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出版者:Lakeview Research

作者:Jan Axelson

出品人:

页数:450

译者:

出版时间:2003-06-01

价格:USD 49.95

装帧:Paperback

isbn号码:9781931448000

丛书系列:

图书标签:

• 嵌入式Internet
• 网络互联
• 嵌入式以太网
• 嵌入式互联网
• 网络协议
• TCP/IP
• 嵌入式系统
• 网络编程
• 硬件设计
• 通信协议
• 物联网
• 实时系统

《嵌入式系统中的以太网与互联网接入：原理、实践与进阶》 一、 核心理念与适用读者 在当今万物互联的时代，嵌入式系统早已不再是孤立的运算单元，而是构成庞大网络的重要节点。无论是工业自动化中的设备通信，智能家居中的传感器网络，还是医疗设备中的数据传输，以太网和互联网接入已成为嵌入式系统不可或缺的能力。本书 《嵌入式系统中的以太网与互联网接入：原理、实践与进阶》 正是应此需求而生，旨在为读者提供一个全面、深入且实用的学习框架，掌握在嵌入式设备中实现强大网络连接的各项技术。 本书面向的对象广泛，包括但不限于： 嵌入式系统工程师： 无论您是初入职场，还是经验丰富的开发者，本书都将帮助您夯实网络基础，掌握在嵌入式环境中设计、实现和调试以太网及互联网应用的技能。 硬件工程师： 了解嵌入式网络通信的底层原理和硬件选型，能够更好地进行产品设计和方案评估。 软件开发人员： 对嵌入式领域的网络编程和协议栈有深入需求，希望拓展技能栈的开发者。 电子工程、计算机科学等相关专业的学生： 为您提供扎实的理论基础和丰富的实践指导，为未来的职业生涯做好准备。 对物联网 (IoT) 技术充满热情的研究者和爱好者： 深入理解嵌入式网络的核心技术，是构建各类物联网解决方案的关键。 二、 内容体系与学习路径 本书采用由浅入深、循序渐进的结构，力求让读者在掌握基本概念后，逐步深入到复杂的应用场景和高级技术。 第一部分：嵌入式以太网基础 1. 以太网物理层与数据链路层回顾： 以太网帧结构： 深入解析MAC头部、类型/长度字段、载荷（Payload）和帧校验序列（FCS）的含义和作用。 MAC地址： 理解MAC地址的分配、唯一性及其在局域网通信中的角色。 CSMA/CD 机制： 解释载波侦听多路访问/冲突检测的工作原理，以及它在早期以太网中的重要性。 PHY 层与 MAC 层： 详细阐述物理层（PHY）和媒体访问控制层（MAC）的功能划分，介绍常见的PHY芯片及其接口（如MII, RMII, GMII）。 差分信号与高速传输： 讲解以太网高速信号传输的物理基础，包括差分信号、阻抗匹配等关键概念。 RJ45 连接器与线缆标准： 介绍以太网接口的标准，如Category 5/5e/6/6a，以及不同线缆在速率和传输距离上的差异。 2. 嵌入式以太网控制器与驱动开发： 以太网控制器架构： 剖析嵌入式系统中以太网控制器的核心组成部分，如DMA控制器、MAC层逻辑、缓冲区管理等。 驱动程序接口： 介绍Linux、RTOS等主流操作系统中以太网驱动的通用接口（如netdev API），包括初始化、中断处理、数据收发流程。 DMA（Direct Memory Access）的应用： 讲解DMA如何绕过CPU直接进行数据传输，显著提升网络吞吐量和系统效率。 缓冲区管理策略： 探讨接收缓冲区（Rx Buffer）和发送缓冲区（Tx Buffer）的设计与优化，包括环形缓冲区、零拷贝等技术。 中断处理与轮询机制： 比较中断驱动和轮询方式在以太网数据处理上的优劣，以及如何根据应用场景进行选择。 