STM32NET学习笔记 IP ICMP部分

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

【ENC28J60学习笔记】

【STM32NET学习笔记 ARP和Ethernet部分】

【AVRNET项目(国外) 】

【AVR webserver项目(国外) 】

1.3 代码仓库

    【代码仓库】——CSDN Code代码仓库。

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

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1. // IP首部总长度  
2. #define IP_HEADER_LEN 20  
3. // 协议类型  
4. // ICMP协议  
5. #define IP_PROTO_ICMP_V 0x01  
6. // TCP协议  
7. #define IP_PROTO_TCP_V 0x06  
8. // UDP协议  
9. #define IP_PROTO_UDP_V 0x11  
10. // IPV4版本  
11. #define IP_V4_V 0x40  
12. #define IP_HEADER_LENGTH_V 0x05  
13. // IP版本号位置 以太网首部2+6+6  
14. #define IP_P 0x0E  
15. // 首部长度  
16. #define IP_HEADER_VER_LEN_P 0x0E  
17. // 服务类型  
18. #define IP_TOS_P 0x0F  
19. // IP总长度  
20. #define IP_TOTLEN_H_P 0x10  
21. #define IP_TOTLEN_L_P 0x11  
22. // IP标识  
23. #define IP_ID_H_P 0x12  
24. #define IP_ID_L_P 0x13  
25. //  
26. #define IP_FLAGS_H_P 0x14  
27. #define IP_FLAGS_L_P 0x15  
28. // TTL生存时间  
29. #define IP_TTL_P 0x16  
30. // IP协议类型 例如ICMP TCP UDP  
31. #define IP_PROTO_P 0x17  
32. // 首部校验和  
33. #define IP_CHECKSUM_H_P 0x18  
34. #define IP_CHECKSUM_L_P 0x19  
35. // 源IP地址  
36. #define IP_SRC_IP_P 0x1A  
37. // 目标IP地址  
38. #define IP_DST_IP_P 0x1E  
39. void ip_generate_header ( BYTE *rxtx_buffer, WORD_BYTES total_length, BYTE protocol, BYTE *dest_ip )  
40. {  
41.   BYTE i;  
42.   // 校验结果  
43.   WORD_BYTES ck;  
44.    
45.   // 版本号和首都长度  
46.   rxtx_buffer[ IP_P ] = IP_V4_V | IP_HEADER_LENGTH_V;  
47.   // 服务类型  
48.   rxtx_buffer[ IP_TOS_P ] = 0x00;  
49.   // 总长度  
50.   rxtx_buffer [ IP_TOTLEN_H_P ] = total_length.byte.high;  
51.   rxtx_buffer [ IP_TOTLEN_L_P ] = total_length.byte.low;  
52.    
53.   // IP标识  
54.   rxtx_buffer [ IP_ID_H_P ] = ip_identfier >> 8;  
55.   rxtx_buffer [ IP_ID_H_P ] = ip_identfier & 0x00ff;  
56.   // 累加  
57.   ip_identfier++;  
58.    
59.   // 标志和分片偏移  
60.   rxtx_buffer [ IP_FLAGS_H_P ] = 0x00;  
61.   rxtx_buffer [ IP_FLAGS_L_P ] = 0x00;  
62.    
63.   // 生存时间  
64.   rxtx_buffer [ IP_TTL_P ] = 128;  
65.    
66.   // set ip packettype to tcp/udp/icmp...  
67.   rxtx_buffer [ IP_PROTO_P ] = protocol;  
68.    
69.   // 设定目标地址和源地址  
70.   for ( i = 0; i < 4; i++ )  
71.   {  
72.     rxtx_buffer[ IP_DST_IP_P + i ] = dest_ip[i];  
73.     rxtx_buffer[ IP_SRC_IP_P + i ] = avr_ip.byte[ i ];  
74.   }  
75.    
76.   // 校验结果  
77.   rxtx_buffer[ IP_CHECKSUM_H_P ] = 0;  
78.   rxtx_buffer[ IP_CHECKSUM_L_P ] = 0;  
79.   ck.word = software_checksum ( &rxtx_buffer[ IP_P ], sizeof(IP_HEADER), 0 );  
80.   rxtx_buffer[ IP_CHECKSUM_H_P ] = ck.byte.high;  
81.   rxtx_buffer[ IP_CHECKSUM_L_P ] = ck.byte.low;  
82. }  

