硕士研究生文献综述和开题报告.doc

硕士研究生文献综述和开题报告基于IPv6的嵌入式Internet关键技术研究院（系、所）： 清华大学电子工程系 专 业 ： 信号与信息处理 研 究 生 ： 汪鹏安学 号 ： 2003214833 指导教师 ： 李星教授 2004年10月目 录1 引言211 研究背景212 研究动机2121 IPv6将支撑未来嵌入式Internet技术2122 安全性和便捷性成为家庭网络的研究热点213 研究目的22 嵌入式Internet技术综述221 嵌入式 Internet 主要技术简介2211 嵌入式实时操作系统2212 嵌入式 Web Server 技术2213 Thin TCP/IP 协议栈技术2214 Web 管理技术222 嵌入式因特网技术的实现方法2221 直接接入因特网2222 通过网关间接接入因特网223 主要应用23 IPv6综述231 IPv4与IPv6的主要区别232 IPv4向IPv6的过渡策略233 IPv6的发展现状2331 国外IPv6发展现状2332 国内IPV6发展现状234IPv6的主要应用2341 IPv6在移动通信中应用2342IPv6在家庭网络中应用24 课题任务和工作计划24.1课题任务24.2工作计划2参考文献2摘 要随着Internet的成功，TCP/IP协议体系已经成为全球的通信标准，对于嵌入式系统而言，如果能够在本地TCP/IP上运行，直接接入Intranet或Internet将成为现实。包含了完整TCP/IP协议支持的嵌入式设备将处于网络体系的顶层具有完整网络功能、享受完整的网络服务，从而能够与其它网络中的主机在网络中自由通信。下一代互联网协议IPv6提供了充足的IP地址和高效、安全的对等通信机制，将会使信息家电的使用成为现实。因此基于IPv6的嵌入式Internet技术将成为下一代互联网的标志性技术，同时也推动着Internet技术向前发展。本文首先介绍了嵌入式Internet技术和IPv6的研究背景和现状，随后具体探讨了嵌入式Internet技术和IPv6相关内容，最后介绍了本人的课题任务和工作计划。AbstractWith the success of the Internet, the TCP/IP protocol suite has become a global standard for communication. For embedded systems, being able to run native TCP/IP makes it possible to connect the system directly to an Intranet or even the Internet. Embedded devices with full TCP/IP support will be first-class network citizens, thus being able to fully communicate with other hosts in the network.The next-generation Internet Protocol, IPv6, will dramatically increase the available number of IP addresses and enable efficient and secure peer-to-peer communication, which made the usage of information electric appliance become true, thus embedded Internet based on IPv6 will be symbolic of the next generation of Internet. At the same time, embedded Internet will promote Internet.In this report, the author first introduces the background and status quo of both Embedded Internet and IPv6 technology. Then the content of Embedded Internet techniques and IPV6 are discussed. Finally, the report introduces the authors problem task and researching plan.1 引言11 研究背景自从1976年Intel公司的MCS-48系列单片机问世以来，嵌入式系统在军事、工业控制和家庭信息化等领域得到了广泛的应用。嵌入式系统的典型应用以嵌入式系统作为下位机进行数据采集和控制，PC机作为上位机完成各种管理功能。由于单独的嵌入式系统功能有限，而且嵌入式系统的控制现场往往远离数据处理现场，所以人们开始利用各种局部总线技术如CAN、RS-232、RS-485等，将多个嵌入式系统组成局域网，并且实现嵌入式系统的远程访问与控制。