1.前言

嵌入式以太網開發是一個很有挑戰性的工作。通過幾個月的學習，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，在嵌入式系統中應用 lwIP協議棧。第二種途徑，通過分析嵌入式以太網代碼，結合TCPIP協議棧規范逐步實踐協議棧代碼。第一種途徑效率高，開發周期短，編寫出來的代碼性能穩定，第二種途徑花的時間長，開發出來的代碼功能不完善，但是由于緊緊結合TCPIP規范，可以了解的內容較多，適合學習。本文通過分析和修改AVRNET源碼并移植到STM32平臺，逐步實現TCPIP協議棧的各個子部分，包括ETHERNET部分，ARP部分，IP部分，ICMP部分，UDP部分，TCP部分和HTTP部分。

【 STM32NET學習筆記——索引】【代碼倉庫】

本文先實現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地址設定必須和PC機在同一個網段中。例如 ：

PC機IP：192.168.1.102

AVR IP： 192.168.1.115

【局域網訪問 】

如果有STM32開發板或者其他CPU的開發板的話，可以把開發板的以太網端口連接到路由器LAN端口，只要保證開發板的IP地址和PC機的IP地址在同一個網段。

【廣域網訪問 】

如果有固定的電信網IP地址的話，可以在路由器中設置靜態端口映射，把某個端口映射成局域網內的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。

1.3 代碼倉庫

【代碼倉庫】——CSDN Code代碼倉庫。

2.初始化

以太網協議棧的實現離不開以太網驅動芯片。以太網驅動如何實現請參考——ENC28J60學習筆記。TCPIP的實現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。

struct.h頭文件中 相關定義：

［cpp］ view plain copy// MAC地址結構體

#pragma pack（1）

typedef struct _MAC_ADDR

{

BYTE byte［6］;

}MAC_ADDR;

// IP地址結構體

#pragma pack（1）

typedef struct _IP_ADDR

{

BYTE byte［4］;

}IP_ADDR;

main.c函數中的初始化代碼：

［cpp］ view plain copy// 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地址均為自定義的結構體，結構體中為一個字節數組。嚴格來說，MAC地址不能胡亂定義，應嚴格遵守相關規范，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ETHERNET

TCPIP是一系列協議的組合，其中最有名的為TCP協議和IP協議。但是千萬不要忽視最底層的協議結構——ETHERNET。ETHERNET包括14個字節，稱之為以太網首部，其中前六個字節為目標MAC地址，緊著的6個字節為源MAC地址，最后的兩個字節為協議類型。以太網的實現通信時必須要知道雙方的MAC地址，發送方不明確接收方的地址便通過ARP協議尋找目標MAC地址，如果依然沒有結果則可只能把該報文轉發給路由器，讓路由器處理該報文。協議類型只需關心兩種，0800的IP協議和0806的ARP協議。

ethernet.h中相關宏定義

［cpp］ view plain copy// 協議類型 ARP報文

#define ETH_TYPE_ARP_V 0x0806

#define ETH_TYPE_ARP_H_V 0x08

#define ETH_TYPE_ARP_L_V 0x06

// 協議類型 以太網報文

#define ETH_TYPE_IP_V 0x0800

#define ETH_TYPE_IP_H_V 0x08

#define ETH_TYPE_IP_L_V 0x00

// 以太網報文頭部長度 14

#define ETH_HEADER_LEN 14

// 目標MAC地址

#define ETH_DST_MAC_P 0

// 源MAC地址

#define ETH_SRC_MAC_P 6

// 協議類型

#define ETH_TYPE_H_P 12

#define ETH_TYPE_L_P 13

ethernet.c中相關函數

［cpp］ view plain copyvoid eth_generate_header （ BYTE *rxtx_buffer， WORD_BYTES type， BYTE *dest_mac ）

{

BYTE i;

// 配置以太網報文 目標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為全局變量

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

}

// 配置協議類型 IP報文或ARP報文

rxtx_buffer［ ETH_TYPE_H_P ］ = type.byte.high;

rxtx_buffer［ ETH_TYPE_L_P ］ = type.byte.low;

}

eth_generate_header函數實現了填充以太網首部的功能，第一個輸入參數為發送接收緩沖區。第二個參數為IP類型，在AVRNET項目中傳入的參數不是0800的IP協議類型就是0806的ARP協議類型。第三個參數為目標MAC地址，由于本機MAC地址作為了全局變量，可以在函數內部填充到緩沖區中。

4.實現ARP

為了使用最少的代碼實現TCPIP功能，假設通過IP發送報文時已經確認了目標的IP地址，設備總是先被動的通過ARP先讓PC機知道其MAC地址，這樣當PC機發送UDP或者TCP報文時，在報文中已經包含了PC機的IP地址，設備僅需從rxtx_buffer中取出PC機IP地址。ARP協議是一個找鄰居的過程，是一個廣播找MAC的過程。發出者通過廣播報文確認某個IP的MAC地址。ARP首部包括，2字節硬件類型，2字節協議類型，1字節硬件長度，1字節協議長度，2字節操作碼，6字節發送者硬件地址，4字節發送者IP地址，6字節目標硬件地址和4字節目標IP地址。

在使用ARP協議時需要注意三點：

第一，操作碼分為兩種——ARP請求和ARP響應，ARP請求的編碼為1，ARP響應的編碼為2，先有請求后有響應。第二，發送ARP協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送以太網數據，所以以太網首部的前6個字節被FF填充。

