AVRNET 学习笔记 IP ICMP部分

xukai871105

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学习笔记链接
http://www.amobbs.com/thread-5519381-1-1.html
AVRNET学习笔记 ETHERNET和ARP部分链接
http://www.amobbs.com/thread-5519452-1-1.html
AVRNET项目(国外)
http://www.avrportal.com/?page=avrnet
AVR webserver项目(国外)
http://www.tuxgraphics.org/electronics/200611/article06111.shtml#0lfindex0
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。但是需要强调，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地址是对应的，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

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. 
    
14. // IP版本号位置 以太网首部2+6+6
    
15. #define IP_P                0x0E
    
16. // 首部长度
    
17. #define IP_HEADER_VER_LEN_P 0x0E
    
18. // 服务类型
    
19. #define IP_TOS_P            0x0F
    
20. // IP总长度
    
21. #define IP_TOTLEN_H_P       0x10
    
22. #define IP_TOTLEN_L_P       0x11
    
23. // IP标识
    
24. #define IP_ID_H_P           0x12
    
25. #define IP_ID_L_P           0x13
    
26. //
    
27. #define IP_FLAGS_H_P        0x14
    
28. #define IP_FLAGS_L_P        0x15
    
29. // TTL生存时间
    
30. #define IP_TTL_P            0x16
    
31. // IP协议类型 例如ICMP TCP UDP
    
32. #define IP_PROTO_P          0x17
    
33. // 首部校验和
    
34. #define IP_CHECKSUM_H_P     0x18
    
35. #define IP_CHECKSUM_L_P     0x19
    
36. // 源IP地址
    
37. #define IP_SRC_IP_P         0x1A
    
38. // 目标IP地址
    
39. #define IP_DST_IP_P         0x1E
    
40. void ip_generate_header ( BYTE *rxtx_buffer, WORD_BYTES total_length, BYTE protocol, BYTE *dest_ip )
    
41. {
    
42.   BYTE i;
    
43.   // 校验结果
    
44.   WORD_BYTES ck;
    
45.   
    
46.   // 版本号和首都长度
    
47.   rxtx_buffer[ IP_P ] = IP_V4_V | IP_HEADER_LENGTH_V;
    
48. 
    
49.   // 服务类型
    
50.   rxtx_buffer[ IP_TOS_P ] = 0x00;
    
51. 
    
52.   // 总长度
    
53.   rxtx_buffer [ IP_TOTLEN_H_P ] = total_length.byte.high;
    
54.   rxtx_buffer [ IP_TOTLEN_L_P ] = total_length.byte.low;
    
55.   
    
56.   // IP标识
    
57.   rxtx_buffer [ IP_ID_H_P ] = ip_identfier >> 8;
    
58.   rxtx_buffer [ IP_ID_H_P ] = ip_identfier & 0x00ff;
    
59.   // 累加
    
60.   ip_identfier++;
    
61.   
    
62.   // 标志和分片偏移
    
63.   rxtx_buffer [ IP_FLAGS_H_P ] = 0x00;
    
64.   rxtx_buffer [ IP_FLAGS_L_P ] = 0x00;
    
65.   
    
66.   // 生存时间
    
67.   rxtx_buffer [ IP_TTL_P ] = 128;
    
68.   
    
69.   // set ip packettype to tcp/udp/icmp...
    
70.   rxtx_buffer [ IP_PROTO_P ] = protocol;
    
71.   
    
72.   // 设定目标地址和源地址
    
73.   for ( i = 0; i < 4; i++ )
    
74.   {
    
75.     rxtx_buffer[ IP_DST_IP_P + i ] = dest_ip;
    
76.     rxtx_buffer[ IP_SRC_IP_P + i ] = avr_ip.byte[ i ];
    
77.   }
    
78.   
    
79.   // 校验结果
    
80.   rxtx_buffer[ IP_CHECKSUM_H_P ] = 0;
    
81.   rxtx_buffer[ IP_CHECKSUM_L_P ] = 0;
    
82.   ck.word = software_checksum ( &rxtx_buffer[ IP_P ], sizeof(IP_HEADER), 0 );
    
83.   rxtx_buffer[ IP_CHECKSUM_H_P ] = ck.byte.high;
    
84.   rxtx_buffer[ IP_CHECKSUM_L_P ] = ck.byte.low;
    
85. }

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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。

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 )
    
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. }

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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。

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. 
   