为了加大PC机与嵌入式系统的通信距离，一种方法是采用电流环技术或者使用长线收发器，提高串行数据信号的强度，增加串行数据的传输距离。这种方法的缺点是通信距离有限、布线困难。另一种方法是使嵌入式系统和PC机均通过MODEM接入网络（专线网、公共电话网或无线网），二者通过拨号连接进行信息传输。这种方法的缺点是抗干扰能力差、传输速率不高。现在，嵌入式系统的远程访问和控制逐渐渗透到各个领域，如遥控家电、远程实验、产品的远程管理、诊断和升级等，并且要求具有更高的可靠性、安全性以及更长的通信距离和更大的控制范围，以上两种方法不能满足这些要求。当前Internet的飞速发展也给嵌入式系统的发展带来了新的发展契机。由于Internet目前已经成为重要的信息基础设施，具有丰富的信息资源，几乎覆盖全球，使世界各地的人们方便地进行通信。如果能使嵌入式系统置身于Internet，那么人们将会更加方便地对嵌入式系统进行远程访问与控制，甚至，嵌入式系统之间也可以进行对等通信。所以人们开始寻求嵌入式系统与Internet的连接方法，于是嵌入式Internet技术应运而生1。嵌入式Internet技术依托Internet技术、Web技术、嵌入式技术的发展,主要解决的问题是通过Web和嵌入式技术实现从不同子网、不同物理区域对接入到Internet的设备和异类子网进行监控、诊断、测试、管理、及维护等功能，从而使接入到Internet的各种设备或其它类型的子网具有远程监控、诊断和管理的功能。因此, 嵌入式Internet技术实质是Internet向嵌入式低端设备延伸的技术。嵌入式Internet技术的产生应该说是继Internet技术产生后的又一次革命！它使得人们利用Internet不仅可以访问数据资源，更可以通过这一无处不在的网络来远程进行对设备的操作，这一技术使得众多的设备可以连接Internet上。可以说随着嵌入式Internet技术使用的日益广泛，我们的地球将会进化成一种“生物”，它有自己的神经系统和有感知能力的皮肤，Internet网络将成为他的神经，那些嵌入到Internet上的设备、传感器将成为神经的末梢,而所有的这些将组成地球的“电于皮肤”，这种时代己经离我们不远了。因此,嵌入式系统与Internet的接入方式已成为人们研究的热点。当前，Internet的IP协议由IPv4时代向IPv6时代过渡，IPv6所具有的优越特性（充足的地址空间、高效的路由选择、可靠的安全性、便捷的管理机制等）为嵌入式Internet提供了更广泛的应用领域和更优越的性能。基于IPv6的嵌入式Internet技术也已成为了人们研究的重点，它不但推进了嵌入式Internet的发展，更为IPv6提供了广泛的应用领域，极大推动了IPv6的研究与发展。目前，国际上许多公司都努力推出自己的嵌入式Internet解决方案和产品。例如，美国iReady公司提出了完整的称作“Internet Tuner”的新一代非PC智能设备Internet连接方案，支持这种技术的有Seiko、Sony和Sharp等国际著名公司。美国emWare公司提出了EMIT（Embedded Micro Internetworking Technology）技术和相关的软件包，并于1998年成立了嵌入式Internet(ETI , Embed The Internet)联盟，一些具有领先技术的公司如Hitachi、Philips和 Pervasive等加入了ETI联盟，共同开发嵌入式Internet的解决方案2。在国内, 东北大学计算机网络与通信研究所(CNCI)于1997 年提出了自己的嵌入式 Internet 体系结构开放的网络设备互连模型(Open Network Devices Connectivity Model) 即ONDC 模型, 该模型已获得美国专利。2001 年该所利用嵌入式 Internet 技术研制并开发出具有国际先进水平的 Webit 系列产品, 实现了设备行为的访问和功能的下载, 不仅仅是传统意义上的数据和信息通过Internet 被下载,而是利用嵌入式 Internet 技术实现了通过Web 浏览器对设备的存取和控制，在国内嵌入式Internet领域里走在了前列。12 研究动机121 IPv6将支撑未来嵌入式Internet技术目前, 全世界嵌入式系统所带来的工业年产值已超过1万亿美元。 预计在美国，单是使用嵌入式的全数字电视产品每年将产生1500 亿美元的新市场， 而几年后，智能设备将是PC和Internet 之后的最伟大的发明。 总之，后PC 时代嵌入式 Internet 将拥有巨大的市场。 据预测，我国信息电器市场规模2003 年将达到1000 亿1500 亿元规模, 2004 年可以达到2000 亿2500 亿元规模。因此，基于嵌入式 Internet技术的网络互联在不久的未来必将具有十分广阔的应用前景。随着信息技术的飞速发展，尤其是互联网技术的迅速普及，IPv6替代IPv4已是大势所趋，3C（计算机、通信、家电）合一的加快，数字化时代已经来临，形式多样的数字化产品正把人们生活的各个角落融入Internet。