STM32+enc28j60+uip 實現單片機 ping PC端

• 1. 前言
• 2. 實驗簡介
• 3. uip簡介
• 4. icmp簡介
• • 4.1 icmp介紹
  • 4.2 請求回顯或回顯應答報文格式介紹
• 5. 實驗環境
• 6. 實驗內容
• • 6.1 實驗方案
  • 6.2 請求回顯報文的發送
  • 6.3 回顯應答報文的接收與校驗
• 7. 實驗結果
• 8. 實驗結果分析
• 9. 總結

1. 前言

臨近畢業，多年在csdn等各大論壇闖蕩（學習）的我，終于下定決心，開始寫自己人生中的第一篇博客。

在學習了一段時間的uip協議棧后，走了很多彎路，所以想與大家分享自己的學習經歷。本人沒啥文筆，只能將自己所學所感與大家分享，本文的部分內容也是通過csdn等各大論壇收集整理而來，忠心希望大家能將意見或者建議在評論區與我分享，與大家共勉。

2. 實驗簡介

本次實驗主要采用stm32最小系統開發板，MCU為stm32f103c8t6，搭載了enc28j60以太網模塊，工程代碼基于uip協議棧，實現了實現單片機 ping PC端。

3. uip簡介

關于uip的學習，可參考xukai871105大神的博客—【uIP學習筆記】

4. icmp簡介

4.1 icmp介紹

ICMP（Internet Control Message Protocol），網絡控制消息協議。它是TCP/IP協議簇的一個子協議，用于在IP主機、路由器之間傳遞控制消息。ICMP的協議號為1。

ICMP協議的功能主要有：
（1）確認IP包是否成功到達目標地址。
（2）通知在發送過程中IP包被丟棄的原因。

ICMP報文是在IP報文內部的！！！
ICMP報文分為查詢報文和差錯報文。

4.2 請求回顯或回顯應答報文格式介紹

注：本次實驗主要實現的是ping功能，用到的是ICMP查詢報文中的請求回顯或回顯應答報文（Echo or Echo Reply Message），所以對icmp其他報文類型不做展開。

報文內容的開始，是以太網幀頭，包括目的主機的mac地址，源主機的mac地址，協議類型，共14Bytes（PC端的網卡MAC地址可通過cmd命令：ipconfig/all 查看，由于enc28j60沒有唯一的mac標識，在實驗時可隨機設置）。

其次是報文類型，該處字符若為0x8000，說明該報文是IPv4類型。

接著是IP首部字段（IP Header），總長20Bytes。首部字段包括：

（1）IP Version:4，說明是IPv4），1Bytes；
（2）包頭長度（Header Length），1Bytes；
（3）區分服務領域（Differentiated Services Field），1Bytes；
（4）總長度（Total Length），1Bytes；
（5）標識符（Identification），2Bytes；
（6）標記字段（Flags），2Bytes；
（8）報文生存時間（TTL），1Bytes；
（9）報文所用協議類型（Protocol），1Bytes；
（10）IP包頭檢驗和（IP Header checksum），2Bytes，
（11）源IP（發送方IP），4Bytes；
（12）目的IP（接收方IP），4Bytes。

其中，IP包頭檢驗和計算方法如下：
1.checksum的初始值自動被設置為0
2.接著，以16bit為單位，兩兩相加，對于該例子，即為：E34F + 2396 + 4427 + 99F3 = 1E4FF
3.若計算結果大于0xFFFF，則將，高16位加到低16位上，對于該例子，即為0xE4FF + 0x0001 = E500

