51單片機簡(jiǎn)單Ping的實(shí)現

Ping(Packet Internet Gopher分組網(wǎng)間網(wǎng)探測器)利用了ICMP(Internet Control Message Protocol互聯(lián)網(wǎng)控制報文協(xié)議)協(xié)議的“回響”功能來(lái)實(shí)現主機/服務(wù)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(gè)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(lái)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(wù)器接收到具有回響類(lèi)型的ICMP報文時(shí)，就響應1個(gè)“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(wù)器處于活動(dòng)狀態(tài)，從而本機與遠程主機/服務(wù)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(shí)現了一個(gè)簡(jiǎn)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(gè)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(wù)單窗口環(huán)境下，為了區分響應發(fā)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(shí)間)顯示。具體簡(jiǎn)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(shí)間，測試用時(shí)為1到2秒
總之，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化的ping能夠完成最基本的連通測試功能。

0 8 16 31
------------------------------------------------
| 類(lèi)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(shí)操作
V
PingCmd ---------------- --------------
-------->| PingRequest|----------->| |
命令 | | 請求 | |
| | | |
| A | | B |
| | | |
--------|PingEcho |-----------|PingAnswer |
回顯 ---------------- 應答 --------------

圖2 A Ping B 過(guò)程(全雙工操作，反過(guò)來(lái)亦可，未畫(huà)出反向過(guò)程)

圖1所示為ICMP回送請求/回答報文格式(即Ping包格式)，在實(shí)現網(wǎng)卡驅動(dòng)程序后，Ping的實(shí)現簡(jiǎn)化為填寫(xiě)報文(詳見(jiàn)偽代碼清單)。如圖2所示，完整ping過(guò)程我主要用4個(gè)函數實(shí)現。Ping請求(PingRequest)、Ping應答(PingAnswer)、收到應答后回顯(PingEcho)、定時(shí)操作(PingCycle)。
PingRequest完成Ping請求。當輸入Ping命令后，調用此函數，發(fā)出請求包。
PingAnswer完成Ping應答。它工作在后臺，每當收到發(fā)給自己IP的請求包就自動(dòng)應答。
PingEcho顯示應答信息。每當收到應答就立即顯示相關(guān)信息。
PingCycle定時(shí)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(tài)進(jìn)行狀態(tài)變遷。

- ----------------------------------------------------
| | 狀態(tài)(status) | 次數(times) | 內存句柄(memhandle) |
| ----------------------------------------------------
N個(gè)| 。。。 |
| ----------------------------------------------------
| | 狀態(tài)(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(wǎng)上傳輸，如果ARP緩存里沒(méi)有對應項，則需要較長(cháng)時(shí)間查找(網(wǎng)絡(luò )傳輸時(shí)間相對于CPU時(shí)間)。為了不阻塞進(jìn)程，我設計了一個(gè)pingbuf記錄緩沖區，如圖3所示。此表1秒鐘被查詢(xún)一次，根據當前情況改變狀態(tài)。它包括狀態(tài)、次數、內存句柄三個(gè)域?！按螖怠弊侄沃甘緶y試剩余數，為0表示測完，同時(shí)改變狀態(tài)為0以表明此記錄項現在空閑?！皟却婢浔弊侄伪４鍵CMP報文緩沖區首址指針?！盃顟B(tài)”字段記錄狀態(tài)號，含義如下：
0---空閑
1---已發(fā)出但無(wú)應答
2---已發(fā)出且應答
3---等ARP
4---第一次準備發(fā)(用于同步1秒時(shí)鐘)
狀態(tài)變遷圖如圖4所示。

圖4略，詳見(jiàn)偽代碼清單PingCycle，請自行畫(huà)出狀態(tài)圖。

這個(gè)實(shí)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(jiàn)偽代碼清單。IP協(xié)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(gè)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(jìn)制反碼。同樣和數及補碼也被定義使用二進(jìn)制反碼算法。所有TCP/IP協(xié)議的校驗和計算和數據包的校驗均由CheckSum子程序完成。不過(guò)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(jiàn)源程序清單。(提示：IP包頭從版本號、首部長(cháng)度、服務(wù)類(lèi)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(diǎn)，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(guān)察知IP頭鄰接數據，采取一定措施可實(shí)現直接計算。即先將IP壽命字段清0，協(xié)議字段賦相應值，校驗和賦UDP/TCP包長(cháng)度值，并加上12，表示偽首部的3長(cháng)字長(cháng)度，完成計算后向IP包首部添入正確壽命、校驗和值，見(jiàn)圖5。)

0 8 16 31 0 8 16 31
---------------------------- ---------------------------
| 壽命 | 協(xié)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(xié)議 | UDP/TCP長(cháng)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(xiě)以太網(wǎng)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(diǎn)MAC地址
類(lèi)型=0x0800 //IP包

//填寫(xiě)IP幀
版本號首部長(cháng)度=0x45
服務(wù)類(lèi)型=0
總長(cháng)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(xié)議=0x0001 //icmp
首部校驗和=0x0000
源IP地址=本節點(diǎn)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(cháng)度) //計算IP包首部校驗和

//填寫(xiě)ICMP幀
類(lèi)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(cháng)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(fā)(用于同步1秒時(shí)鐘)
break;
}
}
if(i==MaxLenPingBuf) 釋放內存;
}

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

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

//改寫(xiě)ICMP幀
類(lèi)型=0 //8 請求 0 應答
校驗和=0x0
校驗和=CheckSum(ICMP首部和長(cháng)度) //計算ICMP包首部校驗和

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