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基于μC%2fOS-Ⅱ的嵌入式网络接入技术分析.pdf

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引 言O.1课题研究背景O.1,l嵌入式系统随着时代的发展,当今世界除了那些常见的主机显示器键盘鼠标组成的功能齐全的通用计算机外,另一种新型的电子应用系统越来越受到人们的重视和青睐,这就是嵌入式系统。这种系统着眼于应用,已被人们定义为“以应用为中心、阻计算机技术为基础、软件硬件可裁减、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统””3。它以明显的体积小、价格低、专用性能高的优势.在电子应用中逐渐呈现出独占熬头的趋势。目前嵌入式系统己在国防、国民经济和社会生活各领域普及应用,用于企业、军队、办公室、实验室咀及个人家庭等各种场所,在信息家电和工业控制的各方面都可以看到它的身影。据统计,这些嵌入式设各在数量上已远远超过通用计算机,其前景倍受人们看好。下面是目前比较流行的几种嵌入式系统设计风格。1.缩减Pc系统所谓缩减Pc系统,是指利用Pc体系结构设计的嵌入式系统,例如利用Pcl04模块构成工业控制装置就是比较典型的设计。这种设计是建立在技术已非常成熟的Pc的体系结构之t的,它的硬件环境往往是一台单板化的PC系统。利用DOS或wIND0ws操作系统为应用软件提供平台。这种设计可以利用Pc作为开发工具,可以利用众多的Pc软环境、硬件资源,在成熟的操作系统支持下,系统可以达到较高的可靠性和稳定性,这些显然是它的优点。但是这样的设计目前尚难以实现满足小体积、低功耗、低成本等嵌入式系统的常见技术要求。2.高级单片系统所谓高级单片系统,是指那些准备加载Llnux操作系统或类Linux操作系统的嵌入式系统。它的硬件构成的核心是一个集成了丰富功能的单一芯片,一般数据宽度往往是32位。由于它一般已经包含了几乎全部的系统硬件,使得只需再增加很少的几个器件,如存储芯片,即可构成全部系统。生产高级单片的厂家及高级单片型号越来越多了,典型的是以ARM或MIPs内核为核心的荤片机。在这里己经完全没青了Pc体系结构的影子。芯片包容的功能极其丰富,往往除了太容量存储器以外,系统的硬件几乎都集成在~个片子上。他们的寻址空叫大,数据总线宽,处理能力强,功耗低。采用高级单片的设计,大都取Linux或类Limx操作系统作为系统软件,向应用软件提供c语言的开发平台。在Linux操作系统的支持下,系统的可靠性可以得到保证。操作系统带来的优点可以大大加快系统应用软件的开发效率。由于Linux的开放性,可以利用的资源也非常丰富。3.单片机系统目前称之为单片机的,是指一些8位或16位数据宽度、寻址空闻较小的芯片。相对来说,他们的处理能力较弱。但是它们的优点也是不容忽视的,如低成本、相对来说,他们的处理能力较弱。但是它们的优点也是不容忽视的,如低成本、低功耗,片上集成的外围模块功能丰富而实用等。在应用需求恰如其分的场合,选择它们是绝对合理的”1。0.1.2嵌入式操作系统对于一般用户来说,要求计算机系统提供服务,但不需要了解计算机内部是如何工作的。操作系统就是用户与计算机之间的接口,用户要求计算机能提供各种服务,使其感到方便好用,计算机实现这些功能过程就由操作系统负责组织的。因此,嵌入式系统的设计者越来越清楚地认识到,在嵌入式系统中引入操作系统的必要性。对于嵌入式系统,不言而喻,它比通用计算机具有更简单的结构。它很可能不配置CRT显示器,不需要文件系统,由于内存空间较小也没有存储器管理功能。同时,嵌入式系统总是希望加载的操作系统软件不能占据过大的内存空间,不能消耗过多的系统软硬件资源。这样就要求嵌入式系统的操作系统与传统意义上的操作系统有很大区别,要做到代码量小,对堆栈、寄存器、定时器及中断等系统部件的依赖要少,能在各种不同类型的单片机上实现。