arm的以太网转换器的设计与实现大学论文.doc

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1、大连理工大学专业学位硕士学位论文摘 要相对于其它通信方式来说，激光通信具有独特的优越性，其具有强大的抗电磁干扰的能力、较强的有电保密性能、良好的电磁兼容性。对于战场移动指挥条件下的通信需要，激光通信也能够表现出良好的适应性。不仅可以临时架设激光通信系统作为移动通信的转接，可以在野外的高山之间架设激光通信系统，还可以在陆、海、船三者之间实现激光通信系统的架设等等。在未来军事通信网络的发展中，激光通信将会成为通信手段的主流，因其优越的性能，受到了世界多个国家的广泛关注。本文建立的以太网系统，将网络芯片和ARM以及C/OS-II操作系统的优点加以融合，使以太网得以实现与激光通信系统的良好连接。本文的

2、设计中搭建的硬件系统由网络芯片、AT91RM9200处理器、存储器为主要部件，并在AT91RM9200处理器上成功的将C/OS-II操作系统进行移植。对构建完成后的系统进行了整体的试验测试，测试结果证明本系统可以良好的实现对以太网数据的转换，使100Mbps以太网数据可以转换为8Mbps的PECL电平数据，以满足在激光发射系统中进行数据传输的需要。关键词： ARM C/OS-II； 数据转换； 以太网Design and Implementation of Ethernet Transfer Based on ARMAbstractCompared with other means of co

3、mmunication, laser communication has the unique superiority, it has strong ability of anti electromagnetic interference, strong electromagnetic compatibility of electrical performance of confidentiality, good. The need for battlefield communications mobile command conditions, laser communication can

4、 also showed good adaptability. Can not only temporary erection laser communication system as the mobile communication adapter, laser communication system in field erected between the mountains, still can be in between the land, sea, the ship three laser communication system construction etc. In the

5、 future development of military communication network, laser communication will become the main means of communication, because of its superior performance, are widely concerned by many countries in the world.Ethernet system established in this paper, the advantages of the network chip and ARM and C

6、/OS-II operating system to be integrated, so that the Ethernet can be realized with the good connection of the laser communication system. The hardware system built in this design by the network chip, AT91RM9200 processor, memory is the main component, and in the AT91RM9200 processor will be the suc

7、cess of C/OS-II operating system transplant. To construct the system after the completion of the test the whole, the test results show that the system can realize the conversion of the Ethernet data better, make 100Mbps Ethernet data can be converted to the PECL level 8Mbps data, in order to meet th

8、e need of data transmission in the laser emission systeKey words：ARM; C/OS-II; data transfer; ethernet目 录摘 要IABSTRACTII1 引 言11.1 研究背景11.2 研究目的31.3 理论依据31.4 研究方案41.4.1 结构框架设计41.4.2 基本性能要求41.4.3 处理器的选择52 相关技术分析62.1 体系结构62.2 TCP/IP协议72.2.1 ARP和RARP92.2.2 IP112.2.3 TCP142.3 编码方式152.3.1 基带传输码型分析162.3.2 差

9、分曼彻斯特码172.4 CSMA/CD183 嵌入式系统设计203 1ARM微处理器概述203.2 ARM微处理器体系结构203.2.1 嵌入式硬件体系结构213.2.2 ARM9微处理器结构233.3 基于ARM的嵌入式系统开发243.3.1 嵌入式软件开发流程243.3.2 嵌入式操作系统253.3.3 应用程序253.3.4 ARM集成开发环境264 C/OS-II的移植设计与测试294.1 C/OS-II移植设计294.1.1 OS_CPU.H的移植294.1.2 OS_CPU_C.C的移植314.1.3 OS_CPU_A.ASM的移植324.2 移植测试345 转换器的实现365.1

10、 数据转换原理365.1.1 物理层数字信号接收和电平判决365.1.2 帧数据的拆包395.2 数据转换硬件设计395.2.1 系统整体硬件设计395.2.2 帧处理模块设计405.2.3 输出信号编码电路设计415.2.4 TTL电平转换为PECL电平415.3 数据转换软件设计425.3.1 转换软件程序流程图425.3.2 初始化过程435.3.3 数据转换处理过程486 实验测试516.1 测试码速率516.2 环境模拟测试52结 论54致 谢55参 考 文 献56-57-1 引 言随着计算机技术、通信技术的飞速发展，人们通过计算机进行网络互连的同时，嵌入式设备接入网络的需求越来越大

