標(biāo)題: 為了讓51單片機(jī)聯(lián)網(wǎng)，自己設(shè)計(jì)了一個(gè)輕量的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧 [打印本頁(yè)]
作者: huilejie    時(shí)間: 2025-3-15 22:30
標(biāo)題: 為了讓51單片機(jī)聯(lián)網(wǎng)，自己設(shè)計(jì)了一個(gè)輕量的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧
一直想讓單片機(jī)（尤其是51）聯(lián)網(wǎng)，感覺(jué)這樣很好玩。但是沒(méi)有非常輕量的ip實(shí)現(xiàn)，而且本人不太想讓單片機(jī)用ip網(wǎng)絡(luò)（占地址）。于是設(shè)計(jì)了非常輕量的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，稱為zxdnet（簡(jiǎn)稱znet）。他可以工作對(duì)mtu的最小要求是48字節(jié)，所以可以在很多鏈路上，例如串口和紅外。他很適合愛好者用來(lái)玩，也可以用于學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)原理。znet適用于構(gòu)建完全私有的組織內(nèi)網(wǎng)絡(luò)而不是公共網(wǎng)絡(luò)。
報(bào)文中所有字段都是大端序的。

znet和ip一樣是采用分層架構(gòu)的分組交換網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)包可以經(jīng)過(guò)多個(gè)路由器轉(zhuǎn)發(fā)后到達(dá)目的地。
首先介紹下znet的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議zp的報(bào)頭：


介紹下各字段：
BF（2bit）:基本標(biāo)志。前1bit表示目標(biāo)地址類型，如果是0目標(biāo)地址為普通地址，如果是1目標(biāo)地址為組播地址（目前還沒(méi)設(shè)計(jì)組播）。后1bit表示無(wú)錯(cuò)誤標(biāo)志，如果此位為1,在發(fā)生錯(cuò)誤的時(shí)候就不會(huì)通過(guò)zcp協(xié)議回報(bào)錯(cuò)誤（類似ip中的icmp錯(cuò)誤回報(bào)）

Proto（4bit）:上層協(xié)議號(hào)
        0: ZARP (ZXDNET 地址解析協(xié)議)
        1: ZCP (ZXDNET 控制協(xié)議)
        2: TUDP (簡(jiǎn)單用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議)
        3: UDP (用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議)
        4: TCP (傳輸控制協(xié)議)
        5: IPoZP (IP over ZP)
        6: RAW
        7-15: 用戶自定義

Time To Live（8bit）:TTL
        這個(gè)字段定義了數(shù)據(jù)報(bào)允許的最大跳數(shù)。發(fā)送方初始化這個(gè)值，每個(gè)路由節(jié)點(diǎn)在處理時(shí)將其減一。如果TTL在數(shù)據(jù)報(bào)到達(dá)目的地之前變?yōu)榱�，�?shù)據(jù)報(bào)會(huì)立即被丟棄。這個(gè)機(jī)制防止了無(wú)限路由循環(huán)。

Extra Flag（16bit）:額外標(biāo)志。用戶自定義，一般用于qos。

Total Length （16bit）:報(bào)文總長(zhǎng)度（字節(jié)）,包括網(wǎng)絡(luò)層頭（16字節(jié)）及其數(shù)據(jù)。

Header Checksum（16bit）:首部校驗(yàn)和。
     僅對(duì)頭部字段計(jì)算校驗(yàn)和。由于某些頭部字段（例如生存時(shí)間）在傳輸過(guò)程中可能會(huì)改變，因此每個(gè)處理頭部的節(jié)點(diǎn)都必須驗(yàn)證和重新計(jì)算這個(gè)校驗(yàn)和。
    校驗(yàn)和字段是頭部中所有16位字的反碼和的16位反碼。在計(jì)算過(guò)程中，校驗(yàn)和字段本身被視為零。如果計(jì)算出的校驗(yàn)和為零，則以全1的形式傳輸。如果校驗(yàn)和字段本身為0,就跳過(guò)校驗(yàn)，這適用于可靠鏈路。

Source Address和Destination Address：源地址和目標(biāo)地址。

地址分配：
   Zxdnet使用32位地址空間，采用CIDR，分類如下：

   未指定/本地廣播地址（0.0.0.0/32）：
   位模式：00000000 00000000 00000000 00000000。
   作為源：未初始化設(shè)備（例如，啟動(dòng)時(shí)的0.0.0.0）。
   作為目的地：有限廣播（在子網(wǎng)之外不可路由）。

   回環(huán)地址（0.0.0.128/25）：
   位模式：00000000 00000000 00000000 1XXXXXXX。
   僅限于內(nèi)部主機(jī)通信。

