Creo que para tener una ruta más o menos productiva, debe comenzar agregando un spi separado a Ethernet de IC, como el ENC28J60 y mejorar desde allí. Dicho chip abstraerá capas OSI 1 y 2.
Una vez que tenga el hardware, creo que ciertamente la programación será la parte más difícil, ya que tendrá que entender los detalles de la IP, TCP y cualquier protocolo que use.
Probablemente preferiría aprender con el ejemplo antes de profundizar en todos los detalles teóricos, así que creo que echar un vistazo a lo que se hace en sitios como tuxgraphics ( artículo en el servidor web avr, con código - código abierto), embeddedmarket ( revise su manual de usuario para los esquemas ). También puedes ver esta publicación de blog.
Seguramente necesitará tanto RAM y EEPROM como pueda, puede hacerlo con un dispositivo de la familia de 8 bits.
Además, no olvide que puede comenzar con algo bastante simple (sin servidor web, solo una conexión tipo telnet o sin procesar (simplemente transfiriendo su interfaz serial actual a una basada en sockets), y use software como masilla para conectarse a ella).
En una nota final, en caso de que necesite una solución rápida, también puede usar un convertidor de conexión para su puerto de comunicación serial / ttl. Existen versiones para consumidores (digi one SP, moxa Nport5150, etc.) y otras para integrar en su proyecto (de moxa , hw-group , y otros). Estos abstraen completamente las capas osi 1, 2, 3, 4. Bueno, abstraen todo.
Espero que esto te ayude a encaminarte.