AVRNET源碼并移植STM32 ARP和Ethernet的實現(xiàn)過程

1.前言

嵌入式以太網(wǎng)開發(fā)是一個很有挑戰(zhàn)性的工作。通過幾個月的學(xué)習(xí)，個人覺得大致有兩條途徑。第一條途徑，通過高級語言熟悉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，第二種途徑花的時間長，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，逐步實現(xiàn)TCPIP協(xié)議棧的各個子部分，包括ETHERNET部分，ARP部分，IP部分，ICMP部分，UDP部分，TCP部分和HTTP部分。

本文先實現(xiàn)ethernet部分和ARP部分。

1.2 其他說明

【硬件平臺】 STM32+ENC28J60

【編譯平臺】 IAR 6.5

【IP地址】在實踐之前，需要通過ipconfig命令查看PC機的IP地址和MAC地址，AVR的IP地址設(shè)定必須和PC機在同一個網(wǎng)段中。例如 ：

PC機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機的IP地址在同一個網(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，把某個端口映射成局域網(wǎng)內(nèi)的IP地址和端口號。若沒有固定IP地址的話，可使用花生殼軟件虛擬一個域名。

2.初始化

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

struct.h頭文件中 相關(guān)定義：

main.c函數(shù)中的初始化代碼：

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個字節(jié)，稱之為以太網(wǎng)首部，其中前六個字節(jié)為目標(biāo)MAC地址，緊著的6個字節(jié)為源MAC地址，最后的兩個字節(jié)為協(xié)議類型。以太網(wǎng)的實現(xiàn)通信時必須要知道雙方的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)果則可只能把該報文轉(zhuǎn)發(fā)給路由器，讓路由器處理該報文。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

ethernet.c中相關(guān)函數(shù)

eth_generate_header函數(shù)實現(xiàn)了填充以太網(wǎng)首部的功能，第一個輸入參數(shù)為發(fā)送接收緩沖區(qū)。第二個參數(shù)為IP類型，在AVRNET項目中傳入的參數(shù)不是0800的IP協(xié)議類型就是0806的ARP協(xié)議類型。第三個參數(shù)為目標(biāo)MAC地址，由于本機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.實現(xiàn)ARP

為了使用最少的代碼實現(xiàn)TCPIP功能，假設(shè)通過IP發(fā)送報文時已經(jīng)確認(rèn)了目標(biāo)的IP地址，設(shè)備總是先被動的通過ARP先讓PC機知道其MAC地址，這樣當(dāng)PC機發(fā)送UDP或者TCP報文時，在報文中已經(jīng)包含了PC機的IP地址，設(shè)備僅需從rxtx_buffer中取出PC機IP地址。ARP協(xié)議是一個找鄰居的過程，是一個廣播找MAC的過程。發(fā)出者通過廣播報文確認(rèn)某個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)硬件長度，1字節(jié)協(xié)議長度，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)議時需要注意三點：

第一，操作碼分為兩種——ARP請求和ARP響應(yīng)，ARP請求的編碼為1，ARP響應(yīng)的編碼為2，先有請求后有響應(yīng)。第二，發(fā)送ARP協(xié)議請求時請求方明確對方IP地址，但是不明確對方MAC地址，所以在請求報文中MAC地址全部以0替代。第三，由于不知道對方的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個字節(jié)被FF填充。

為了便于ARP功能的實現(xiàn)，在arp.h文件中定義了以下宏定義

在沒有操作系統(tǒng)的支持下，一般通過一個無限循環(huán)實現(xiàn)子功能的實現(xiàn)。項目中通過某個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。因為項目中沒有維護(hù)ARP表，所以必須及時記錄發(fā)送方的MAC地址，以便向它返回數(shù)據(jù)。緊著便是查詢該報文是否為ARP請求，如果是ARP請求則返回ARP響應(yīng)。具體代碼如下 ：

4.1 查詢ARP報文

查詢該報文是否是針對設(shè)備的ARP報文需要確認(rèn)三點，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，查詢該ARP報文是否為ARP請求，該步驟需要到ARP首部中查詢ARP操作碼，ARP請求的操作碼為1。第三，查詢該ARP請求中的MAC地址是否和本機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報文的發(fā)起者。

4.2 生成ARP首部

生成ARP首部還是緊緊圍繞兩個地址展開，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。

4.3 響應(yīng)ARP請求

ARP響應(yīng)可以體現(xiàn)出TCP IP報文產(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。

5.測試

PC機通過ping命令發(fā)送一個ICMP報文，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機不明確該IP地址的MAC地址，所以會先發(fā)送一個ARP請求。STM32設(shè)備可捕獲該ARP請求，并通過串口輸出發(fā)送ARP請求的設(shè)備的IP地址和MAC地址。此時先不用理會是否可以ping通，因為會在以后的文章中實現(xiàn)。

在開始之前可以通過ipconfig /all指令查詢本機的IP地址和MAC地址，通過arp -a指令查詢PC機中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。

圖1 串口打印結(jié)果