STM32NET學(xué)習(xí)筆記 ARP和Ethernet部分

（2013年初整理筆記，2013底發(fā)布至CSDN博客中）

嵌入式以太網(wǎng)開發(fā)是一個(gè)很有挑戰(zhàn)性的工作。通過幾個(gè)月的學(xué)習(xí)，個(gè)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(shí)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(shí)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(tái)，逐步實(shí)現(xiàn)TCPIP協(xié)議棧的各個(gè)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學(xué)習(xí)筆記——索引】【代碼倉庫】

本文先實(shí)現(xiàn)ethernet部分和ARP部分。

【硬件平臺(tái)】 STM32+ENC28J60

【編譯平臺(tái)】 IAR 6.5

【IP地址】在實(shí)踐之前，需要通過ipconfig命令查看PC機(jī)的IP地址和MAC地址，AVR的IP地址設(shè)定必須和PC機(jī)在同一個(gè)網(wǎng)段中。例如 ：

PC機(jī)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(jī)的IP地址在同一個(gè)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(gè)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(gè)域名。

【代碼倉庫】——CSDN Code代碼倉庫。

以太網(wǎng)協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)離不開以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)芯片。以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)如何實(shí)現(xiàn)請參考——ENC28J60學(xué)習(xí)筆記。TCPIP的實(shí)現(xiàn)離不開兩個(gè)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(shí)現(xiàn)。

struct.h頭文件中 相關(guān)定義：

1. //MAC地址結(jié)構(gòu)體

2. #pragmapack(1)

3. typedefstruct_MAC_ADDR

4. {

5. BYTEbyte[6];

6. }MAC_ADDR;

8. //IP地址結(jié)構(gòu)體

9. #pragmapack(1)

10. typedefstruct_IP_ADDR

11. {

12. BYTEbyte[4];

13. }IP_ADDR;

main.c函數(shù)中的初始化代碼：

1. //初始化MAC地址

2. stm32_mac.byte[0]='S';

3. stm32_mac.byte[1]='T';

4. stm32_mac.byte[2]='M';

5. stm32_mac.byte[3]='N';

6. stm32_mac.byte[4]='E';

7. stm32_mac.byte[5]='T';

9. //初始化IP地址，固定IP地址

10. stm32_ip.byte[0]=192;

11. stm32_ip.byte[1]=168;

12. stm32_ip.byte[2]=1;

13. stm32_ip.byte[3]=115;

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(gè)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。

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(gè)字節(jié)，稱之為以太網(wǎng)首部，其中前六個(gè)字節(jié)為目標(biāo)MAC地址，緊著的6個(gè)字節(jié)為源MAC地址，最后的兩個(gè)字節(jié)為協(xié)議類型。以太網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)通信時(shí)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(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)給路由器，讓路由器處理該報(bào)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

1. //協(xié)議類型ARP報(bào)文

2. #defineETH_TYPE_ARP_V0x0806

3. #defineETH_TYPE_ARP_H_V0x08

4. #defineETH_TYPE_ARP_L_V0x06

5. //協(xié)議類型以太網(wǎng)報(bào)文

6. #defineETH_TYPE_IP_V0x0800

7. #defineETH_TYPE_IP_H_V0x08

8. #defineETH_TYPE_IP_L_V0x00

9. //以太網(wǎng)報(bào)文頭部長度14

10. #defineETH_HEADER_LEN14

11. //目標(biāo)MAC地址

12. #defineETH_DST_MAC_P0

13. //源MAC地址

14. #defineETH_SRC_MAC_P6

15. //協(xié)議類型

16. #defineETH_TYPE_H_P12

17. #defineETH_TYPE_L_P13

ethernet.c中相關(guān)函數(shù)

[cpp]view plaincopy

1. voideth_generate_header(BYTE*rxtx_buffer,WORD_BYTEStype,BYTE*dest_mac)

2. {

3. BYTEi;

4. //配置以太網(wǎng)報(bào)文目標(biāo)MAC地址和源MAC地址

5. for(i=0;i

6. {

7. rxtx_buffer[ETH_DST_MAC_P+i]=dest_mac[i];

