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1、论文学习交流,2008.5.30,陈 伟,First Step Toward Internet Based Embedded Control System基于internet嵌入式控制系统的第一步,Eka Suwartadi,Candra Gunawan,Ary Setijadi P,Carmadi MachbubLaboratory for Control and Computer SystemsDepartment Of Electrical EngineeringBandung Institute Of Technology,Indonesiae-mail:eka98dsp.itb.ac
2、.idcandra_gstudents.ee.itb.ac.idasetijadiee.itb.ac.idcarmadilskk.ee.itb.ac.id,摘要Abstract,IP网络在近几十得到了很大的发展。许多计算机和设备都已经接入到IP网络，并且已经有许许多多的应用伴随着这一现象的出现而出现。一个有趣的应用是构建嵌入式控制系统并让它连接到网络中去。本文解释了一个嵌入式WEB服务器的实现，这个服务器提供安全支持，论文中同时实现了一个带有TCP/IP协议栈微控制器系统的安全算法TEA（Tiny Encryption Algorithm）。此WEB服务器微控制器系统是基于8051系列单片机的
3、。在服务器端和客户端都进行编码算法。因此，客户端需要一个运行加密机制的插件以致他们可以安全访问嵌入式WEB服务器。,（一）引言Introduction,在8位的微控制器（8051系列）上实现TCP/IP协议是一个大的挑战。Picweb项目组使用AT90S8515构建了嵌入式服务器，Web51组同样基于ATC8252构建了WEB服务器。他们构建的嵌入式服务器都没有安全支持，仅仅尽力地在微控制器上实现了TCP/IP协议栈。可移植性也没有被考虑进去。由于这些缺点，我们决定构建一个更好的嵌入式web服务器并且使用高级语言来设计，这种高级语言与大多数微控制器兼容。不仅和8位微控制器兼容，而且和16位微控
4、制器兼容。为了解决攻击web的安全问题，我们开发了一个称为安全socket层（SSL）的协议。这个协议有能力鉴别每一个用户，SSL的开发选择了对称密码哦算法TEA（Tiny Encryption Algorithm）这种算法对代码空间和数据空间都要比RSA少 1.移植性2.安全性,嵌入式web服务器的简单控制结构图,（二）TCP/IP介绍,TCP/IP是互联网中使用的标准协议，在RFC1180中TCP/IP遵循下面在OSI7层协议中的4层（见图2）从TCP/IP协议的低端看，网络接口层被定义为物理网络媒体层。比如以太网（Ethernet）帧中继（Framerelay），ATM和令牌环（Toke
5、n Ring），在互联网层有以下几个协议：IP，ARP，IGMP，ICMP。在我们的嵌入式web服务器中，我们仅实现了IP，ARP和ICMP协议，而IGMP没有被实现，因为我们假定路由过程是在本地的路由表中进行的。在主机到主机的传输层中，主要有两个协议：UDP和TCP。这里我们仅仅实现TCP，因为WEB服务和HTTP服务仅仅需要TCP。为了能成为一个web服务器，其上的TCP仅仅运行于端口80，而其他端口的报文被忽略。端口80意味着应用层与HTTP协议有关，这个HTTP协议用来发送HTML文件,TCP/IP protocol architecture layers,（三）小型密码算法（TEA）
6、Tiny Encryption Algorithm(TEA),TEA 密码算法是一种对称密码算法，这种算法需要delta常量（delta=）和迭代因子（n）。一个迭代过程将产生64位数据位和128位钥匙（key）位，并最终变为64位的密钥（siphertext）在这情况下，数据存在数组V,钥匙存在数组K，加密的结果最后存在数组V，这将覆盖先前数据存储的位置。,加密与解密过程 Encoding and Decoding Process,（四）设计与实现Design&Implementation,4.2 TCP/IP协议栈的实现,为了减少实现时间，嵌入式web服务器有如下限制：1.仅服务一个到五个