随着IT业界对IPv6研究的不断深入，IPv6所具有的优越特性3（充足的地址空间、高效的路由选择、可靠的安全性、便捷的管理机制等）将会给工业控制、信息家电等主要嵌入式系统应用领域的发展构建一个良好的环境，嵌入式系统将会成为IPv6下一代网络中的重要应用领域之一，IPv6必将成为未来嵌入式Internet技术的核心技术。 122 安全性和便捷性成为家庭网络的研究热点IPv6在信息家电中的应用已成为IPv6研究的一个热点，日本在这一方面走在了世界的前列。当前推行网络家电业的协作团体“Non PC互联网应用联盟”是由松下电器产业、三洋电机软件、东芝信息系统、DTI四家公司于2002年3月创立的。四家公司还邀请了其他公司加入共同开发技术和标准。从2003年11月开始，18家大型电器厂商和通信厂商包括松下、NEC、KDDI、日立、夏普、三洋电机、NTT Com、日本通信等共同参加了将家用电器通过互联网连接的验证性实验，其中包括接通通信线路，进行网络家电设备的远距离操作、用户的身份识别及安全性等5项实验，通过实验，检查从远距离进行这些家用电器的操作时是否使用方便和安全性如何，从而为产品定型和正式应用打下良好的基础，目前实验还在进行中。在上述实验中，操作的安全性及远程操作家用设备的轻松便捷性成为实验的重要内容，这种特性对于IPv6的商业化展开具有相当关键的意义。对于网络家电应用来说，当用户出差的时候如果想操作自家的空调，他的设备所发出的命令必须保证连接到自家的空调，并且能够正确操作，而不是错误地控制了别的设备或别家的空调，操作的正确性需要由认证来保证。IPv6强制要求的IPSec所具有的认证和加密机制能够保证应用的安全性，然而实现过程需要专业人员做一系列复杂的设置，这对于大多数使用互联网的普通用户来说是很困难的，会在一定程度上限制和阻碍他们使用新型网络应用比如网络家电的意愿和热情。针对这种情况，如果在IPv6协议的网络上加入具有自动认证服务的功能就可保证许多商业应用的立即实现。 13 研究目的本课题的主要任务是实现嵌入式的IPv6协议栈和嵌入式Web Server，并在此基础上实现信息家电的Internet直接接入。根据嵌入式系统对实时性以及信息家电对安全性的要求，对嵌入式IPv6协议栈的安全性4和最终实现的嵌入式系统的实时性进行进一步研究。2 嵌入式Internet技术综述嵌入式 Internet 是嵌入式技术和Internet 技术相结合的产物。它既保留了嵌入式设备的小巧、智能、可编程的特点， 又借助于Internet 这个全球最大的计算机网络来把对现场设备的控制延伸到地球上几乎任何一个角落。利用嵌入式 Internet 技术可以真正实现设备的远程管理和控制, 并且可以利用Internet 来对设备进行远程维护, 甚至可以允许重新下载智能设备的运行程序。而这一切的控制操作只需通过标准的Internet 浏览器就能实现, 并不需要使用专用的客户端软件, 所完成的功能与专有客户端一样的。在嵌入式 Internet 环境下, 设备通常是现场总线上的多台设备或者是孤立的一台传统设备。要实现这些设备与Internet 联网, 需要有嵌入式 Internet 服务器(或称为嵌入式网关) 为传统的孤立设备提供网络接口, 或者为现场总线和Internet 之间的通信提供协议转换的功能。Internet 上的用户只需使用标准的浏览器或专用的客户端软件就可以与嵌入式 Internet 服务器建立TCP 或HTTP 连接, 由嵌入式 Internet 服务器来把用户的指令转换成设备能识别的代码或者把设备的信息打成IP 包后再发给客户端应用程序。用户在客户端可以选择两种应用程序。如果通过在标准的浏览器运行Java Applets, 则能够做到客户端与操作系统平台无关。使用专用的客户端软件, 则能够根据实际情况灵活的设计应用程序, 从而避免对浏览器的依赖, 图21 所示的是嵌入式Internet 的基本原理图。与普通的计算机不同, 嵌入式 Internet 技术需对软硬件进行适当的裁减和高效率的设计, 实现更高的性能。将嵌入式系统与Internet 结合起来存在的主要困难是Internet 的通信协议对于计算机存储器、运算速度等要求比较高, 而嵌入式系统中除部分32 位处理器以外, 大量存在的是8 位和16 位MCU , 支持TCP/IP 等Internet 协议将占用大量系统资源,这样在8 位和16 位MCU 上实现Internet 通信协议是比较困难的。传统的Internet 是“fat server/thin client”的技术, 这种技术在传输和存储大量数据时是有效的, 可在控制嵌入式设备却显得力不从心。嵌入式 Internet 技术彻底改变了Internet 的模式, 为了实现有限资源的“无限”发展, 须对服务器端进行必要的裁减, 把部分功能移植到客户端, 这样嵌入式 Internet 的模式变为“thin server/fat client”方式。