STM32之 IP ICMP ETHERNET的實(shí)現(xiàn)

1.前言

嵌入式以太網(wǎng)開發(fā)是一個(gè)很有挑戰(zhàn)性的工作。通過幾個(gè)月的學(xué)習(xí)，個(gè)人覺得大致有兩條途徑。第一條途徑，通過高級(jí)語言熟悉socket編程，例如C#或C++，熟悉bind，listen，connect，accept等函數(shù)，在嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用 lwIP協(xié)議棧。第二種途徑，通過分析嵌入式以太網(wǎng)代碼，結(jié)合TCPIP協(xié)議棧規(guī)范逐步實(shí)踐協(xié)議棧代碼。第一種途徑效率高，開發(fā)周期短，編寫出來的代碼性能穩(wěn)定，第二種途徑花的時(shí)間長(zhǎng)，開發(fā)出來的代碼功能不完善，但是由于緊緊結(jié)合TCPIP規(guī)范，可以了解的內(nèi)容較多，適合學(xué)習(xí)。本文通過分析和修改AVRNET源碼并移植到STM32平臺(tái)，逐步實(shí)現(xiàn)TCPIP協(xié)議棧的各個(gè)子部分，包括ETHERNET部分，ARP部分，IP部分，ICMP部分，UDP部分，TCP部分和HTTP部分。

【 STM32NET學(xué)習(xí)筆記——索引】【代碼倉庫】

本文先實(shí)現(xiàn)ethernet部分和ARP部分。

1.2 其他說明

【硬件平臺(tái)】 STM32+ENC28J60

【編譯平臺(tái)】 IAR 6.5

【IP地址】在實(shí)踐之前，需要通過ipconfig命令查看PC機(jī)的IP地址和MAC地址，AVR的IP地址設(shè)定必須和PC機(jī)在同一個(gè)網(wǎng)段中。例如 ：

PC機(jī)IP：192.168.1.102

AVR IP： 192.168.1.115

【局域網(wǎng)訪問 】

如果有STM32開發(fā)板或者其他CPU的開發(fā)板的話，可以把開發(fā)板的以太網(wǎng)端口連接到路由器LAN端口，只要保證開發(fā)板的IP地址和PC機(jī)的IP地址在同一個(gè)網(wǎng)段。

【廣域網(wǎng)訪問 】

如果有固定的電信網(wǎng)IP地址的話，可以在路由器中設(shè)置靜態(tài)端口映射，把某個(gè)端口映射成局域網(wǎng)內(nèi)的IP地址和端口號(hào)。若沒有固定IP地址的話，可使用花生殼軟件虛擬一個(gè)域名。

1.3 代碼倉庫

【代碼倉庫】——CSDN Code代碼倉庫。

2.初始化

以太網(wǎng)協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)離不開以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)芯片。以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)如何實(shí)現(xiàn)請(qǐng)參考——ENC28J60學(xué)習(xí)筆記。TCPIP的實(shí)現(xiàn)離不開兩個(gè)基本地址，IP地址和MAC地址。在本例中通過以下代碼定義和實(shí)現(xiàn)。

struct.h頭文件中 相關(guān)定義：

［cpp］ view plain copy// MAC地址結(jié)構(gòu)體

#pragma pack（1）

typedef struct _MAC_ADDR

{

BYTE byte［6］;

}MAC_ADDR;

// IP地址結(jié)構(gòu)體

#pragma pack（1）

typedef struct _IP_ADDR

{

BYTE byte［4］;

}IP_ADDR;

main.c函數(shù)中的初始化代碼：

［cpp］ view plain copy// 初始化MAC地址

stm32_mac.byte［0］ = ‘S’;

stm32_mac.byte［1］ = ‘T’;

stm32_mac.byte［2］ = ‘M’;

stm32_mac.byte［3］ = ‘N’;

stm32_mac.byte［4］ = ‘E’;

stm32_mac.byte［5］ = ‘T’;

// 初始化IP地址，固定IP地址

stm32_ip.byte［0］ = 192;

stm32_ip.byte［1］ = 168;

stm32_ip.byte［2］ = 1;

stm32_ip.byte［3］ = 115;