7、客户端对一页页面的请求；2.页面的内容给出几个在控制器RAM中的变量；3.在用户端的web页上，RAM中变量的条件可以改变；4.只服务ICMP，ARP，HTTP请求，这些协议之外的协议包全部忽略；5.由于微控制器内存空间有限，TCP/IP协议栈的实现使用最小化代码。我们需要C编译器来把实现TCP/IP协议栈的C文件编译成为可以下载到8051控制器中的hex文件，这里有SDCC，Keil，PV31（Franklin），等供选择。我们使用免费的SDCC，它编译出的的代码占75字节的RAM和6564字节的ROM。,TCP/IP协议栈的实现,TEA的目标是为了实现嵌入式web服务器的安全支持。我们的嵌
8、入式web服务器访问权限的设计分为三个等级：超级用户级，操作员级，来访级。超级用户有最高的权限，所以它拥有访问嵌入式服务器的所有权限。第一，超级用户有对数字端口和串口控制的权限。第二，它能够改变信号IO引脚功能的权限，第三，它能够监控所有IO端口的状态。这种监控能够给出每一个端口的输入状态。基于超级用户的这些特权，发送给超级用户的web页就包含有数字IO引脚、串口，监控IO的控制和对嵌入式服务器的设置。操作员是比超级用户低一级的用户，一个操作员有全去对IO端口发出命令，意味着它能够改变数字IO的输出状态（ON或者OFF）和改变串口IO的输出值。操作员还有一个权限，就是能够从输入端口那里得到监控
9、结果的信息。基于这些权限，一个操作员得到的页面就只包含有部分数值IO和串口IO的控制权，并有对他们做出改变的全部权限。来访级用户是特权级中最低的一种用户，一个来访级用户只能得到监控IO的信息，但不能对他们做出改变。,4.3 TEA的设计与实现Design and Implementation TEA,在嵌入式服务器中的鉴别过程包括两个输入参数：ID和密码。从这两个参数中服务器能够辨别出他们用户类型。当有请求来自客户端时，服务器第一处理过程是解析处理。这一过程解码从客户端接收到的URL编码。服务器然后探测这一请求是属于那一类型的请求，最后再根据相关的类型对请求做出相应的处理。接下来服务器检测在h
10、tml表单中的IO条件。这个信息位于URL编码的Message Body中，发送到服务器的表单中的消息体像下面的形式：nameinput1=inputvalue1&nameinput2=inputvalue2&x=输入将从提交上来的复选框、单选框、文本框、密码框和隐藏框中提取。所有的这些值将首先被存于内存中为下一步的使用做准备。解析过程完成后，服务器将处理密钥（客户端的密码）并授予相应的权限。密码的密钥将用来决定使用者的特权级别。特权结果以一种与该用户相对应的网页通过相应的方式发回给客户端。见图7,鉴别过程,这个嵌入式服务器的客户端需要特殊的插件来访问web页。这里我们做了一个针对此服务器的专
11、门浏览器，如图9,(五)调试与测试,为了调试微控制器中的TCP/IP协议栈，我们把微控制器的串口和PC的超级终端连接起来。在超级终端中我们可以看到微控制器终端所有过程。,为了检查TCP/IP是否正确运行，我们通过在客户端使用ping命令来发送ICMP包，服务器响应ICMP包。我们还可以通过使用浏览器来浏览服务器的IP地址，它将返回鉴定页。对于安全协议的检查，我们可以输入任何的字符串到html的文本框中，只有有效的用户名和密码才能够获得处理,（六）结论,这种嵌入式web服务器是设备连接到互联网的一个很好媒体。在远程控制与监控领域的许多应用可以以这种系统为原型来开发。例如，远程气象站的监控、石油的
12、存储、家居自动化等等。我们可以低成本构建这样的系统，并且这样的系统易于安装。,Making TCP/IP Viable for Wireless Sensor Networks让TCP/IP在无线传感器网络中可行,Adam Dunkels,Juan Alonso,Thiemo VoigtSwedish Institute of Computer Sciencefadam,alonso,thiemogsics.seNovember 17,2003SICS Technical Report T2003:23ISSN 1100-3154ISRN:SICS-T2003/23-SE,在有线网络中被证明有
13、很高成功度的TCP/IP协议通常被认为不适合于无线传感器网络。而本文中，对这个传统的常识提出质问，并且给出几个的机制来说明TCP/IP协议在传感器网络中能够使用：空间IP地址分配，共享环境报头压缩，应用叠加路由，和分布式TCP缓冲（DTC）。在和有IP协议网络的基础设施或和基于IP的无线网络（如GPRS）通信时，基于TCP/IP的传感器网络是比较有优势的。本文通过仿真实验和实际传感器节点实验实现了上述部分机制，并且初步结果的前景是看被好的。,摘要Abstract,在这篇文章中，作者针对使用TCP/IP协议的传感器网络提出以下的解决方案。IP寻址体系结构。在普通的网络中，地址分配或者通过手工配置