调试与性能优化： 提供常见的网络性能瓶颈分析方法，以及硬件和软件层面的优化技巧。 第二部分：TCP/IP 协议栈深入解析 1. IP（Internet Protocol）层： IPv4 地址与子网划分： 详细讲解IPv4地址的结构、分类，以及子网掩码和CIDR（无类别域间路由）在IP地址规划中的作用。 ARP（Address Resolution Protocol）： 阐述ARP协议的工作原理，如何实现IP地址到MAC地址的映射，以及ARP缓存的管理。 ICMP（Internet Control Message Protocol）： 介绍ICMP协议用于网络诊断和错误报告，如Ping和Traceroute的工作机制。 IP 数据包结构： 解析IPv4头部字段，如版本、首部长度、服务类型、总长度、标识、标志、片偏移、生存时间（TTL）、协议、首部校验和、源IP地址和目的IP地址。 NAT（Network Address Translation）原理： 介绍NAT如何解决IPv4地址枯竭问题，及其在嵌入式设备接入互联网中的应用。 2. TCP（Transmission Control Protocol）与 UDP（User Datagram Protocol）： TCP 的可靠性机制： 三次握手与四次挥手： 详细解析TCP连接建立和断开的完整过程，理解SYN、ACK、FIN等标志位的含义。 滑动窗口与流量控制： 讲解TCP如何通过滑动窗口机制实现高效的流量控制，避免发送方淹没接收方。 拥塞控制： 介绍TCP的拥塞避免和慢启动算法，理解其在网络拥塞管理中的作用。 序号与确认应答（ACK）： 阐述TCP如何利用序号和ACK机制保证数据的按序到达和完整性。 重传机制： 解释TCP如何通过超时重传和快速重传来处理丢包。 UDP 的无连接特性： 介绍UDP的简单性、高效性，适合对实时性要求高但对丢包容忍度高的应用场景。 TCP 与 UDP 的选择： 提供在不同应用场景下选择TCP或UDP的指导原则。 Socket 编程接口： 套接字（Socket）的概念： 介绍套接字的抽象模型，及其在网络通信中的作用。 TCP Socket API： 讲解`socket()`, `bind()`, `listen()`, `accept()`, `connect()`, `send()`, `recv()`等关键函数。 UDP Socket API： 讲解`sendto()`, `recvfrom()`等函数。 阻塞与非阻塞模式： 解释Socket的阻塞和非阻塞工作模式，以及它们对程序设计的影响。 第三部分：嵌入式互联网接入与应用开发 1. DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol）与 DNS（Domain Name System）： DHCP 工作流程： 介绍DHCP客户端和服务器之间的交互过程，实现IP地址的动态分配。 DNS 解析过程： 阐述客户端如何通过DNS服务器将域名解析为IP地址。 嵌入式设备中的 DHCP/DNS 客户端实现： 讲解如何在嵌入式系统中集成DHCP和DNS客户端功能。 2. HTTP（Hypertext Transfer Protocol）协议在嵌入式系统中的应用： HTTP 协议解析： 详细讲解HTTP请求（GET, POST等）和响应的结构，包括请求行、请求头、请求体、状态行、响应头。 嵌入式 Web 服务器： 介绍如何在资源受限的嵌入式设备上实现一个轻量级的Web服务器，用于设备管理、状态监控和数据展示。 HTTP 客户端开发： 讲解如何在嵌入式设备上编写HTTP客户端，用于访问远程Web服务、API接口。 