MAC地址和IP地址均為自定義的結(jié)構(gòu)體，結(jié)構(gòu)體中為一個(gè)字節(jié)數(shù)組。嚴(yán)格來說，MAC地址不能胡亂定義，應(yīng)嚴(yán)格遵守相關(guān)規(guī)范，如果條件允許的話可以使用帶有全球唯一的MAC地址的EEPROM芯片。

3.實(shí)現(xiàn)ETHERNET

TCPIP是一系列協(xié)議的組合，其中最有名的為TCP協(xié)議和IP協(xié)議。但是千萬不要忽視最底層的協(xié)議結(jié)構(gòu)——ETHERNET。ETHERNET包括14個(gè)字節(jié)，稱之為以太網(wǎng)首部，其中前六個(gè)字節(jié)為目標(biāo)MAC地址，緊著的6個(gè)字節(jié)為源MAC地址，最后的兩個(gè)字節(jié)為協(xié)議類型。以太網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)通信時(shí)必須要知道雙方的MAC地址，發(fā)送方不明確接收方的地址便通過ARP協(xié)議尋找目標(biāo)MAC地址，如果依然沒有結(jié)果則可只能把該報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)給路由器，讓路由器處理該報(bào)文。協(xié)議類型只需關(guān)心兩種，0800的IP協(xié)議和0806的ARP協(xié)議。

ethernet.h中相關(guān)宏定義

［cpp］ view plain copy// 協(xié)議類型 ARP報(bào)文

#define ETH_TYPE_ARP_V 0x0806

#define ETH_TYPE_ARP_H_V 0x08

#define ETH_TYPE_ARP_L_V 0x06

// 協(xié)議類型 以太網(wǎng)報(bào)文

#define ETH_TYPE_IP_V 0x0800

#define ETH_TYPE_IP_H_V 0x08

#define ETH_TYPE_IP_L_V 0x00

// 以太網(wǎng)報(bào)文頭部長(zhǎng)度 14

#define ETH_HEADER_LEN 14

// 目標(biāo)MAC地址

#define ETH_DST_MAC_P 0

// 源MAC地址

#define ETH_SRC_MAC_P 6

// 協(xié)議類型

#define ETH_TYPE_H_P 12

#define ETH_TYPE_L_P 13

ethernet.c中相關(guān)函數(shù)

［cpp］ view plain copyvoid eth_generate_header （ BYTE *rxtx_buffer， WORD_BYTES type， BYTE *dest_mac ）

{

BYTE i;

// 配置以太網(wǎng)報(bào)文 目標(biāo)MAC地址和源MAC地址

for （ i=0; i《sizeof（MAC_ADDR）; i++）

{

rxtx_buffer［ ETH_DST_MAC_P + i ］ = dest_mac［i］;

// avr_mac為全局變量

rxtx_buffer［ ETH_SRC_MAC_P + i ］ = stm32_mac.byte［i］;

}

// 配置協(xié)議類型 IP報(bào)文或ARP報(bào)文

rxtx_buffer［ ETH_TYPE_H_P ］ = type.byte.high;

rxtx_buffer［ ETH_TYPE_L_P ］ = type.byte.low;

}

eth_generate_header函數(shù)實(shí)現(xiàn)了填充以太網(wǎng)首部的功能，第一個(gè)輸入參數(shù)為發(fā)送接收緩沖區(qū)。第二個(gè)參數(shù)為IP類型，在AVRNET項(xiàng)目中傳入的參數(shù)不是0800的IP協(xié)議類型就是0806的ARP協(xié)議類型。第三個(gè)參數(shù)為目標(biāo)MAC地址，由于本機(jī)MAC地址作為了全局變量，可以在函數(shù)內(nèi)部填充到緩沖區(qū)中。

