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標題: 為了讓51單片機聯(lián)網(wǎng)，自己設計了一個輕量的網(wǎng)絡協(xié)議棧 [打印本頁]

作者: huilejie 時間: 2025-3-15 22:30
標題: 為了讓51單片機聯(lián)網(wǎng)，自己設計了一個輕量的網(wǎng)絡協(xié)議棧
一直想讓單片機（尤其是51）聯(lián)網(wǎng)，感覺這樣很好玩。但是沒有非常輕量的ip實現(xiàn)，而且本人不太想讓單片機用ip網(wǎng)絡（占地址）。于是設計了非常輕量的網(wǎng)絡協(xié)議棧，稱為zxdnet（簡稱znet）。他可以工作對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玩，也可以用于學習網(wǎng)絡原理。znet適用于構建完全私有的組織內(nèi)網(wǎng)絡而不是公共網(wǎng)絡。
報文中所有字段都是大端序的。

znet和ip一樣是采用分層架構的分組交換網(wǎng)絡，數(shù)據(jù)包可以經(jīng)過多個路由器轉(zhuǎn)發(fā)后到達目的地。
首先介紹下znet的網(wǎng)絡層協(xié)議zp的報頭：

介紹下各字段：
BF（2bit）:基本標志。前1bit表示目標地址類型，如果是0目標地址為普通地址，如果是1目標地址為組播地址（目前還沒設計組播）。后1bit表示無錯誤標志，如果此位為1,在發(fā)生錯誤的時候就不會通過zcp協(xié)議回報錯誤（類似ip中的icmp錯誤回報）

Proto（4bit）:上層協(xié)議號
      0: ZARP (ZXDNET 地址解析協(xié)議)
      1: ZCP (ZXDNET 控制協(xié)議)
      2: TUDP (簡單用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議)
      3: UDP (用戶數(shù)據(jù)報協(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
      這個字段定義了數(shù)據(jù)報允許的最大跳數(shù)。發(fā)送方初始化這個值，每個路由節(jié)點在處理時將其減一。如果TTL在數(shù)據(jù)報到達目的地之前變?yōu)榱悖瑪?shù)據(jù)報會立即被丟棄。這個機制防止了無限路由循環(huán)。

Extra Flag（16bit）:額外標志。用戶自定義，一般用于qos。

Total Length （16bit）:報文總長度（字節(jié)）,包括網(wǎng)絡層頭（16字節(jié)）及其數(shù)據(jù)。

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

Source Address和Destination Address：源地址和目標地址。

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：未初始化設備（例如，啟動時的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)部主機通信。

NAT擴展地址（0.0.0.64/26）：
位模式：00000000 00000000 00000000 01XXXXXX。
僅限于本地地址擴展。
NAT處理：典型的NAT中間盒有兩個接口，一個連接到包含最多63個NAT設備的局域網(wǎng)（接口地址為0.0.0.64/26），另一個連接到全球網(wǎng)絡（具有全局單播地址）。對于使用端口號的傳輸層協(xié)議，NAT設備將全局單播地址的端口號劃分為幾個段，每個段包含相同數(shù)量的端口。這些端口然后映射到每個設備的前幾個端口號（從0開始）。中間盒本身將被分配第一個端口段。例如，對于一個總共有256個端口的傳輸層協(xié)議，NAT設備將這些端口劃分為64個段，每個段包含4個端口。端口0-3由中間盒使用，端口4-7映射到第一個NAT設備的端口0-3，依此類推，端口252-255映射到第63個NAT設備的端口0-3。對于ZCP Echo和ZCP錯誤報告，中間盒充當代理。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備或用于數(shù)據(jù)報頭。

單播地址（所有非保留地址）：
分配給設備，全局可路由。
znet地址空間中只有256個為特殊用途，其他全部可以分配給設備。znet沒有所謂“網(wǎng)絡地址“，表示一個網(wǎng)絡可以用第一個設備地址+子網(wǎng)前綴長度。znet也沒有所謂”局域網(wǎng)廣播地址“，只有一個不可跨網(wǎng)關的有限廣播地址0.0.0.0。這樣的設計十分簡化，可以高效實現(xiàn)，節(jié)省地址。

zp協(xié)議不支持網(wǎng)絡層分片，因為違反了網(wǎng)絡層無連接原則,并且一些運輸層不需要，占用了頭部空間。

下面介紹一些運輸層協(xié)議（上面提到的）。

  首先是zarp協(xié)議。他設計的很簡潔。如果鏈路層目標地址是廣播地址就是請求，是設備地址就是響應。

zcp協(xié)議用于控制和診斷網(wǎng)絡本身。校驗和算法與zp頭的一致，但是涵蓋zcp頭和他的數(shù)據(jù)。zcp報文最大48字節(jié)（包括zp頭）。zcp目前有2個作用：錯誤回報和回顯。首先說下錯誤回報報文。