嵌入式 Internet 技术的特点主要有： 固态化存储: 为了提高系统的执行速度和可靠性,软件一般都固化在存储器芯片或单片机中； 资源的有限性: 尽管半导体技术的发展使处理器速度不断提高、片上存储器容量不断增加, 但在大多数应用中,存储空间仍然是宝贵的, 还存在实时性的要求； 实时性: 在多任务嵌入式系统中, 对重要性不同的任务进行合理调度是保证每个任务及时执行的关键； 小型化； 智能化: 更多的设备将具有智能, 例如, 可能让微波炉通过Internet 下载食谱等。图21嵌入式 Internet 的基本原理图21 嵌入式 Internet 主要技术简介211 嵌入式实时操作系统嵌入式实时操作系统(ERTOS) 是一种实时的、支持嵌入式 Internet 技术应用的软件, 它是通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面和标准化浏览器等。与通用操作系统相比较, 它在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固态化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。 ERTOS 在整个系统中承担了承上启下的任务, 为系统提供进程、消息队列、内存分配的管理、管理硬件驱动、提供基本的网络通讯协议和组合编译环境等。ERTOS 具备了一般操作系统最基本的功能, 如任务调度、同步机制、中断处理和文件功能等。但是, ERTOS 仅具有这些功能是不够的, 为了适应不断发展的嵌入式 Internet产品的要求, ERTOS 具有以下特点： 多平台的可移植性； 占有更少的硬件资源； 高可靠性； 强大的网络功能, 支持TCP/IP 协议及其它协议； 具有友好的图形GUI 接口； 实时性能。并非所有的嵌入式设备都需要嵌入式操作系统, 实际上,许多非常简单的嵌入式设备就没有操作系统, 仅仅是一个控制循环就已经足够了, 但是当系统变得复杂时操作系统就显得很重要。212 嵌入式 Web Server （EWS）技术EWS 是把Internet 中的 Web Server 进行一定的裁减,嵌入到设备中的微处理器或微控制器, 使设备具有网络的功能, 从而可以利用EWS 对设备进行监控和管理, 并且可以利用 Web 接收任何一个远程设备的数据和信息。如果设备中带有EWS，为用户提供强有力的基于 Web 管理的用户接口，那么设备就可以通过 Web 和Internet 建立通信联系。EWS 与 Web Server 主要区别如下： 资源有限性： EWS 的开发必须考虑内存以及有限的处理能力等问题。 Web Server 一般都涉及到多线程的体系结构, 对于每一个请求的链接应该单独使用一个线程, 或者较少的线程利用线程池技术来处理一系列连接； 实时性的要求： Web 请求的时候能否使系统剩余的处理能力满足实时性的要求是一个关键问题。 为了满足系统的主要任务之间的调度, EWS 作为一个附属的处理过程必须尽可能少的占有CPU 的资源, 通常可以同时支持有限多个用户同时访问设备资源。EWS 提供了对LAN、WAN 和Internet 客户的透明服务，同时也提供用户的安全验证机制可以保证设备的数据安全。任何授权用户可以利用EWS 技术, 以友好的界面和快速的方式来在线监视、控制和配置设备以及提供远程访问。 嵌入式设备中集成了Web Server, 用户就可以收发数据并反馈系统的状态信息, 实时更新的数据使用户可以在线监视和控制设备。 EWS 技术具有开放性和实时性的特点, 对工业控制和信息家电网络化和智能化的管理提供了坚实的技术基础。在EWS中，EWS 通过HTTP与Web 浏览器通信。应用程序接口与嵌入式操作系统的通信，实现对嵌入系统的配置、监视和控制，是EWS软件系统的核心。下面分别介绍嵌入式系统的管理应用程序和EWS 之间的四种基本用户接口机制17。 CGI 类型接口一个EWS 必须为管理应用程序提供适当的机制来创建和处理要送往浏览器的网页,处理浏览器发来的HTML 表单数据。一种可行的解决方案是在许多传统Web 服务器中使用的通用网关接口(CGI) 。在这种模式中,每个 URL 都映射到一个CGI脚本来创建一个网页。这种方式比较简单,但是对WebMUI(Web based management user interface) 开发者的要求较高,而且只有当脚本程序完全成功了才可以显示网页。这意味着必须创建可执行代码,将代码载入闪存和启动设备之后浏览器才能显示网页。因此,CGI 方案开发时间长,维护起来很困难。 SSI 类型的接口另一种解决方案是使用服务器端附件。这种方式中，要首先利用Web 编辑工具和浏览器开发Web网页，然后，将含有了服务器端脚本的标志对插入网页并将此网页存入网络设备中。含有标志对的网页被调用时，嵌入式Web 服务器解释并执行标志对间的脚本程序来与管理应用程序互联。服务器还包括一个数据库,用来存储脚本名和管理应用函数之间的映射。然而，在嵌入式系统中实时解释脚本程序会影响系统性能，而且需要大量的内存来维持一个数据库，以及映射脚本名和嵌入式软件函数、变量。