4.實(shí)現(xiàn)ARP

為了使用最少的代碼實(shí)現(xiàn)TCPIP功能，假設(shè)通過IP發(fā)送報(bào)文時(shí)已經(jīng)確認(rèn)了目標(biāo)的IP地址，設(shè)備總是先被動(dòng)的通過ARP先讓PC機(jī)知道其MAC地址，這樣當(dāng)PC機(jī)發(fā)送UDP或者TCP報(bào)文時(shí)，在報(bào)文中已經(jīng)包含了PC機(jī)的IP地址，設(shè)備僅需從rxtx_buffer中取出PC機(jī)IP地址。ARP協(xié)議是一個(gè)找鄰居的過程，是一個(gè)廣播找MAC的過程。發(fā)出者通過廣播報(bào)文確認(rèn)某個(gè)IP的MAC地址。ARP首部包括，2字節(jié)硬件類型，2字節(jié)協(xié)議類型，1字節(jié)硬件長(zhǎng)度，1字節(jié)協(xié)議長(zhǎng)度，2字節(jié)操作碼，6字節(jié)發(fā)送者硬件地址，4字節(jié)發(fā)送者IP地址，6字節(jié)目標(biāo)硬件地址和4字節(jié)目標(biāo)IP地址。

在使用ARP協(xié)議時(shí)需要注意三點(diǎn)：

第一，操作碼分為兩種——ARP請(qǐng)求和ARP響應(yīng)，ARP請(qǐng)求的編碼為1，ARP響應(yīng)的編碼為2，先有請(qǐng)求后有響應(yīng)。第二，發(fā)送ARP協(xié)議請(qǐng)求時(shí)請(qǐng)求方明確對(duì)方IP地址，但是不明確對(duì)方MAC地址，所以在請(qǐng)求報(bào)文中MAC地址全部以0替代。第三，由于不知道對(duì)方的MAC地址，所以只能通過廣播幀發(fā)送以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，所以以太網(wǎng)首部的前6個(gè)字節(jié)被FF填充。

為了便于ARP功能的實(shí)現(xiàn)，在arp.h文件中定義了以下宏定義

［cpp］ view plain copy#define ARP_PACKET_LEN 28

// ARP請(qǐng)求

#define ARP_OPCODE_REQUEST_V 0x0001

#define ARP_OPCODE_REQUEST_H_V 0x00

#define ARP_OPCODE_REQUEST_L_V 0x01

// ARP響應(yīng)

#define ARP_OPCODE_REPLY_V 0x0002

#define ARP_OPCODE_REPLY_H_V 0x00

#define ARP_OPCODE_REPLY_L_V 0x02

// 硬件類型 10M以太網(wǎng)

#define ARP_HARDWARE_TYPE_H_V 0x00

#define ARP_HARDWARE_TYPE_L_V 0x01

// 協(xié)議類型 IPV4

#define ARP_PROTOCOL_H_V 0x08

#define ARP_PROTOCOL_L_V 0x00

// 硬件地址長(zhǎng)度

#define ARP_HARDWARE_SIZE_V 0x06

// 協(xié)議地址長(zhǎng)度

#define ARP_PROTOCOL_SIZE_V 0x04

// 硬件類型 2字節(jié)

#define ARP_HARDWARE_TYPE_H_P 0x0E

#define ARP_HARDWARE_TYPE_L_P 0x0F

// 協(xié)議類型 2字節(jié)

#define ARP_PROTOCOL_H_P 0x10

#define ARP_PROTOCOL_L_P 0x11

// 硬件地址 1字節(jié)

#define ARP_HARDWARE_SIZE_P 0x12

// 協(xié)議地址長(zhǎng)度 1字節(jié)

#define ARP_PROTOCOL_SIZE_P 0x13

// 操作碼 2字節(jié)

#define ARP_OPCODE_H_P 0x14

#define ARP_OPCODE_L_P 0x15

// 發(fā)送者硬件地址 6字節(jié)

#define ARP_SRC_MAC_P 0x16

// 發(fā)送者IP地址 4字節(jié)

#define ARP_SRC_IP_P 0x1C

// 目標(biāo)硬件地址 6字節(jié)

#define ARP_DST_MAC_P 0x20

// 目標(biāo)IP地址 6字節(jié)

#define ARP_DST_IP_P 0x26

在沒有操作系統(tǒng)的支持下，一般通過一個(gè)無限循環(huán)實(shí)現(xiàn)子功能的實(shí)現(xiàn)。項(xiàng)目中通過某個(gè)process不斷查詢是否存在網(wǎng)卡數(shù)據(jù)，如果有網(wǎng)卡數(shù)據(jù)則立刻保存源MAC地址。因?yàn)轫?xiàng)目中沒有維護(hù)ARP表，所以必須及時(shí)記錄發(fā)送方的MAC地址，以便向它返回?cái)?shù)據(jù)。緊著便是查詢?cè)搱?bào)文是否為ARP請(qǐng)求，如果是ARP請(qǐng)求則返回ARP響應(yīng)。具體代碼如下 ：

