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STM32NET学习笔记 ARP和Ethernet部分

 
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1.前言

(2013年初整理笔记,2013底发布至CSDN博客中)

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:
// 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:
    // 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
// 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
void 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
#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 :
void 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。
BYTE 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!\r\n");
    printf("Source IP:%d.%d.%d.%d\r\n",\
            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\r\n",\
        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。
void 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。
void 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。

图1 串口打印结果

6.总结



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