11、。建立一种高速廉价、实时性和开放性好、可靠性高的网络的需求也越来越大。这种以高性能的嵌入式处理器为主控制器，可以有效地提高系统的实时性可靠性和软件编程的灵活性。 C/OS-II这种小型硬件实时嵌入式操作系统内核具有源码公开便于移植、免费型、易控制、小规模、高性能、可固化、可剪裁、可靠性强等突出优点。ARM微处理器应用以来，其独特的优势特点受到了行业内的广泛认可。ARM微处理器不仅处理效率高，而且功耗低，成本也很经济，表现出很强的可靠性和功能性，受到了业界的一致认可并得以广泛的推广应用。也正是因为这些优点，使得ARM的嵌入式技术被应用于多个重要领域，包括：电子通信、智能仪器仪表、计算机信息系统、

12、国防军事、加工制造业以及轻重工业的数控。1.1 研究背景大气激光通信技术是近年新兴一种无纤光通信技术，其以光信号作为信息传输点的载体。大气激光通信技术的传输信道为大气，承载载波光信号的传输，使光信号得以实现点于多点间或者点与点间的通信。无线通信使其随意移动到任何地点并使移动沟通成为可能。从而比其它一些通信方式有更好的应用价值。此技术以半导体激光器为光源，以无线数字通信系统为通信支撑，主要在有固定点使用以及执行应急抢通任务时使用，发挥了重要的作用。大气激光通信设备不仅具有良好的抗电磁干扰能力、稳定性好、可靠性高等特点，而且组网灵活、安装和维护都极为方便简单、性价比高，同时，其还支持多种速率的数据

13、传输，包括：语音、图像等数据，优势特点突出，应用领域广泛。其不仅在很多入网应急设备，如：电话网、数据网、微蜂网中使用，还可在一些光缆和电缆不便敷设的近距离场合中使用。因此，激光通信应用领域和应用前景都十分广阔。大气激光技术以其表现出的良好特点，受到了信息技术行业的广泛关注，成为通信行业中的热门技术。随着技术的进步和新部件的不断开发，大气激光通信技术具有更广阔的发展空间，其作用和地位必将不断的提高，成为全球通信网络中不可或缺的重要技术。本文的网络转换器的设计，其主要的应用目的在于使激光发射系统通过网络转换器将数据进行有效转换得以实现与以太网的连接，从而是以太网数据能够实现激光传输。在这个过程里，

14、首先应解决的问题是如何实现嵌入式设备与网络互连。本文中转换器的设计利用ARM嵌入式系统处理速度快、功耗低、价格低、可靠性高、功能强以及网络芯片应用于流媒体数据处理的特点；通过将以上优点加以结合使用，实现将以太网的数据通过转换器转换为满足激光传输的数据类型，使其在激光发射系统中得以实现数据的传输。嵌入式系统定义为：以应用为中心，计算机技术为基础，适应应用系统对功能，软硬件可剪裁，可靠性，成本，体积，功耗严格要求的计算机系统。在此之前，对于嵌入式产品的多以控制为主要作用，处理器的运行也是在封闭式的环境之下，大多数嵌入式系统还处于单独应用的阶段，以MCU为核心，与伺服、监测、指示设备配合实现的功能，

15、以完成如：查询、搜索、控制等具有特定性特定的工作。因为系统是单独应用的，处于一种孤立的工作状态，因此在这种封闭运行环境下的嵌入式系统作用发挥具有很强的局限性，不能充分的发挥其本身具有的真正功能。现今Internet成为了社会重要的基础信息设施，是重要的信息流通渠道，如果嵌入式系统能连接到Internet上，则可以方便、低廉地将信息传送到世界上的任何地方。随着信息技术的不断发展，网络技术的不断进步以及电子产品的不断开发，在互联网中接入嵌入式系统越来越成为一种必然的需求。嵌入式系统和控制器相连接的系统模式已经在一些工业领域中被应用。嵌入式系统可以对多个控制器进行集中控制，不仅大大的提高的工作生产的