8. // ICMP类型
   
9. #define ICMP_TYPE_P             0x22
   
10. // ICMP代码
    
11. #define ICMP_CODE_P             0x23
    
12. // ICMP首部校验和
    
13. #define ICMP_CHECKSUM_H_P       0x24
    
14. #define ICMP_CHECKSUM_L_P       0x25
    
15. // ICMP标识符
    
16. #define ICMP_IDENTIFIER_H_P     0x26
    
17. #define ICMP_IDENTIFIER_L_P     0x27
    
18. // ICMP序号
    
19. #define ICMP_SEQUENCE_H_P       0x28
    
20. #define ICMP_SEQUENCE_L_P       0x29
    
21. #define ICMP_DATA_P             0x2A

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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。

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. }

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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。

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. 
    
12. #ifdef ICMP_DEBUG
    
13.   printf("ICMP Request!\n");
    
14.   printf("Ping from:%d.%d.%d.%d\n",\
    
15.             rxtx_buffer[IP_SRC_IP_P+0],rxtx_buffer[IP_SRC_IP_P+1],\
    
16.             rxtx_buffer[IP_SRC_IP_P+2],rxtx_buffer[IP_SRC_IP_P+3]);
    
17. 
    
18. #endif
    
19.   // 生成以太网首部
    
20.   eth_generate_header ( rxtx_buffer, (WORD_BYTES){ETH_TYPE_IP_V}, dest_mac );
    
21.   
    
22.   // 生成IP首部
    
23.   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 );
    
24. 
    
25.   // 生成ICMP首部
    
26.   icmp_generate_packet ( rxtx_buffer ,(BYTE)ICMP_TYPE_ECHOREPLY_V);
    
27. 
    
28.   // 发送报文
    
29.   enc28j60_packet_send ( rxtx_buffer, sizeof(ETH_HEADER) + sizeof(IP_HEADER) + sizeof(ICMP_PACKET) );
    
30.   return 1;
    
31. }
    

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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 192.168.1.105。
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。
6.查询是否为IP报文，若非IP报文返回。
5.查询是否为ICMP报文并返回ICMP回显应答。

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. 
   
5.   /* 保存客服端的MAC地址 */
   
6.   memcpy ( (BYTE*)&client_mac, &rxtx_buffer[ ETH_SRC_MAC_P ], sizeof(MAC_ADDR) );
   
7.   /* 检查该报文是不是ARP报文 */
   
8.   if ( arp_packet_is_arp( rxtx_buffer, (WORD_BYTES){ARP_OPCODE_REQUEST_V} ) )
   
9.   {
   
10.     /* 向客户端返回ARP报文 */
    
11.     arp_send_reply ( (BYTE*)&rxtx_buffer, (BYTE*)&client_mac );
    
12.     return;
    
13.   }
    
14. 
    
15.   /* 保存客服端的IP地址 */
    
16.   memcpy ( (BYTE*)&client_ip, &rxtx_buffer[ IP_SRC_IP_P ], sizeof(IP_ADDR) );  
    
17.   /* 检查该报文是否为IP报文 */
    
18.   if ( ip_packet_is_ip ( (BYTE*)&rxtx_buffer ) == 0 )
    
19.   {
    
20.     return;
    
21.   }
    
22.   
    
23.   /* 如果是ICMP报文 向发起方返回数据 */
    
24.   if ( icmp_send_reply ( (BYTE*)&rxtx_buffer, (BYTE*)&client_mac, (BYTE*)&client_ip ) )
    
25.   {
    
26.     return;
    
