Динамичное развитие интернета и технологий TCP/IP сделало возможным их широкое использование во встраиваемых системах. Вместо огромного набора закрытых внутрифирменных протоколов, сосуществующих во множественных проектах, всё чаще разработчики выбирают широко доступные и открытые стандарты TCP/IP.

Интернет на данный момент является одной из наиболее динамично развивающихся отраслей. Web-браузеры существуют практически на всех возможных платформах — под любую операционную систему, на персональных компьютерах, на портативных компьютерах, приставках, мобильных телефонах с WAP. Неудивительно, что Web-браузер становится основным элементом организации взаимодействия человека и разнообразных технических систем контроля, управления, связи, сбора и обработки данных и множественных других. Вместо того, чтобы для каждого нового устройства или системы разрабатывать и отлаживать уникальные протоколы, свои отдельные интерфейсы, пульты управления, программное обеспечение, а потом обеспечивать поддержку и модификацию всего этого в течение времени жизни системы, можно воспользоваться широкодоступными и открытыми технологиями, лежащими в основе Интернета — технологиями TCP/IP.

Поддержка TCP/IP

Если устройство способно работать по TCP/IP, поддерживая хотя бы минимальное подмножество стандарта, то оно сможет работать с огромным количеством серийно выпускаемого оборудования, среди которого есть устройства практически для любых задач.

Поддержка TCP/IP в устройстве позволяет легко связывать неограниченное число самых разнородных устройств, расположенных как в рамках одной сети, так и в разных, в том числе территориально удалённых сетях, вплоть до масштабов страны и мира. Для организации каналов связи пригодны практически все существующие технологии — именно TCP/IP лежит в основе большинства современных сетей передачи данных.

Протоколы TCP/IP отлично масштабируются — от передачи единичных пакетов в несколько десятков байт на скоростях в десятки-сотни бит в секунду до пересылки гигантских объёмов информации на гигабитных скоростях. И для каждого диапазона скоростей есть большой выбор серийно выпускаемого оборудования.

Вся документация на протоколы TCP/IP доступна, отсутствует необходимость каких-либо лицензионных отчислений. Cуществует большое число как свободно доступных, так и коммерческих реализаций практически под любые платформы, все современные операционные системы поддерживают TCP/IP.

Структура протоколов TCP/IP

Встроенный Web-сервер

Встроенный в устройство Web-сервер, обращение к которому осуществляется через TCP/IP, позволяет резко упростить проектирование и реализацию пользовательского интерфейса — необходимые тексты, графика и управление могут быть легко реализованы и модифицированы общедоступными средствами языка HTML.

Не играет роли и тип физического соединения с устройством — RS-232, IrDA, Ethernet, радиоканал, сеть GSM, соединение через выделенную сеть или Интернет — во всех случаях пользовательский интерфейс будет выглядеть одинаково, и встроенное программное обеспечение будет работать одинаково, без каких-либо изменений.

В качестве клиентского терминала может использоваться персональный компьютер или любое другое устройство, имеющее встроенный Web-браузер, вплоть до мобильного телефона с поддержкой WAP или GPRS.

Весь пользовательский интерфейс находится в самом устройстве, на клиентских рабочих местах не требуется инсталлировать никакого специального программного обеспечения. весьма легко можно интегрировать разнородные системы, необходимые средства для этого предусмотрены в языке HTML.

Механизм гиперссылок открывает дополнительные возможности. Например, подробная документация на устройство со всеми последними изменениями может храниться на сервере поддержки производителя, а во встроенном в устройство Web-сервере будут содержаться лишь необходимые ссылки. Тем самым можно сильно экономить необходимые ресурсы устройства и обеспечить постоянное обновление информации.

Встроенный e-mail клиент

Встроенный в устройство почтовый клиент позволяет отправить письмо на нужный адрес. Эта технология может быть эффективно использована в распределённых системах сбора информации, построенных на базе TCP/IP-технологии. Встроенный в датчик e-mail клиент отправляет сообщения через находящийся в сети SMTP-сервер, откуда они доставляются адресатам в пределах сети, в другие сети или любому адресату через Интернет.

Существуют гейты, преобразующие e-mail в голосовые сообщения при помощи специальных программ и доставляющие затем это сообщение на обычный телефон или заданный список телефонов. Так устройство может сообщить что-то человеку, вообще не имеющему доступа к интернет, а имеющему только голосовой телефон.