注：校驗和部分很重要，如果校驗和出錯，會導致報文被過濾，從而使得接收方接收不到該報文。

再接著是ICMP字段，總長40Bytes。其中包括：
（1）類型Type（Type: 8 表示icmp echo request，請求回顯），1Bytes；
（2）代碼值(code，code: 0x00表示請求回顯），1Bytes；
（3）校驗和（checksum)，2Bytes；
（4）Identifier（用于區分不同的PING進程），2Bytes，對于unix以及類unix操作系統來說，icmp Identifier的內容就是ping的進程號，對于windows系統來說，具體參考如下：
Microsoft Windows NT - 256
Microsoft Windows 98/98SE - 512
Microsoft Windows 2000 - 512
Microsoft Windows ME - 768
Microsoft Windows 2000 Family with SP1 - 768
既然windows系統的icmp Identifier是固定不變的，那么系統如何區別不同的Ping進程呢？實際上windows系統就不在根據Identifier來區別ping進程了，它是根據Sequence Number field來區分的。
（5）序列號（Sequence number），2Bytes，區分發送順序，與IP Header中的標識符類似。
（6）數據段（data)，32Bytes，作為icmp 請求回顯或回顯應答報文的話，發送數據Data的內容可以是隨機的。

看完了格式內容之后，同學們可以動動手，用wireshark抓取icmp包，看看報文中各個部分的具體內容。

5. 實驗環境

單片機部分：stm32+enc28j60

PC端部分：win10，串口調試助手，wireshark

其他：單片機與PC端網線直連（并保證單片機與PC在同一網段）
單片機IP: 192.168.1.8
PC端IP: 192.168.1.5
網關: 192.168.1.1

6. 實驗內容

6.1 實驗方案

本次實驗，主要分為請求回顯報文的發送和回顯應答報文的接收兩部分，已經知道了報文的具體內容之后，我們便可以自己構建報文內容。模仿uip協議棧的uip_buf機制，構建請求回顯報文內容，往uip_buf（或者自己定義的buf變量）中填充數據，再通過enc20j60底層發送函數進行發送；對于接收回顯應答報文，可以分步對其進行數據解析，最后通過串口打印ping的結果。

6.2 請求回顯報文的發送

構造請求回顯報文，主要有以下幾個方面：

定義相關結構體，這些結構體中的變量是根據報文的格式內容來定義的；

聲明相關全局變量，如報文各個部分的長度；

校驗和函數的定義；

報文內容的封裝；

對封裝好的報文進行預發送處理，在預發送過程中，要判斷在arp表中是否有目的ip的mac地址，如果有，則以封裝好的請求回顯報文進行發送；如果沒有，就要構造ARP請求進行發送。

