2020年02月11日 | STM32之 IP ICMP ETHERNET的实现

1.前言

嵌入式以太网开发是一个很有挑战性的工作。通过几个月的学习，个人觉得大致有两条途径。第一条途径，通过高级语言熟悉socket编程，例如C#或C++，熟悉bind，listen，connect，accept等函数，在嵌入式系统中应用 lwIP协议栈。第二种途径，通过分析嵌入式以太网代码，结合TCPIP协议栈规范逐步实践协议栈代码。第一种途径效率高，开发周期短，编写出来的代码性能稳定，第二种途径花的时间长，开发出来的代码功能不完善，但是由于紧紧结合TCPIP规范，可以了解的内容较多，适合学习。本文通过分析和修改AVRNET源码并移植到STM32平台，逐步实现TCPIP协议栈的各个子部分，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学习笔记——索引】【代码仓库】

本文先实现ethernet部分和ARP部分。

1.2 其他说明

【硬件平台】 STM32+ENC28J60

【编译平台】 IAR 6.5

【IP地址】在实践之前，需要通过ipconfig命令查看PC机的IP地址和MAC地址，AVR的IP地址设定必须和PC机在同一个网段中。例如 ：

PC机IP：192.168.1.102

AVR IP： 192.168.1.115

【局域网访问 】

如果有STM32开发板或者其他CPU的开发板的话，可以把开发板的以太网端口连接到路由器LAN端口，只要保证开发板的IP地址和PC机的IP地址在同一个网段。

【广域网访问 】

如果有固定的电信网IP地址的话，可以在路由器中设置静态端口映射，把某个端口映射成局域网内的IP地址和端口号。若没有固定IP地址的话，可使用花生壳软件虚拟一个域名。

1.3 代码仓库

【代码仓库】——CSDN Code代码仓库。

2.初始化

以太网协议栈的实现离不开以太网驱动芯片。以太网驱动如何实现请参考——ENC28J60学习笔记。TCPIP的实现离不开两个基本地址，IP地址和MAC地址。在本例中通过以下代码定义和实现。

struct.h头文件中 相关定义：

［cpp］ view plain copy// MAC地址结构体

#pragma pack（1）

typedef struct _MAC_ADDR

{

BYTE byte［6］;

}MAC_ADDR;

// IP地址结构体

#pragma pack（1）

typedef struct _IP_ADDR

{

BYTE byte［4］;

}IP_ADDR;

main.c函数中的初始化代码：

［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地址均为自定义的结构体，结构体中为一个字节数组。严格来说，MAC地址不能胡乱定义，应严格遵守相关规范，如果条件允许的话可以使用带有全球唯一的MAC地址的EEPROM芯片。

3.实现ETHERNET

TCPIP是一系列协议的组合，其中最有名的为TCP协议和IP协议。但是千万不要忽视最底层的协议结构——ETHERNET。ETHERNET包括14个字节，称之为以太网首部，其中前六个字节为目标MAC地址，紧着的6个字节为源MAC地址，最后的两个字节为协议类型。以太网的实现通信时必须要知道双方的MAC地址，发送方不明确接收方的地址便通过ARP协议寻找目标MAC地址，如果依然没有结果则可只能把该报文转发给路由器，让路由器处理该报文。协议类型只需关心两种，0800的IP协议和0806的ARP协议。

ethernet.h中相关宏定义

［cpp］ view plain copy// 协议类型 ARP报文

#define ETH_TYPE_ARP_V 0x0806

#define ETH_TYPE_ARP_H_V 0x08

#define ETH_TYPE_ARP_L_V 0x06

// 协议类型 以太网报文

#define ETH_TYPE_IP_V 0x0800

#define ETH_TYPE_IP_H_V 0x08

#define ETH_TYPE_IP_L_V 0x00

// 以太网报文头部长度 14

#define ETH_HEADER_LEN 14

// 目标MAC地址

#define ETH_DST_MAC_P 0

// 源MAC地址

#define ETH_SRC_MAC_P 6

// 协议类型

#define ETH_TYPE_H_P 12

#define ETH_TYPE_L_P 13

ethernet.c中相关函数

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

{

BYTE i;

// 配置以太网报文 目标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为全局变量

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

}

// 配置协议类型 IP报文或ARP报文

rxtx_buffer［ ETH_TYPE_H_P ］ = type.byte.high;

rxtx_buffer［ ETH_TYPE_L_P ］ = type.byte.low;

}

eth_generate_header函数实现了填充以太网首部的功能，第一个输入参数为发送接收缓冲区。第二个参数为IP类型，在AVRNET项目中传入的参数不是0800的IP协议类型就是0806的ARP协议类型。第三个参数为目标MAC地址，由于本机MAC地址作为了全局变量，可以在函数内部填充到缓冲区中。

4.实现ARP

为了使用最少的代码实现TCPIP功能，假设通过IP发送报文时已经确认了目标的IP地址，设备总是先被动的通过ARP先让PC机知道其MAC地址，这样当PC机发送UDP或者TCP报文时，在报文中已经包含了PC机的IP地址，设备仅需从rxtx_buffer中取出PC机IP地址。ARP协议是一个找邻居的过程，是一个广播找MAC的过程。发出者通过广播报文确认某个IP的MAC地址。ARP首部包括，2字节硬件类型，2字节协议类型，1字节硬件长度，1字节协议长度，2字节操作码，6字节发送者硬件地址，4字节发送者IP地址，6字节目标硬件地址和4字节目标IP地址。