16、效率，而且使用成本较低，经济性强，使集中管理的模式得以良好的实现。在一些工业和汽车应用中，为了实现多个MCU之间的信息交流，利用CAN、RS-485RS-232等总线将MCU组网，但这种网络的通信协议也比较少，有效半径比较有限，并且是孤立于Internet以外的。随着嵌入式技术和网络技术的发展，嵌入式网络系统的发展更加复杂化，其在互联性、协议的执行等方面的能力大大提高，从而带动了嵌入式处理器的工作性能也随之不断增强。尤其是将嵌入式系统同局域网连接后，嵌入式系统的功能更加强大，具有了更加广阔的控制范围。市场的需求和技术的发展，使得对嵌入式处理器的性能要求和处理速度要求不断提高，嵌入式系统功能在不

17、断发展完善的同时，也会随之出现一些不安全的因素。本文主要对基于ARM的以太网转换器应用于激光发射系统中进行研究，其主要内容分为以下几点：（1）对以太网的体系结构、TCP/IP协议族、以太网编码方式和CSMA/CD进行研究分析。（2）对嵌入式微处理器的系统结构体系进行研究，分析其工作基本原理，并深入探讨了基于ARM的嵌入式系统的开发与应用。（3）将C/OS-II操作系统嵌入到AT91RM9200处理器，开发出以AT91RM9200为核心的嵌入式系统以及对移植完成后系统整体进行了性能测试。（4）对基于嵌入式系统的以太网数据转换器的实现进行研究。1.2 研究目的本文设计的网络转换器的主要目的在于能够

18、将100Mbps以太网数据进行数据转换，使其转换为8Mbps的PECL电平数据，并将电平数据传输到激光发射系统，从而使以太网数据实现激光传输。本文研究设计的基于以太网的转换器，具有以下几点意义：（1）在激光发射系统中应用以太网转换其可以使以太网数据实现激光传输。（2）为以太网无线通信的探索提供参考依据。现有无线传输以太网数据多是采用超高频电磁波的形式得以实现，其具有一定的弊端，如保密性低、传输距离受限等等。本文研究的以太网转换其，实现数据的激光传输，为研究以太网数据实现无线通信提供依据，具有较强的参考价值。（3）可促进以太网和激光通信网络的连接与结合。通信网络在未来的发展中，其组网方式必将更加

19、的多元化，激光通信在以后的通信网络中必将占据重要地位；本以太网转换器的设计和研究，为实现以太网和激光通信网络的连接和结合起到积极的促进作用。1.3 理论依据转换器的主要作用在于对通信系统中数据类型的转换，将待处理的信息转化为计算机接口数据，利用软件实现各种功能。按照通信原理分析，转换其对数字电平信号的接收，首先需要将数字信号的码序列完整准确的提取出来，然后对信号的码序列进行译码，输出电平兼容的并行自然二进制码后再进行解析TCP/IP数据包的任务，最后将以上操作提取出的完整正确的用户数据进行重新发送。数字通信系统原理框图如下：图1.1 数字通信系统框图Fig1.1 digital communi

20、cation system基本的数字通信系统一般由信源、收端设备、发端设备、信宿和传输媒介等组成。来自信源的消息（文字、图像、语言或数据）在发信端先由末端设备（如传真机、电传打字机、电话机或数据末端设备等）变换成电信号，然后经发端设备编码、调制、放大或发射，把基带信号变换成适合传输的形式；在收信端经收端设备进行反变换恢复成消息提供给收信者。以上面的数字通信系统原理图为参考依据，可以建立激光发射系统基础之上的以太网数据传输系统框图，如下图所示：图1.2 转换器设计原理图Fig. 1.2 schematic diagram of converter design由上图1.2可见数据从以太网发出通过