嵌入式系统的操作系统,除了对于缩减Pc系统目前仍采用DOS等Pc上的流行操作系统以外,基本上有两大趋势一类是面向高级单片机的,另一类是针对8位、16位单片机的。以下是几种目前流行的嵌入式操作系统。Linux已经成为windows系统问世以来最热门的操作系统之一。它的开放性使众多的热情开发者为它打造了非常坚实的基础。同时,也派生出众多的类似系统。2“CLinux岸CLinux是一个缩减的Linux系统,特别适合于在不需要内存管理的高级单片嵌入式系统上。3.eCOSeCoS是一个代码开放的嵌入式操作系统,具有良好的系统功能和应用支持,可以在许多单片上运行。4.Windows CEwindows cE是windows的嵌入式系统版本,具有类似1】rind侧s风格的用户界面,可以与windows环境下的软件很方便的接口。但是,它的代码是不开放的。5.VxWorksVxworks是一个功能完善的嵌入式操作系统,但是它的代码不是开放的。6.RTX51RTX51是专门针对805l设计的操作系统,代码紧凑、体积小巧。已经很多应用中证明这是一个成功的8位单片机的操作系统,代码完全开放。7mC/OS芦C/OS是一个特殊风格的嵌入式操作系统,它有很多版本,可以适应从X86到8051的各种不同类型不同规模的嵌入式系统,代码开放。∥dosII是雎C/os的第二版,是一个高度简洁、可RoM固化、可裁剪、实现抢占式实时多任务的操作系统内核,可用于各种微处理器系统,并且可管理多达56个用户应用任务,该操作系统已被认为是每个希望掌握实时操作系统的技术人员的经典学习版本。对于那些希望在自己设计的硬件平台上,构筑面向应用的操作系统的人来说,pC/OSII诱人之处就在于它的源代码开放。这使得使用者有可能清楚地了解陔操作系统的各方面的设计细节,通过自己动手修改源代码,来构造完全适合2自己的应用需求的操作系统环境。另外,相对于Keil的RTX5l实时操作系统来说,“C/0sII以其对各种硬件环境的适应性,以及其中更加完备的操作系统控制机制,获得了更为广泛的应用。对于一个嵌入式操作系统设计者来说,通过学习口aOS.II操作系统的开放源代码,能够获得更为全面的嵌入式操作系统的设计规范。“C/OSII和所有的操作系统一样,也存在两类源码,其中~类和CPU硬件相关,一般采用汇编语言编写,而另一类绝大部分采用C语言进行编写,这部分与具体硬件无关,系统实现时,尽量减少汇编语言编写的部分,使paosII可以很容易地移植到各种各样的CPU上运行。0.1.3嵌入式网络技术随着Internet应用的日益普及,信息共享的程度不断提高,对以单片机为核心的小型设备应用系统,怎样利用方便、廉价的Internet资源将嵌入式设备的信息共享到Internet上,成为当今电子领域中的热门话题。传统的Internet应用将转向以嵌入式设备为中心。IInternet Appliance概念的流行表明Internet应用已经进入嵌入式Internet时代。据网络专家的预测,未来在Internet上传输的信息中,将有70%的信息来自于小型嵌入式系统。如何通过Internet共享嵌入式设备的信息,已成为当今电子领域的研究热点。可以预言,嵌入式设备与Internet的结合代表着嵌入式系统和网络技术的真正未来。嵌入式系统接入Internet后可以有很多应用,如楼宇智能化远程抄表系统、AFC自动售票交通收费系统、LED网络控制显示屏系统、智能家居系统、工业智能化从站系统、数码影像网络监视防盗系统、远程医疗诊测系统所以嵌入式Internet接入技术具有广阔的应用前景,其研究具有实际意义。要将嵌入式系统接入Internet,首先要搞清楚以下两个问题嵌入式系统的组成简单的说,嵌入式系统都是由主控器外围辅助控制设备构成。所以要将这种系统连到Internet,实际上就是要解决嵌入式系统主控器与Internet的接口问题。Internet的定义根据美国联邦网络理事会FNc在1995年10月24日通过的决议可以得到如下定义“联邦网络理事会同意以下语言反映对术语Internet的定义Internet是指这样的全球信息系统1.