詳細代碼如下：

/************************ icmp ***************************************************/struct ethip_headr {struct uip_eth_hdr ethhdr;/* IP header. */u8_t vhl,tos,len[2],ipid[2],ipoffset[2],ttl,proto;u16_t ipchksum;u16_t srcipaddr[2],destipaddr[2]; };struct arp_header {struct uip_eth_hdr ethhdr;u16_t hwtype;u16_t protocol;u8_t hwlen;u8_t protolen;u16_t opcode;struct uip_eth_addr shwaddr;u16_t sipaddr[2];struct uip_eth_addr dhwaddr;u16_t dipaddr[2];};struct icmp_header {u8_t type; //icmp 類型u8_t code; //代碼值u16_t icmpchksum; //校驗和u8_t ide[2]; //用于區分不同ping進程u8_t seq[2]; //echo 序列號char data[28]; //數據段 };/**********************************************************************/ /******************** icmp echo request ************************/ #define UIP_ICMP_BUFSIZE 200 #define ICMP_DATA_SIZE 32 #define ICMP_IPD_LLH_LEN 17 //以太網+IP #define ICMP_ETH_LEN 14 //以太網幀頭長度 #define ICMP_IPH_LEN 20 //IPHead長度 #define UIP_ICMP_LEN 40 //ICMP幀長度 u8_t uip_icmp_buf[UIP_ICMP_BUFSIZE + 2]; u16_t uip_icmp_len;#define ICMP_ARP_BUF ((struct arp_header *)&uip_icmp_buf[0]) //主動連接時，替換ICMP_IP_BUF #define ICMP_IP_BUF ((struct ethip_headr *)&uip_icmp_buf[0]) #define ICMP_BUF ((struct icmp_header *)&uip_icmp_buf[ICMP_ETH_LEN + ICMP_IPH_LEN])/**********************************************************************/ volatile u8_t FLAG_icmp_arpout = 0; extern u16_t chksum(u16_t sum, const u8_t *sdata, u16_t len); static u16_t icmp_ipid; static u16_t icmp_seq; static u8_t j; u16_t icmp_ide = 0;/**********************************************************************/ //iphead check static u16_t short_checksum(u16_t sum, const u8_t *sdata, u16_t len) {u16_t t;const u8_t *dataptr;const u8_t *last_byte;dataptr = sdata;last_byte = sdata + len - 1;while(dataptr < last_byte) { /* At least two more bytes */t = (dataptr[0] << 8) + dataptr[1];sum += t;if(sum < t) {sum++; /* carry */}dataptr += 2;}if(dataptr == last_byte) {t = (dataptr[0] << 8) + 0;sum += t;if(sum < t) {sum++; /* carry */}}/* Return sum in host byte order. */return sum; }/***************************** icmp IP checksum *********************************/ u16_t icmp_ipchksum(void) {u16_t sum;sum = short_checksum(0, &uip_icmp_buf[ICMP_ETH_LEN], ICMP_IPH_LEN);return (sum == 0) ? 0xffff : htons(sum); }/***************************** icmp checksum *********************************/u16_t icmp_icmpchksum(void) {u16_t sum;sum = short_checksum(0, &uip_icmp_buf[ICMP_ETH_LEN + ICMP_IPH_LEN], UIP_ICMP_LEN);return (sum == 0) ? 0xffff : htons(sum); } /*****************************************************************************//****************************************************************************** * @brief 構造ip包頭 * * @param 接收方ip：a.b.c.d * * @retval void. * ******************************************************************************/ void icmp_iphead(u8_t a, u8_t b, u8_t c, u8_t d) {uip_ipaddr_t ipaddr;//構造icmp IPv4 headerICMP_IP_BUF->vhl = 0x45;ICMP_IP_BUF->tos = 0;uip_icmp_len = 0x3c;ICMP_IP_BUF->len[0] = (uip_icmp_len >> 8);ICMP_IP_BUF->len[1] = (uip_icmp_len & 0xff);ICMP_IP_BUF->ipoffset[0] = ICMP_IP_BUF->ipoffset[1] = 0;++icmp_ipid;ICMP_IP_BUF->ipid[0] = icmp_ipid >> 8;ICMP_IP_BUF->ipid[1] = icmp_ipid & 0xff;ICMP_IP_BUF->ttl = UIP_TTL;ICMP_IP_BUF->proto = UIP_PROTO_ICMP; //0x01ICMP_IP_BUF->ipchksum = 0; //計算校驗和之前，先將校驗和清0ICMP_IP_BUF->ipchksum = ~(icmp_ipchksum());uip_ipaddr(ipaddr,a,b,c,d);uip_ipaddr_copy(ICMP_IP_BUF->destipaddr, (ipaddr));uip_ipaddr_copy(ICMP_IP_BUF->srcipaddr, uip_hostaddr); }const char icmp_data[ICMP_DATA_SIZE] = {0x61, 0x62, 0x63, 0x64, 0x65, 0x66, 0x67, 0x68, 0x69, 0x6a, 0x6b, 0x6c, 0x6d, 0x6e, 0x6f, 0x70, 0x71, 0x72, 0x73, 0x74, 0x75, 0x76, 0x77, 0x61, 0x62, 0x63, 0x64, 0x65, 0x66, 0x67, 0x68, 0x69 };void icmp_arp(void) {struct arp_entry *tabptr;FLAG_icmp_arpout = 0;/* 在ARP表中找到目標IP地址并構造以太網頭。