本章為系列指南的第九章，終結(jié)篇，本章主要來分析一下完整的ARP協(xié)議，并在STM32F4中實(shí)現(xiàn)一個精簡的ARP協(xié)議響應(yīng)流程。

ARP協(xié)議的本質(zhì)是使局域網(wǎng)內(nèi)的其他主機(jī)能夠知道我在哪兒，比如在局域網(wǎng)上有人沖著所有人喊了一句「IP為XXXX的家伙，你在哪兒」，我一聽，XXXX不是我的IP嗎，我得回答他啊，于是我沖著所有人（也可以是單獨(dú)的這個人）喊一句「我在這兒呢，我的MAC是YYYY」，這樣局域網(wǎng)內(nèi)所有用戶，包括交換機(jī)就知道IP為XXXX的家伙MAC地址是YYYY，并且交換機(jī)知道了我連在它的第N個端口上，以后有人要通過交換機(jī)向IP為XXXX的我發(fā)信息，交換機(jī)就把數(shù)據(jù)包發(fā)到N port上去了。沒有上面這套流程，局域網(wǎng)上就沒人知道你是誰，你的IP多少，你的MAC多少，你連在交換機(jī)大佬的第幾個端口上，自然你也收不到任何非廣播包數(shù)據(jù)了。

ARP請求

如果我要向一個之前沒有任何聯(lián)系的主機(jī)主動發(fā)一個數(shù)據(jù)包，一般情況下都會觸發(fā)一個ARP詢問，比如我們上一章《STM32F4+DP83848以太網(wǎng)通信指南第八章：收包流程》中，最后的實(shí)驗(yàn)，我打開CMD命令行，輸入了一個指令ping 192.168.1.201，這時候PC的底層設(shè)備（一般是網(wǎng)卡）首先判斷一下自己的緩存中有沒有192.168.1.201這個IP的緩存信息，如果沒有通信記錄或者時間過長失效了，就得在網(wǎng)絡(luò)上廣播一下，找找看當(dāng)前有沒有誰在用192.168.1.201這個IP地址，包內(nèi)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分析以上報文的解析如下圖所示：

ARP響應(yīng)

目標(biāo)主機(jī)的MAC地址為FF FF FF FF FF FF時，交換機(jī)會將此包廣播到所有端口，這時候所有節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)卡上都能收到這個廣播包，如果某一節(jié)點(diǎn)的IP地址為192.168.1.201則需要對此包進(jìn)行響應(yīng)，判斷依據(jù)為上述包的以下特征：

第一行倒數(shù)第4，第3字節(jié)：0806，代表的是ARP協(xié)議

第二行第6字節(jié)：01，代表的是ARP請求

第三行最后4字節(jié)：c0 a8 01 C9，代表的是192.168.1.1，跟自己寄存器中的值匹配

響應(yīng)數(shù)據(jù)包為以下內(nèi)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，以下數(shù)據(jù)是動態(tài)變化的：

第一行前6個字節(jié)：00 0e c6 d4 1d d4，根據(jù)請求包中的第7-12六個字節(jié)決定，表示目標(biāo)MAC地址

第一行第7-12六個字節(jié)：00 11 0e 0b 03 8a，自由設(shè)置的自己的MAC地址

第二行第7-12六個字節(jié)：00 11 0e 0b 03 8a，自由設(shè)置的自己的MAC地址

第二行倒數(shù)4個字節(jié)：c0 a8 01 c9，自己的IP地址，也就是請求包中所呼喚的IP地址，192.168.1.201

第三行前6個字節(jié)：00 0e c6 d4 1d d4，根據(jù)請求包中的第7-12六個字節(jié)決定，表示目標(biāo)MAC地址

第三行第7-10四個字節(jié)：c0 a8 01 c8，根據(jù)請求包第二行倒數(shù)四個字節(jié)決定，表示目標(biāo)IP地址

這些信息都可以用WireShark分析出來，WireShark對每一個字節(jié)的含義都有明確的解釋。

編碼實(shí)現(xiàn)

有了特征匹配及填充規(guī)則，配合我們之前的STM32發(fā)包和收包DEMO，我們就可以編程實(shí)現(xiàn)ARP數(shù)據(jù)包的響應(yīng)了。