基于网际协议IP或其后的扩展/改进。通过全球唯一地址空问逻辑的连接在一起。2.能够支持使用传输控制协议/网际协议TCP/IP族或其后来的发展/改进或其他IP兼容协议的通信。3.公开或秘密的提供、使用和访问通用层及在此描述的有关基础结构的高级服务。1简单的说。Internet是一个由连成网络的计算机及其用户和数据组成的全球系统。而人们常见的力.维网www,网页浏览,电子邮件,聊天等服务都只是Internet上的一种应用。Internet现有的互联网设旌,已为整个设计提供了现成的中间传输媒介。要将嵌入式系统连入Internet,只需将嵌入式系统的主控器和这些中间传输媒介连上即可。国内外关于这方面的研究已经有很多。解决这一问题的方法可分为四类1.32位MCURTOS实时多任务操作系统在RTOS的平台上进行软件开发,实现TCP/IP协议处理。此方案的优点是可以完成很多复杂的功能。缺点是价格高,开发周期长;并需购买昂贵的RTOS开发软件,且要求高能力的开发人员。2.PC网关专用网将一组主控器通过专用网络如RS232,RS485,CAN BUS等连接到Pc机上。该Pc机起网关作用,完成专用网络上的信息包与TcP/IP协议数据包之间的转换,此方案的优点是可以连接多种主控器,缺点是依赖Pc作为嬲关,进行协议转换,在多个主控器系统分散的情况下,专用网络布线极不方便;且需要在Pc机上安装专门的协议转换软件,这些软件通常费用较高。另外开发者还必须熟悉相关专用网的通信协议。3.主控器协议栈结构芯片PHYPHYCEIVER物理层的接收器采用这种方法,网络协议由具有协议栈结构的芯片硬件实现。通常在这种芯片内含有一组与通信协议相关的寄存器。开发者只需向适当的寄存器中放上合适的数据,并按照一定的顺序启动相应的命令,就可按标准协议上网了。有的甚至可以在Vc中做网络开发编程,通过调用芯片开发商提供的相应软件包中的函数来完成任务。如韩国wLZnet公司生产的i2chipW3100A芯片,美国SeikoInstruments公司生产的ichipS7600A芯片等等。所以这种方案的优点是开发简单,周期短。但缺点是价格比较贵。4.主控器Mc网络接口控制器由NlC实现网络接口,由主控器执行存储在系统ROM中的协议代码来提供其他所需通信协议。这种方法的最突出的优点是成本极低,缺点是软件设计复杂。O.2国内外研究状况嵌入式系统自出现以来,由于它兼有普通单片机所具有的体积小、功耗低、应用性强和Pc机所具有的高性能、多任务嵌入RTOs后等优点,被广泛地应于国防、国民经济及社会生活的各领域,以及企业、军队、办公室、实验室以及个人家庭等各种场所。但大多数应用都是单机应用方式,或采用局部总线相连。近几年,随着Internet技术和应用群体的飞速发展,将嵌入式系统与Internet相连才成为国内外关注的焦点。1999年Siemens/Infineon、Ph订ips和Motor01a在内的数十个公司联合成立了“嵌入式INTERNET联盟ETI”,共同推动这一市场。可以预言,嵌入式设备与Internet的结合代表着嵌入式系统和网络技术的真正未来。Internet现已成为社会重要的基础信息设施之一,是信息流通的重要渠道,如果嵌入式系统能够连接到Internet上面,则可以方便、低廉地将信息传送到几乎世界上的任何一个地方。嵌入式Internet系统的完成将使得各种智能设备至少包含一个MuC或DSP如家用电器、工业控制装置或仪器、安全监控系统、汽车电子等与Internet互联成为可能。这将会对产品性能,特别会对服务有极大的提高。无论对智能设备的用户还是生产厂商,都将会从中获利,该技术的应用领域,如楼宇智能化远程抄表系统、AFC自动售票交通收费系统、LED网络控制显示屏系统、智能家屠系统、工业智能化从站系统、数码影像网络监视防盗系统、远程医疗诊测系统所以嵌入式系统接入Internet的研究具有广阔的应用前景。嵌入式系统的技术和市场,在国外发展速度极快,技术日趋成熟,市场格局4基本形成。国内发展刚刚起步,市场潜力很大。