为了让51单片机联网，自己设计了一个轻量的网络协议栈 -

标题: 为了让51单片机联网，自己设计了一个轻量的网络协议栈 [打印本页]

作者: huilejie 时间: 2025-3-15 22:30
标题: 为了让51单片机联网，自己设计了一个轻量的网络协议栈
一直想让单片机（尤其是51）联网，感觉这样很好玩。但是没有非常轻量的ip实现，而且本人不太想让单片机用ip网络（占地址）。于是设计了非常轻量的网络协议栈，称为zxdnet（简称znet）。他可以工作对mtu的最小要求是48字节，所以可以在很多链路上，例如串口和红外。他很适合爱好者用来玩，也可以用于学习网络原理。znet适用于构建完全私有的组织内网络而不是公共网络。
报文中所有字段都是大端序的。

znet和ip一样是采用分层架构的分组交换网络，数据包可以经过多个路由器转发后到达目的地。
首先介绍下znet的网络层协议zp的报头：

介绍下各字段：
BF（2bit）:基本标志。前1bit表示目标地址类型，如果是0目标地址为普通地址，如果是1目标地址为组播地址（目前还没设计组播）。后1bit表示无错误标志，如果此位为1,在发生错误的时候就不会通过zcp协议回报错误（类似ip中的icmp错误回报）

Proto（4bit）:上层协议号
      0: ZARP (ZXDNET 地址解析协议)
      1: ZCP (ZXDNET 控制协议)
      2: TUDP (简单用户数据报协议)
      3: UDP (用户数据报协议)
      4: TCP (传输控制协议)
      5: IPoZP (IP over ZP)
      6: RAW
      7-15: 用户自定义

Time To Live（8bit）:TTL
      这个字段定义了数据报允许的最大跳数。发送方初始化这个值，每个路由节点在处理时将其减一。如果TTL在数据报到达目的地之前变为零，数据报会立即被丢弃。这个机制防止了无限路由循环。

Extra Flag（16bit）:额外标志。用户自定义，一般用于qos。

Total Length （16bit）:报文总长度（字节）,包括网络层头（16字节）及其数据。

Header Checksum（16bit）:首部校验和。
   仅对头部字段计算校验和。由于某些头部字段（例如生存时间）在传输过程中可能会改变，因此每个处理头部的节点都必须验证和重新计算这个校验和。
校验和字段是头部中所有16位字的反码和的16位反码。在计算过程中，校验和字段本身被视为零。如果计算出的校验和为零，则以全1的形式传输。如果校验和字段本身为0,就跳过校验，这适用于可靠链路。

Source Address和Destination Address：源地址和目标地址。

地址分配：
Zxdnet使用32位地址空间，采用CIDR，分类如下：

未指定/本地广播地址（0.0.0.0/32）：
位模式：00000000 00000000 00000000 00000000。
作为源：未初始化设备（例如，启动时的0.0.0.0）。
作为目的地：有限广播（在子网之外不可路由）。

回环地址（0.0.0.128/25）：
位模式：00000000 00000000 00000000 1XXXXXXX。
仅限于内部主机通信。

NAT扩展地址（0.0.0.64/26）：
位模式：00000000 00000000 00000000 01XXXXXX。
仅限于本地地址扩展。
NAT处理：典型的NAT中间盒有两个接口，一个连接到包含最多63个NAT设备的局域网（接口地址为0.0.0.64/26），另一个连接到全球网络（具有全局单播地址）。对于使用端口号的传输层协议，NAT设备将全局单播地址的端口号划分为几个段，每个段包含相同数量的端口。这些端口然后映射到每个设备的前几个端口号（从0开始）。中间盒本身将被分配第一个端口段。例如，对于一个总共有256个端口的传输层协议，NAT设备将这些端口划分为64个段，每个段包含4个端口。端口0-3由中间盒使用，端口4-7映射到第一个NAT设备的端口0-3，依此类推，端口252-255映射到第63个NAT设备的端口0-3。对于ZCP Echo和ZCP错误报告，中间盒充当代理。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）。
这些地址不得分配给任何设备或用于数据报头。

单播地址（所有非保留地址）：
分配给设备，全局可路由。
znet地址空间中只有256个为特殊用途，其他全部可以分配给设备。znet没有所谓“网络地址“，表示一个网络可以用第一个设备地址+子网前缀长度。znet也没有所谓”局域网广播地址“，只有一个不可跨网关的有限广播地址0.0.0.0。这样的设计十分简化，可以高效实现，节省地址。

zp协议不支持网络层分片，因为违反了网络层无连接原则,并且一些运输层不需要，占用了头部空间。

下面介绍一些运输层协议（上面提到的）。

  首先是zarp协议。他设计的很简洁。如果链路层目标地址是广播地址就是请求，是设备地址就是响应。

zcp协议用于控制和诊断网络本身。校验和算法与zp头的一致，但是涵盖zcp头和他的数据。zcp报文最大48字节（包括zp头）。zcp目前有2个作用：错误回报和回显。首先说下错误回报报文。