   NAT擴(kuò)展地址（0.0.0.64/26）：
   位模式：00000000 00000000 00000000 01XXXXXX。
   僅限于本地地址擴(kuò)展。
   NAT處理：典型的NAT中間盒有兩個(gè)接口，一個(gè)連接到包含最多63個(gè)NAT設(shè)備的局域網(wǎng)（接口地址為0.0.0.64/26），另一個(gè)連接到全球網(wǎng)絡(luò)（具有全局單播地址）。對(duì)于使用端口號(hào)的傳輸層協(xié)議，NAT設(shè)備將全局單播地址的端口號(hào)劃分為幾個(gè)段，每個(gè)段包含相同數(shù)量的端口。這些端口然后映射到每個(gè)設(shè)備的前幾個(gè)端口號(hào)（從0開始）。中間盒本身將被分配第一個(gè)端口段。例如，對(duì)于一個(gè)總共有256個(gè)端口的傳輸層協(xié)議，NAT設(shè)備將這些端口劃分為64個(gè)段，每個(gè)段包含4個(gè)端口。端口0-3由中間盒使用，端口4-7映射到第一個(gè)NAT設(shè)備的端口0-3，依此類推，端口252-255映射到第63個(gè)NAT設(shè)備的端口0-3。對(duì)于ZCP Echo和ZCP錯(cuò)誤報(bào)告，中間盒充當(dāng)代理。ZARP和IPoZP不支持NAT穿越。NAT嵌套不被支持。

   保留地址（0.0.0.1-0.0.0.63）：
   位模式：00000000 00000000 00000000 00XXXXXX（XXXXXX!=000000）。
   這些地址不得分配給任何設(shè)備或用于數(shù)據(jù)報(bào)頭。

   單播地址（所有非保留地址）：
   分配給設(shè)備，全局可路由。
znet地址空間中只有256個(gè)為特殊用途，其他全部可以分配給設(shè)備。znet沒(méi)有所謂“網(wǎng)絡(luò)地址“，表示一個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以用第一個(gè)設(shè)備地址+子網(wǎng)前綴長(zhǎng)度。znet也沒(méi)有所謂”局域網(wǎng)廣播地址“，只有一個(gè)不可跨網(wǎng)關(guān)的有限廣播地址0.0.0.0。這樣的設(shè)計(jì)十分簡(jiǎn)化，可以高效實(shí)現(xiàn)，節(jié)省地址。

zp協(xié)議不支持網(wǎng)絡(luò)層分片，因?yàn)檫`反了網(wǎng)絡(luò)層無(wú)連接原則,并且一些運(yùn)輸層不需要，占用了頭部空間。

下面介紹一些運(yùn)輸層協(xié)議（上面提到的）。

  首先是zarp協(xié)議。他設(shè)計(jì)的很簡(jiǎn)潔。如果鏈路層目標(biāo)地址是廣播地址就是請(qǐng)求，是設(shè)備地址就是響應(yīng)。

zcp協(xié)議用于控制和診斷網(wǎng)絡(luò)本身。校驗(yàn)和算法與zp頭的一致，但是涵蓋zcp頭和他的數(shù)據(jù)。zcp報(bào)文最大48字節(jié)（包括zp頭）。zcp目前有2個(gè)作用：錯(cuò)誤回報(bào)和回顯。首先說(shuō)下錯(cuò)誤回報(bào)報(bào)文。


以下是errcode定義：

0 = 網(wǎng)絡(luò)不可達(dá)。

1 = 主機(jī)不可達(dá)。

2 = 協(xié)議不可達(dá)。

3 = 端口不可達(dá)。

4 = 超出MTU。

5 = 生存時(shí)間在傳輸中超出。

6 = 數(shù)據(jù)丟失。

7 = 數(shù)據(jù)損壞。

8 = 鏈路擁塞。

9 = 顯式擁塞通告。

10 = 不支持組播。

注意，如果是超出MTU,原始zp頭里的校驗(yàn)和字段會(huì)被替換為mtu。


然后介紹下回顯報(bào)文。



code=0就是回顯請(qǐng)求，code=1就是回顯響應(yīng)。對(duì)方收到后改變code，重新計(jì)算校驗(yàn)和，然后發(fā)回報(bào)文， Identifier ，Sequence Number和Data不能改變。
data是用戶數(shù)據(jù)，最大22字節(jié)。
znet支持跨nat ping。Source Host和 Destination Host就是為了跨nat ping。在正常情況下，當(dāng)設(shè)備發(fā)送 echo 請(qǐng)求時(shí)，這兩個(gè)字段都設(shè)置為 0。如果 NAT 設(shè)備向另一臺(tái)設(shè)備發(fā)送 Echo 請(qǐng)求，則中間框會(huì)將 Source Host 字段設(shè)置為其標(biāo)識(shí)符（與地址的低 6 位匹配），以便將 Echo 回復(fù)路由回 NAT 設(shè)備。如果設(shè)備想要向 NAT 設(shè)備發(fā)送 echo 請(qǐng)求，則必須將 Destination Host 字段設(shè)置為 NAT 設(shè)備的標(biāo)識(shí)符，并將 echo 請(qǐng)求發(fā)送到中間盒。在將請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)到目標(biāo) NAT 設(shè)備之前，中間框會(huì)自動(dòng)將 Destination Host 字段設(shè)置為零。當(dāng)目標(biāo) NAT 設(shè)備返回回聲回復(fù)時(shí)，中間框?qū)⑹褂?NAT 設(shè)備的標(biāo)識(shí)符重寫該字段，并將響應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)回發(fā)起回聲請(qǐng)求的設(shè)備。


