本章为系列指南的第九章,终结篇,本章主要来分析一下完整的ARP协议,并在STM32F4中实现一个精简的ARP协议响应流程。
ARP协议的本质是使局域网内的其他主机能够知道我在哪儿,比如在局域网上有人冲着所有人喊了一句「IP为XXXX的家伙,你在哪儿」,我一听,XXXX不是我的IP吗,我得回答他啊,于是我冲着所有人(也可以是单独的这个人)喊一句「我在这儿呢,我的MAC是YYYY」,这样局域网内所有用户,包括交换机就知道IP为XXXX的家伙MAC地址是YYYY,并且交换机知道了我连在它的第N个端口上,以后有人要通过交换机向IP为XXXX的我发信息,交换机就把数据包发到N port上去了。没有上面这套流程,局域网上就没人知道你是谁,你的IP多少,你的MAC多少,你连在交换机大佬的第几个端口上,自然你也收不到任何非广播包数据了。
ARP请求
如果我要向一个之前没有任何联系的主机主动发一个数据包,一般情况下都会触发一个ARP询问,比如我们上一章《STM32F4+DP83848以太网通信指南第八章:收包流程》中,最后的实验,我打开CMD命令行,输入了一个指令ping 192.168.1.201,这时候PC的底层设备(一般是网卡)首先判断一下自己的缓存中有没有192.168.1.201这个IP的缓存信息,如果没有通信记录或者时间过长失效了,就得在网络上广播一下,找找看当前有没有谁在用192.168.1.201这个IP地址,包内容如下:
ff ff ff ff ff ff 00 0e c6 d4 1d d4 08 06 00 01
08 00 06 04 00 01 00 0e c6 d4 1d d4 c0 a8 01 c8
00 00 00 00 00 00 c0 a8 01 C9
WireShark分析以上报文的解析如下图所示:
ARP响应
目标主机的MAC地址为FF FF FF FF FF FF时,交换机会将此包广播到所有端口,这时候所有节点的网卡上都能收到这个广播包,如果某一节点的IP地址为192.168.1.201则需要对此包进行响应,判断依据为上述包的以下特征:
第一行倒数第4,第3字节:0806,代表的是ARP协议
第二行第6字节:01,代表的是ARP请求
第三行最后4字节:c0 a8 01 C9,代表的是192.168.1.1,跟自己寄存器中的值匹配
响应数据包为以下内容:
00 0e c6 d4 1d d4 00 11 0e 0b 03 8a 08 06 00 01
08 00 06 04 00 02 00 11 0e 0b 03 8a c0 a8 01 c9
00 0e c6 d4 1d d4 c0 a8 01 c8 00 00 00 00 00 00
00 00 00 00 00 00 00 00 20 20 20 20
上述中,以下数据是动态变化的:
第一行前6个字节:00 0e c6 d4 1d d4,根据请求包中的第7-12六个字节决定,表示目标MAC地址
第一行第7-12六个字节:00 11 0e 0b 03 8a,自由设置的自己的MAC地址
第二行第7-12六个字节:00 11 0e 0b 03 8a,自由设置的自己的MAC地址
第二行倒数4个字节:c0 a8 01 c9,自己的IP地址,也就是请求包中所呼唤的IP地址,192.168.1.201
第三行前6个字节:00 0e c6 d4 1d d4,根据请求包中的第7-12六个字节决定,表示目标MAC地址
第三行第7-10四个字节:c0 a8 01 c8,根据请求包第二行倒数四个字节决定,表示目标IP地址
这些信息都可以用WireShark分析出来,WireShark对每一个字节的含义都有明确的解释。
编码实现
有了特征匹配及填充规则,配合我们之前的STM32发包和收包DEMO,我们就可以编程实现ARP数据包的响应了。
#define LEN_ARP 42
/* 以下为业务逻辑需要用到的全局变量 */
u8 IPAddr[4];
vu8 SystemStatus; /* 系统状态,bit0:是否需要发送被动响应数据包,bit1:是否打开了PNIO开关,bit2:是否需要发送PNControl request */
vu16 sendLen; /* 发送包长度 */
u8 sendBuffer[1024]; /* 发送包BUFFER */
u8 arp_answer[LEN_ARP]={
0,0,0,0,0,0, /* ArpAskerMac */ 0,0,0,0,0,0, /* myMac */ 0x08, 0x06, 0x00, 0x01,
0x08, 0x00, 0x06, 0x04, 0x00, 0x02, 0,0,0,0,0,0, /* myMac */ 0,0,0,0, /* IP address */
0,0,0,0,0,0, /* ArpAskerMac */ 0,0,0,0/* ArpAskerIP */
};
int main() {
SystemStatus = SS_NOTHING;
sendLen = 0;
/* 默认调用SystemInit,系统时钟168MHz */
NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_4); //4位抢占,0位响应
DelayInit(168); //初始化168MHz
NVIC_SetPriority (SysTick_IRQn, 0); //系统滴答定时器优先级最高
DP83848Init(MyMacAddr); //初始化DP83848
while(1) {
if (0x01 == (SystemStatus & 0x01)){
/* 如果需要发送被动网卡响应 */
DP83848Send(sendBuffer, sendLen);