21、信道传输至转换器，转换器对以太网数据接收后首先判决和译码，将用户数据从中提取出来后重新进行编码，然后将其转换为能够满足在激光发射系统中进行传输的电平数据类型后发出。1.4 研究方案1.4.1 结构框架设计本文中转换器的主要功能作用是将以太网数据进行译码和解包，并将提取出用户数据进行重新的编码并完整的发送出去。对转换其的整体结构框架进行设计是建立在理论依据的基础之上，并将转换器的目标功能充分加以考虑，以功能实现为前提进行基本结构框架的设计，如下图所示：图1.3 整体框架Fig. 1.3 the overall framework1.4.2 基本性能要求（1）速率要求转换器必须具有出色的效率，要将

22、以太网数据转换为8Mbps的PECL电平数据输出。（2）温度要求温度方面具有挑战性，对转换器的要求是：能在温度环境下工作。（3）多任务要求转换器可以处理多路以太网数据。嵌入式DC-DC转换器具有出色的效率。这类转换器的可用空间很小，由于嵌入式转换器周围的铜面积改善系统PCB 上元件热阻抗，所以对于热设计尤其具有挑战性，。1.4.3 处理器的选择要满足本文设计的功能要求，首先选择的处理器不仅要位数高，而且能够对支持实时处理多项任务。从市场现有的处理器类型来看，类型非常多样。如果按照位数来对处理器进行划分，可分为：8位、16位、32位以及64位；如果按照工作温度对处理器类进行划分，可分为：普通级和

23、工业级；如果按照处理器的应用类型来划分，可分为：AVR系列、DSP系列、ARM系列等等。我们在进行嵌入式处理器的选择时，主要考虑两个方面：一是考虑应用的具体需求；二是对市场上不同生产厂家的处理器所具有的性能指标进行全面的具体的分析，如处理器的处理速度、功耗以及稳定性等。我们首先要对处理器的具体应用需求进行全面的分析以获得其各个指标，然后才能根据用户的需求对要设计的产品的功能以及技术参数进行正确的定义，在此基础上选择对于我们的研究设计来讲最为适合的处理器。在实际的研究设计中，除了需要对功能需求和产品指标进行充分的考虑之外，我们对各个类型各个系列的处理器性能的熟悉度也对设计质量有所影响，同样需要作

24、为一个因素加以考虑。根据我们对处理器不仅要满足数据转换速率的要求，并且要支持实时多任务的要求。本文研究设计的处理器系统要达到满足应用的需求，首先要求具有较高的速率指标，而且还要求有很高的数据准确性，可以适合在工业环境的温度下进行工作。基于以上要求，我们进行处理器的选择。从数据处理的性能角度出发，ARM9系列的微处理器的系统主时钟为100 MHz230 MHz，其具有的处理速度较快，可达到1.1MIPS/ MHz。因此我们选择ARM9系列中的AT91RM9200处理器，这个处理器具有工业级的温度标准，而且对于我们来说，对这一类型的处理器的性能比较熟悉，便于应用。AT91RM9200处理器具有丰富

25、的系统与应用外设及标准接口，从而为低功耗、低成本、高性能的计算机宽范围应用提供一个完美的解决方案。鉴于以上这些性能，在本课题的研究中我们选择一款32位ARM系列嵌入式处理器。2 相关技术分析2.1 体系结构OSI参考模型直观的对系统的层次结构、层次间的关系以及每一层次所含有的可行性服务进行了定义。OSI参考模型不仅是以太网网络内部结构体系最准确最直接的概述，其更是一个结构的框架，制定和协调各个组织层面的协议。可以说，OSI参考模型作为一个网络系统的层次划分的结构框架，使各个类型的主机直接实现了通信。它所包含的七个层次既是各个独自分离的，层次之间有具有紧密的关系，在其中的每一层都定义了通过网络传

26、送信息的一些过程。第七层 应用层：此层为OSI模型中的最高的层次，其主要功能在于为某一特定类型的网络应用对OSI环境的访问提供手段。为了满足用户的访问需要，应用层将各个进程间的通信性质加以确定，不仅为应用进程提供其访问所需要的信息上的交换，而且还要满足其远程操作的需要，同时应用层也是应用进程的用户代理，在应用进程进行信息交换的时候完成此种需要的一些功能。这些功能通常包括：虚拟终端VT、文件传送访问和管理FTAM、数据库远程访问RDA、报文制造规范MMS、处理事务TP、服务目录DS等各个协议；第六层 表示层：此层的主要功能在于对于两个不同的通信系统中信息交换的表示方式的处理，服务于上层用户，对用

