http://blog.csdn.net/xukai871105/article/details/19938133
2014
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,我个人觉得大致有两条途径。第一条途径,先通过高级语言熟悉socket编程,例如C#或C++,对bind,listen,connect,accept等函数熟悉之后,应用 lwIP。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,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。
本文将实现IP部分和ICMP部分。
1.2 相关资料
2.IP部分实现
IP层是TCP和UDP实现的基础。IP首部紧跟以太网首部,长度为20字节。IP首部具有最基本的两个任务,
【第一】定义IP包的具体协议类型,例如ICMP,TCP或UDP等;
【第二】定义IP报文从哪个IP地址来和到哪个IP地址去。
需要强调,在同一个子网中即同一个物理网络中,IP报文中的目标IP地址和以太网首部中的目标MAC地址相对应,若不在同一个物理网路中,目标IP地址和目标MAC地址不同,目标MAC地址被路由器的MAC地址替代,意味着通过路由器转发报文。在IP首部中还包括很多其他内容,需要注意的是IP标识符,该标识符主要用于区分IP报文,最简单的算法即每发送一个IP报文后IP标识符累加。具体通过以下代码实现IP首部的填充。
2.1 IP首部填充
- // IP首部总长度
- #define IP_HEADER_LEN 20
- // 协议类型
- // ICMP协议
- #define IP_PROTO_ICMP_V 0x01
- // TCP协议
- #define IP_PROTO_TCP_V 0x06
- // UDP协议
- #define IP_PROTO_UDP_V 0x11
- // IPV4版本
- #define IP_V4_V 0x40
- #define IP_HEADER_LENGTH_V 0x05
- // IP版本号位置 以太网首部2+6+6
- #define IP_P 0x0E
- // 首部长度
- #define IP_HEADER_VER_LEN_P 0x0E
- // 服务类型
- #define IP_TOS_P 0x0F
- // IP总长度
- #define IP_TOTLEN_H_P 0x10
- #define IP_TOTLEN_L_P 0x11
- // IP标识
- #define IP_ID_H_P 0x12
- #define IP_ID_L_P 0x13
- //
- #define IP_FLAGS_H_P 0x14
- #define IP_FLAGS_L_P 0x15
- // TTL生存时间
- #define IP_TTL_P 0x16
- // IP协议类型 例如ICMP TCP UDP
- #define IP_PROTO_P 0x17
- // 首部校验和
- #define IP_CHECKSUM_H_P 0x18
- #define IP_CHECKSUM_L_P 0x19
- // 源IP地址
- #define IP_SRC_IP_P 0x1A
- // 目标IP地址
- #define IP_DST_IP_P 0x1E
- void ip_generate_header ( BYTE *rxtx_buffer, WORD_BYTES total_length, BYTE protocol, BYTE *dest_ip )
- {
- BYTE i;
- // 校验结果
- WORD_BYTES ck;
-
- // 版本号和首都长度
- rxtx_buffer[ IP_P ] = IP_V4_V | IP_HEADER_LENGTH_V;
- // 服务类型
- rxtx_buffer[ IP_TOS_P ] = 0x00;
- // 总长度
- rxtx_buffer [ IP_TOTLEN_H_P ] = total_length.byte.high;
- rxtx_buffer [ IP_TOTLEN_L_P ] = total_length.byte.low;
-
- // IP标识
- rxtx_buffer [ IP_ID_H_P ] = ip_identfier >> 8;
- rxtx_buffer [ IP_ID_H_P ] = ip_identfier & 0x00ff;
- // 累加
- ip_identfier++;
-
- // 标志和分片偏移
- rxtx_buffer [ IP_FLAGS_H_P ] = 0x00;
- rxtx_buffer [ IP_FLAGS_L_P ] = 0x00;
-
- // 生存时间
- rxtx_buffer [ IP_TTL_P ] = 128;
-
- // set ip packettype to tcp/udp/icmp...