Большинство пейджерных компаний имеет гейты для приёма e-mail и отправки на пейджер. Стандартный пейджер может оказаться самым простым и дешёвым решением для беспроводного терминала к какому-либо устройству.

Технология e-mail хорошо интегрируется с технологией коротких сообщений SMS в мобильных сетях GSM. Практически во всех GSM-сетях существуют как общедоступные, так и коммерческие гейты, осуществляющие преобразование e-mail в SMS и наоборот. Это позволяет легко и эффективно использовать технологию e-mail для связи с устройствами на мобильных объектах.

В качестве получателя e-mail также может выступать встраиваемое устройство. Устройства, находящиеся где угодно, но подключенные к общей TCP/IP-сети, могут обмениваться сообщениями друг с другом в цикле работы. Такой обмен позволяет унифицировать протоколы работы различных устройств, обеспечить маршрутизацию, обработку и архивацию сообщений широко распространёнными стандартными средствами.

Реализация TCP/IP на микроконтроллерах

Времена, когда для поддержки TCP/IP требовался как минимум персональный компьютер, пусть даже во встроенном исполнении, ушли в прошлое. Ресурсов современных дешёвых микроконтроллеров вполне хватает для того, чтобы обеспечить реализацию необходимого подмножества TCP/IP-стека. На 2 изображён один из самых маленьких Web-серверов в мире — webACE, построенный на простейшем микроконтроллере ACE1101 в корпусе SSOP Реализация подмножества протоколов IP, ICMP, TCP и SLIP занимает примерно 250 команд, оставляя ещё половину памяти программы для программной реализации последовательного интерфейса и реализации web-сервера.

WebACE

Чуть более сложный Web-сервер на PIC16F84 ( можно найти на странице Дениса Петрова [2]. Реализация занимает примерно 400 слов памяти программы, поддерживается подмножество протоколов SLIP, TCP, HTTP. Принципиальные схемы и все исходные тексты также доступны.

Web-сервер на PIC16F84

В микропотребляющих системах своё место может найти и аппаратная реализация TCP/IP-стека — микросхема S7600A фирмы Seiko [3]. Микросхема поддерживает соединение по PPP через последовательный порт, реализует IP, UDP и TCP, содержит 10 Кб встроенного ОЗУ, имеет параллельный байтовый интерфейс к управляющему микроконтроллеру, работает на тактовой частоте 256 кГц и потребляет менее 3 мВт.

Фирма Scenix, известная своими высокопроизводительными микроконтроллерами [4], свободно предоставляет достаточно полную реализацию TCP/IP-стека — SX stack [5]. Web-сервер для встроенных приложений iSX обеспечивает поддержку PPP через последовательный порт, IP/ICMP, TCP и HTTP протоколов. Почтовый клиент eSX позволяет отправить е-mail на любой SMTP-сервер, значит на любой легко доступный Интернетовский адрес. Реализация UDP-протокола, часто использующаяся в системах передачи голоса (VoIP) или видео через Интернет, также свободно доступна. Оценочная плата SX Stack изображена на 4.

Оценочная плата SX Stack

Если требуется высокая v передачи данных и большая универсальность, то в качестве среды передачи весьма часто используется 10BASE-T — Ethernet по витой паре. Подключение к Ethernet тоже не представляет проблемы, и для этого тоже не требуются персональные компьютеры. Та же фирма Scenix свободно предоставляет реализацию TCP/IP-стека для Ethernet на микроконтроллере SX52 [6]. Оценочная плата SX-Ethernet ( имеет интерфейсы 10BASE-T и RS-232, поддерживает протоколы IP/ICMP, TCP, UDP, ARP, DHCP, HTTP, SMTP, содержит EEPROM для хранения web-сайта объёмом до 32 Кб и имеет 16 свободных выводов портов для подключения произвольной периферии [7]. Реализация TCP/IP-стека и работы с Ethernet занимает около 3 Кслов памяти программы и около 150 байт ОЗУ, для пользовательской программы остаётся примерно 1 Кслов памяти программы и около 100 байт ОЗУ.