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。

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1. BYTE ip_packet_is_ip ( BYTE *rxtx_buffer )  
2. {  
3.   unsigned char i;  
4.    
5.   // 检查该报文是否为IP报文  
6.   if ( rxtx_buffer[ ETH_TYPE_H_P ] != ETH_TYPE_IP_H_V || rxtx_buffer[ ETH_TYPE_L_P ] != ETH_TYPE_IP_L_V)  
7.     return 0;  
8.    
9.   // 检查该报文的IP地址是否为本机IP地址，逐个检查  
10.   for ( i=0; i<sizeof(IP_ADDR); i++ )  
11.   {  
12.     if ( rxtx_buffer[ IP_DST_IP_P + i ] != avr_ip.byte[i] )  
13.       return 0;  
14.   }  
15.    
16.   // 若该报文为IP报文，且目标IP地址为本机地址，返回1  
17.   return 1;  
18. }  

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。

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1. // 回显应答  
2. #define ICMP_TYPE_ECHOREPLY_V 0  
3. // 回显请求  
4. #define ICMP_TYPE_ECHOREQUEST_V 8  
5. // ICMP首部长度  
6. #define ICMP_PACKET_LEN 40  
7. // ICMP类型  
8. #define ICMP_TYPE_P 0x22  
9. // ICMP代码  
10. #define ICMP_CODE_P 0x23  
11. // ICMP首部校验和  
12. #define ICMP_CHECKSUM_H_P 0x24  
13. #define ICMP_CHECKSUM_L_P 0x25  
14. // ICMP标识符  
15. #define ICMP_IDENTIFIER_H_P 0x26  
16. #define ICMP_IDENTIFIER_L_P 0x27  
17. // ICMP序号  
18. #define ICMP_SEQUENCE_H_P 0x28  
19. #define ICMP_SEQUENCE_L_P 0x29  
20. #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。

[cpp] view plain copy

1. void icmp_generate_packet ( BYTE *rxtx_buffer ,BYTE type)  
2. {  
3.   BYTE i;  
4.   WORD_BYTES ck;  
5.    
6.   // ICMP回显请求  
7.   if( type == ICMP_TYPE_ECHOREQUEST_V )  
8.   {  
9.     rxtx_buffer[ ICMP_TYPE_P ] == ICMP_TYPE_ECHOREQUEST_V;  
10.     rxtx_buffer[ ICMP_CODE_P ] = 0;  
11.     rxtx_buffer[ ICMP_IDENTIFIER_H_P ] = icmp_id;  
12.     rxtx_buffer[ ICMP_IDENTIFIER_L_P ] = 0;  
13.     rxtx_buffer[ ICMP_SEQUENCE_H_P ] = icmp_seq;  
14.     rxtx_buffer[ ICMP_SEQUENCE_L_P ] = 0;  
15.     icmp_id++;  
16.     icmp_seq++;  
17.     for ( i=0; i<ICMP_MAX_DATA; i++ )  
18.     {  
19.       rxtx_buffer[ ICMP_DATA_P + i ] = 'A' + i;  
20.     }  
21.   }  
22.   // ICMP回显  
23.   if(type == ICMP_TYPE_ECHOREPLY_V)  
24.   {  
25.     rxtx_buffer[ ICMP_TYPE_P ] = ICMP_TYPE_ECHOREPLY_V;  
26.   }  
27.    
28.   // ICMP首部校验和  
29.   rxtx_buffer[ ICMP_CHECKSUM_H_P ] = 0;  
30.   rxtx_buffer[ ICMP_CHECKSUM_L_P ] = 0;  
31.   ck.word = software_checksum ( &rxtx_buffer[ ICMP_TYPE_P ], sizeof(ICMP_PACKET), 0 );  
32.   rxtx_buffer[ ICMP_CHECKSUM_H_P ] = ck.byte.high;  
33.   rxtx_buffer[ ICMP_CHECKSUM_L_P ] = ck.byte.low;  
34. }  