27、户信息中存在的语法问题加以解决。它的主要功能包括：交换数据格式、对数据进行加密和解密、压缩数据、数据恢复等等；第五层 会话层：此层的主要功能在于为两个节点进行端连接的建立，同时为处于端系统的各个应用程序之间的对话提供有效的控制机制。虽然在第4层中可以对双工方式进行处理，但是在此层的服务中也包括连接建立方式的设置是全双工还是半双工；第四层 传输层：此层的主要功能在于数据的传输，提供给第五层的用户数据传输服务以优化、可靠的服务机制。功能包括全双工、半双工、数据流控制、错误更改修复服务；第三层 网络层：此层通过寻址为手段在两个节点间建立连接，负责为发自源端的分组进行适合的路由和交换节点的选择，并按照

28、地址准确完整的向目的端传送。第二层 数据链路层：此层负责将数据进行分别帧选，并对流控制进行处理，对物理层加以屏蔽，提供数据链路的连接给网络层。并且对于某条可能有差错存在的物理连接上，可以进行尽量准确的数据传输。在本层指定拓扑结构同时可为硬件提供寻址；第一层 物理层：此层为OSI参考模型的最下一层，其主要功能在于为第二层的数据链路层通过物理传输介质提供有效的物理连接，从而是比特流得以透明的传送。在进行发送数据的过程中，通常从最高层的第七层传输到最底层的第一层，在接收数据则是自下而上，与发送相反。以OSI模型为参照来设计以太网的网络层次结构体系，如下图2.1所示：图2.1 以太网结构Fig. 2.

29、1 Ethernet structure从上图可以看出，以太网的层结构对应OSI模型的数据链路层和物理层。数据链路层有两个字层：逻辑链路控制子层(LLC)和媒体接入控制字层(MAC)。LLC字层负责数据链路层的流量控制和差错控制。MAC子层负责CSMA/CD接入方法的操作。MAC字层还把从LLC子层收到的数据组装成帧，并把帧交给物理层进行编码。物理层把数据转换成电信号，通过传输媒体，把信号传送到下一站。物理层还检测碰撞，并向数据链路层报告发生了碰撞。2.2 TCP/IP协议TCP/IP，传输控制协议/因特网互联协议，也称为网络通讯协议，是Internet互联网络的基础协议，由网络层的IP协议和

30、传输层的TCP协议组成。IP的主要任务在于对数据报的路由进行选择处理，TCP的主要任务在于每个高层的功能实现。（1）TCP/IP模型TCP/IP参考模型是ARPANET和因特网所使用的参考模型。ARPANET在初期使用时将政府机关部门和多所大学之间用租用的电话先实现了连接。随着无线网络的发展和卫星技术的进步，以现用的协议连接它们的时候没能成功，这就需要新的体系结构产生。此种需求促进了这两种主要协议的产生，一种新的TCP/IP参考模型出现。TCP/IP协议，有多个具有特定功能的模块组成，模块间具有交互性，而且模块的分布也具有层次性，不同的模块分布归于不同的层次。TCP/IP协议族主要分为五个层次

31、，由上至下依次为：应用层，实现具体应用；运输层，具有运输功能；网络层，提供网际互连；数据链路层，提供网络接口；物理层，提供物流标准。TCP/IP协议具体分层模型如下图2.2所示：图2.2 TCP/IP模型Fig. 2.2 TCP/IP model应用层是所有层次中最高的一层，用户可根据自身的需要自主进行协议的开发。运输层包括TCP和UDP两个协议，用户数据报协议是进程中的协议，当接到上层来的数据时，只在此数据基础上增加端口的地址，并进行数据的检验依据差错的控制。TCP协议提供运输层服务给应用层，是一种流式传输协议，非常可靠和稳定。网络层包含IP协议、ICMP控制报文协议、ARP地址转换协议以及