27.   }

复制代码

实验结果实例：

PING命令使用

仿真输出结果

工程文件

xslff

不顶对不起自己。

xukai871105

xslff 发表于 2013-2-14 21:23
不顶对不起自己。

太感动了，等了一天终于有人回复了！
再发一个UDP的，呵呵，TCP，HTTP还会远吗！

xslff

感动的应该是我们这些通过您的资料学到东西的人，您太无私了，这么珍贵的东西花钱都不好找啊，您却免费的施舍给了每一个人，佩服。

kneken

谢谢楼主！！！！！！！！

pinpang

关注，lz继续。谢！

xukai871105

pinpang 发表于 2013-2-15 02:35
关注，lz继续。谢！

正在努力中，接下来要写TCP了！
说句实话，这的很复杂！

honghu_99

好贴啊  没白来一次  

dabi

不错啊。。学习了。。

honghu_99

向楼主学习中，最近也在搞Y以太网 希望多指教~~~

xukai871105

honghu_99 发表于 2013-2-17 15:47
向楼主学习中，最近也在搞Y以太网 希望多指教~~~

不能说向我学习，我也是借鉴他人的代码，应该说一起学习！

fenglove

最近也在看楼主推荐那个嵌入式网络编程的书，只是看的前几章，后面还没有来得及看......初步打算跟着书的节奏////
话说用STM32F107+LWIP,跑一个嵌入式系统，直接使用socket编程...但嵌入式网络编程对理论知识要求较高一些，MAC/PHY/。。。。。谢谢楼主分享

xukai871105

fenglove 发表于 2013-2-25 12:00
最近也在看楼主推荐那个嵌入式网络编程的书，只是看的前几章，后面还没有来得及看......初步打算跟着书的节 ...

这些嵌入式网络编程可以说是一通百通！需要耐心搞懂那些基础知识！

国内有一本lwIP的图书，但是书中的例子非常的少！

fenglove

您好！你说的是 “嵌入式网络那些事:LwIP协议深度剖析与实战演练 ”那本书吧，听你说过之后在卓越上搜索到的，你看着怎么样啊？如果觉得好的话，我也打算买一本回来看看，

初步打算 把嵌入式Internet  TCP/IP基础、实现及应用 那本书上的历程在STM32F107上面跑一遍，这边107的硬件环境已经使用的比较多，算是比较成熟了吧，不知道楼主怎么看啊？望多多指教！

中国力量

学习了 这个很好

xukai871105

fenglove 发表于 2013-2-27 17:01
您好！你说的是 “嵌入式网络那些事:LwIP协议深度剖析与实战演练 ”那本书吧，听你说过之后在卓越上搜索到 ...

非常同意，我也准备把书上的代码实践一下！
至于LwIP那本书，书上的例子比较少，如果想深入研究协议实现的话，可以入手！

pangbin4

真的是高手！

fenglove

xukai871105 发表于 2013-2-27 19:31
非常同意，我也准备把书上的代码实践一下！
至于LwIP那本书，书上的例子比较少，如果想深入研究协议实现 ...

好的，谢谢，等把手头这个项目搞完，就去做，现在是F107上面跑一个小的系统 +LWIP 网络部分直接使用的 SOCKT API接口,只是会用，对细节并不了解，很感谢你的回复~

shuiyunzhijian

楼主好人
对比着楼主推荐的书看了，收获很大
感谢楼主

MCU_CARD

写的很好,非常感谢!.

绿茶山人

这个必须顶！mark！

xukai871105

绿茶山人 发表于 2013-5-4 17:25
这个必须顶！mark！

我会继续努力的！

reflecter

谢谢楼主图文代码并茂的分享
坛内Rt-thread小组用Lwip作出产品来了的，可以关注下

xukai871105

reflecter 发表于 2013-5-4 23:15
谢谢楼主图文代码并茂的分享
坛内Rt-thread小组用Lwip作出产品来了的，可以关注下 ...

请问哪里有链接，看看，学习一下！

写这个文档的主要精神是学习TCP IP协议栈，并不是拿这个来实际使用！
实际使用还是lwIP和uIP这样的协议栈比较好！

reflecter

xukai871105 发表于 2013-5-7 09:29
请问哪里有链接，看看，学习一下！

写这个文档的主要精神是学习TCP IP协议栈，并不是拿这个来实际使用！ ...

http://www.amobbs.com/forum-3066-1.html
http://www.rt-thread.org/

wolyond

看得出楼主是个栋梁之才！

xukai871105

wolyond 发表于 2013-8-14 14:50
看得出楼主是个栋梁之才！

感谢你的回复，我会继续努力的！

滴答滴答下雨啦

先收藏了，以后学习……

hyf88

mark，，，，，，

DouglasXie

MARK，学习中，谢谢分享

xukai871105

DouglasXie 发表于 2014-1-10 16:28
MARK，学习中，谢谢分享

你把我的帖子都顶了一遍啊！

DouglasXie

xukai871105 发表于 2014-1-11 21:50
你把我的帖子都顶了一遍啊！

呵呵，因为你写的很详细，对我这样的菜鸟来说很有帮助，必须顶

zsenbao

好帖，学习了