51單片機(jī)簡單Ping的實現(xiàn)

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”功能來實現(xiàn)主機(jī)/服務(wù)器是否有應(yīng)答的測試。ICMP為路由器和主機(jī)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(jī)改變選路表的重定向報文以及主機(jī)可用來決定目的站是否可達(dá)的回送請求/回答報文。ICMP報文在IP數(shù)據(jù)報的數(shù)據(jù)區(qū)中傳送。當(dāng)主機(jī)/服務(wù)器接收到具有回響類型的ICMP報文時，就響應(yīng)1個“回響應(yīng)答”報文。本地機(jī)器收到該報文并確認(rèn)之后即可認(rèn)為該主機(jī)/服務(wù)器處于活動狀態(tài)，從而本機(jī)與遠(yuǎn)程主機(jī)/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(jù)51單片機(jī)資源現(xiàn)狀，我實現(xiàn)了一個簡單的ping功能。它的使用方法如下：
(1)單片機(jī)-->PC機(jī) 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(jī)-->單片機(jī) 按照DOS里的常規(guī)操作即可
每個ping命令重復(fù)測試8次，即顯示8次信息。
注意到顯示內(nèi)容與PC機(jī)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(qū)分響應(yīng)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(shù)(time是本機(jī)與對方主機(jī)往返一次所用時間)顯示。具體簡化內(nèi)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(jié)測試包
(3)不計算本機(jī)與對方主機(jī)往返一次所用時間，測試用時為1到2秒
總之，經(jīng)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(biāo)識符 | 序號 |
------------------------------------------------
| 可選數(shù)據(jù) |
------------------------------------------------
| 。。。 |
------------------------------------------------

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(yīng)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(xiàn)網(wǎng)卡驅(qū)動程序后，Ping的實現(xiàn)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(shù)實現(xiàn)。Ping請求(PingRequest)、Ping應(yīng)答(PingAnswer)、收到應(yīng)答后回顯(PingEcho)、定時操作(PingCycle)。
PingRequest完成Ping請求。當(dāng)輸入Ping命令后，調(diào)用此函數(shù)，發(fā)出請求包。
PingAnswer完成Ping應(yīng)答。它工作在后臺，每當(dāng)收到發(fā)給自己IP的請求包就自動應(yīng)答。
PingEcho顯示應(yīng)答信息。每當(dāng)收到應(yīng)答就立即顯示相關(guān)信息。
PingCycle定時操作pingbuf記錄緩沖區(qū)。每秒鐘掃描一次，并根據(jù)當(dāng)前情況和狀態(tài)進(jìn)行狀態(tài)變遷。

- ----------------------------------------------------
| | 狀態(tài)(status) | 次數(shù)(times) | 內(nèi)存句柄(memhandle) |
| ----------------------------------------------------
N個| 。。。 |
| ----------------------------------------------------
| | 狀態(tài)(status) | 次數(shù)(times) | 內(nèi)存句柄(memhandle) |
- ----------------------------------------------------

N=MaxLenPingBuf
圖3 pingbuf記錄緩沖區(qū)格式

IP地址要先轉(zhuǎn)換成MAC地址才能在以太網(wǎng)上傳輸，如果ARP緩存里沒有對應(yīng)項，則需要較長時間查找(網(wǎng)絡(luò)傳輸時間相對于CPU時間)。為了不阻塞進(jìn)程，我設(shè)計了一個pingbuf記錄緩沖區(qū)，如圖3所示。此表1秒鐘被查詢一次，根據(jù)當(dāng)前情況改變狀態(tài)。它包括狀態(tài)、次數(shù)、內(nèi)存句柄三個域?！按螖?shù)”字段指示測試剩余數(shù)，為0表示測完，同時改變狀態(tài)為0以表明此記錄項現(xiàn)在空閑?！皟?nèi)存句柄”字段保存ICMP報文緩沖區(qū)首址指針。“狀態(tài)”字段記錄狀態(tài)號，含義如下：
0---空閑
1---已發(fā)出但無應(yīng)答
2---已發(fā)出且應(yīng)答
3---等ARP
4---第一次準(zhǔn)備發(fā)(用于同步1秒時鐘)
狀態(tài)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(tài)圖。

這個實現(xiàn)里還使用了ping命令處理、IP地址轉(zhuǎn)換、校驗和計算等輔助程序，詳見偽代碼清單。IP協(xié)議使用統(tǒng)一的CheckSum算法計算和驗證數(shù)據(jù)報的首部校驗和。將首部視為一個16位的整數(shù)序列，并定義校驗和是首部中所有16位整數(shù)的和的二進(jìn)制反碼。同樣和數(shù)及補(bǔ)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(wù)類型到目的站IP地址(如果不含IP選項)共20字節(jié)；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(qū)，而直接利用IP緩沖區(qū)計算校驗和。觀察知IP頭鄰接數(shù)據(jù)，采取一定措施可實現(xiàn)直接計算。即先將IP壽命字段清0，協(xié)議字段賦相應(yīng)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(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長度 |
---------------------------- ---------------------------
| 數(shù)據(jù) | | UDP/TCP包數(shù)據(jù) |
---------------------------- ---------------------------
IP包格式(局部) UDP、TCP偽首部+數(shù)據(jù)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(nèi)存
pICMP=OSMemGet();

//填寫以太網(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(jié)點MAC地址
類型=0x0800 //IP包

//填寫IP幀
版本號首部長度=0x45
服務(wù)類型=0
總長度=60
標(biāo)識符=GlobalID++ //全局變量16位GlobalID加1
標(biāo)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(jié)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(yīng)答
代碼=0
校驗和=0x0
標(biāo)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(nèi)存句柄;
PingBuf[i].status=4; //第一次準(zhǔn)備發(fā)(用于同步1秒時鐘)
break;
}
}
if(i==MaxLenPingBuf) 釋放內(nèi)存;
}

PingAnswer(*輸入包緩沖區(qū)首址pBUF) //Ping應(yīng)答
{
//改寫以太網(wǎng)幀
目的MAC地址=源MAC地址
源MAC地址=本節(jié)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(jié)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(yīng)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(fā)送ICMP包至TxQFIFO緩存
OSQSend(QID,*pBUF);
}