在使用ARP协议时需要注意三点：

第一，操作码分为两种——ARP请求和ARP响应，ARP请求的编码为1，ARP响应的编码为2，先有请求后有响应。第二，发送ARP协议请求时请求方明确对方IP地址，但是不明确对方MAC地址，所以在请求报文中MAC地址全部以0替代。第三，由于不知道对方的MAC地址，所以只能通过广播帧发送以太网数据，所以以太网首部的前6个字节被FF填充。

为了便于ARP功能的实现，在arp.h文件中定义了以下宏定义

［cpp］ view plain copy#define ARP_PACKET_LEN 28

// ARP请求

#define ARP_OPCODE_REQUEST_V 0x0001

#define ARP_OPCODE_REQUEST_H_V 0x00

#define ARP_OPCODE_REQUEST_L_V 0x01

// ARP响应

#define ARP_OPCODE_REPLY_V 0x0002

#define ARP_OPCODE_REPLY_H_V 0x00

#define ARP_OPCODE_REPLY_L_V 0x02

// 硬件类型 10M以太网

#define ARP_HARDWARE_TYPE_H_V 0x00

#define ARP_HARDWARE_TYPE_L_V 0x01

// 协议类型 IPV4

#define ARP_PROTOCOL_H_V 0x08

#define ARP_PROTOCOL_L_V 0x00

// 硬件地址长度

#define ARP_HARDWARE_SIZE_V 0x06

// 协议地址长度

#define ARP_PROTOCOL_SIZE_V 0x04

// 硬件类型 2字节

#define ARP_HARDWARE_TYPE_H_P 0x0E

#define ARP_HARDWARE_TYPE_L_P 0x0F

// 协议类型 2字节

#define ARP_PROTOCOL_H_P 0x10

#define ARP_PROTOCOL_L_P 0x11

// 硬件地址 1字节

#define ARP_HARDWARE_SIZE_P 0x12

// 协议地址长度 1字节

#define ARP_PROTOCOL_SIZE_P 0x13

// 操作码 2字节

#define ARP_OPCODE_H_P 0x14

#define ARP_OPCODE_L_P 0x15

// 发送者硬件地址 6字节

#define ARP_SRC_MAC_P 0x16

// 发送者IP地址 4字节

#define ARP_SRC_IP_P 0x1C

// 目标硬件地址 6字节

#define ARP_DST_MAC_P 0x20

// 目标IP地址 6字节

#define ARP_DST_IP_P 0x26

在没有操作系统的支持下，一般通过一个无限循环实现子功能的实现。项目中通过某个process不断查询是否存在网卡数据，如果有网卡数据则立刻保存源MAC地址。因为项目中没有维护ARP表，所以必须及时记录发送方的MAC地址，以便向它返回数据。紧着便是查询该报文是否为ARP请求，如果是ARP请求则返回ARP响应。具体代码如下 ：

［cpp］ view plain copyvoid server_process （ void ）

{

MAC_ADDR client_mac;

IP_ADDR client_ip;

WORD plen;

// 获得新的IP报文

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） ）;

// 检查该报文是不是ARP报文

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

{

// 向客户端返回ARP报文

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

return;

}

}

4.1 查询ARP报文

查询该报文是否是针对设备的ARP报文需要确认三点，第一：确认以太网首部中的协议类型是否为ARP协议类型，ARP协议类型的值为0806H。第二，查询该ARP报文是否为ARP请求，该步骤需要到ARP首部中查询ARP操作码，ARP请求的操作码为1。第三，查询该ARP请求中的MAC地址是否和本机MAC匹配。

最后通过宏定义ARP_DEBUD决定是否通过串口输出发起者IP地址和MAC地址。通过串口打印可以确认该ARP报文的发起者。

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

{

BYTE i;

// 该报文为ARP报文

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;

// 确认ARP操作码 ARP请求 1 ARP应答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;

}

// 通过串口输出

#if ARP_DEBUG

printf（“ARP Message！rn”）;

printf（“Source IP：%d.%d.%d.%drn”，

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-%02Xrn”，

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首部还是紧紧围绕两个地址展开，即目标MAC地址和目标IP地址，在ARP响应过程中，源MAC地址和IP地址现在转变为了目标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;

// 硬件类型 0001 10M以太网

rxtx_buffer［ ARP_HARDWARE_TYPE_H_P ］ = ARP_HARDWARE_TYPE_H_V;

rxtx_buffer［ ARP_HARDWARE_TYPE_L_P ］ = ARP_HARDWARE_TYPE_L_V;

// 协议类型

rxtx_buffer［ ARP_PROTOCOL_H_P ］ = ARP_PROTOCOL_H_V;

rxtx_buffer［ ARP_PROTOCOL_L_P ］ = ARP_PROTOCOL_L_V;

// 硬件地址长度

rxtx_buffer［ ARP_HARDWARE_SIZE_P ］ = ARP_HARDWARE_SIZE_V;

// 协议地址长度

rxtx_buffer［ ARP_PROTOCOL_SIZE_P ］ = ARP_PROTOCOL_SIZE_V;

// 目标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］;

}

// 目标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 响应ARP请求

ARP响应可以体现出TCP IP报文产生的基本过程，即层层包装。先包装以太网首部，在包装ARP首部，最后通过ENC28J60发送即可。

［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.测试

PC机通过ping命令发送一个ICMP报文，ping命令是确认网络是否连接的命令，例如发送ping 192.168.1.115，由于PC机不明确该IP地址的MAC地址，所以会先发送一个ARP请求。STM32设备可捕获该ARP请求，并通过串口输出发送ARP请求的设备的IP地址和MAC地址。此时先不用理会是否可以ping通，因为会在以后的文章中实现。

在开始之前可以通过ipconfig /all指令查询本机的IP地址和MAC地址，通过arp -a指令查询PC机中ARP缓冲表。如果有必要可使用arp –d清除缓冲表的所有内容。