如果网页文件以表格或者其他形式显示状态信息,这种接口机制就比较理想，因为复杂的显示格式几乎是独立于系统的，可以独立于管理信息产生方法；相反，信息产生逻辑也是独立于显示的。这种接口机制的典型应用是状态报告的产生过程。POSEWS 使用的标志对包含了标准的HTML 注释单元，这些注释单元是由被 包围的文本块组成。 SSI SNMP 类型的接口简单网络管理协议(SNMP) 是因特网设备管理中应用最广泛的管理协议。它的简单性使得它可以毫无困难地在小平台上应用。将SNMP 和EWS-WebMUI结合起来,既保持了EWS-WebMUI 的优点，又毫不损失SNMP 代理的简单性和应用广泛性。SSI 类型的接口机制并不限制管理应用程序的形式，它只是一系列的函数罢了。如果管理应用程序是SNMP 代理，可以引入更多高级的自动化方法。SSI SNMP 类型的接口机制是专用于限定管理应用程序为SNMP 代理的情况。开发过程和互联机制与SSI 类型的机制基本上差不多，只是脚本解释器调用的管理应用函数限定为SNMP 代理提供的接口。与SNMP 代理联系有两种方法：利用SNMP 协议堆的本地环接口和直接使用SNMP MIB (SNMP 管理信息库) 可执行程序，第一种方法的可再度利用性和可移植性比第二种方法更有效。 Java SNMP 类型的接口HTTP/ HTML 属于客户驱动模式。这种模式有一个负面效应就是一旦网页从Web 服务器往Web浏览器传递以后，这个网页就变成静态的网页，即使服务器端的管理数据有所变化，这个网页也无法改变。要提供动态接口，必须在网页上设置一个刷新键，通过重载页面来显示动态更新信息。显然，这种做法效率很低。解决这个问题的一个方法是客户激励。可以在网页响应标题中设置HTTP - equiv 属性、refresh 来强制浏览器经过一段时间后重新载入网页。可是这种方法有个缺点：当网页重载时屏幕会变成一片空白。另外一种方法是服务器激励，一旦包含复合内容的网页被载入，这个网页就一直保持着和服务器之间的连接，以便于服务器可以传递更新数据。总的来说，服务器激励方式因为不需要频繁地连接或关闭TCP/ IP 会话，要比客户端激励方式效率高。要保证管理应用程序的实用性，必须创建动态网页来保证在一张网页上既包含静态数据也包含实时数据。对于实时数据的一般类型,例如通信量监视和CPU 负荷，用户希望能看到实时更新的动态图象形式, 这就可以用Java Applets 来实现。一个HTML 网页中的Java 小应用程序可以被浏览器作为一个独立的应用程序自动卸载。一旦载入Java 应用程序，它就决定了从哪里取得数据、怎样显示或者操作这些数据。JAVA Applets 本身就是跨平台的，并且可以在任何浏览器里操作。另一方面，对于Java Applets 设计者来说，如果Java Applets 是按照Java 安全模式来设计的，要处理事件、通报事件很容易。Java Applets 占用资源很小，而需要执行大量的Java 代码的Java 虚拟机(JVM) 占用资源却很大。Java Applets 是相当简洁的，嵌入式系统可以存储这些代码而不需要消耗大的内存。由于Java 实际上并不在网络设备上运行，所以网络设备上不需要安装JVM。上述四种应用程序接口机制的比较如下： 在开发费用方面。对于CGI 类型的机制,Web接口的管理应用程序创建Web 文件，开发费用极高；对于SSI 类型，可以利用Web 制作工具来开发 Web 文件把标志插入网页,开发费用很低；对于使用了SNMP MIB 的SSI SNMP 类型, 可以用MIB-HTML 编辑器创建整个HTML 页，它的开发费用几乎可以忽略；对于Java SNMP 类型，需要在JAVA SNMP 的协议堆支持的Java Applet 类中开发Web网页，它的开发代价很高。 在功能扩展方面CGI 或者SSI 的开发者就必须分别增加新的管理应用程序的Web 接口模块来创建或支持HTML。然而，当采用SSI SNMP 类型或者Java SNMP 类型时，假如SNMP 代理提供了必要的信息，就不需要增加新的管理应用程序。 在资源利用方面CGI 类型使用CPU、内存和网络资源最少，因为EWS 仅仅对CGI 函数进行一次调用，不需要任何处理就可以发送调用结果文本； SSI使用较多的CPU 资源，因为它需要搜索标记文本和函数调用，还要在每个标志区重新放置文本块，而且使用了一个文件系统以便于存储HTML 文件； SSI SNMP 类型需要的CPU、内存和网络负载资源最多，因为它需要一个附加的本地环的SNMP 协议堆；Java SNMP 类型不需要进行脚本分析，JAVA SNMP 管理者的下载所需要的计算资源很少，但是下载后持续不断的SNMP 通信则又耗费了一定的计算资源。 在可移植性方面CGI 类型的管理应用程序可移植性很差，因为CGI 类型管理程序依赖于系统环境和嵌入式Web 服务器的库函数；对于SSI 类型接口，至少网页的可移植性是可以保证的，但是EWS执行的脚本程序的可移植性也和CGI 一样的差；SSI SNMP 类型的管理程序有着和SSI 类型程序相同的可移植性；Java SNMP 管理者存储在嵌入式系统中，在Web 浏览器上运行，依据SNMP 进行通信，它的可移植性最好。