為了便于ARP功能的實現，在arp.h文件中定義了以下宏定義

［cpp］ view plain copy#define ARP_PACKET_LEN 28

// ARP請求

#define ARP_OPCODE_REQUEST_V 0x0001

#define ARP_OPCODE_REQUEST_H_V 0x00

#define ARP_OPCODE_REQUEST_L_V 0x01

// ARP響應

#define ARP_OPCODE_REPLY_V 0x0002

#define ARP_OPCODE_REPLY_H_V 0x00

#define ARP_OPCODE_REPLY_L_V 0x02

// 硬件類型 10M以太網

#define ARP_HARDWARE_TYPE_H_V 0x00

#define ARP_HARDWARE_TYPE_L_V 0x01

// 協議類型 IPV4

#define ARP_PROTOCOL_H_V 0x08

#define ARP_PROTOCOL_L_V 0x00

// 硬件地址長度

#define ARP_HARDWARE_SIZE_V 0x06

// 協議地址長度

#define ARP_PROTOCOL_SIZE_V 0x04

// 硬件類型 2字節

#define ARP_HARDWARE_TYPE_H_P 0x0E

#define ARP_HARDWARE_TYPE_L_P 0x0F

// 協議類型 2字節

#define ARP_PROTOCOL_H_P 0x10

#define ARP_PROTOCOL_L_P 0x11

// 硬件地址 1字節

#define ARP_HARDWARE_SIZE_P 0x12

// 協議地址長度 1字節

#define ARP_PROTOCOL_SIZE_P 0x13

// 操作碼 2字節

#define ARP_OPCODE_H_P 0x14

#define ARP_OPCODE_L_P 0x15

// 發送者硬件地址 6字節

#define ARP_SRC_MAC_P 0x16

// 發送者IP地址 4字節

#define ARP_SRC_IP_P 0x1C

// 目標硬件地址 6字節

#define ARP_DST_MAC_P 0x20

// 目標IP地址 6字節

#define ARP_DST_IP_P 0x26

在沒有操作系統的支持下，一般通過一個無限循環實現子功能的實現。項目中通過某個process不斷查詢是否存在網卡數據，如果有網卡數據則立刻保存源MAC地址。因為項目中沒有維護ARP表，所以必須及時記錄發送方的MAC地址，以便向它返回數據。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。具體代碼如下 ：

［cpp］ view plain copyvoid server_process （ void ）

{

MAC_ADDR client_mac;

IP_ADDR client_ip;

WORD plen;

// 獲得新的IP報文

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） ）;

// 檢查該報文是不是ARP報文

if （ arp_packet_is_arp（ rxtx_buffer， （WORD_BYTES）{ARP_OPCODE_REQUEST_V} ） ）

{

// 向客戶端返回ARP報文

arp_send_reply （ （BYTE*）&rxtx_buffer， （BYTE*）&client_mac ）;

return;

}

}

4.1 查詢ARP報文

查詢該報文是否是針對設備的ARP報文需要確認三點，第一：確認以太網首部中的協議類型是否為ARP協議類型，ARP協議類型的值為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起者IP地址和MAC地址。通過串口打印可以確認該ARP報文的發起者。

［cpp］ view plain copyBYTE arp_packet_is_arp （ BYTE *rxtx_buffer， WORD_BYTES opcode ）

{

BYTE i;

// 該報文為ARP報文

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;

// 確認ARP操作碼 ARP請求 1 ARP應答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;

}

// 通過串口輸出

#if ARP_DEBUG

printf（“ARP Message！ ”）;

printf（“Source IP：%d.%d.%d.%d ”，

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 ”，

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首部還是緊緊圍繞兩個地址展開，即目標MAC地址和目標IP地址，在ARP響應過程中，源MAC地址和IP地址現在轉變為了目標MAC地址和IP地址。

［cpp］ view plain copyvoid arp_generate_packet （ BYTE *rxtx_buffer， BYTE *dest_mac， BYTE *dest_ip ）

{

unsigned char i;

// 硬件類型 0001 10M以太網

rxtx_buffer［ ARP_HARDWARE_TYPE_H_P ］ = ARP_HARDWARE_TYPE_H_V;

rxtx_buffer［ ARP_HARDWARE_TYPE_L_P ］ = ARP_HARDWARE_TYPE_L_V;

// 協議類型

rxtx_buffer［ ARP_PROTOCOL_H_P ］ = ARP_PROTOCOL_H_V;

rxtx_buffer［ ARP_PROTOCOL_L_P ］ = ARP_PROTOCOL_L_V;

// 硬件地址長度

rxtx_buffer［ ARP_HARDWARE_SIZE_P ］ = ARP_HARDWARE_SIZE_V;

// 協議地址長度

rxtx_buffer［ ARP_PROTOCOL_SIZE_P ］ = ARP_PROTOCOL_SIZE_V;

// 目標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］;

}

// 目標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 響應ARP請求

ARP響應可以體現出TCP IP報文產生的基本過程，即層層包裝。先包裝以太網首部，在包裝ARP首部，最后通過ENC28J60發送即可。

［cpp］ view plain copyvoid 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.測試

PC機通過ping命令發送一個ICMP報文，ping命令是確認網絡是否連接的命令，例如發送ping 192.168.1.115，由于PC機不明確該IP地址的MAC地址，所以會先發送一個ARP請求。STM32設備可捕獲該ARP請求，并通過串口輸出發送ARP請求的設備的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。

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容。