- rxtx_buffer [ IP_PROTO_P ] = protocol;
-
- // 设定目标地址和源地址
- for ( i = 0; i < 4; i++ )
- {
- rxtx_buffer[ IP_DST_IP_P + i ] = dest_ip[i];
- rxtx_buffer[ IP_SRC_IP_P + i ] = avr_ip.byte[ i ];
- }
-
- // 校验结果
- rxtx_buffer[ IP_CHECKSUM_H_P ] = 0;
- rxtx_buffer[ IP_CHECKSUM_L_P ] = 0;
- ck.word = software_checksum ( &rxtx_buffer[ IP_P ], sizeof(IP_HEADER), 0 );
- rxtx_buffer[ IP_CHECKSUM_H_P ] = ck.byte.high;
- rxtx_buffer[ IP_CHECKSUM_L_P ] = ck.byte.low;
- }
2.2 IP报文查询
IP报文查询功能对应于ARP报文查询功能,通过以太网首部中的最后2个字节判断该报文是否为IP报文;如果是IP报文则继续和本机IP地址相比较。如果两步检查均通过则认为是合法的IP报文,当然这其中舍弃了IP版本号和首部校验和的检查,虽然存在某些隐患但并不妨碍实现基本功能。
- BYTE ip_packet_is_ip ( BYTE *rxtx_buffer )
- {
- unsigned char i;
-
- // 检查该报文是否为IP报文
- if ( rxtx_buffer[ ETH_TYPE_H_P ] != ETH_TYPE_IP_H_V || rxtx_buffer[ ETH_TYPE_L_P ] != ETH_TYPE_IP_L_V)
- return 0;
-
- // 检查该报文的IP地址是否为本机IP地址,逐个检查
- for ( i=0; i<sizeof(IP_ADDR); i++ )
- {
- if ( rxtx_buffer[ IP_DST_IP_P + i ] != avr_ip.byte[i] )
- return 0;
- }
-
- // 若该报文为IP报文,且目标IP地址为本机地址,返回1
- return 1;
- }
3.ICMP部分实现
虽然ICMP具有很多的子协议,但是其中最著名的要数ping程序,即ICMP回显请求和应答报文。通过使用ping命令来判断报文是否可以到达目标地址。ICMP的实现是一个逐步遵守规则的过程,即向固定的字节填充数据。
- // 回显应答
- #define ICMP_TYPE_ECHOREPLY_V 0
- // 回显请求
- #define ICMP_TYPE_ECHOREQUEST_V 8
- // ICMP首部长度
- #define ICMP_PACKET_LEN 40
- // ICMP类型
- #define ICMP_TYPE_P 0x22
- // ICMP代码
- #define ICMP_CODE_P 0x23
- // ICMP首部校验和
- #define ICMP_CHECKSUM_H_P 0x24
- #define ICMP_CHECKSUM_L_P 0x25
- // ICMP标识符
- #define ICMP_IDENTIFIER_H_P 0x26
- #define ICMP_IDENTIFIER_L_P 0x27
- // ICMP序号
- #define ICMP_SEQUENCE_H_P 0x28
- #define ICMP_SEQUENCE_L_P 0x29
- #define ICMP_DATA_P 0x2A
3.1 ICMP首部填充
ICMP首部填充需要根据协议类型填充不同的内容,对于回显请求而言只需在ICMP协议类型部分填充0即可,当然ICMP部分也包括ICMP首部校验和。
- void icmp_generate_packet ( BYTE *rxtx_buffer ,BYTE type)
- {
- BYTE i;
- WORD_BYTES ck;
-
- // ICMP回显请求
- if( type == ICMP_TYPE_ECHOREQUEST_V )
- {
- rxtx_buffer[ ICMP_TYPE_P ] == ICMP_TYPE_ECHOREQUEST_V;
- rxtx_buffer[ ICMP_CODE_P ] = 0;
- rxtx_buffer[ ICMP_IDENTIFIER_H_P ] = icmp_id;
- rxtx_buffer[ ICMP_IDENTIFIER_L_P ] = 0;
- rxtx_buffer[ ICMP_SEQUENCE_H_P ] = icmp_seq;
- rxtx_buffer[ ICMP_SEQUENCE_L_P ] = 0;
- icmp_id++;
- icmp_seq++;
- for ( i=0; i<ICMP_MAX_DATA; i++ )
- {
- rxtx_buffer[ ICMP_DATA_P + i ] = 'A' + i;