而且，只能使用Java SNMP 类型接口机制来执行事件通告。213 Thin TCP/IP 协议栈技术传统的协议使用在嵌入式 Internet 的环境里是不合适的, 当把协议从普通的PC 机移植到单片机中, 内存和内存管理成为一个主要的问题。 由于受到资源的限制, 在8 位的微处理器上不能像在PC 机上设计TCP/IP 那样进行通信协议的开发。为了既实现相应的功能又节省系统资源, 需要对协议进行了有针对的模块化裁剪, 在单片机上嵌入TCP/IP 协议簇的一个子集, 称之为th in TCP/IP 协议栈, 包括IP、UDP 和TCP 等协议的全部或部分功能。尽最大可能的使网络协议保持功能和机制上的完整性, 可以根据具体的嵌入式 Internet 应用, 嵌入相应的协议模块, 这样不但可以提高TCP/IP 运行效率, 而且节省系统资源.在嵌入式设备中采用全新的字节处理技术, 对TCP/IP数据包采用发送或者接收一个字节数据的同时对数据进行打包或解包处理, 而不是等到数据打包好后在发送或等数据包接收后在进行解包, 这样可以大量节省数据缓冲区, 从而可以获得更大的带宽利用率和较好的性能。214 Web 管理技术异种网络平台的存在以及网络管理方法和模型的多样性, 使得接入网络中的大量设备不易管理, 因此迫切需要寻求高效、方便的网络管理模式来适应网络高速发展的新形势。随着Internet 和 Web 及其开发工具的迅速发展, 基于Web 的网络管理技术也因此应运而生。基于Web 的设备网络管理解决方案主要有以下几方面的优点： 地理上和系统间的可移动性： 用户可以远程利用Web 浏览器透明存取设备信息； 统一的Web 浏览器界面方便了用户对设备的控制和管理, 以及了解设备中的信息； 实现异构网络平台的平滑链接: 由于Web 管理应用程序独立于平台, 可以通过标准的HTTP 协议将多个基于Web 的设备集成在一起, 实现设备之间的透明移动和访问； 利用Java 技术能够迅速的对软件进行版本升级。利用基于Web 的网络管理模式, 制造商可以快速和以较低的成本把Web Server 嵌入到设备中。 Web 技术可以给用户提供图形化的接口和基于界面友好的、方便的、交互和网络化的通信方式, 这样人们就可以用方便、有效和简单的方式透明的访问和控制设备。22 嵌入式Internet技术的实现方法嵌入式系统接入Internet 的方法总的来说有两种，其一是使嵌入式系统完全具备网络功能，直接与Internet 相连。其二是使嵌入式系统通过网关间接与Internet 相连，网关充当嵌入式系统与Internet 的桥梁，网关通常是PC 机或者高性能嵌入式网络服务器(高性能嵌入式网络服务器本身也是一种采用了嵌入式Internet 技术的嵌入式设备)。下面详细介绍这两种方法的实现过程。221 直接接入Internet这种方法的实质是在嵌入式系统中实现TCP/IP 协议和其它相关的应用层协议如HTTP、FTP 和SMTP 等，使其可以在Internet上发送、接收IP 包。下面具体介绍几种在嵌入式系统中实现网络协议的方法。 在单片机程序中实现网络协议选择支持软件固化TCP/IP 协议的微控制器（MCU），用以太网控制器实现网络接口（如图22所示）可以使嵌入式系统接入Internet。系统可采用16 位或8 位的MCU 如Ubicom 公司的SX52BD 芯片和Rabbit Semiconductor 公司的Rabbit2000 芯片等。以太网控制芯片有多种，如台湾Realtek 公司的RTL8029AS 芯片和Cirrus 公司的CS8900A 芯片等。以太网控制芯片具有物理介质上的串行数据收发功能和MAC 层的控制功能，实现了CSMA/CD协议。其他协议如TCP/IP、HTTP、FTP 等由MCU程序存储空间的代码实现。由于协议占用了一定资源，所以要求提供大容量的程序存储空间。在实际开发过程中可以根据具体的应用需求简化TCP/IP协议，只提供一个TCP/IP 协议的一个子集即可。这种方法的优点是硬件成本低廉；缺点是软件设计复杂、开发难度大、开发周期长、对开发者的要求较高。图22 单片机程序中实现网络协议的嵌入式Internet方案示意图 采用具有网络协议栈的嵌入式实时操作系统现在越来越多的高性能嵌入式系统采用嵌入式实时操作系统（RTOS， Real Time OperationSystem），嵌入式RTOS 功能强大，多数支持TCP/IP等网络协议。如VxWorks、pSOS 和Windows CE等。VxWorks 网络协议栈是一个与BSD4.4 兼容的实时TCP/IP 协议栈，支持IP 、ICMP、IGMP、UDP、TCP 和SNTP 等协议以及IP multicast、CIDR 和RFC-1323 等最新因特网协议，并且提供套接字库。