STM32NET学习笔记 ARP和Ethernet部分
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 13ethernet.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