因此,嵌入式Intemet技术的应用是未来发展的必然趋势。开发基于嵌入式系统的网络接入并实现TcP/】[P协议、开发基于嵌入式系统的多种通信协议的软硬件接口、在嵌入式硬件中实现嵌入式实时操作系统等是实现嵌入式htcmet的关键技术,也是本论文的研究内容。由于目前可以应用于嵌入式系统的各种微处理器、实时操作系统和接口芯片种类繁多,因此,嵌入式技术的开发及应用不具有垄断性,从不同角度、采用不同方法进行嵌入式系统开发均具有实用性和实际意义。所以,本论文的研究具有重要的应用价值,本论文的研究结果对嵌入式网络接入技术的研究具有重要的参考价值。0,3课题研究方案1.研究目标、研究内容和解决的关键问题本论文对嵌入式网络接入技术的研究主要要实现如图l所示系统簇篓群9一cAN总线,嵌入式设备1盏,黑鬻攀一贴232麟_≥嵌入式设备2 lrDA、RF等二≥//12c总线/ 嘲络接入系统图O.1嵌入式网络接入系统示意图本论文采用如图O.1所示结构采用通用性强的嵌入式处理器作为网络接入系统,支持TCP/IP等网络协议。该网络接入系统同时提供可以通过RS一232、RS485、cAN、I 2c、红外、射频、无线等方式与多个嵌入式设备进行通信的通信模块,这样,每个嵌入式设备都可以通过本接入系统与Internet相连,而Inter舱t中的其它主机也可以通过该网络接入系统对各种嵌入式设备进行控制。这种方式的优点在于简化了嵌入式设备连入Internet的复杂程度,同时降低了对嵌入式设备配置的要求。同时在嵌入式处理器中嵌入实时操作系统RTOS可以使该网络接入系统便于为用户提供服务并具有二次开发的功能。由于8051单片机发展历史悠久,应用范围广泛,并且8051单片机构成的应用系统具有结构简单、开发周期短、控制功能强、可靠性高、价格低等优点,因此,在本论文设计中,嵌入式主控器将采用51内核的单片机NIC网络接口控制器采用以太网网络接口控制芯片RTL嚣019As。以太网优势在于成本低、易于组网、技术支持广泛、并且已被使用多年,具有大量软硬件资源和开发设计经验在嵌入式操作系统中我们将采用与8051单片机相符合,代码量少、代码公开的“C/0SII。本论文中关键技术嘉跏C/os.II移植,但由于肛C/osII操作系统开放的源代码和较小的代码量,也给嵌入式系统设计者提供了彻底掌握这一操作系统的有利条件。论文中研究内容范围广泛,包括了嵌入式系统网络通信、总线接口、操作系统移植等,因此,工作量比较大,但本论文很具有通用性,可以方便的更改嵌入式主控器,操作系统与总线接口可以作相应的变动。2,采取的研究方法、研究手段、技术路线、实验方案研究方法1选取相应的网络接口控制芯片和相关总线接口控制芯片构筑硬件系统。2采用C51语言进行编程,实现各种网络通信、相关总线通信等功能。3研究paOS.II操作系统,并尝试进行裁剪以适应本系统硬件结构。4在芦C/0sII操作系统上实现各种网络通信、相关总线通信等,最终完成论文。研究手段1采用DP一51实验系统进行各种总线通信试验。2将DP一51实验系统通过htemet与Pc机连接,进行各种网络通信试验。技术路线1选取网络控制芯片与51单片机构成通信硬件。RTUl019AS是一种ISA类型的网络控制芯片可以方便与51单片机连接。2采用C51语言进行网络通信编程,实现uDP、TCP/口协议。测试时采用与Pc机进行通信的方法进行测试。C51是专门为8051系列单片机设计,是C语言的一种特殊扩充,具有高级语言的各种特征,又能直接操作系统硬件。3选取相关的总线控制芯片与51单片机进行总线通信。Rs232、Rs485通信接口中采用常见的MAx232和MAx485芯片。12C接口器件比较常见,如8位数码管和64个按键的控制管理芯片Zl酊290、PCF8563等。4相关总线通信系统的硬件上采用C51编程,完成各种总线的通信功能。5分析研究∥C/OSII操作系统功能及源代码,寻求与本网络接入系统相适应的裁减方法。6在网络接入系统中进行移植,进行功能测试。7在∥c/OS-II操作系统下进行各相关子系统整合,完成整体网络接入系统并进行测试,完成本论文。