8. //avr_mac為全局變量

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

10. }

11. //配置協(xié)議類型IP報(bào)文或ARP報(bào)文

12. rxtx_buffer[ETH_TYPE_H_P]=type.byte.high;

13. rxtx_buffer[ETH_TYPE_L_P]=type.byte.low;

14. }

eth_generate_header函數(shù)實(shí)現(xiàn)了填充以太網(wǎng)首部的功能，第一個(gè)輸入?yún)?shù)為發(fā)送接收緩沖區(qū)。第二個(gè)參數(shù)為IP類型，在AVRNET項(xiàng)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(gè)參數(shù)為目標(biāo)MAC地址，由于本機(jī)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。

為了使用最少的代碼實(shí)現(xiàn)TCPIP功能，假設(shè)通過IP發(fā)送報(bào)文時(shí)已經(jīng)確認(rèn)了目標(biāo)的IP地址，設(shè)備總是先被動(dòng)的通過ARP先讓PC機(jī)知道其MAC地址，這樣當(dāng)PC機(jī)發(fā)送UDP或者TCP報(bào)文時(shí)，在報(bào)文中已經(jīng)包含了PC機(jī)的IP地址，設(shè)備僅需從rxtx_buffer中取出PC機(jī)IP地址。ARP協(xié)議是一個(gè)找鄰居的過程，是一個(gè)廣播找MAC的過程。發(fā)出者通過廣播報(bào)文確認(rèn)某個(gè)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(shí)需要注意三點(diǎn)：

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(shí)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(bào)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(gè)字節(jié)被FF填充。

為了便于ARP功能的實(shí)現(xiàn)，在arp.h文件中定義了以下宏定義

1. #defineARP_PACKET_LEN28

2. //ARP請求

3. #defineARP_OPCODE_REQUEST_V0x0001

4. #defineARP_OPCODE_REQUEST_H_V0x00

5. #defineARP_OPCODE_REQUEST_L_V0x01

6. //ARP響應(yīng)

7. #defineARP_OPCODE_REPLY_V0x0002

8. #defineARP_OPCODE_REPLY_H_V0x00

9. #defineARP_OPCODE_REPLY_L_V0x02

10. //硬件類型10M以太網(wǎng)

11. #defineARP_HARDWARE_TYPE_H_V0x00

12. #defineARP_HARDWARE_TYPE_L_V0x01

13. //協(xié)議類型IPV4

14. #defineARP_PROTOCOL_H_V0x08

15. #defineARP_PROTOCOL_L_V0x00

16. //硬件地址長度

17. #defineARP_HARDWARE_SIZE_V0x06

18. //協(xié)議地址長度

19. #defineARP_PROTOCOL_SIZE_V0x04

20. //硬件類型2字節(jié)

21. #defineARP_HARDWARE_TYPE_H_P0x0E

22. #defineARP_HARDWARE_TYPE_L_P0x0F

23. //協(xié)議類型2字節(jié)

24. #defineARP_PROTOCOL_H_P0x10

25. #defineARP_PROTOCOL_L_P0x11

26. //硬件地址1字節(jié)

27. #defineARP_HARDWARE_SIZE_P0x12

28. //協(xié)議地址長度1字節(jié)

29. #defineARP_PROTOCOL_SIZE_P0x13

30. //操作碼2字節(jié)

31. #defineARP_OPCODE_H_P0x14

32. #defineARP_OPCODE_L_P0x15

33. //發(fā)送者硬件地址6字節(jié)

34. #defineARP_SRC_MAC_P0x16

35. //發(fā)送者IP地址4字節(jié)

36. #defineARP_SRC_IP_P0x1C

37. //目標(biāo)硬件地址6字節(jié)

38. #defineARP_DST_MAC_P0x20

39. //目標(biāo)IP地址6字節(jié)

40. #defineARP_DST_IP_P0x26

在沒有操作系統(tǒng)的支持下，一般通過一個(gè)無限循環(huán)實(shí)現(xiàn)子功能的實(shí)現(xiàn)。項(xiàng)目中通過某個(gè)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?yàn)轫?xiàng)目中沒有維護(hù)ARP表，所