Оценочная плата SX-Ethernet

Если задача требует более сложной обработки, то можно использовать, например, mCsimm [8] — модуль на циклоре Motorola DragonBall размерами со стандартный 30-выводный SIMM, содержащий интерфейсы 10BASE-T, SPI, RS-232 и параллельный и принцип. возможность подключения QVGA LCD с матрицей 640х480 ( . Модуль имеет 8 Мб ОЗУ, 2 Мб флэш программы и работает под операционной системой mCLinux — клоном Linux для встроенных приложений.

Обновление и отладка

Часто перед разработчиком стоит задача — как обеспечить обновление программного обеспечения того или иного устройства. Если оно способно работать через Интернет, эта задача решается весьма легко. Устройство само может периодически заходить на Web-сайт поддержки, находить нужный раздел, проверять версию находящегося там программного обеспечения и, при необходимости, автоматически обновлять свою программу или отдельные компоненты. Эта технология уже давно и широко используется различными приложениями для Windows — браузерами, почтовыми клиентами, компиляторами и многими другими программами. Функция обновления программного обеспечения может выполняться как по инициативе пользователя, так и автоматически.

Некоторые современные микроконтроллеры, например, PIC16F87x, Scenix, некоторые микроконтроллеры Motorola, имеют принцип. возможность внутрисхемной отладки в реальном времени при помощи специального недорогого эмулятора-отладчика, подключаемого к нескольким выводам микроконтроллера. Если такой эмулятор-отладчик встроен в устройство, а доступ к нему осуществляется по TCP/IP, то становится возможной не только удалённое программирование и обновление версий, но и удалённая отладка программного обеспечения. Разработчик может находиться за десятки тысяч километров от отлаживаемого устройства и осуществлять необходимые изменения прямо со своего рабочего места. Такая технология также актуальна, если находиться рядом с отлаживаемым устройством опасно или некомфортно. Эти технологии ранее считались достаточно дорогостоящими в реализации и использовались в основном в сложных системах, например, телефонных централях. на данный момент они становятся доступными и для относительно простых устройств, имеющих в том или ином виде доступ к Интернет.

Применение на производстве

В промышленных системах сбора, обработки информации и управления технологическими циклами TCP/IP давно используется на верхних уровнях обработки — в системах SCADA для связи м. собой центральных компьютеров, создания систем уровня цеха, предприятия и объединения м. собой удалённых филиалов. Для отображения данных о ходе техцикла в Интернет может использоваться работающая в реальном времени база данных (например, Industrial SQL Server от Wonderware) [9] и взаимодействующий с ней Web-сервер.

Оператор больше не должен быть привязан к рабочему месту, если в качестве терминала используется мобильный телефон, поддерживающий WAP. Cоответствующие программные средства (например, Klinkmann WAP Tool) [10] позволяют оператору формировать запросы в свободном формате (считывание и запись) м. стандартным Microsoft SQL сервером или сервером от Wonderware и телефонами WAP или другими терминалами WAP. Если же в устройство встроен WAP-совместимый Web-сервер, то управлять им и получать с него данные можно непосредственно с мобильного телефона.

на данный момент технологии TCP/IP опускаются на более низкий уровень систем DCS, обеспечивая связь с отдельными микрокомпьютерами, PLC и датчиками. Вместо большого числа несовместимых, часто закрытых внутрифирменных протоколов, используемых во множественных системах DCS, происходит быстрый переход к открытым протоколам TCP/IP, к единым механизмам контроля и управления на основе встроенных Web-серверов и единым механизмам обмена данными, базирующимся на e-mail. Большинство фирм, работающих в области промышленной автоматизации, начинает выпускать PLC с поддержкой этих функций, например, SoftPLC от FAMA [11].

Предприятие и его филиалы теперь не привязаны к определённому месту, возникает понятие всемирного предприятия, разбросанного по разным странам и континентам и организующего свою работу через Интернет. С переходом на единые технологии TCP/IP можно говорить о всемирной цифровой системе, объединяющей различные предприятия всего мира, о едином поле применения встраиваемых систем.

Применение в быту

Известная корейская фирма LG в июне 2000 года представила холодильник с доступом к Интернет. Холодильник имеет встроенный 15” TFT LCD дисплей с сенсорным вводом и сетевой интерфейс и позволяет получать в реальном времени цены на продукты, сроки хранения, режимы хранения и заморозки для хранимых продуктов [12].