- }
- }
- // ICMP回显
- if(type == ICMP_TYPE_ECHOREPLY_V)
- {
- rxtx_buffer[ ICMP_TYPE_P ] = ICMP_TYPE_ECHOREPLY_V;
- }
-
- // ICMP首部校验和
- rxtx_buffer[ ICMP_CHECKSUM_H_P ] = 0;
- rxtx_buffer[ ICMP_CHECKSUM_L_P ] = 0;
- ck.word = software_checksum ( &rxtx_buffer[ ICMP_TYPE_P ], sizeof(ICMP_PACKET), 0 );
- rxtx_buffer[ ICMP_CHECKSUM_H_P ] = ck.byte.high;
- rxtx_buffer[ ICMP_CHECKSUM_L_P ] = ck.byte.low;
- }
3.2 ICMP回显应答
ICMP回显应答需要做好两步,第一步检查IP首部中的协议类型是否为ICMP报文;第二,检查ICMP首部中的ICMP类型是否为ICMP请求,如果是则生成ICMP回显应答并通过以太网驱动芯片发送。为了便于调试,在接收到ICMP回显请求时通过串口输出发起方的IP地址,ping命令发起方的IP地址存在于IP首部中的源IP地址部分。
- BYTE icmp_send_reply ( BYTE *rxtx_buffer, BYTE *dest_mac, BYTE *dest_ip )
- {
-
- // IP首部中为ICMP协议类型
- if ( rxtx_buffer [ IP_PROTO_P ] != IP_PROTO_ICMP_V )
- return 0;
-
- // 是否为ICMP回显请求
- if ( rxtx_buffer [ ICMP_TYPE_P ] != ICMP_TYPE_ECHOREQUEST_V )
- return 0;
- #ifdef ICMP_DEBUG
- printf("ICMP Request!\n");
- printf("Ping from:%d.%d.%d.%d\n",\
- rxtx_buffer[IP_SRC_IP_P+0],rxtx_buffer[IP_SRC_IP_P+1],\
- rxtx_buffer[IP_SRC_IP_P+2],rxtx_buffer[IP_SRC_IP_P+3]);
- #endif
- // 生成以太网首部
- eth_generate_header ( rxtx_buffer, (WORD_BYTES){ETH_TYPE_IP_V}, dest_mac );
-
- // 生成IP首部
- ip_generate_header ( rxtx_buffer, (WORD_BYTES){(rxtx_buffer[IP_TOTLEN_H_P]<<8)|rxtx_buffer[IP_TOTLEN_L_P]}, IP_PROTO_ICMP_V, dest_ip );
- // 生成ICMP首部
- icmp_generate_packet ( rxtx_buffer ,(BYTE)ICMP_TYPE_ECHOREPLY_V);
- // 发送报文
- enc28j60_packet_send ( rxtx_buffer, sizeof(ETH_HEADER) + sizeof(IP_HEADER) + sizeof(ICMP_PACKET) );
- return 1;
- }
4.实例
通过ping命令可以测试报文是否可以到达目标主机。例如发送ping 192.168.1.115。
在程序的无线循环中,需要层层进行查询。
【1】查询以太网中是否有数据,若无数据则返回。
【2】保存源MAC地址,待返回时使用。
【3】查询是否为ARP报文并返回ARP报文。
【4】保存源IP地址,待返回时使用。
【5】查询是否为IP报文,若非IP报文返回。
【6】查询是否为ICMP报文并返回ICMP回显应答。
- /* 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;
- }
- /* 保存客服端的IP地址 */
- memcpy ( (BYTE*)&client_ip, &rxtx_buffer[ IP_SRC_IP_P ], sizeof(IP_ADDR) );
- /* 检查该报文是否为IP报文 */
- if ( ip_packet_is_ip ( (BYTE*)&rxtx_buffer ) == 0 )
- {
- return;
- }
-
- /* 如果是ICMP报文 向发起方返回数据 */
- if ( icmp_send_reply ( (BYTE*)&rxtx_buffer, (BYTE*)&client_mac, (BYTE*)&client_ip ) )
- {
- return;
- }
【实验结果】
图1 PING命令
图2 串口输出
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