51單片機簡單Ping的實現

Ping(Packet Internet Gopher分組網間網探測器)利用了ICMP(Internet Control Message Protocol互聯網控制報文協議)協議的“回響”功能來實現主機/服務器是否有應答的測試。ICMP為路由器和主機提供了正常情況以外的通信，它是IP的一個完整的組成部分。ICMP包括降低傳送速率的源站抑制報文、請求主機改變選路表的重定向報文以及主機可用來決定目的站是否可達的回送請求/回答報文。ICMP報文在IP數據報的數據區中傳送。當主機/服務器接收到具有回響類型的ICMP報文時，就響應1個“回響應答”報文。本地機器收到該報文并確認之后即可認為該主機/服務器處于活動狀態，從而本機與遠程主機/服務器之間能夠連通，也可以互相通信。
仿照DOS下的ping命令并根據51單片機資源現狀，我實現了一個簡單的ping功能。它的使用方法如下：
(1)單片機-->PC機 在Shell里使用“ping XXX.XXX.XXX.XXXcr>”，如果連通，顯示“Reply from XXX.XXX.XXX.XXX: bytes=32 TTL=XXX”，否則，顯示“Request timed out.(XXX.XXX.XXX.XXX)”。
(2)PC機-->單片機 按照DOS里的常規操作即可
每個ping命令重復測試8次，即顯示8次信息。
注意到顯示內容與PC機上稍有不同，這是由于此處ping工作在多任務單窗口環境下，為了區分響應發送源，有必要增加源IP地址信息。另外，由于51資源限制，取消了time參數(time是本機與對方主機往返一次所用時間)顯示。具體簡化內容如下：
(1)只支持“ping+IP地址”命令格式，域名方式和其他可選項均不可用
(2)固定32字節測試包
(3)不計算本機與對方主機往返一次所用時間，測試用時為1到2秒
總之，經過簡化的ping能夠完成最基本的連通測試功能。

0 8 16 31
------------------------------------------------
| 類型(8或0) | 代碼(0) | 校驗和 |
------------------------------------------------
| 標識符 | 序號 |
------------------------------------------------
| 可選數據 |
------------------------------------------------
| 。。。 |
------------------------------------------------

圖1 ICMP回送請求或回答報文格式

PingCycle
| 定時操作
V
PingCmd ---------------- --------------
-------->| PingRequest|----------->| |
命令 | | 請求 | |
| | | |
| A | | B |
| | | |
--------|PingEcho |-----------|PingAnswer |
回顯 ---------------- 應答 --------------

圖2 A Ping B 過程(全雙工操作，反過來亦可，未畫出反向過程)

圖1所示為ICMP回送請求/回答報文格式(即Ping包格式)，在實現網卡驅動程序后，Ping的實現簡化為填寫報文(詳見偽代碼清單)。如圖2所示，完整ping過程我主要用4個函數實現。Ping請求(PingRequest)、Ping應答(PingAnswer)、收到應答后回顯(PingEcho)、定時操作(PingCycle)。
PingRequest完成Ping請求。當輸入Ping命令后，調用此函數，發出請求包。
PingAnswer完成Ping應答。它工作在后臺，每當收到發給自己IP的請求包就自動應答。
PingEcho顯示應答信息。每當收到應答就立即顯示相關信息。
PingCycle定時操作pingbuf記錄緩沖區。每秒鐘掃描一次，并根據當前情況和狀態進行狀態變遷。

- ----------------------------------------------------
| | 狀態(status) | 次數(times) | 內存句柄(memhandle) |
| ----------------------------------------------------
N個| 。。。 |
| ----------------------------------------------------
| | 狀態(status) | 次數(times) | 內存句柄(memhandle) |
- ----------------------------------------------------

N=MaxLenPingBuf
圖3 pingbuf記錄緩沖區格式

IP地址要先轉換成MAC地址才能在以太網上傳輸，如果ARP緩存里沒有對應項，則需要較長時間查找(網絡傳輸時間相對于CPU時間)。為了不阻塞進程，我設計了一個pingbuf記錄緩沖區，如圖3所示。此表1秒鐘被查詢一次，根據當前情況改變狀態。它包括狀態、次數、內存句柄三個域。“次數”字段指示測試剩余數，為0表示測完，同時改變狀態為0以表明此記錄項現在空閑。“內存句柄”字段保存ICMP報文緩沖區首址指針。“狀態”字段記錄狀態號，含義如下：
0---空閑
1---已發出但無應答
2---已發出且應答
3---等ARP
4---第一次準備發(用于同步1秒時鐘)
狀態變遷圖如圖4所示。

