STM32F4+DP83848以太网通信指南系列（九）：自己写一个ARP协议

1万 · 2019-7-4 09:44

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。

1万 · 2019-7-4 09:44

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

1万 · 2019-7-4 09:45

WireShark分析以上报文的解析如下图所示：

1万 · 2019-7-4 09:45

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。

1万 · 2019-7-4 09:46

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 */
}
}
}

1万 · 2019-7-4 09:46

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 = 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;
}
}

1万 · 2019-7-4 09:47

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。

1万 · 2019-7-4 09:47

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。