32、RARP反向地址转换协议。TCP/IP协议以网际互连协议为传输机制，其所提供的服务是无连接的，其所传输的数据是以独立的数据报的形式所传输的。不同的数据报在传输的时候选择的路由也不同，到达是无序的。ARP通过已有的IP协议来找到于主机的MAC相对应的地址，是一种正向的地址解析协议。RARP是根据MAC地址来对IP地址加以确定，是一种反向的地址解析协议。ICMP作为网络层的补充，能够将报文回送过去以对网络的通畅度进行检测。IGMP协议可以把一个报文在同一时间向一组接收者传送过去。对于底下两层，即物理层和数据链路层来说，TCP/IP没有进行特定的协议，因此这两层对所以的标准和协议都是支持的。（2）编

33、址互联网使用TCP/IP协议，需要使用物理地址、IP地址和端口地址三个不同等级的地址，在TCP/IP体系结构中，不同等级的三个地址归属于不同的层次，其具体关系如下图2.3所示：图2.3 TCP/IP层与端口地址的对应关系Fig.2.3 Corresponding relations between the layer and the port address TCP/IP物理地址，即链路地址，其归属于数据链路层的帧中，是最底层级别的一个结点地址。物理地址的长度和格式不是固定的，受所属的网络来决定。IP地址可确认网络中的任何一个网络和计算机，而要识别其它网络或其中的计算机，则是根据这些IP地址的

34、区别开来。端口地址是在主机上开发出的一种特别的进程，主要就是为了通信的最终目的得以实现。2.2.1 ARP和RARP地址解析协议的作用就是为了获取准确物理地址，ARP就是这样一个TCP/IP协议。节点IP地址的ARP请求当传输到互联网中之后，此刻的就可以在这个节点上接收到IP地址的应答，这是确保数据传输的关键，还有一种RARP，这种技术经常被一些无盘工作的特殊情况下所使用，他也能和ARP协议一样，可以获得准确地址。（1）ARP分组和封装当主机或者路由器要发送数据报时，无论在什么时候都必须具有接收站的IP地址，才能使数据的成功发送。但是IP数据要通过物理网络实现数据传输，必须以封装成帧的形式通过

35、，也就是说，必须目的方的物理地址才能发送。从逻辑地址实现到物理地址的映射，可以采用动态映射或者静态映射的方式。但是如果采用静态映射，需要将物理地址和逻辑地址静态的在同一个表中进行存储，这样发送站表中进行搜索，查找到与逻辑地址对应的物理地址。但是因为物理地址是不固定的，其频繁的变化更新带来的是表中逻辑地址的不断更新，这就使更新的工作量大大增加，使用起来非常麻烦，因此静态映射并不是最佳的方法。如果把采用动态的映射方式，即当发送站要发送数据时，可以向接收站发出物理地址的请求，使其直接提供出物理地址。ARP的设计就是满足了这一需要，将一个IP地址和其所对应的物理地址连接起来。如在局域网中，将物理地址写

36、上NIC上，用来标识数据链路上的每一个设备。当发送站需要接收站的物理地址时，就将一个ARP查询分组发送出来在网络上广播。这样每一个接收站都会对这个ARP查询分组进行接收和处理，但只有正确目的接收者才识别其 IP 地址，并发回 ARP 响应分组。ARP分组的格式和数据封装格式如下所示：图2.4 ARP分组的封装Fig 2.4 ARP packet encapsulation图2.5 ARP分组格式Fig 2.5 ARP packet format（2）ARP软件包ARP软件包由五个构件组成：高速缓存表、队列、输出模块、输入模块以及高速缓存控制 模块。高速缓存表由一个表项数组，由ARP报文使用和更

37、新。在一个队列中包含的是要发 送到相同终点去的分组。输出模块从IP层得到分组，然后或者把它发送到数据链路层，或者 发送到队列中。输入模块使用ARP分组来更新高速缓存表。输入模块也可以发送ARP回答。 高速缓存控制模块通过更新表项字段来维护高速缓存表。ARP的软件包构件如下所示：图2.6 ARP软件包结构Fig 2.6 ARP package structure（3）RARPRARP 是设计用来解析地址映射问题，当一个机器知道它的物理地址但不知 道其逻辑地址。 每一个主机或路由器都被指派一个或多个逻辑 （IP） 地址， 这些地址是唯一的， 且与机器的物理地址无关。要创建一个 IP 数据报主机或路