圖4略，詳見偽代碼清單PingCycle，請自行畫出狀態圖。

這個實現里還使用了ping命令處理、IP地址轉換、校驗和計算等輔助程序，詳見偽代碼清單。IP協議使用統一的CheckSum算法計算和驗證數據報的首部校驗和。將首部視為一個16位的整數序列，并定義校驗和是首部中所有16位整數的和的二進制反碼。同樣和數及補碼也被定義使用二進制反碼算法。所有TCP/IP協議的校驗和計算和數據包的校驗均由CheckSum子程序完成。不過需要注意的是TCP和UDP的校驗需要加上偽頭部。需要首部校驗和計算及驗證的包為：IP、ICMP、UDP、TCP。相互間的差別僅在于求和數據不同，算法都采用CheckSum。詳見源程序清單。(提示：IP包頭從版本號、首部長度、服務類型到目的站IP地址(如果不含IP選項)共20字節；ICMP校驗和只覆蓋ICMP報文。對比UDP、TCP偽首部和IP首部相似點，可以不必單獨分配偽首部緩沖區，而直接利用IP緩沖區計算校驗和。觀察知IP頭鄰接數據，采取一定措施可實現直接計算。即先將IP壽命字段清0，協議字段賦相應值，校驗和賦UDP/TCP包長度值，并加上12，表示偽首部的3長字長度，完成計算后向IP包首部添入正確壽命、校驗和值，見圖5。)

0 8 16 31 0 8 16 31
---------------------------- ---------------------------
| 壽命 | 協議 | 首部校驗和 | | 源站IP地址 |
---------------------------- ---------------------------
| 源站IP地址 | | 目的站IP地址 |
---------------------------- ---------------------------
| 目的站IP地址 | | 零 | 協議 | UDP/TCP長度 |
---------------------------- ---------------------------
| 數據 | | UDP/TCP包數據 |
---------------------------- ---------------------------
IP包格式(局部) UDP、TCP偽首部+數據格式
圖5 IP包格式(局部)和UDP、TCP偽首部格式對比圖

偽代碼清單：

PingRequest(IP地址) //Ping請求
{
//申請小號內存
pICMP=OSMemGet();

//填寫以太網幀
目的MAC地址=ping命令傳入的IP地址解析后得到的物理地址
源MAC地址=本節點MAC地址
類型=0x0800 //IP包

//填寫IP幀
版本號首部長度=0x45
服務類型=0
總長度=60
標識符=GlobalID++ //全局變量16位GlobalID加1
標志分片偏移量=0x0000
壽命=0x80
協議=0x0001 //icmp
首部校驗和=0x0000
源IP地址=本節點IP地址
目的IP地址=ping命令傳入的IP地址
首部校驗和=CheckSum(IP首部和長度) //計算IP包首部校驗和

//填寫ICMP幀
類型=8 //8 請求 0 應答
代碼=0
校驗和=0x0
標識符=0x0300
序號=GlobalID
校驗和=CheckSum(ICMP首部和長度) //計算ICMP包首部校驗和

//將ICMP包登記在PingBuf中
for(i=0;iMaxLenPingBuf;i++){
if(PingBuf[i].status==0){
PingBuf[i].times=0x8; //測試8次
PingBuf[i].ip=ping命令傳入的IP地址;
PingBuf[i].memhandle=內存句柄;
PingBuf[i].status=4; //第一次準備發(用于同步1秒時鐘)
break;
}
}
if(i==MaxLenPingBuf) 釋放內存;
}

PingAnswer(*輸入包緩沖區首址pBUF) //Ping應答
{
//改寫以太網幀
目的MAC地址=源MAC地址
源MAC地址=本節點MAC地址

//改寫IP幀
壽命=壽命-1
目的IP地址=源IP地址
源IP地址=本節點IP地址
首部校驗和=0x0000
首部校驗和=CheckSum(IP首部和長度) //計算IP包首部校驗和

//改寫ICMP幀
類型=0 //8 請求 0 應答
校驗和=0x0
校驗和=CheckSum(ICMP首部和長度) //計算ICMP包首部校驗和

//直接發送ICMP包至TxQFIFO緩存
OSQSend(QID,*pBUF);
}