［cpp］ view plain copyvoid server_process （ void ）

{

MAC_ADDR client_mac;

IP_ADDR client_ip;

WORD plen;

// 獲得新的IP報(bào)文

plen = enc28j60_packet_receive（ （BYTE*）&rxtx_buffer， MAX_RXTX_BUFFER ）;

if（plen==0） return;

// 保存客服端的MAC地址

memcpy （ （BYTE*）&client_mac， &rxtx_buffer［ ETH_SRC_MAC_P ］， sizeof（ MAC_ADDR） ）;

// 檢查該報(bào)文是不是ARP報(bào)文

if （ arp_packet_is_arp（ rxtx_buffer， （WORD_BYTES）{ARP_OPCODE_REQUEST_V} ） ）

{

// 向客戶端返回ARP報(bào)文

arp_send_reply （ （BYTE*）&rxtx_buffer， （BYTE*）&client_mac ）;

return;

}

}

4.1 查詢ARP報(bào)文

查詢?cè)搱?bào)文是否是針對(duì)設(shè)備的ARP報(bào)文需要確認(rèn)三點(diǎn)，第一：確認(rèn)以太網(wǎng)首部中的協(xié)議類型是否為ARP協(xié)議類型，ARP協(xié)議類型的值為0806H。第二，查詢?cè)揂RP報(bào)文是否為ARP請(qǐng)求，該步驟需要到ARP首部中查詢ARP操作碼，ARP請(qǐng)求的操作碼為1。第三，查詢?cè)揂RP請(qǐng)求中的MAC地址是否和本機(jī)MAC匹配。

最后通過宏定義ARP_DEBUD決定是否通過串口輸出發(fā)起者IP地址和MAC地址。通過串口打印可以確認(rèn)該ARP報(bào)文的發(fā)起者。

［cpp］ view plain copyBYTE arp_packet_is_arp （ BYTE *rxtx_buffer， WORD_BYTES opcode ）

{

BYTE i;

// 該報(bào)文為ARP報(bào)文

if（ rxtx_buffer［ ETH_TYPE_H_P ］ ！= ETH_TYPE_ARP_H_V || rxtx_buffer［ ETH_TYPE_L_P ］ ！= ETH_TYPE_ARP_L_V）

return 0;

// 確認(rèn)ARP操作碼 ARP請(qǐng)求 1 ARP應(yīng)答2

if （ rxtx_buffer［ ARP_OPCODE_H_P ］ ！= opcode.byte.high || rxtx_buffer［ ARP_OPCODE_L_P ］ ！= opcode.byte.low ）

return 0;

// 匹配IP地址

for （ i=0; i《sizeof（IP_ADDR）; i++ ）

{

if （ rxtx_buffer［ ARP_DST_IP_P + i］ ！= stm32_ip.byte［i］ ）

return 0;

}

// 通過串口輸出

#if ARP_DEBUG

printf（“ARP Message！ ”）;

printf（“Source IP：%d.%d.%d.%d ”，

rxtx_buffer［ARP_SRC_IP_P+0］，rxtx_buffer［ARP_SRC_IP_P+1］，

rxtx_buffer［ARP_SRC_IP_P+2］，rxtx_buffer［ARP_SRC_IP_P+3］）;

printf（“Source MAC：%02X-%02X-%02X-%02X-%02X-%02X ”，

rxtx_buffer［ARP_SRC_MAC_P+0］，rxtx_buffer［ARP_SRC_MAC_P+1］，

rxtx_buffer［ARP_SRC_MAC_P+2］，rxtx_buffer［ARP_SRC_MAC_P+3］，

rxtx_buffer［ARP_SRC_MAC_P+4］，rxtx_buffer［ARP_SRC_MAC_P+5］）;

#endif

return 1;

}

4.2 生成ARP首部

生成ARP首部還是緊緊圍繞兩個(gè)地址展開，即目標(biāo)MAC地址和目標(biāo)IP地址，在ARP響應(yīng)過程中，源MAC地址和IP地址現(xiàn)在轉(zhuǎn)變?yōu)榱四繕?biāo)MAC地址和IP地址。