В декабре 1999 года компания Ariston представила первую стиральную машину, подключаемую к Интернет — “Маргарита 2000” [13]. Машина имеет встроенный web-сайт, на котором владелец “Маргариты 2000” может ознакомиться с текущим состоянием машины, и отдать все необходимые команды. Владельцы мобильных телефонов могут также управлять машиной прямо с телефона. В этой машине используется протокол WRAP (Web Ready Appliances Protocol), на базе которого компания Ariston планирует разработать целую серию бытовых устройств, имеющих принцип. возможность подключения к Сети.

В октябре 2000 стиральную машину с доступом к Интернет представила и фирма LG. При помощи встроенного программного обеспечения машина может самостоятельно связаться через Интернет с Web-сайтом поддержки, выбрать и загрузить необходимые программы для стирки [14]. Также LG вскоре планирует анонсировать микроволновую печь с доступом к Интернет и другие изделия бытовой электроники.

Телевизоры с доступом к Интернет тоже доступны уже на данный момент. В начале этого года американская компания NetTV продемонстрировала телевизор нового поколения, способный вести цифровую запись видео, воспроизводить DVD-фильмы и CD аудиодиски и встроенный кабельный модем для доступа к Интернет и просмотра телевизионных каналов, вещающих в on-line [15].

Возможно, пока эта статья готовилась к печати, уже появились кофемолки и чайники с доступом к интернет. В ближайшие годы нас ожидает большой бум в области устройств бытовой техники, имеющих доступ к интернет. Они будут объединяться в домашнюю локальную сеть, построенную по технологии TCP/IP, и при помощи комбинации различных проводных и беспроводных (Bluetooth, в первую очередь) технологий соединяться с глобальной сетью Интернет.

Типовые ограничения

При выборе возможного варианта готового TCP/IP-стека для встроенного приложения следует обратить внимание на ограничения той или иной реализации.

Самые простые реализации обеспечивают установление соединения только по протоколу SLIP, не поддерживая более широко распространённый и современный протокол PPP. Если устройство должно самостоятельно устанавливать связь с Интернет по телефону через какого-либо провайдера, оно должно поддерживать протокол PPP. Если же устройства будут работать только с локальным сервером, входящим в систему, можно обойтись SLIP.

Простейшие реализации web-серверов могут не поддерживать в должном объёме протокол HTTP — выбор страниц будет осуществляться выбором номера порта, а не указанием полного пути к странице. Такие web-серверы лучше всего подходят для простейших применений, где вся информация находится на одной странице.

В несложных web-серверах обычно не поддерживается обработка TCP-пакетов, пришедших не по порядку. Такие пакеты просто отбрасываются сервером и будут автоматически перепосланы браузером с другой стороны через какое-то время. Это может быть критично в ситуации, когда м. сервером и браузером есть ненадёжный канал с потерями пакетов, а задержка доступа к серверу недопустима.

Многие несложные реализации TCP/IP имеют ограничение на число одновременно обрабатываемых соединений. Типовой браузер на персональном компьютере обычно может одновременно открыть 4–8 соединений, например, текст и 3 картинки с web-сайта будут передаваться одновременно. Если реализация TCP/IP в устройстве может поддерживать лишь 1–2 одновременных соединения, то при обращении к такому устройству из браузера будет наблюдаться некоторое торможение, пока все элементы web-сайта в устройстве не будут переданы. Это следует учитывать при разработке встроенного web-сайта и не перегружать его большим числом отдельных элементов.

Немного о безопасности

Описанные технологии открывают безграничные возможности создания встраиваемых систем нового поколения, работающих по технологии TCP/IP. Однако, при практической реализации следует щепетильно продумывать вопросы их безопасности. Кратко изучим основные принципы построения безопасных систем.

Любой не контролируемый полностью, от начала и до конца, канал связи следует рассматривать как открытый. При передаче любых критичных данных по открытому каналу связи следует учитывать возможности перехвата, подмены и потери сообщения. Для исключения перехвата используется шифрование, для исключения подмены используется проверка подлинности и целостности сообщения.

принцип. возможность потери отдельных сообщений и выхода из строя отдельных каналов связи должна быть предусмотрена на этапе проектирования системы. должныбыть использованы механизмы перепосылки сообщений и резервирования каналов связи. В рамках сетей на базе TCP/IP оба механизма могут быть организованы стандартными средствами.