#define LEN_ARP 42

/* 以下為業(yè)務(wù)邏輯需要用到的全局變量 */

u8 IPAddr[4];

vu8  SystemStatus; /* 系統(tǒng)狀態(tài)，bit0:是否需要發(fā)送被動響應(yīng)數(shù)據(jù)包，bit1:是否打開了PNIO開關(guān)，bit2:是否需要發(fā)送PNControl request */

vu16 sendLen;      /* 發(fā)送包長度 */

u8 sendBuffer[1024];   /* 發(fā)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;    

    /* 默認(rèn)調(diào)用SystemInit，系統(tǒng)時鐘168MHz */

    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_4);        //4位搶占，0位響應(yīng)

    DelayInit(168);        //初始化168MHz

    NVIC_SetPriority (SysTick_IRQn, 0);        //系統(tǒng)滴答定時器優(yōu)先級最高  

    DP83848Init(MyMacAddr);        //初始化DP83848

    while(1) {

        if (0x01 == (SystemStatus & 0x01)){

            /* 如果需要發(fā)送被動網(wǎng)卡響應(yīng) */

            DP83848Send(sendBuffer, sendLen);            

            sendLen = 0;

            SystemStatus = SystemStatus & 0xFE; /* bit0置為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 receivedn");

        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); /* 打開網(wǎng)卡被動數(shù)據(jù)發(fā)送開關(guān) */

    }

    /* 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;

    }

}

編碼的總體思想就是中斷中快進(jìn)快出，用變量來標(biāo)記狀態(tài)，主循環(huán)中不斷判斷狀態(tài)并復(fù)位狀態(tài)。

使用這種方式，可以繼續(xù)擴(kuò)展ICMP協(xié)議，實(shí)現(xiàn)PING指令，以及更多按需裁剪的TCP/IP協(xié)議，當(dāng)然擴(kuò)展的協(xié)議越多，這種純粹的if判斷也會越多，以后會細(xì)分各個層，在層次中繼續(xù)if判斷，當(dāng)?shù)搅隧攲討?yīng)用層之后，就只管TCP/UDP協(xié)議了，內(nèi)容一般都是應(yīng)用協(xié)議自己規(guī)劃的比如HTTP，F(xiàn)TP這些協(xié)議，只需要把上層協(xié)議的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)填充到下層協(xié)議的內(nèi)容區(qū)域就行了。當(dāng)遇到數(shù)據(jù)包比較龐大的時候，還需要分包傳輸，暫時我們沒有用到，LWIP中有相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)，有需求的話可以去研究。此外，我們實(shí)驗(yàn)中的代碼都是基于數(shù)組進(jìn)行數(shù)據(jù)裝箱拆箱操作的，而網(wǎng)絡(luò)包的協(xié)議是按層次來的，使用數(shù)組不斷的進(jìn)行數(shù)據(jù)的填充是非常消耗性能的，因此在遇到數(shù)據(jù)量比較大，需要實(shí)現(xiàn)的協(xié)議比較多時，仍然建議按照LWIP的思路使用收尾相接的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)進(jìn)行拆裝箱。

系列總結(jié)

到此我們這個系列就算告一段落了，后面的工業(yè)以太網(wǎng)的協(xié)議的分析和實(shí)現(xiàn)我不方便做公開的教程，也是自己一步一步摸索過來的，目前自己在設(shè)計(jì)PCB板，后期這個工程需要制板貼片并做成最終的工業(yè)產(chǎn)品。

我們來回顧總結(jié)一下這個系列教程，首先我們對STM32F407的時鐘、中斷等相關(guān)知識做了一個梳理，接著我們認(rèn)識了STM32中的MAC，以及跟MAC搭配的PHY，同時還對DMA技術(shù)做了一個粗略的了解。試著初始化相關(guān)的GPIO，使能了MAC,DMA,PHY，這樣一個DP83848Init()函數(shù)就搞定了；再后來我們又完成DP83848Send()函數(shù)，能夠發(fā)包了，接著配置了以太網(wǎng)中斷，能夠在Pkt_Handle()函數(shù)中進(jìn)行以太網(wǎng)收包了，以上函數(shù)的編寫，我們都是參考的ethernetif.c文件，它的幾個底層函數(shù)low_level_init、low_level_output、low_level_input給我們提供了重要的線索。最后對TCP/IP協(xié)議棧中的ARP協(xié)議進(jìn)行了分析，并運(yùn)用之前的全部知識，進(jìn)行了ARP響應(yīng)的編碼實(shí)現(xiàn)，并對以后其他協(xié)議的擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)提出了思路和優(yōu)化建議。