写来完成以太网帧的接收与发送。然后设置RTL8019AS的工作参数,亦即设置内部控制寄存器。对RTL8019AS的工作参数进行设置完毕后,进入正常工作状态,接下来就读写RTL8019AS的RAM以完成数据包的接收和发送。由于篇幅有限,这里就不再详述。

           TCP/IP模型

           TCP/IP协议是一套把Internet上的各种系统互连起来的协议族,保证Internet上数据的准确快速传输。TCP/IP通常采用一种简化的四层模型:应用层、传输层、网络层、链路层。

           本系统中,应用层传递来自以太网和数据终端的数据,并对数据报作打包拆包处理。传输层采用传输控制协议TCP或用户数据协议UDP。网络层实现IP协议,还要实现能报告数据传输差错等情况的ICMP协议。链路层部分由RTL8019AS完成,链路层由控制同一物理网络上的不同机器间数据传送的底层协议组成。

           在单片机里只实现与需要有关的部分,而不使用的协议则一概不支持。单片机应用的TCP/IP协议大多是为了完成数据采集和数据传输,而不需要网页浏览、文件传输这些功能。

           ARP协议(地址解析协议)

           以太网是TCP/IP协议主要采用的局域网技术,是系统接入Internet的基础。ARP本质是完成网络地址到以太网物理地址的动态映射。UNIX系统的ARP协议支持以太网、令牌环等网络,但我们的单片机系统里只支持以太网。

           IP协议(网际协议)

           IP是TCP/IP协议族中最为核心的协议。所有的TCP、UDP、ICMP及IGMP数据都以IP数据报格式传输。就对某些协议而言,IP包最大可以为65K,可以分段传输,而在单片机里根本无法容纳如此大的数据包,因此一般是不支持分段的。我们的设计中采用发送小数据包的方式,以避免分段。

           TCP协议(传输控制协议)

           TCP数据封装在一个IP数据报中,并具有自己的TCP首部, TCP协议定义十分复杂,鉴于51单片机的片内资源十分有限,本系统对TCP协议进行了一定的简化处理。标准的TCP协议使用慢启动的滑动窗口机制,如果只使用单个窗口,就变成了一种简单确认的处理方法。即只需对单个数据报发送和确认,节约了系统资源,也使维护更加方便。

           编程实现TCP协议的另一个难点在于TCP建立连接和终止连接的具体过程的实现。TCP协议是一个面向连接的协议,连接的双方无论是哪一方向另一方发送数据,都必须先通过“三次握手”过程在双方之间建立一条连接,和通过“四次握手”终止连接。

           连接建立后,TCP就可以发送数据块,称为数据段。当TCP发出一个段后,它启动一个定时器,等待目的端确认收到这个报文段。如果不能及时收到一个确认,将重发这个报文段。另外,TCP将保持它首部和数据的检验和。

           系统主应用程序的实现

           系统初始化后,进入主程序循环的两部分:一是对接收到的以太网数据帧进行解包,供应用程序使用,一是对发送的数据进行封装并发送,使采用TCP/IP协议的以太网内的所有计算机都能收到此数据帧。图2是系统的主应用程序的流程图。

    3   系统的主应用程序的流程图

           单片机实现TCP/IP协议的难点

           51单片机的程序空间、可用的内存RAM、运算速度、指令集等原因,在UNIX或Windows上实现的TCP/IP协议的源代码并不能够直接移植到8位的单片机上。在51单片机上编写代码会受许多限制,特别是实现TCP/IP协议这样关系复杂的程序,我们必须根据实际情况尽可能挖掘51单片机的性能。综合来说,单片机实现与UNIX实现TCP/IP有如下区别:

           (1)操作系统:Windows或UNIX都是多任务操作系统,这使得代码编写简单化,在单片机只能是单任务系统,代码结构为顺序执行+硬件中断的方式,无法并发执行。

           (2)内存分配:Windows或UNIX的内存分配是动态的。而一般单片机只有外接的一块32K字节的RAM,并同时被各个协议使用。一个最大的以太网数据包有1.5K字节,分配一包的缓冲区就要1.5K字节。为此,我们分配一个256×6=1536个字节的固定的RAM来存放收到的以太网数据包。收到一包就处理一包。

           (3)指针:在PC里所有程序都必须先放在RAM里才能运行,所以它的指针都指向RAM。而单片机的结构和PC的结构有很大差别,指针类型很多,各指针运算的速度也不一样,特别是“一般指针”运算很慢,还会占用很多程序空间。UNIX实现TCP/IP的源代码中,用得最多的就是指针,而在单片机里一般要求少用指针,或使用特定类型的指针。对使用UNIX的源代码需要作很多的改动。

           (4)参数传递:在UNIX实现的TCP/IP源代码中,一般有很多的参数传递,而在单片机里允许传递的参数是有限的(因为受到内部RAM的限制),同时参数传递的过程要浪费程序代码空间,也降低单片机执行速度。所以在单片机的实现里,一般不要做太多的参数传递,而多使用公共的全局变量来实现调用的过程。

           (5)硬件接口:在UNIX或Windows里,对网卡驱动无一例外都是采用中断方式,因为PC的处理速度快,一次中断的处理时间也很短,不会影响系统内的其它中断。而在单片机的应用中,大部分的方案都是查询式的。PC的NE2000的网卡,一般都是用16位DMA的方式,而在单片机里却只能用8位DMA方式。这也使UNIX对网卡驱动的代码不能直接移植。

           结语

           本文设计的嵌入式网络接入方案,采用廉价的8位51单片机实现了简化TCP协议和UDP协议,并支持主动和被动连接、跨越网关,实现互联网接入,在被控设备与上位控制机之间提供了一条透明的传输通道

    ,用户不需对原有串口设备或其他数字设备做任何修改,就可享受到网络的好处。目前,本文的系统已被成功使用在网络化的数据采集器中。

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