实验方法1构筑嵌入式网络接入系统硬件。2采用C51进行编程实现各功能模块。3协C,os.II操作系统移植。r41测试系统。第一章 网络通信协议与相关总线标准介绍1.1网络通信协议1.1.1 OSI模型在20世纪80年代早期,lSO开始致力于制定一套普遍适用的规范集合,以使得全球范围的计算机平台可进行开放式通信。ISO创建了一个有助于开发和理解计算机的通信模型,即开放系统互连OSI模型。OSI模型将网络结构划分为七层即物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层.每一层均有自己的一套功能集,并与紧邻的上层和下层交互作用。在顶层,应用层与用户使用的软件如字处理程序或电子表格程序进行交互。在OSI模型的底层是携带信号的网络电缆和连接器。总的来说,在顶端与底端之间的每一层均能确保数据以一种可读、无错、捧序正确的格式被发送。OSI模型是对发生在网络中两节点之间过程的理论化描述。它并不规定支持每一层的硬件或软件的模型,图1.1描绘了Osl模型和它的层结构,1.3层提供了网络访问,4.7层用于支持端对端通信,各层具体工作过程见有关参考书,在此不再赘述。/7应用层6表示层5会话层4传输层3网络层2数据链路层1物理层 /图1,1 OSI七层网络模型1.1.2 TCP,IP模型1990年以前OSI开放式系统七层模型在数据通信和互联网中占据主导地位,但随着互联网技术的发展,这种模型并没有成为最终的标准,而TCMP协议族却越来越流行,并在实际的使用中得到不断的测试和完善,以至于在商用体系结构中成为占据主导地位的协议族。网络协议通常是在不同的协议层上进行开发,每一层分别负责不同的通信功能。TCP/IP协议族,是一组不同层次上的多个协议的组合。每一层负责实现不同的功能,如图1.2所示。应用层传输层网络层链路层c≥匕ccHTTP、FIt、EMAIL代P、UDPIP、lCMP、IGM旷以太网驱动程序图1.2 TCP,lP协议族参考模型1.链路层,也称数据链路层或网络接口层,通常包括操作系统中设备的以太网驱动程序和计算机中的物理接口网络芯片。物理接口实现数字信号与模拟信号的相互转化发送数据时将数字比特流转化为模拟信号;接收数据正好相反。以太网驱动程序是链路物理接口与网络层交互的软件接口,网络层数据必须先交付给以太网的驱动程序,由它将网络层数据打包并交付给物理接口,完成数据发送。反之,以太网驱动程序在接收到数据时,要按照应用层可以接收的形式进行处理并交付。2.网络层,又称作为互联网层,处理分组在网络中的活动,例如分组的选路。在TCP,IP协议族中,网络层协议包括口协议网际协议,ICMP协议intcmet互联网控制报文协议以及IGMP协议IIlterIlct组管理协议。IP协议提供了一种不可靠的、无连接的服务,即IP不提供差错检验和跟踪,只是尽最大可能发送数据。不可靠的意思是不能保证IP数据报能完全正确地到达目的地。任何要求的可靠性必须由上层来提供如TCP协议。无连接的意思是口并不维护任何关于后续数据报的状态信息。因为每个数据报的处理都是相互独立的,可以不按发送顺序接收。如果一信源向相同的信宿发送两个连续的数据报先是A,然后是B,每个数据报都是独立地进行路由选择,可能选择不同的传输路线,因此B可能在A到达之前先到达。IcMP协议通常被认为是IP层的一个组成部分,分为差错报文和查询报文两类,在IP数据报内部被传输。我们所涉及的是查询报文,如PING就是一个ICMP的查询报文,用来测试主机的可达性。3.传输层,主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。传输层具有几种责任创建进程到进程程序到程序的通信。TCP和UDP都使用端口号来完成。在传输层提供流控制和差错控制机制。TCP提供全面的差错检验机制,而uDP不提供流控,提供的差错检验机制的水平也较低。为应用程序提供连接机制。TCP协议中,发送端建立与接收端的连接,将上层协议传来的数据分为可运输的块并编号,逐个发送;接收端等待接收属于同一进程由端口号标识的所有不同单元,并交付给应用程序。