14、，或者通过动态机制配置，如DHCP，在一个大型的传感器网络中，手工配置是不可行的，而动态办法通常由于通信量的过大而消耗很大。作为一种替代，提出空间IP地址分配机制，这种机制提供半唯一IP地址报头过载。在TCP/IP协议栈中的协议一般都有一个非常大的报头量，当与专门的传感器网络通信协议相比时，这一点更加明显。传感器网络共享的环境性质能够使得报头的压缩工作的很好。这可以作为一种减少TCP/IP报头量的一种办法。地址中心型路由。传感器应用的特定性质使得数据中心型路由一般比地址中心型路由更优越。尽管如此，文章中提出基于应用叠加网络的一种特定形式来为TCP/IP传感器网络实现数据中心型路由,（一）引言I
15、ntroduction,节点的限制。传感器节点总是受存储能力和处理能力的限制，并且人们常常认为对于这么小的系统来说，TCP/IP协议栈太大负荷了。在以前文献4的工作中,已经表明事实并非如此，并且表明一个TCP/IP协议栈的实现是可以在一个只有几百字节RAM的8位机上运行的。TCP性能和能量低效性。在传感器网络中，TCP协议已经被表明有严重的性能问题。此外，当一个包丢失时，在TCP中使用的端到端确认机制和重发机制导致从发送端到接收端的昂贵重发消耗。文章中已经开发了一个与TCP相似的分布式监听机制，这个机制可以解决这两个问题。在第二到第六部分，我们描述了我们提出的对上述问题的解决办法，并且报告一个
16、初步的结果。最后在第七部分总结本文，并给出将来工作的方向。,对于TCP/IP传感器网络，提出空间IP地址分配机制来解决这个地址分配问题。使用空间IP地址分配协议，每一个传感节点用它的空间位置来构建一个IP地址。因为我们假设节点知道他们自己的空间位置，所以地址分配的不需要中心服务器和在节点之间的通信。图1给出一个有空间分配IP地址的例子网络。在这个特定的网络中，每一个节点通过使用他们的坐标作为IP地址的最低两位来构建IP地址。这里没有说明地址构建的详细办法，但是假设，在不同种类的传感器网络中他们是不同的。,（二）空间IP地址分配 Spatial IP Address Assignment,2.1
17、 地域性广播因为位置信息编码在IP地址中，我们能够定义一个局部子网作为一个节点集合，这个集合有共同的地址前缀，并且实现简单的区域广播机制，这与普通的IP子网广播相同。这种机制不需要逻辑位置与物理位置特殊的映射。例如，GeoCast。2.2 处理重复的地址以空间位置分配的IP地址不保证唯一性，因为两个或者更多相邻的节点可能获取到相同的位置坐标，并因此而构建了相同的地址。有相同地址的节点他们之间是邻近的，尽管如此，这也可以帮助解决路由问题；有相同地址的节点可能有大部分相同路由路径。网络中传输层端口号的不同使得他们能够收的到各自的无线通信，这可以通过被动的监听附近的通信而达到。,在传感器网络中，能量
18、通常都是最短缺的资源，并且对于大多数的应用，电波的传输是最消耗的一种行为。一个最小的UDP/IP报头也有28个字节。一个4字节的感知数据使用UDP/IP来传输的话，那么这将导致87.5%报头损耗。从而使得大部分的能量用来传输报头。在传感器网络中，所有节点存在一些共同的环境。基于这个原因，所有节点在UDP/IP特定域的值上可以达成一致。从而报头可以使用简单的模式匹配技术来进行压缩。例如，因为所有的节点都是同一个P子网的一部分，所以在网络中节点没有必要在包的报头中传输完整的IP地址。对于TCP连接，标准的报头压缩技术是可以使用的，但是传感器网络特定的要求提出了附加的挑战。例如，尽管普通的TCP报头
19、压缩可以包含端点检测和重发不当的解压报头，但一个多跳的无限传感器网络必须以一种更有劲的方式来执行在网络的检测和重发。这是因为端到端重发需要消耗能量。收的目标函数值中选择一个最大值，,（三）报头压缩Header Compression,(四)应用叠加路由 Application Overlay Routing,空间IP寻址机制提供了一个IP包发送的办法。但是，纯的IP包路由机制不能够很好支持数据融合和基于属性的路由。作为一种替代办法，我们相信应用叠加网络可以是一个实现这样机制的很好办法。乍一看，一个迭代网络在传感器网络中看起来很耗能，因为它需要一个从叠加网络到物理网络的映射。但是，我们认为通过选