sendLen = 0;
SystemStatus = SystemStatus & 0xFE; /* bit0置为0 */
}
}
}
void Pkt_Handle(void) {
FrameTypeDef frame;
__IO ETH_DMADESCTypeDef *DMARxNextDesc;
/* get received frame */
frame = ETH_Get_Received_Frame();
/* Obtain the size of the packet and put it into the "len" variable. */
receiveLen = frame.length;
receiveBuffer = (u8 *)frame.buffer;
if (Match(receiveBuffer, ArpProtocol, 12, 2) && Match(receiveBuffer, IPAddr, 38, 4)){
/* ARP */
//printf("ARP test received\n");
memcpy(sendBuffer, arp_answer, LEN_ARP);
for (int i = 0; i < 6; i++) {
/* ArpAskerMac */
sendBuffer[i] = receiveBuffer[6 + i];
sendBuffer[32 + i] = receiveBuffer[6 + i];
}
for (int i = 0; i < 4; i++) {
/* ArpAskerIP */
sendBuffer[38 + i] = receiveBuffer[28 + i];
}
sendLen = LEN_ARP;
SystemStatus = (SystemStatus | 0x01); /* 打开网卡被动数据发送开关 */
}
/* Check if frame with multiple DMA buffer segments */
if (DMA_RX_FRAME_infos->Seg_Count > 1) {
DMARxNextDesc = DMA_RX_FRAME_infos->FS_Rx_Desc;
} else {
DMARxNextDesc = frame.descriptor;
}
/* Set Own bit in Rx descriptors: gives the buffers back to DMA */
for (i = 0; i < DMA_RX_FRAME_infos->Seg_Count; i++) {
DMARxNextDesc->Status = ETH_DMARxDesc_OWN;
DMARxNextDesc = (ETH_DMADESCTypeDef *)(DMARxNextDesc->Buffer2NextDescAddr);
}
/* Clear Segment_Count */
DMA_RX_FRAME_infos->Seg_Count = 0;
/* When Rx Buffer unavailable flag is set: clear it and resume reception */
if ((ETH->DMASR & ETH_DMASR_RBUS) != (u32)RESET) {
/* Clear RBUS ETHERNET DMA flag */
ETH->DMASR = ETH_DMASR_RBUS;
/* Resume DMA reception */
ETH->DMARPDR = 0;
}
}
编码的总体思想就是中断中快进快出,用变量来标记状态,主循环中不断判断状态并复位状态。
使用这种方式,可以继续扩展ICMP协议,实现PING指令,以及更多按需裁剪的TCP/IP协议,当然扩展的协议越多,这种纯粹的if判断也会越多,以后会细分各个层,在层次中继续if判断,当到了顶层应用层之后,就只管TCP/UDP协议了,内容一般都是应用协议自己规划的比如HTTP,FTP这些协议,只需要把上层协议的数据结构填充到下层协议的内容区域就行了。当遇到数据包比较庞大的时候,还需要分包传输,暂时我们没有用到,LWIP中有相应的实现,有需求的话可以去研究。此外,我们实验中的代码都是基于数组进行数据装箱拆箱操作的,而网络包的协议是按层次来的,使用数组不断的进行数据的填充是非常消耗性能的,因此在遇到数据量比较大,需要实现的协议比较多时,仍然建议按照LWIP的思路使用收尾相接的链式结构进行拆装箱。
系列总结
到此我们这个系列就算告一段落了,后面的工业以太网的协议的分析和实现我不方便做公开的教程,也是自己一步一步摸索过来的,目前自己在设计PCB板,后期这个工程需要制板贴片并做成最终的工业产品。
我们来回顾总结一下这个系列教程,首先我们对STM32F407的时钟、中断等相关知识做了一个梳理,接着我们认识了STM32中的MAC,以及跟MAC搭配的PHY,同时还对DMA技术做了一个粗略的了解。试着初始化相关的GPIO,使能了MAC,DMA,PHY,这样一个DP83848Init()函数就搞定了;再后来我们又完成DP83848Send()函数,能够发包了,接着配置了以太网中断,能够在Pkt_Handle()函数中进行以太网收包了,以上函数的编写,我们都是参考的ethernetif.c文件,它的几个底层函数low_level_init、low_level_output、low_level_input给我们提供了重要的线索。最后对TCP/IP协议栈中的ARP协议进行了分析,并运用之前的全部知识,进行了ARP响应的编码实现,并对以后其他协议的扩展实现提出了思路和优化建议。
好了,期待今后有更多的系列教程跟大家分享。再见!