uDP协议不用建立连接,只从进程接收数据,并不可靠地交给应用程序。在TCP/IP协议族中,有两个不同的传输协议TcP传输控制协议和uDP用户数据报协议。TcP是一个面向连接的、可靠的传输协议,它使用滑动窗口协议完成流控制,使用确认分组、超时和重传来完成差错控制,因此它为IP服务添加了面向连接和可靠性的特点。TcP可以在两台主机之间提供高可靠性的数据通信。它所做的工作包括把应用程序交给它的数据按照对方主机的窗口分成合适的小块交给下面的网络层,确认接收到的分组,设置发送最后确认分组的超时时钟等。由于传输层提供了高可靠性的端至b端的通信,因此,应用层可以忽略所有这些细节。UDP则为应用层提供一种非常简单的服务。它只是数据报分组从一台主机发送到另一台主机,但并不保证该数据报能到达另一端,因此,任何必需的可靠性必须由应用层来提供。这两种传输层协议分别在不同的应用程序中有不同的用途。4.应用层,负责处理特定的应用程序细节。1.13 TC加P的分层与封装1.协议分层以太网分层结构,如图1.3所示。垆脓序特||删裂亏r r\\j\\} 制端LICMP TCPOx06 UDPoxll\\1// 依i端l ARPox0806 IPo【0800 m嘘P∞0805 斗\f/依j以太网 的I驱动程序图1.3以太网分层结构图1.3是按照TCP,IP协议的四层参考模型而设计的,实际上是以太网进行数据接收时的流程,同时也体现了一种以太网数据分用的思想。链路层的以太网驱动程序负责接收以太网数据帧接收机理后面介绍,剥离以太网数据帧的首部信息,形成IP数据或ARP、鼬讯P分组。根据以太网数据帧的上层协议类型并分别交付给上一层。如果是IP数据报,则被送交网络层。网络层在接收以太网驱动程序送到的IP数据后,按照IP数据帧中的协议种类对数据进行处理,去掉IP首部数据,形成TCP或UDP或ICMP报文。如果得到TcP或uDP报文,则把数据交付给传输层,否则对ICMP报文进行处理。传输层在{导到uDP报文后,按照uDP协议中的端口号分别送给不同的应用程序。若传输层得到TcP报文,则要根据TcP的状态转换图进行处理。ARP协议和RARP协议提供逻辑地址和物理地址之间的动念转换。IP数据报必须封装成帧才能在以太网中进行传输,这就表示发送站必须有接收站的物理地自E。2.协议的封装应用层的数据要想在以太网进行传输,就必须按照以太网的帧格式进行封装,而且这是一个逐级封装的过程,数据封装过程,如图1.4所示。匣丑二蚓卜一以太网帧一 卜一16~1500字节叫图1.4数据封装示意图由于UDP、TcP、ICMP等协议可以向网络层传送数据,因此口数据报中必须对IP的上层协议进行标识。网络层的IP协议,以及地址解析协议ARP都可以向链路层传送数据,因此也必须在以太网的帧首部中加入指明数据来源的类型域。3.TC眦P协议的实现方法通过上述介绍可知,在以太网的数据接收过程中,体现的是数据分用的思想;丽在以太网数据发送的过程中则体现了数据封装的思想。这就为TCP/口协议的实现提供了一种很好的思路。下面介绍一种比较常用的思路1首先,实现以太网驱动程序,后面有详细论述。2其次,实现ARP协议应用程序的数据装成IP报文后,要想在以太网上传送数据仅仅知道逻辑地址是不够的,必须知道发送端主机和接收端主机的物理地址,这就是ARP协议的职责,即实现IP地址和物理地址的动态映射。它的实现步骤如下发送站知道目标IP地址,产生一个请求ARP报文,填入发送站的物理地址、发送站的1P地址以及目标口地址,目标物理地址字段则填入O。这个报文发送给数据链路层,在这一层它被封装成帧,使用发送站的物理地址作为源地址,而将物理广播地址作为目的地址。每~个主机或路由器都收到这个帧。因为这个帧包含了广播目的地址,所有的站都将此报文送交ARP。除了目标主机外,所有的机器丢掉这个分组。目标机器识别这个IP地址。
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