RESTful API 的设计与调用： 介绍RESTful架构风格，及其在嵌入式与云端通信中的应用。 3. MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）协议： MQTT 协议特点： 阐述MQTT作为轻量级发布/订阅消息协议的优势，尤其适用于物联网场景。 Publisher, Subscriber, Broker： 介绍MQTT的核心概念。 QoS（Quality of Service）级别： 讲解MQTT的QoS0, QoS1, QoS2级别，以及它们如何保证消息传递的可靠性。 嵌入式 MQTT 客户端实现： 提供使用MQTT协议进行设备间或设备与云端通信的实例。 4. 嵌入式系统中的网络安全： TLS/SSL（Transport Layer Security/Secure Sockets Layer）： 介绍TLS/SSL协议的工作原理，如何实现端到端的安全通信，以及在嵌入式设备上的集成和配置。 身份验证与加密： 讲解证书、私钥、公钥等概念，以及它们在安全通信中的应用。 防火墙与访问控制： 讨论在嵌入式设备上实现基本的防火墙策略和访问控制。 固件安全更新： 探讨安全的固件更新机制，防止恶意代码注入。 第四部分：高级主题与实战案例 1. 嵌入式实时操作系统（RTOS）下的网络栈： RTOS 与网络协同工作： 探讨FreeRTOS, Zephyr, VxWorks等RTOS如何集成TCP/IP协议栈。 任务与线程管理： 讲解网络相关的任务如何与RTOS的调度机制协同工作。 内存管理与资源分配： 优化RTOS环境下的网络资源使用。 2. Wi-Fi 与以太网的融合： Wi-Fi 模块集成： 介绍常见的Wi-Fi模块（如ESP32, ESP8266, 或基于CSR/Nordic芯片的模块）及其与嵌入式主控的通信接口（如UART, SPI）。 Wi-Fi 驱动与网络栈： 讲解如何将Wi-Fi驱动集成到现有的网络栈中。 Wi-Fi 接入点（AP）与站点（STA）模式： 探讨不同工作模式的应用。 3. 嵌入式网络性能分析与故障排除： 抓包工具（如Wireshark）的应用： 学习如何使用Wireshark捕获和分析网络流量，定位问题。 日志分析与调试： 充分利用系统日志进行问题排查。 性能瓶颈分析： 深入分析CPU占用率、内存消耗、网络延迟等因素对性能的影响。 4. 实战案例： 智能家居设备（如智能灯泡、传感器）的网络控制： 使用MQTT或HTTP协议实现远程控制和状态上报。 工业物联网（IIoT）数据采集网关： 构建一个能够连接多个传感器并将其数据上传到云平台的网关设备。 嵌入式Web服务器用于设备监控与管理： 开发一个能够通过Web浏览器进行配置和监控的嵌入式设备。 三、 学习方法与技术支持 本书在内容编排上，力求理论与实践相结合。每章都包含清晰的原理阐述，并通过大量的代码示例、伪代码、配置截图和图示来辅助理解。读者可以通过以下方式深入学习： 动手实践： 鼓励读者准备一块带有以太网接口的嵌入式开发板（如Raspberry Pi, ESP32-Ethernet, STM32系列等），并按照书中的指导进行代码编写、编译和烧录。 调试与实验： 引导读者进行网络抓包、性能测试等实验，加深对协议工作原理的理解。 参考资料： 提供相关的协议规范、数据手册和开源项目链接，方便读者深入研究。 四、 结语 掌握嵌入式系统中的以太网与互联网接入技术，是您在物联网、智能制造、车联网等快速发展领域取得成功的关键。本书 《嵌入式系统中的以太网与互联网接入：原理、实践与进阶》 将是您学习和实践过程中不可或缺的伙伴。通过系统的学习和不断的实践，您将能够自信地设计和开发出具备强大网络连接能力的嵌入式产品，迎接互联时代的无限可能。