pSOS 系统包含了TCP/IP 管理部件pNA+、用户可以调用pNA+中丰富的函数，访问网络接口，操作套接字进行高级TCP/IP 网络编程。Windows CE 也提供了TCP/IP 协议栈，支持Winsock 和IRSock 网络编程。采用具有网络协议栈的嵌入式RTOS 外加网络接口可以使嵌入式系统直接接入因特网。这种方法的优点是：系统功能强大，而且开发者不必自己实现TCP/IP 协议。缺点是：开发成本高，嵌入式RTOS 价格昂贵，对MCU 的性能要求较高，通常要求采用高档的32 位甚至64 位的MCU，此外还要求开发者必须熟悉RTOS 和TCP/IP 协议。 采用网络芯片网络芯片硬件固化了网络协议栈并且提供网络接口，是一个独立于MCU 的专用芯片，它通过标准的I/O 接口与大多数MCU 相连。网络芯片负责在因特网上发送、接收IP 包。目前，网络芯片有多种，如韩国WIZnet 公司的W3100A 芯片和美国Seiko Instruments 公司的S7600A 芯片等。网络芯片的制造商一般提供相应的软件包，开发者可以调用函数，进行网络编程，使嵌入式系统在因特网上发送和接收数据。这种方法的优点是开发者不必考虑网络芯片的工作细节，只需编写应用程序和网络芯片的接口程序即可；缺点是网络芯片并不支持所有的MCU，而且价格比较贵，一般在千元以上。在嵌入式系统中实现因特网协议使嵌入式系统直接接入因特网，整个网络体系采用了分布式结构，可以实现设备的远程访问和控制以及设备与设备之间的对等通信。但是这种方法的实现要么难度大，要么成本高，二者不能兼顾。222 通过网关间接接入Internet这种方法的基本思路是：由网关实现各种复杂的网络协议，负责在因特网上发送、接收IP 包，网关与嵌入式系统之间采用轻量级协议进行通信。下面介绍几种有代表性的方法。 EMIT 方法EMIT 是美国emWare 公司提出的8 位和16 位MCU 接入因特网的技术。EMIT 技术主要由emMicro, emGateway 和网络浏览器3 部分组成。emMicro 是嵌入在设备中的很小的网络服务器，它占用的应用存储空间为1 到8kByte，这取决于MCU、编程语言和开发工具的选择以及设计目标的差异。 EmGateway 实现了TCP/IP 等因特网协议，可以运行在PC 机或高性能嵌入式服务器中。emGateway 可以与多个emMicro 进行通信，采用的协议有emNet、RS-485、RS-232、CAN 或无线通信协议等，其中emNet 是emWare 公司提出的链路层协议。EmGateway 可以完成各种复杂的工作，如身份验证、处理多用户请求和数据加密等。网络浏览器是用户对设备进行远程访问和控制的平台。用户通过浏览器向网关发出请求，然后由网关直接对设备进行状态查询或参数设置等操作。emWare公司还推出了EMIT 3.0 软件包，提供了预先创建的java 对象（称作emObject），使开发者可以创建基于Java Applet 的图形用户接口。Java Applet 嵌入Web 页面，在浏览器中运行，负责与emGateway进行实时通信。EMIT 3.0 还包含了emMicro 代码（一些汇编和C 源代码），使开发者可以把emMicro嵌入设备中。EMIT 方法借助PC 机强大的功能，降低了MCU 性能的要求，减少了嵌入式系统软件的开发难度，但同时也增加了网关设计以及网关与浏览器通信的额外开销，而且也要求开发者熟悉MCU的体系结构并具有一定的固件（firmware）开发经验。 Web 芯片（Webchip）方法P&S DataCom 公司提出的WebChip 方法原理与EMIT 方法相似，只是将嵌入设备中的网络服务器（emMicro）由芯片硬件完成。 Webchip 是一个独立于MCU 的专用网络接口芯片，它通过SPI 接口与各种MCU 相连。Webchip 与MCU 之间采用MCUnet 协议进行通信，通常只需简单的若干条指令就可实现交互。Webchip 通过MCUap 协议与网关通信，支持RS-232、RS-485、USB 或Modem等物理接口。这种方法对MCU 的要求不高，支持8位或4 位的MCU。开发者不需了解TCP/IP 协议和相关接口，只需编写芯片接口程序，但是同EMIT方法一样也必须实现网关的设计以及浏览器与网关之间的通信。23 主要应用 智能公路： 交通管理、车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务； 植物工厂： 特种植物工场，如实现野生名贵药材的远程监控培养和种植，土栽培技术应用， 智能种子工程等； 虚拟现实(VR)机器人：交通警察、门卫、家用机器人等； 信息家电： 冰箱、空调等信息家电的网络化，水、电、煤气表的自动抄表，安全防火、防盗系统； 工业制冷： 冷库、中央空调、超级市场冰柜； VR库房： 粮库、油库、食品库等，客户可以在Internet上实时地看到存货状况； 工业自动化：目前已经有大量的8、16、32位嵌入式微控制器在应用中，网络化是提高生产效率和产品质量、减少人力资源的主要途径，如制药工业过程控制、电力系统、电网安全、电网设备监测、石油化工系统； POS网络及电子商务：公共交通无接触智能卡(Contactless Smartcard, CSC)发行系统，公共电话卡发行系统，自动售货机； 环境工程与自然：水文资料实时监测，防洪体系及水土质量监测、堤坝安全，地震监测网，实时气象信息网，水源和空气污染监测。