如果目標IP地址不在本地網絡，我們使用默認路由器的IP地址。如果找不到ARP表項，我們用對IP地址的ARP請求覆蓋原始IP包 *//* 首先檢查目的地是否是本地廣播。 */if(uip_ipaddr_cmp(ICMP_IP_BUF->destipaddr, broadcast_ipaddr)) {memcpy(ICMP_IP_BUF->ethhdr.dest.addr, broadcast_ethaddr.addr, 6); } else {/* 檢查目標地址是否在本地網絡上 */if(!uip_ipaddr_maskcmp(ICMP_IP_BUF->destipaddr, uip_hostaddr, uip_netmask)) {/* 目標地址不在本地網絡上，因此在確定MAC地址時，我們需要使用默認路由器的IP地址而不是目標地址。 */uip_ipaddr_copy(ipaddr, uip_draddr);} else {/* 否則，我們使用目標IP地址 */uip_ipaddr_copy(ipaddr, ICMP_IP_BUF->destipaddr);}for(j = 0; j < UIP_ARPTAB_SIZE; ++j) {tabptr = &arp_table[j];if(uip_ipaddr_cmp(ipaddr, tabptr->ipaddr)) {break;} }if(j == UIP_ARPTAB_SIZE) {/* 目的地地址不在我們的ARP表中，所以我們用ARP請求覆蓋IP包。 */FLAG_icmp_arpout++ ;memset(BUF->ethhdr.dest.addr, 0xff, 6);memset(BUF->dhwaddr.addr, 0x00, 6);memcpy(BUF->ethhdr.src.addr, uip_ethaddr.addr, 6);memcpy(BUF->shwaddr.addr, uip_ethaddr.addr, 6);uip_ipaddr_copy(BUF->dipaddr, ipaddr);uip_ipaddr_copy(BUF->sipaddr, uip_hostaddr);BUF->opcode = HTONS(ARP_REQUEST); /* ARP request. */BUF->hwtype = HTONS(ARP_HWTYPE_ETH);BUF->protocol = HTONS(UIP_ETHTYPE_IP);BUF->hwlen = 6;BUF->protolen = 4;BUF->ethhdr.type = HTONS(UIP_ETHTYPE_ARP);uip_appdata = &uip_buf[UIP_TCPIP_HLEN + UIP_LLH_LEN];uip_len = sizeof(struct arp_hdr);return;}/* 構建以太網標頭。 */memcpy(ICMP_IP_BUF->ethhdr.dest.addr, tabptr->ethaddr.addr, 6);}memcpy(ICMP_IP_BUF->ethhdr.src.addr, uip_ethaddr.addr, 6);ICMP_IP_BUF->ethhdr.type = HTONS(UIP_ETHTYPE_IP);uip_icmp_len += sizeof(struct uip_eth_hdr);}/****************************************************************************** * @brief 構造icmp包頭 * * @param void * * @retval void. * ******************************************************************************/ void icmp_icmphead(void) {//構造icmp echo request字段//icmp echo headerICMP_BUF->type = 0x08; //echo 類型ICMP_BUF->code = 0x00; //該字段用來查找錯誤原因icmp_ide = 0x01;ICMP_BUF->ide[0] = (icmp_ide >> 8); //區分不同的ping進程ICMP_BUF->ide[1] = (icmp_ide & 0xff);++ icmp_seq;ICMP_BUF->seq[0] = (icmp_seq >> 8); //echo 序列號ICMP_BUF->seq[1] = (icmp_seq & 0xff);memcpy(ICMP_BUF->data, icmp_data, ICMP_DATA_SIZE);ICMP_BUF->icmpchksum = 0; //校驗和ICMP_BUF->icmpchksum = ~(icmp_icmpchksum()); }/****************************************************************************** * @brief icmp request報文發送 * * @param 接收方ip：a.b.c.d * * @retval void. * ******************************************************************************/ void icmp_out(u8_t a, u8_t b, u8_t c, u8_t d) {printf("Ping %d.%d.%d.%d \r\n", a, b, c, d); //打印正在ping的ipicmp_iphead(a, b, c, d); //構造icmp IPv4 header icmp_arp(); //如果arp table中沒有目標ip的mac地址，就要構造ARP請求，加以太網頭結構if(FLAG_icmp_arpout == 0) //如果arp table中有目標ip的mac地址{icmp_icmphead(); //構造icmp報頭 enc28j60PacketSend(uip_icmp_len, (uchar *)uip_icmp_buf); //發送報文}else //如果構造的是arp request包{enc28j60PacketSend(uip_len,uip_buf); //發送arp request包到以太網printf("ip:%d.%d.%d.%d no mac addr,arp request sent!\r\n", a, b, c, d);}}