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这本书的排版和图示设计，坦白讲，初看之下有些让人望而却步。大量的时序图和状态机图占据了篇幅，但一旦你沉下心来跟随作者的逻辑链条，就会发现这些图是理解复杂交互的**关键钥匙**。举个例子，在讲解ARP解析过程时，书中绘制了一个详细的、包含超时重试和异常情况处理的完整状态转移图，这比任何文字描述都要直观得多。我尤其推崇作者在处理错误排查和调试技巧时的细致程度。他没有回避现实中遇到的那些“难以捉摸”的问题，比如间歇性的数据包丢失、硬件中断冲突导致的通信错误等。他提供了一套系统性的调试流程，从物理层抓包分析到软件层级的缓冲区溢出排查，每一步都配有具体的调试工具建议和经验之谈。对于初入嵌入式网络领域的开发者而言，这本书无疑是最好的“踩坑指南”；而对于资深人士来说，它提供的那些高阶调试视角，也足以让人受益匪浅。

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阅读这本书的过程，就像是完成了一场严谨的学术研讨与一场火热的工程实践的完美结合。它的深度足以满足需要定制化协议栈开发的研发人员，而其广度又足以让系统集成工程师快速上手。我特别欣赏作者对于**实时性保证**这一个核心议题的探讨。在介绍TSN（时间敏感网络）的早期概念时，书中并没有将它描绘成一个遥不可及的未来技术，而是从现有的硬件能力出发，探讨了如何通过更精细的调度和仲裁机制，在现有以太网架构上模拟出接近实时系统的性能。书中对各种数据帧优先级处理的软件实现细节，包括中断延迟的管理和任务调度的优先级反转问题，讲解得条理清晰，逻辑严密。这本书的理论深度和工程实用性的平衡拿捏得恰到好处，它不是一本轻易能读完的书，需要反复咀嚼和实践验证，但每一次回翻，都能从中挖掘出新的、能立即应用于当前项目的宝贵经验。

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这本书的封面设计得非常朴实，甚至有些过时，但翻开内页，我立刻被它深入浅出的讲解方式所吸引。作者在介绍网络基础概念时，并没有陷入教科书式的枯燥论述，而是巧妙地结合了具体的工业场景应用。比如，在讨论TCP/IP协议栈时，他没有仅仅停留在理论层面，而是花了大量的篇幅去解析在嵌入式设备上如何高效地实现分包、重传和流量控制，这对我们这些需要在资源受限的环境下部署网络的工程师来说，简直是如获至宝。书中对MAC层和PHY层的硬件接口描述得极其细致，甚至提到了不同厂商芯片的细微差异和兼容性问题，这方面的实战经验分享，是其他理论书籍里很难找到的。我特别欣赏作者在讲解过程中展现出的那种“刨根问底”的精神，比如对“实时性”在以太网通信中的不同解读，以及在不同工业控制协议（如EtherCAT或PROFINET的早期版本）中如何权衡延迟和可靠性。可以说，这本书更像是一位资深工程师手把手的教学指南，而不是冷冰冰的参考手册。它成功地架起了理论知识与实际硬件操作之间的鸿沟，让复杂的嵌入式网络配置变得清晰可循。

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我原本以为这会是一本侧重于驱动开发和底层编程的硬核技术书，但实际阅读体验却远超我的预期。它在介绍网络协议栈时，非常注重“上下文”的构建。作者花了相当大的篇幅来阐述物联网（IoT）兴起背景下，传统嵌入式网络面临的挑战，比如安全性和功耗管理。关于网络安全的部分，虽然没有深入到密码学算法的推导，但它对嵌入式设备固件更新机制中的安全漏洞分析，以及如何利用简单的认证机制来防止非授权访问的策略，提供了非常实用的操作建议。此外，书中对**低功耗以太网**技术的探讨也令人耳目一新。在许多移动或电池供电的设备中，如何保证连接稳定性的同时，最大限度地减少网络模块的能耗，是工程师们常常头疼的问题。这本书提供了一套系统的评估方法论，帮助读者根据应用场景选择合适的省电模式和唤醒机制，这种前瞻性的内容在同类书籍中非常罕见。它迫使我重新审视我们现有产品中对网络模块的管理方式，确实有很多可以优化的空间。

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对于那些希望快速搭建一个基于标准以太网协议栈的物联网节点的读者来说，这本书的价值在于其对**标准遵循性**的极致强调。作者反复告诫我们，不要盲目追求性能而牺牲协议的健壮性。在讲解DHCP或DNS等应用层协议的嵌入式实现时，他不仅给出了参考代码逻辑，更重要的是，他分析了实现过程中哪些地方最容易偏离RFC标准，从而导致与其他网络设备的不兼容。这种对“标准合规性”的执着，体现了作者深厚的行业经验。书中对于不同操作系统的网络抽象层（如Linux内核的BSD Socket层与裸机环境下的自定义驱动接口）的对比分析，也极为深刻。它帮助读者理解，同样的协议逻辑，在不同软件架构下，其性能瓶颈和资源占用会有天壤之别。这本书的视角非常宏大，它不仅仅教会你怎么让网络“跑起来”，更教会你如何让网络“跑得正确、跑得持久”。

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