3 IPv6综述 国际互联网（Internet）是20世纪一项最具革命性的技术发展。随着通信与计算机技术的进步，国际互联网规模呈几何级数不断扩张，网络所提供的功能也在不断加强，由文件传输、Email等相对单一的数据通信逐渐转向集音频、视频及数据的集成以以及嵌入式互联设备的快速发展，以互联网为核心的为了通信模式正在形成。到目前为止，互联网取得了巨大的成功，而这很大程度上归功于其核心通信协议IPv4的高度可伸缩性。IPv4的设计思想成功地造就了目前的国际互联网，并容纳了过去十年中网络规模的几何级数增长，其核心价值体现在以下方面：简单、灵活和开放性。但是，新应用的不断涌现使互联网呈现出新的特征，传统的互联网协议版本，即IPv4, 已经难以支持互联网的进一步扩张和新业务的特性，比如实时应用和服务质量保证。IPv4有限的地址空间、低效的路由选择以及没有保障的服务质量等等不足随着Internet的不断发展日益明显的暴露出来，作为其更新版的IPv6的出现成为必然趋势。31 IPv4与IPv6的主要区别为了克服IPv4的不足，IETF从九十年代初开始制定IPv6协议，1998年IPng工作组正式公布RFC2460标准。IPv6继承了IPv4的端到端和尽力而为的基本思想，其设计目标就是要解决IPv4存在的问题，并取代IPv4成为下一代互联网的主导协议。它们之间的主要区别有如下几个方面： 可用的地址空间IPv4协议中每一个网络接口由长度为32位IP 地址标识，这决定了IPv4的地址空间在理论上大约可以容纳43亿个主机，这一地址空间难以满足未来移动设备和消费类电子设备对IP地址的巨大需求量。加之存在地址分配的大量浪费，有预测表明，以目前Internet发展速度计算，所有IPv4地址将在20052010年间分配完。在二十世纪九十年代的研究人员已经意识到了IP地址空间以及分配存在的问题，并开发了一些新技术来改善地址分配和减缓IP地址的需求量，比如CIDR和NAT。这些技术一定程度上缓解了地址空间被耗尽的危机，但为基于IP的网络增加了复杂性，并且破坏了一些IP协议的核心特性，比如端到端原则，因此不能从根本上解决IPv4面对的困难。IPv6的地址长度由IPv4的32位扩展到128位，其地址长度增加了4倍，也就是说从理论上可以拥有2128个地址空间。人们用最保守的方法估算：在地球上，每平方米可以分到1016个IPv6地址，如果以每微妙分配100万个地址的速度进行，需要20年的时间才能将所有的地址分配完毕。 IPv6寻径效率比IPv4的CIDR高 IPv4通过无类别域间路由（CIDR）技术大大减缓了IP网络地址的消耗速度。同时对网络路由器中路由表的极度膨胀进行了很好的抑制，从而使互联网中路由选择表得以大大减小，并直接增强了其可扩展性。但是，在网络路由得寻径中效率方面仍不尽人意。IPv6采用类似CIDR的地址聚类机制层次的地址结构。为支持更多的地址层次，网络前缀可以分成多个层次的网络，其中包括13比特的TLA-ID、24比特的NLA-ID和16比特的SLA-ID。一般来说， IPv6的管理机构对TLA的分配进行严格管理，只将其分配给大型骨干网的ISP，然后骨干网ISP再可以灵活地为各个地区/中小ISP 分配NLA，而用户从中小ISP 获得地址。这样不仅可以定义非常灵活的地址层次结构，同时，同一层次上的多个网络在上层路由器中表示为一个统一的网络前缀，这样可以显著减少路由器必须维护的路由表项。按照13比特的TLA计算，理想情况下一个核心主干网路由器只须维护不超过8192个表项。这大大降低了路由器的寻路和存储开销。 同时，IPv6采用固定长度的基本报头，简化了路由器的操作，降低了路由器处理分组的开销。在基本报头之后还可以附加不同类型的扩展报头，为定义可选项以及新功能提供了灵活性。 Qos功能IPv4遵循Best Effort原则，这一方面是一个优点，因为它使IPv4简单高效；另一方面它对互联网上涌现的新的业务类型缺乏有效的支持，比如实时和多媒体应用，这些应用要求提供一定的服务质量保证，比如带宽、延迟和抖动。研究人员提出了新的协议在IPv4网络中支持以上应用，如执行资源预留的RSVP协议和支持实时传输的RTP/RTCP协议。这些协议同样提高了规划、构造IP网络的成本和复杂性。在IPv6中，IPv6报头中新增了4bit/s的类型（Class）和24biy/s的流标记（Flow Label），利用这些功能，IPv6允许网络用户对通信质量提出要求，路由器可以根据该字段标识出同属于某一特定数据流的所有报文，并按需要对这些报文提供特定的安排处理，从而实现优先级控制和服务质量保证。 自动配置在IPv4中，很多时候还是由手工配置主机IP地址，尤其对于那些不熟悉网路技术的初学者而言，是一件很困难的事情。就算是计算机从业者，在面对大型网络中管理