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。

[cpp] view plain copy

1. BYTE icmp_send_reply ( BYTE *rxtx_buffer, BYTE *dest_mac, BYTE *dest_ip )  
2. {  
3.    
4.   // IP首部中为ICMP协议类型  
5.   if ( rxtx_buffer [ IP_PROTO_P ] != IP_PROTO_ICMP_V )  
6.     return 0;  
7.    
8.   // 是否为ICMP回显请求  
9.   if ( rxtx_buffer [ ICMP_TYPE_P ] != ICMP_TYPE_ECHOREQUEST_V )  
10. return 0;  
11. #ifdef ICMP_DEBUG  
12.   printf("ICMP Request!\n");  
13.   printf("Ping from:%d.%d.%d.%d\n",\  
14.             rxtx_buffer[IP_SRC_IP_P+0],rxtx_buffer[IP_SRC_IP_P+1],\  
15.             rxtx_buffer[IP_SRC_IP_P+2],rxtx_buffer[IP_SRC_IP_P+3]);  
16. #endif  
17.   // 生成以太网首部  
18.   eth_generate_header ( rxtx_buffer, (WORD_BYTES){ETH_TYPE_IP_V}, dest_mac );  
19.    
20.   // 生成IP首部  
21.   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 );  
22.   // 生成ICMP首部  
23.   icmp_generate_packet ( rxtx_buffer ,(BYTE)ICMP_TYPE_ECHOREPLY_V);  
24.   // 发送报文  
25.   enc28j60_packet_send ( rxtx_buffer, sizeof(ETH_HEADER) + sizeof(IP_HEADER) + sizeof(ICMP_PACKET) );  
26.   return 1;  
27. }  

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。

[html] view plain copy

1. /* 获得新的IP报文 */  
2.  plen = enc28j60_packet_receive( (BYTE*)&rxtx_buffer, MAX_RXTX_BUFFER );  
3.  if(plen==0) return;  
4.  /* 保存客服端的MAC地址 */  
5.  memcpy ( (BYTE*)&client_mac, &rxtx_buffer[ ETH_SRC_MAC_P ], sizeof(MAC_ADDR) );  
6.  /* 检查该报文是不是ARP报文 */  
7.  if ( arp_packet_is_arp( rxtx_buffer, (WORD_BYTES){ARP_OPCODE_REQUEST_V} ) )  
8.  {  
9.    /* 向客户端返回ARP报文 */  
10.    arp_send_reply ( (BYTE*)&rxtx_buffer, (BYTE*)&client_mac );  
11.    return;  
12.  }  
13.  /* 保存客服端的IP地址 */  
14.  memcpy ( (BYTE*)&client_ip, &rxtx_buffer[ IP_SRC_IP_P ], sizeof(IP_ADDR) );  
15.  /* 检查该报文是否为IP报文 */  
16.  if ( ip_packet_is_ip ( (BYTE*)&rxtx_buffer ) == 0 )  
17.  {  
18.    return;  
19.  }  
20.   
21.  /* 如果是ICMP报文 向发起方返回数据 */  
22.  if ( icmp_send_reply ( (BYTE*)&rxtx_buffer, (BYTE*)&client_mac, (BYTE*)&client_ip ) )  
23.  {  
24.    return;  
25.  }  

【实验结果】

 

图1 PING命令

 

图2 串口输出