以下是errcode定義：

0 = 網(wǎng)絡不可達。

1 = 主機不可達。

2 = 協(xié)議不可達。

3 = 端口不可達。

4 = 超出MTU。

5 = 生存時間在傳輸中超出。

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頭里的校驗和字段會被替換為mtu。

然后介紹下回顯報文。

code=0就是回顯請求，code=1就是回顯響應。對方收到后改變code，重新計算校驗和，然后發(fā)回報文， 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，當設備發(fā)送 echo 請求時，這兩個字段都設置為 0。如果 NAT 設備向另一臺設備發(fā)送 Echo 請求，則中間框會將 Source Host 字段設置為其標識符（與地址的低 6 位匹配），以便將 Echo 回復路由回 NAT 設備。如果設備想要向 NAT 設備發(fā)送 echo 請求，則必須將 Destination Host 字段設置為 NAT 設備的標識符，并將 echo 請求發(fā)送到中間盒。在將請求轉(zhuǎn)發(fā)到目標 NAT 設備之前，中間框會自動將 Destination Host 字段設置為零。當目標 NAT 設備返回回聲回復時，中間框?qū)⑹褂?NAT 設備的標識符重寫該字段，并將響應轉(zhuǎn)發(fā)回發(fā)起回聲請求的設備。

最后介紹tudp協(xié)議。

這個報文頭簡單，無需過多講解。校驗和需要涵蓋tudp頭部和他的數(shù)據(jù)。tudp最大允許28字節(jié)的數(shù)據(jù)，從而可以在單片機上高效運行。

znet其余的設計以后補充。

znet主要用途是研究和學習，以及讓單片機聯(lián)網(wǎng)。znet目前還沒有被實現(xiàn)，我會盡快實現(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，請大家盡管提出

作者: msold5 時間: 2025-3-16 07:47
厲害！可以為底部硬件提供足夠性價比

作者: Highnose 時間: 2025-3-16 18:14
趕緊實現(xiàn)，很不錯的項目

作者: zxcscm 時間: 2025-3-16 22:52
實現(xiàn)了自主路由的話，是不可以使用無線模塊接力自組網(wǎng)了

作者: huilejie 時間: 2025-3-16 22:55

Highnose 發(fā)表于 2025-3-16 18:14
趕緊實現(xiàn)，很不錯的項目

本人高中生學業(yè)繁忙，實現(xiàn)需要一段時間，稍安勿躁

作者: wkman 時間: 2025-3-17 11:16

無tcp－ip都不算“聯(lián)網(wǎng)”概念吧

作者: lxh0508 時間: 2025-3-17 18:55
重新造輪子，沒有什么意義。現(xiàn)有的交換機、路由器都用不上。自己玩玩還可以

作者: huilejie 時間: 2025-3-17 22:14

wkman 發(fā)表于 2025-3-17 11:16
無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)絡協(xié)議棧而不是唯一的

作者: huilejie 時間: 2025-3-17 22:16

lxh0508 發(fā)表于 2025-3-17 18:55
重新造輪子，沒有什么意義。現(xiàn)有的交換機、路由器都用不上。自己玩玩還可以

Znet被設計與以太網(wǎng)交換機完全兼容。一臺znet路由器可以使用一臺linux主機實現(xiàn)。znet并不是被設計專用于以太網(wǎng)的，而是可以工作在串口/紅外/無線等幾乎任何鏈路上，實現(xiàn)真正的低開銷網(wǎng)絡

作者: huilejie 時間: 2025-3-17 22:17

zxcscm 發(fā)表于 2025-3-16 22:52
實現(xiàn)了自主路由的話，是不可以使用無線模塊接力自組網(wǎng)了

是的，znet可以工作在很多鏈路上，包括433m無線模塊和2.4g無線模塊，也可以運行在ble和wifi上，實現(xiàn)極低開銷與極大自由度的嵌入式網(wǎng)絡。

作者: lmn2005 時間: 2025-3-18 07:59
高中時代都能研究這么高深的技術了，不錯的，必是未來的高技術人才！

作者: msold5 時間: 2025-3-19 14:50
高中..... 想起我兒子在高三時也是捧著一大堆電腦書看。
建議項目緩緩，可以高考完成后再慢慢做，這類項目必須是在長時間測試中完善才能做出真正有價值的東西。

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