38、由器就要知道它自 己的 IP 地址。 一个机器的 IP 地址通常可从存贮在磁盘文件中的配置文件读出。 但通常一个无盘机器是从 ROM 来引导的。ROM 只有最少的引导信息，它不 包括 IP 地址，因为它在网络上的 IP 地址是由管理员指派的。 机器可以得到其物理地址，（例如：读它的 NIC），这在本地是唯一的。然 后就可以使用 RARP 协议从物理地址得到逻辑地址。先是创建一个 RARP 请 求，并在本地网络上广播。在本地网络上的另一个机器知道所有的 IP 地址就 用响应以 RARP 回答。请求的机器必须运行 RARP 客户程序，而响应的机器 必须运行 RARP 服务器程序。 RARP 请求分

39、组是广播发送，RARP 回答分组是单播发送。2.2.2 IP（1）IP数据报TCP/IP 协议定义了一个在因特网上传输的包， 称为 IP 数据报 (IP Datagram)。这是一个与硬件无关的虚拟包， 由首部和数据两部分组成。首部的前一部分是固定长度，共 20 字节， 是所有 IP 数据报必须具有的。在首部的固定部分的后面是一些可选字段， 其长度是可变的。首都中的源地址和目的地址都是 IP 协议地址。IP数据报报头格式如下图所示：图2.7 IP数据报Fig 2.7 IP datagramIP数据报的版本也就是现有IP协议的版本，全部的字段都按照现有协议的版本来进行解释。IP数据报的长度由首部

40、长度所决定，IP传输数据的服务类型有区分服务所决定，数据报的数据长度根据总长度的指示来决定。在分片中使用标识和分片偏移。数据报在互联网中通过的时间是有限制的，也就是数据报的生存时间，当数据报发出的时候，会进行时间值的设置，在每一个路由器中经过都会使数值减少1，直到减到0就标识数据报寿命结束，此数据报就会因做废被丢弃。协议决定了IP数据报提高服务的高层协议类型。对于差错检测采用检验和的方法，对数据在进行分组传输的过程中可能受到的损伤起到保护作用。（2）IP软件包IP软件包由添加首部模块、处理模块、路由选择模块、重装模块、分片模块、路由表、重装表，以及MTU表八个部分组成，额外还包括输入队列和输出

41、队列。IP软件包的具体结构如下图2.8所示：图2.8 IP软件包结构Fig 2.8 IP package structure添加首部模块从高层协议接受数据。它添加IP首部后，将数据封装成为IP数据报。处理模块是IP软件包的核心，处理模块从一个接口或从添加首部模块接收数据报。不管数据报从何处来，必须被处理和转发。IP软件包使用两种队列：输入队列和输出队列。输入队列是指把从低层或者高层发送来的数据报存放起来。输出队列则是把要发送到低层或者高层的数据存放起来。路由选择模块接收到有出路模块发出的分组，然后搜索改分组要发送的目的地的IP以及其在发送过程中所经过的接口号，接下来把这些分组想分片模块进行发送

42、。分片模块接到路由选择模块发出的IP数据报后，在MTU表中查找出于特定接口号相对应的MTU。当数据报的长度超过MTU时，分片模块需要对数据报进行分片并添加部首于每个新的分片上，然后将分片向ARP软件包发送过去。重装模块将从处理模块发送过来的数据报各个分片，按照重装表的规则和关联链表将分片重新进行整合排列。2.2.3 TCP（1）TCP报文TCP/IP协议族中的运输层包含有TCP和UDP两个协议。传输控制协议（TCP）是TCP/IP协议簇中的一个运输层协议。TCP提供进程到进程的、全双工的和面向连接的服务。两个设备之间的数据采用TCP软件进行传送的可称之为报文段，通常其部首包含20至60个字节，