Шифрование основывается на криптографических алгоритмах, обычно представляющих собой две связанные математические функции — одну для шифрования, другую для дешифрирования. Если безопасность алгоритма основана на сохранении его в тайне, то это ограниченный алгоритм. На на данный момент такие алгоритмы представляют лишь исторический интерес, поскольку они не могут быть использованы изменяющимися по составу группами пользователей, и не допускают качественного контроля и стандартизации.

Современная криптография основывается на сохранении в тайне ключей и полной открытости алгоритмов шифрования. есть два типа алгоритмов, основанных на ключах: симметричные и с открытым ключом. В симметричных алгоритмах, часто называемых также алгоритмами с секретным ключом, один и тот же ключ используется для шифрования и дешифрирования. Пока передаваемые сообщения должныбыть тайными, ключ должен храниться в секрете. Использование таких алгоритмов во встроенных системах ограничено, поскольку необходимо организовывать специальные процедуры безопасной передачи ключа всем входящим в систему устройствам.

Алгоритмы с открытыми ключами (асимметричные алгоритмы) разработаны что ключ шифрования отличается от ключа дешифрирования, и ключ дешифрирования не может быть рассчитан по ключу шифрования. Ключ шифрования в таких системах может быть открытым — кто угодно может зашифровать сообщение с этим ключом, но только адресат сможет его расшифровать. Использование именно таких алгоритмов наиболее эффективно в системах с передачей данных по открытым каналам, в том числе через Интернет.

Отличное практическое руководство по криптографии — книга Брюса Шнайера “Прикладная криптография” [16], недавно переведённая на русский язык [17]. Эта книга сочетает в себе живое введение в криптографию и достаточно полный справочник с исходными текстами и описаниями алгоритмов. Книга предоставляет необходимые инструменты для протекции информации, передаваемой по открытым каналам.

Подводя итоги

Уже на данный момент разработчикам доступны все средства и технологии, необходимые для перехода на TCP/IP во встраиваемых системах. Использование технологии TCP/IP не требует больших аппаратных и программных затрат, но открывает безграничные возможности по расширению, взаимодействию и унификации решений в самых разных областях техники. Ежедневно появляется огромное число новых продуктов, основанных на технологии TCP/IP, большинство ведущих мировых фирм в области электроники уже выпускают широкую номенклатуру устройств, позволяющих иметь доступ к ним через Интернет. Без сомнения, в области встраиваемых систем технология TCP/IP будет доминировать уже в ближайшем будущем.

Литература

Internet RFC/STD/FYI/BCP Archives. http://www.faqs.org/rfcs/.

http://www.chat.ru/~zhengxi/wwwpic/source.htm.

http://www.seiko-usa-ecd.com/intcir/html/whatsnew/s7600a.html.

Владимиров А. Виртуальная периферия становится реальностью // Инженерная микроэлектроника. — 199 — № — С. 24–2 (http://www.svtehs.com/ru/sx1stat.htm).

http://www.scenix.com/embinternet.html.

http://www.scenix.com/ethernet/index.html.

http://www.svtehs.com/ru/sxethernet.htm.

http://www.lineo.com/products/ucsimm/index.html.

http://www.wonderware.com/Products/mmi/insql.htm.

Решения для GSM и мобильного доступа в интернет. http://www.klinkmann.com/local/rus/gsm/gsm.htm.

http://www.fama.mirle.com.tw/softplc.htm.

Introducing Internet Digital DIOS Refrigerator, Jun. 21, 200 (http://www.lge.com/aboutus/news/pressroom/2000/2000_0621.html).

http://www.margherita2000.com/.

LGE Introduces Internet LG Turbodrum Washing Machine, Oct.12, 200 (http://www.lge.com/aboutus/news/pressroom/2000/2000_1012.html).

MGI Software & NetTV Demonstrate Personalized Digital Entertainment System. http://www.net-tv.net/about/news/000106.html.

Applied Cryptography. Second Edition. By Bruce Schneier. (http://www.counterpane.com/applied.html).

Брюс Шнайер. Прикладная криптография: Пер. — 2-е издание. (http://www.ssl.stu.neva.ru/psw/crypto/appl_rus/appl_cryp.htm).

Источник: http://chipnews.gaw.ru/html.cgi/arhiv/00_09/stat_44.htm