20、择一个与传感器网络物理属性相吻合的迭代网络来消除这种映射的消耗。我们认为使用局部链路IP广播来进行UDP数据报的发送是一个适合在上层实现应用叠加网络的一种机制。因为连接局部广播提供一种直接在应用迭代和网络之间的映射。通过对局部连接广播特殊情况进行报头压缩调整，报头的重叠度会比直接使用物理网络接口进行广播的广播包小得多。此外，链路层，应用层的广播可以用来实现底层机制，如邻居寻找。除了兼容性方面，一个应用层叠加网络还具有在节点之间或一般网络主机之间透明运行的优点,通常人们认为在一个像传感器节点这样小的系统中实现TCP/IP是过重的。作者已经在文献4中表明一个小系统同样可以运行TCP/IP协议栈。虽
21、然在吞吐量方面有低的性能。TCP/IP实现只需几K的代码空间和几百字节的数据空间，并且已经成功的将它移植到一个嵌入式传感器板上了（ESB），这个嵌入式板是有柏林自由大学（FU Berlin）开发的。ESB带有一些传感器，一个RF发射器，一个MSP430低功耗微控制器，它有2048字节RAM和60K字节FLASHROM,(五)小型TCP/IP的实现Tiny TCP/IP Implementation,在有线网络中，TCP的实现是基于网络的低误码和高拥挤而导致包丢失思想的。因此，TCP总是把包丢失解释为网络拥挤的信号。从而减少它对丢失包的发送速率。在无线传感器网络中的包丢失通常是由于误码导致，这种
22、现象导致TCP误认为包的丢失是因为拥塞而引起的。TCP从而降低发送速率，尽管网络没有拥塞。此外，TCP使用端到端的重发机制，在多步跳的传感器网络中就要求一个重发沿着从发送端到接收端每一个节点传输。就像Wan et al提及的一样，端到端的恢复机制在误码率为5%到10%甚至更高的传感器网络中是不能作为可靠传输协议的好候选的。一个局部的重发机制比较适合于这样的传感器网络，因为它能够把重发的点尽可能近地移到最终接收包的节点。为了这样设想的解决，作者提出了一种称为分布式TCP缓冲（DTC）的机制，它使用段缓存和与链路层协调的局部重发技术。与其他通过无线链路改变TCP性能的机制相反，如文献2中的TCP
23、SNOOP（TCP监听），这种机制主要集中改变TCP的吞吐量。DTC主要是用来减少由TCP引起的能量消耗。DTC不需要在接收端和发送端任何的协议修改。,(六)分布式TCP缓存Distributed TCP Caching,图2左边的给出了一个简化的例子，这个例子给出我们对DTC如何工作的想象。在这个例子中，一个TCP发送者传输3个TCP段，段1在它被丢弃之前被节点5缓存，段2在它被丢弃之前被节点7缓存。当接收到段3时，TCP接收端发送一个确认（ACK 1），当节点5收到确认时，它执行一个局部重发，同时限制这个确认帧继续在网络中向前传输，从而使得确认帧和重发帧不需要穿过真个通信路径。当接收端收到
24、这个重发的段1之后，它接着发送一个确认帧2。在节点7接收到确认帧2后，它同样执行一个局部重发。这样，接收端就通过局部重发得到了这两个丢失的段，从而避免了对发送端进行重发的要求。当确认帧到达TCP发送端后，在传输路径上的节点就可以清零他们的缓存了，从而为新段的缓存做好准备,初步结果Preliminary Results,我们通过仿真来比较标准的TCP和DTC，结果表明了在传感器网络中采用DTC有很大的改进：对于长度在5到10条之间和包丢失率在5%和15%之间，需要重发包的数量减少4个到7个。例如，对于一个包丢失率为10%（其中5%为确认包、2%为链路层确认包）、路由长度为10跳、有500个数据包
25、待发的一次传输，对源节点请求重发的数量减少为51到6（在30次运行中的平均值为30）.在传感器网络中，感知数据从源节点向汇集节点流，而控制和管理数据从汇集节点向源节点流。因此，靠近汇集节点的节点将首先用完能量，因为传递给汇集节点的数据必须经过他们。正如我们的图3仿真结果一样，DTC能够减轻靠近汇集节点的节点。我们至今还没有任何加上DTC之后关于报头压缩的结果。但是我们的UDP/IP报头压缩能够把UDP/IP报头从28字节减少到3字节,（七）结论和未来工作Conclusions and Future Work,在这篇文章中，我们挑战了TCP/IP不适合传感器网络的假说。我们主要的贡献是空间IP地址分配机制和分布式段缓存机制。未来的工作主要是进一步的通过仿真和实际的物理传感器网路实验来发展和评估提出的机制。我们现在的工作是观察链路层和报头压缩机制在与DTC一起工作是的相互作用。我们将对链路层在不同可靠等级时能量消耗进行对比考虑。我们同时打算将DTC与应用于传感器网路中的其他运输层协议（比如PSFQ）进行对比。此外，为了能够测量现实环境中的性能，我们现正在在实际的传感器节点中实现DTC。初步的结果显示了传感器节点能够运行完整的TCP/IP协议和DTC机制,谢谢 2008.5.30,