6.3 回顯應答報文的接收與校驗

由于一些原因，接收方并不能在收到回顯請求后，立即發送回顯應答，而且發送方也不能在發送后，就立刻能收到，所以對于回顯應答報文的接收，要設置一個輪詢機制，在一定時間內反復查詢是否有收到回顯應答，如果收到了就進行回顯應答校驗，沒收到就輪詢直到定時器超時。

對于回顯應答報文的數據校驗，主要有以下幾個方面：

通過底層的enc28j60PacketReceive函數，看是否有收到數據，如果有，在進行下一步的判斷；

判斷是否是ip包，是的話，進行下一步判斷；

判斷icmp字段的內容長度是否正確，正確的話再進行下一步判斷；

查看icmp字段的類型，如果是icmp echo reply，再接著下一步；

判斷報文中的目標ip是否是本機ip，如果上述條件都符合，則確認是發送給本機的icmp echo reply；

然后判斷icmpchksum是否正確，icmp id標識符是否相同，icmp seq序列號是否相同，這三者的判斷順序無先后關系，1-5點要從1至5依次判斷。

詳細代碼如下：

/******************** icmp echo reply ***********************/ u8_t icmp_reply_buf[UIP_ICMP_BUFSIZE + 2]; u16_t icmp_reply_len;#define ICMP_REPLY_IP_BUF ((struct ethip_headr *)&icmp_reply_buf[0]) #define ICMP_REPLY_BUF ((struct icmp_header *)&icmp_reply_buf[ICMP_ETH_LEN + ICMP_IPH_LEN])volatile u8_t flag_icmp_reply_outtimes = 0; volatile u8_t flag_icmp_reply_checkOK = 0; volatile u8_t flag_icmp_reply_run = 0; extern void loop_feed_softdog(void); /***************************** icmp REPLY IP checksum *********************************/ u16_t icmp_reply_ipchksum(void) {u16_t sum;sum = short_checksum(0, &icmp_reply_buf[ICMP_ETH_LEN], ICMP_IPH_LEN);return (sum == 0) ? 0xffff : htons(sum); }/***************************** icmp REPLY checksum *********************************/u16_t icmp_reply_icmpchksum(void) {u16_t sum;sum = short_checksum(0, &icmp_reply_buf[ICMP_ETH_LEN + ICMP_IPH_LEN], UIP_ICMP_LEN);return (sum == 0) ? 0xffff : htons(sum); }/****************************************************************************** * @brief icmp_reply_check icmp 請求應答報文中的數據校驗 * * @param void * * @retval void. * ******************************************************************************/ void uip_icmp_reply_check(void) {u16_t icmp_chksum = 0;u16_t new_icmpchksum = 0;//接收數據icmp_reply_len = enc28j60PacketReceive(UIP_ICMP_BUFSIZE, icmp_reply_buf);if(icmp_reply_len > 0) //有收到數據{ //處理IP數據包(只有校驗通過的IP包才會被接收)if(ICMP_REPLY_IP_BUF->ethhdr.type == htons(UIP_ETHTYPE_IP)) //判斷是否是IP包? {if(icmp_reply_len < sizeof(struct icmp_header)) {icmp_reply_len = 0;return;}icmp_reply_len = 0;switch(ICMP_REPLY_BUF->type) {case HTONS(0): //收到的包是icmp echo replyflag_icmp_reply_run = 1;/* 首先，判斷報文中的目標ip是否是本機ip*/if(uip_ipaddr_cmp(ICMP_REPLY_IP_BUF->destipaddr, ICMP_IP_BUF->srcipaddr)){//上述條件都符合，則確認是發送給本機的icmp echo replyicmp_chksum = ICMP_REPLY_BUF->icmpchksum; //其次，判斷 icmpchksum 是否正確ICMP_REPLY_BUF-> icmpchksum = 0;new_icmpchksum = ~(icmp_reply_icmpchksum());if(icmp_chksum == new_icmpchksum){flag_icmp_reply_checkOK++ ;}else{printf("reply icmp_chksum ERROR!\r\n");}if(ICMP_REPLY_BUF->ide[0] == ICMP_BUF->ide[0] && //接著判斷icmp id標識符是否相同ICMP_REPLY_BUF->ide[1] == ICMP_BUF->ide[1]){flag_icmp_reply_checkOK++ ;}else{printf("icmp id is ERROR!\r\n"); }if(ICMP_REPLY_BUF->seq[0] == ICMP_BUF->seq[0] && //再接著判斷 icmp seq序列號是否相同ICMP_REPLY_BUF->seq[1] == ICMP_BUF->seq[1]){flag_icmp_reply_checkOK++ ;}else{printf("icmp seq is ERROR!\r\n");}return;}break;default:break; }}}return; }/****************************************************************************** * @brief icmp reply 報文處理結果判斷 * * @param ip 地址 a.b.c.d * * @retval void. * ******************************************************************************/ void uip_icmp_reply_in(u8_t a, u8_t b, u8_t c, u8_t d) {struct timer icmp_timer; //只用在icmp_reply 校驗，函數運行結束釋放，所以不聲明為staic變量timer_set(&icmp_timer, CLOCK_SECOND / 2); //創建1個0.5秒的定時器while(1){if(FLAG_icmp_arpout > 0){break;}loop_feed_softdog(); //喂軟件看門狗uip_icmp_reply_check(); //icmp reply 報文校驗if(timer_expired(&icmp_timer)) //0.5s秒定時器超時{timer_reset(&icmp_timer); //復位定時器if(flag_icmp_reply_run == 0){ //沒接收到icmp echo reply 報文flag_icmp_reply_outtimes ++;printf("no receive icmp echo reply!\r\n");}break;}if((flag_icmp_reply_checkOK > 0) || (flag_icmp_reply_outtimes > 0)){break;}} if(flag_icmp_reply_checkOK == 3){printf("Ping %d.%d.%d.%d is SUCCESS !!\r\n", a, b, c, d);}else{printf("Ping %d.%d.%d.%d is ERROR !!\r\n", a, b, c, d);}FLAG_icmp_arpout = 0; //計數標志清零flag_icmp_reply_run = 0;flag_icmp_reply_checkOK = 0; flag_icmp_reply_outtimes = 0;return; }