最后介紹tudp協(xié)議。


這個(gè)報(bào)文頭簡(jiǎn)單，無(wú)需過(guò)多講解。校驗(yàn)和需要涵蓋tudp頭部和他的數(shù)據(jù)。tudp最大允許28字節(jié)的數(shù)據(jù)，從而可以在單片機(jī)上高效運(yùn)行。


znet其余的設(shè)計(jì)以后補(bǔ)充。

znet主要用途是研究和學(xué)習(xí)，以及讓單片機(jī)聯(lián)網(wǎng)。znet目前還沒(méi)有被實(shí)現(xiàn)，我會(huì)盡快實(shí)現(xiàn)他。歡迎大家一起探討，研究，使用，提出修改意見！
本人是業(yè)余愛好者，znet可能有不完善之處，請(qǐng)大家盡管提出
作者: msold5    時(shí)間: 2025-3-16 07:47
厲害！可以為底部硬件提供足夠性價(jià)比
作者: Highnose    時(shí)間: 2025-3-16 18:14
趕緊實(shí)現(xiàn)，很不錯(cuò)的項(xiàng)目
作者: zxcscm    時(shí)間: 2025-3-16 22:52
實(shí)現(xiàn)了自主路由的話，是不可以使用無(wú)線模塊接力自組網(wǎng)了
作者: huilejie    時(shí)間: 2025-3-16 22:55
Highnose 發(fā)表于 2025-3-16 18:14
趕緊實(shí)現(xiàn)，很不錯(cuò)的項(xiàng)目

本人高中生學(xué)業(yè)繁忙，實(shí)現(xiàn)需要一段時(shí)間，稍安勿躁
作者: wkman    時(shí)間: 2025-3-17 11:16
無(wú)tcp－ip都不算“聯(lián)網(wǎng)”概念吧
作者: lxh0508    時(shí)間: 2025-3-17 18:55
重新造輪子，沒(méi)有什么意義。現(xiàn)有的交換機(jī)、路由器都用不上。自己玩玩還可以
作者: huilejie    時(shí)間: 2025-3-17 22:14
wkman 發(fā)表于 2025-3-17 11:16
無(wú)tcp－ip都不算“聯(lián)網(wǎng)”概念吧

為什么呢？tcpip是一種常用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧而不是唯一的
作者: huilejie    時(shí)間: 2025-3-17 22:16
lxh0508 發(fā)表于 2025-3-17 18:55
重新造輪子，沒(méi)有什么意義�，F(xiàn)有的交換機(jī)、路由器都用不上。自己玩玩還可以

Znet被設(shè)計(jì)與以太網(wǎng)交換機(jī)完全兼容。一臺(tái)znet路由器可以使用一臺(tái)linux主機(jī)實(shí)現(xiàn)。znet并不是被設(shè)計(jì)專用于以太網(wǎng)的，而是可以工作在串口/紅外/無(wú)線等幾乎任何鏈路上，實(shí)現(xiàn)真正的低開銷網(wǎng)絡(luò)
作者: huilejie    時(shí)間: 2025-3-17 22:17
zxcscm 發(fā)表于 2025-3-16 22:52
實(shí)現(xiàn)了自主路由的話，是不可以使用無(wú)線模塊接力自組網(wǎng)了

是的，znet可以工作在很多鏈路上，包括433m無(wú)線模塊和2.4g無(wú)線模塊，也可以運(yùn)行在ble和wifi上，實(shí)現(xiàn)極低開銷與極大自由度的嵌入式網(wǎng)絡(luò)。
作者: lmn2005    時(shí)間: 2025-3-18 07:59
高中時(shí)代都能研究這么高深的技術(shù)了，不錯(cuò)的，必是未來(lái)的高技術(shù)人才！
作者: msold5    時(shí)間: 2025-3-19 14:50
高中.....  想起我兒子在高三時(shí)也是捧著一大堆電腦書看。
建議項(xiàng)目緩緩，可以高考完成后再慢慢做，這類項(xiàng)目必須是在長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試中完善才能做出真正有價(jià)值的東西。



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