以下是errcode定义：

0 = 网络不可达。

1 = 主机不可达。

2 = 协议不可达。

3 = 端口不可达。

4 = 超出MTU。

5 = 生存时间在传输中超出。

6 = 数据丢失。

7 = 数据损坏。

8 = 链路拥塞。

9 = 显式拥塞通告。

10 = 不支持组播。

注意，如果是超出MTU,原始zp头里的校验和字段会被替换为mtu。

然后介绍下回显报文。

code=0就是回显请求，code=1就是回显响应。对方收到后改变code，重新计算校验和，然后发回报文， Identifier ，Sequence Number和Data不能改变。
data是用户数据，最大22字节。
znet支持跨nat ping。Source Host和 Destination Host就是为了跨nat ping。在正常情况下，当设备发送 echo 请求时，这两个字段都设置为 0。如果 NAT 设备向另一台设备发送 Echo 请求，则中间框会将 Source Host 字段设置为其标识符（与地址的低 6 位匹配），以便将 Echo 回复路由回 NAT 设备。如果设备想要向 NAT 设备发送 echo 请求，则必须将 Destination Host 字段设置为 NAT 设备的标识符，并将 echo 请求发送到中间盒。在将请求转发到目标 NAT 设备之前，中间框会自动将 Destination Host 字段设置为零。当目标 NAT 设备返回回声回复时，中间框将使用 NAT 设备的标识符重写该字段，并将响应转发回发起回声请求的设备。

最后介绍tudp协议。

这个报文头简单，无需过多讲解。校验和需要涵盖tudp头部和他的数据。tudp最大允许28字节的数据，从而可以在单片机上高效运行。

znet其余的设计以后补充。

znet主要用途是研究和学习，以及让单片机联网。znet目前还没有被实现，我会尽快实现他。欢迎大家一起探讨，研究，使用，提出修改意见！
本人是业余爱好者，znet可能有不完善之处，请大家尽管提出

作者: msold5 时间: 2025-3-16 07:47
厉害！可以为底部硬件提供足够性价比

作者: Highnose 时间: 2025-3-16 18:14
赶紧实现，很不错的项目

作者: zxcscm 时间: 2025-3-16 22:52
实现了自主路由的话，是不可以使用无线模块接力自组网了

作者: huilejie 时间: 2025-3-16 22:55

Highnose 发表于 2025-3-16 18:14
赶紧实现，很不错的项目

本人高中生学业繁忙，实现需要一段时间，稍安勿躁

作者: wkman 时间: 2025-3-17 11:16

无tcp－ip都不算“联网”概念吧

作者: lxh0508 时间: 2025-3-17 18:55
重新造轮子，没有什么意义。现有的交换机、路由器都用不上。自己玩玩还可以

作者: huilejie 时间: 2025-3-17 22:14

wkman 发表于 2025-3-17 11:16
无tcp－ip都不算“联网”概念吧

为什么呢？tcpip是一种常用的网络协议栈而不是唯一的

作者: huilejie 时间: 2025-3-17 22:16

lxh0508 发表于 2025-3-17 18:55
重新造轮子，没有什么意义。现有的交换机、路由器都用不上。自己玩玩还可以

Znet被设计与以太网交换机完全兼容。一台znet路由器可以使用一台linux主机实现。znet并不是被设计专用于以太网的，而是可以工作在串口/红外/无线等几乎任何链路上，实现真正的低开销网络

作者: huilejie 时间: 2025-3-17 22:17

zxcscm 发表于 2025-3-16 22:52
实现了自主路由的话，是不可以使用无线模块接力自组网了

是的，znet可以工作在很多链路上，包括433m无线模块和2.4g无线模块，也可以运行在ble和wifi上，实现极低开销与极大自由度的嵌入式网络。

作者: lmn2005 时间: 2025-3-18 07:59
高中时代都能研究这么高深的技术了，不错的，必是未来的高技术人才！

作者: msold5 时间: 2025-3-19 14:50
高中..... 想起我儿子在高三时也是捧着一大堆电脑书看。
建议项目缓缓，可以高考完成后再慢慢做，这类项目必须是在长时间测试中完善才能做出真正有价值的东西。

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