7. 實驗結果

1.依次ping5個不同的ip地址

網頁輸入5個ip地址（網頁部分代碼根據例程修改得到的，這里就不展開說明了）：

圖1 網頁輸入ip

圖2 串口打印信息

圖3 wireshark抓包結果

2.連續ping5次相同的ip

圖4 網頁輸入5個相同ip

圖5 串口打印信息

圖6 wireshark抓包結果

8. 實驗結果分析

1.依次ping5個不同的ip地址

從圖2和圖3來看，192.168.1.5是PC端的IP，其余IP均無具體主機。所以在發送icmp請求時，對于無具體主機的ip的icmp請求報文改寫成了arp請求報文，并以廣播的形式發送；對于192.168.1.5，因為未收到pc端的回復，所以發送no receive icmp reply，并返回ping 失敗。

2.連續ping5次相同的ip地址

從圖6的結果來看，均成功發送icmp請求，并成功返回icmp 應答。

9. 總結

1.對于嵌入式以太網的學習，一開始是從直接從例程入手，學習緩慢；隨后開始在csdn等論壇查閱資料，一步一個腳印，但也走了很多彎路，有時候解決一個問題也花費了好些天，但最終靠著耐心和堅持，收獲良多。

2.對實驗例程和源碼詳細閱讀很重要，可以加快實驗的理解，也可以讓實驗代碼功能更加完善。

3.對于實驗中的技術出錯與改錯方法，這里就不一一說明了，如果你也遇到什么技術問題，可以在評論區發布，我會與大家解決。

最后，感謝大家看完這篇文章，如有不足，望大家積極指出，我也會改進，與 大家共勉！

總結

以上是生活随笔為你收集整理的STM32+enc28j60+uip 实现 单片机 ping PC端的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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