［cpp］ view plain copyvoid arp_generate_packet （ BYTE *rxtx_buffer， BYTE *dest_mac， BYTE *dest_ip ）

{

unsigned char i;

// 硬件類型 0001 10M以太網(wǎng)

rxtx_buffer［ ARP_HARDWARE_TYPE_H_P ］ = ARP_HARDWARE_TYPE_H_V;

rxtx_buffer［ ARP_HARDWARE_TYPE_L_P ］ = ARP_HARDWARE_TYPE_L_V;

// 協(xié)議類型

rxtx_buffer［ ARP_PROTOCOL_H_P ］ = ARP_PROTOCOL_H_V;

rxtx_buffer［ ARP_PROTOCOL_L_P ］ = ARP_PROTOCOL_L_V;

// 硬件地址長(zhǎng)度

rxtx_buffer［ ARP_HARDWARE_SIZE_P ］ = ARP_HARDWARE_SIZE_V;

// 協(xié)議地址長(zhǎng)度

rxtx_buffer［ ARP_PROTOCOL_SIZE_P ］ = ARP_PROTOCOL_SIZE_V;

// 目標(biāo)硬件地址和源硬件地址

for （ i=0; i《sizeof（MAC_ADDR）; i++）

{

rxtx_buffer［ ARP_DST_MAC_P + i ］ = dest_mac［i］;

rxtx_buffer［ ARP_SRC_MAC_P + i ］ = stm32_mac.byte［i］;

}

// 目標(biāo)IP地址和源IP地址

for （ i=0; i《sizeof（IP_ADDR）; i++）

{

rxtx_buffer［ ARP_DST_IP_P + i ］ = dest_ip［i］;

rxtx_buffer［ ARP_SRC_IP_P + i ］ = stm32_ip.byte［i］;

}

}

4.3 響應(yīng)ARP請(qǐng)求

ARP響應(yīng)可以體現(xiàn)出TCP IP報(bào)文產(chǎn)生的基本過程，即層層包裝。先包裝以太網(wǎng)首部，在包裝ARP首部，最后通過ENC28J60發(fā)送即可。

［cpp］ view plain copyvoid arp_send_request （ BYTE *rxtx_buffer， BYTE *dest_ip ）

{

unsigned char i;

MAC_ADDR dest_mac;

// generate ethernet header

for （ i=0; i《sizeof（MAC_ADDR）; i++）

dest_mac.byte［i］ = 0xff;

eth_generate_header （ rxtx_buffer， （WORD_BYTES）{ETH_TYPE_ARP_V}， （BYTE*）&dest_mac ）;

// generate arp packet

for （ i = 0 ; i 《 sizeof（MAC_ADDR） ; i++）

dest_mac.byte［i］ = 0x00;

// set arp opcode is request

rxtx_buffer［ ARP_OPCODE_H_P ］ = ARP_OPCODE_REQUEST_H_V;

rxtx_buffer［ ARP_OPCODE_L_P ］ = ARP_OPCODE_REQUEST_L_V;

arp_generate_packet （ rxtx_buffer， （BYTE*）&dest_mac， dest_ip ）;

// send arp packet to network

enc28j60_packet_send （ rxtx_buffer， sizeof（ETH_HEADER） + sizeof（ARP_PACKET） ）;

}

5.測(cè)試

PC機(jī)通過ping命令發(fā)送一個(gè)ICMP報(bào)文，ping命令是確認(rèn)網(wǎng)絡(luò)是否連接的命令，例如發(fā)送ping 192.168.1.115，由于PC機(jī)不明確該IP地址的MAC地址，所以會(huì)先發(fā)送一個(gè)ARP請(qǐng)求。STM32設(shè)備可捕獲該ARP請(qǐng)求，并通過串口輸出發(fā)送ARP請(qǐng)求的設(shè)備的IP地址和MAC地址。此時(shí)先不用理會(huì)是否可以ping通，因?yàn)闀?huì)在以后的文章中實(shí)現(xiàn)。

在開始之前可以通過ipconfig /all指令查詢本機(jī)的IP地址和MAC地址，通過arp -a指令查詢PC機(jī)中ARP緩沖表。如果有必要可使用arp –d清除緩沖表的所有內(nèi)容。