51單片機(jī)簡(jiǎn)單Ping的實(shí)現(xiàn)

Ping(Packet Internet Gopher分組網(wǎng)間網(wǎng)探測(cè)器)利用了ICMP(Internet Control Message Protocol互聯(lián)網(wǎng)控制報(bào)文協(xié)議)協(xié)議的“回響”功能來(lái)實(shí)現(xiàn)主機(jī)/服務(wù)器是否有應(yīng)答的測(cè)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(gè)完整的組成部分。ICMP包括降低傳送速率的源站抑制報(bào)文、請(qǐng)求主機(jī)改變選路表的重定向報(bào)文以及主機(jī)可用來(lái)決定目的站是否可達(dá)的回送請(qǐng)求/回答報(bào)文。ICMP報(bào)文在IP數(shù)據(jù)報(bào)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(bào)文時(shí)，就響應(yīng)1個(gè)“回響應(yīng)答”報(bào)文。本地機(jī)器收到該報(bào)文并確認(rèn)之后即可認(rèn)為該主機(jī)/服務(wù)器處于活動(dòng)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(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡(jiǎn)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(gè)ping命令重復(fù)測(cè)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(duì)方主機(jī)往返一次所用時(shí)間)顯示。具體簡(jiǎn)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(xiàng)均不可用
(2)固定32字節(jié)測(cè)試包
(3)不計(jì)算本機(jī)與對(duì)方主機(jī)往返一次所用時(shí)間，測(cè)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(cè)試功能。

0 8 16 31
------------------------------------------------
| 類型(8或0) | 代碼(0) | 校驗(yàn)和 |
------------------------------------------------
| 標(biāo)識(shí)符 | 序號(hào) |
------------------------------------------------
| 可選數(shù)據(jù) |
------------------------------------------------
| 。。。 |
------------------------------------------------

圖1 ICMP回送請(qǐng)求或回答報(bào)文格式

PingCycle
| 定時(shí)操作
V
PingCmd ---------------- --------------
-------->| PingRequest|----------->| |
命令 | | 請(qǐng)求 | |
| | | |
| A | | B |
| | | |
--------|PingEcho |-----------|PingAnswer |
回顯 ---------------- 應(yīng)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(qǐng)求/回答報(bào)文格式(即Ping包格式)，在實(shí)現(xiàn)網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序后，Ping的實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化為填寫報(bào)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(shù)實(shí)現(xiàn)。Ping請(qǐng)求(PingRequest)、Ping應(yīng)答(PingAnswer)、收到應(yīng)答后回顯(PingEcho)、定時(shí)操作(PingCycle)。
PingRequest完成Ping請(qǐng)求。當(dāng)輸入Ping命令后，調(diào)用此函數(shù)，發(fā)出請(qǐng)求包。
PingAnswer完成Ping應(yīng)答。它工作在后臺(tái)，每當(dāng)收到發(fā)給自己IP的請(qǐng)求包就自動(dòng)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(shí)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(gè)| 。。。 |
| ----------------------------------------------------
| | 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(méi)有對(duì)應(yīng)項(xiàng)，則需要較長(zhǎng)時(shí)間查找(網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間相對(duì)于CPU時(shí)間)。為了不阻塞進(jìn)程，我設(shè)計(jì)了一個(gè)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(gè)域。“次數(shù)”字段指示測(cè)試剩余數(shù)，為0表示測(cè)完，同時(shí)改變狀態(tài)為0以表明此記錄項(xiàng)現(xiàn)在空閑?！皟?nèi)存句柄”字段保存ICMP報(bào)文緩沖區(qū)首址指針?！盃顟B(tài)”字段記錄狀態(tài)號(hào)，含義如下：
0---空閑
1---已發(fā)出但無(wú)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(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(qǐng)自行畫(huà)出狀態(tài)圖。

這個(gè)實(shí)現(xiàn)里還使用了ping命令處理、IP地址轉(zhuǎn)換、校驗(yàn)和計(jì)算等輔助程序，詳見(jiàn)偽代碼清單。IP協(xié)議使用統(tǒng)一的CheckSum算法計(jì)算和驗(yàn)證數(shù)據(jù)報(bào)的首部校驗(yàn)和。將首部視為一個(gè)16位的整數(shù)序列，并定義校驗(yàn)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(yàn)和計(jì)算和數(shù)據(jù)包的校驗(yàn)均由CheckSum子程序完成。不過(guò)需要注意的是TCP和UDP的校驗(yàn)需要加上偽頭部。需要首部校驗(yàn)和計(jì)算及驗(yàn)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(jiàn)源程序清單。(提示：IP包頭從版本號(hào)、首部長(zhǎng)度、服務(wù)類型到目的站IP地址(如果不含IP選項(xiàng))共20字節(jié)；ICMP校驗(yàn)和只覆蓋ICMP報(bào)文。對(duì)比UDP、TCP偽首部和IP首部相似點(diǎn)，可以不必單獨(dú)分配偽首部緩沖區(qū)，而直接利用IP緩沖區(qū)計(jì)算校驗(yàn)和。觀察知IP頭鄰接數(shù)據(jù)，采取一定措施可實(shí)現(xiàn)直接計(jì)算。即先將IP壽命字段清0，協(xié)議字段賦相應(yīng)值，校驗(yàn)和賦UDP/TCP包長(zhǎng)度值，并加上12，表示偽首部的3長(zhǎng)字長(zhǎng)度，完成計(jì)算后向IP包首部添入正確壽命、校驗(yàn)和值，見(jiàn)圖5。)

0 8 16 31 0 8 16 31
---------------------------- ---------------------------
| 壽命 | 協(xié)議 | 首部校驗(yàn)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(zhǎng)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(duì)比圖

偽代碼清單：

PingRequest(IP地址) //Ping請(qǐng)求
{
//申請(qǐng)小號(hào)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(diǎn)MAC地址
類型=0x0800 //IP包

//填寫IP幀
版本號(hào)首部長(zhǎng)度=0x45
服務(wù)類型=0
總長(zhǎng)度=60
標(biāo)識(shí)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(yàn)和=0x0000
源IP地址=本節(jié)點(diǎn)IP地址
目的IP地址=ping命令傳入的IP地址
首部校驗(yàn)和=CheckSum(IP首部和長(zhǎng)度) //計(jì)算IP包首部校驗(yàn)和

//填寫ICMP幀
類型=8 //8 請(qǐng)求 0 應(yīng)答
代碼=0
校驗(yàn)和=0x0
標(biāo)識(shí)符=0x0300
序號(hào)=GlobalID
校驗(yàn)和=CheckSum(ICMP首部和長(zhǎng)度) //計(jì)算ICMP包首部校驗(yàn)和

//將ICMP包登記在PingBuf中
for(i=0;iMaxLenPingBuf;i++){
if(PingBuf[i].status==0){
PingBuf[i].times=0x8; //測(cè)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(shí)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(diǎn)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(diǎn)IP地址
首部校驗(yàn)和=0x0000
首部校驗(yàn)和=CheckSum(IP首部和長(zhǎng)度) //計(jì)算IP包首部校驗(yàn)和

//改寫ICMP幀
類型=0 //8 請(qǐng)求 0 應(yīng)答
校驗(yàn)和=0x0
校驗(yàn)和=CheckSum(ICMP首部和長(zhǎng)度) //計(jì)算ICMP包首部校驗(yàn)和

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