43、其后是来自应用程序的数据。 TCP的连接通常包括三个阶段：连接建立、数据传送和连接终止。连接建立需要三向 握手；连接终止需要三向或者四向握手。TCP通常是被当作一个有限状态机（FSM） 实现的。 TCP应用流量控制来避免接收方因数据过多而超载，它的流量控制是以滑动窗口机制 实现的。TCP的窗口大小由接收方通告的窗口值（rwnd）或拥塞窗口值（cwnd）来决 定，取其中较小的一个值。窗口可以被接收方打开或关闭，但不能收缩。每一条连接 中传送的数据字节都被TCP编了号。编号从一个随机产生的数开始。TCP应用差错控制来提供可靠的服务。差错控制利用检验和、确认和超时来处理。受 损伤的和丢失的报文段最终

44、都会被重传，重复的报文段要丢弃。数据可能不是按序到达，接收TCP会把它们暂时存储下来，但TCP保证交付给进程的报文段都是按序的。在比 较新的实现中，如果重传计时器到期或者有三个重复的ACK报文段到达，就要进行重传。报文段的格式如下图所示：图2.9 TCP报文段格式图Fig 2.9 TCP segment format chart（2）TCP软件包TCP协议比较复杂，其内容繁多，是一种面向连接的、采用流式服务的协议，其实现也很不方便。我们可通过TCP软件包可以对其核心性能明确的了解。TCP软件包由主模块、传输的控制模块、输入处理模块、输出处理模块以及计时器等五个主要部分组成，其组成框图如下图2.

45、10所示：图2.10 TCP软件包组成框图Fig 2.10 TCP package diagram主模块的具体操作取决于TCP的状态，可供已经接收到的TCP报文段、应用程序发出的报文段或者超时事件对其进行调用。传输控制模块作为一个结构体，供TCP对连接的每个相关信息数据进行保持，在各个传输控制模块中都有多个字段如：传输状态、进程、发送序号、超时值等包含其中。当TCP处在ESTABLISHED的运行状态时，输入处理模块可以接收到的数据进行处理和确认。当TCP处于ESTABLISHED时，对发送来自应用程序的数据所需的所有细节都是输出处理模块来处理的，例如：重传超时、坚持超时等等。2.3 编码方式

46、数字信号通常有基带、宽带、频带三种传输方式，以太网接入端的数据的传输是采取数字信号的基带传输方式进行的。这就要求对基带信号进行必要的编码，这样才能是数字信号得以在信道中进行有效的顺畅的传输。2.3.1 基带传输码型分析数字信号采用基带传输，首先要采用基带传输中所要求的码型结构，其特殊点在于：在与之相对应的基带信号中，低频分量和无直流分量在其中可以得到定时信息，这样可以是传输效率得到一定的提高。常用的码型主要有一下几种：传号交替反转码即AMI 码。这种码型属于将消息的代码0（空号）以及1（传 号） 按照相应的一些条件编码，比如：确保代码0不再变，而让代码中的1则按照相应的规律进行交替出现，最常见

47、的方式就是将1由+1、1交替变换，这样就保证了基带信号随着码型的不断交替出现而呈现出很有规律的正负脉冲，从而促使了0电位不再变化。不过有这种码型所编辑的基带信号只含有低频成分，所以是不存在直流成分，因此就限制了它的使用特点，通常情况下它只能适宜一些在不允许传输成分通过的信道中。众所周知，AMI 码的编码规是从二进制符号序列完全演变成了三进制，将其进行改编的就是1B/1T 码型。一般情况下AMI 码所对应波形的占空比都是0.5 的双极性归零码，脉冲宽度和码元宽度TS 所对应的的关系用=0.5TS来进行表示。AMI 码除的优点就是编译码电路相对要简洁易行，所以在编辑过程中容易检查误码，所以作为一个最为基本的线路码，得到了广大设计者的大量采用。3阶高密度双极性码就是通常所说的HDB3码，HDB3码是在AMI 码的基础上进行改进和升级的一种码型一种改进型，HDB3码承接了AMI 码的所有优点，而且对AMI的一些不足进行了优化，使连“0”的个数通常都不会超过3个，其编码的具体规则如下：信码中的“0”个数小于3的时候，HDB3码仍会依据AMI 码的规则进行编码；当“0”个数超过了3时，就会将再次出现的“0”改为非“0”脉冲，用+V 或-V进行标示，相邻 V 码的极性进行交替出现，从而确保码中不出现