十一、W5100S/W5500+RP2040树莓派Pico＜ARP 地址解析＞

1 前言

  随着网络安全越来越受到重视，ARP攻击防护软件的市场需求也在不断增加。ARP还提供了去中心化的应用分发解决方案，包括代码完全开源、订单互相开放以及利润共享等。这些特点使得ARP在未来的发展中具有广阔的应用前景。

  W5100S/W5500是一款集成全硬件 TCP/IP 协议栈的嵌入式以太网控制器，同时也是一颗工业级以太网控制芯片。本教程将介绍W5100S/W5500以太网DHCP应用的基本原理、使用步骤、应用实例以及注意事项，帮助读者更好地掌握这一技术。

2 简介

2 .1 什么是ARP？

  ARP（Address Resolution Protocol）是地址解析协议，是根据IP地址获取物理地址的一个TCP/IP协议。它用于将网络中的IP地址解析为具体的硬件地址（MAC地址）。在计算机网络中，当一台主机需要发送数据包给另一台主机时，它需要知道目标主机的MAC地址。然而，在大多数情况下，主机只知道目标主机的IP地址，因此需要使用ARP协议来将IP地址转换为MAC地址。

2.2 ARP的优点

  ARP的优点主要包括：

1. 可以将IP地址解析为以太网MAC地址，从而方便网络设备之间的通信。
2. ARP表项学习和ARP报文处理的限制、检查等措施能够保证网络设备的安全性。
3. ARP的简单、易用性。

2.3 ARP工作原理

ARP的工作原理可以概括为以下几点：

1. 每台主机都会在自己的ARP缓冲区中建立一个ARP列表（地址转换表），以存储IP地址与MAC地址的对应关系。
2. 当源主机需要发送数据到目的主机时，首先会检查自己的ARP列表，看是否已存在目的主机的IP地址对应的MAC地址。如果存在，就直接将数据包发送到该MAC地址；如果不存在，就会向本地网段发起一个ARP请求的广播包，查询目的主机对应的MAC地址。
3. ARP请求数据包中会包含源主机的IP地址、硬件地址，以及目的主机的IP地址。网络中的所有主机收到这个ARP请求后，会检查数据包中的目的IP地址是否与自己的IP地址一致。
4. 如果源主机一直没有收到ARP响应数据包，表示ARP查询失败。如果源主机收到ARP响应数据包，就会将获得的目的主机的IP地址和MAC地址添加到自己的ARP列表中，并利用此信息开始数据的传输。

2.4 ARP应用场景

ARP协议在很多网络场景中都有应用，最常见的应用场景包括：

1. 网络通信：在局域网中，ARP协议可以帮助计算机通过IP地址获取其对应的MAC地址，从而实现计算机之间的通信。
2. 路由选择：ARP协议可以帮助路由器找到目标设备的MAC地址，这在路由选择方面非常有用。
3. 交换机学习MAC地址：交换机可以通过ARP协议学习到每台计算机的MAC地址，并建立MAC地址表，从而可以直接转发数据包，提高局域网的通信效率。

3 WIZnet以太网芯片

WIZnet 主流硬件协议栈以太网芯片参数对比

Model	Embedded Core	Host I/F	TX/RX Buffer	HW Socket	Network Performance
W5100S	TCP/IPv4， MAC & PHY	8bit BUS, SPI	16KB	4	Max.25Mbps
W6100	TCP/IPv4/IPv6, MAC & PHY	8bit BUS, Fast SPI	32KB	8	Max.25Mbps
W5500	TCP/IPv4, MAC & PHY	Fast SPI	32KB	8	Max 15Mbps

1. W5100S/W6100 支持 8bit数据总线接口，网络传输速度会优于W5500。
2. W6100 支持IPV6，与W5100S 硬件兼容，若已使用W5100S的用户需要支持IPv6，可以Pin to Pin兼容。
3. W5500 拥有比 W5100S更多的 Socket数量以及发送与接收缓存。

4 ARP网络设置示例概述以及使用

4.1 流程图

  程序的运行框图如下所示：

4.2 准备工作核心

软件

• Visual Studio Code
• WIZnet UartTool

硬件

• W5100SIO模块 + RP2040 树莓派Pico开发板 或者 WIZnet W5100S-EVB-Pico开发板
• Micro USB 接口的数据线
• TTL 转 USB
• 网线

4.3 连接方式

• 通过数据线连接PC的USB口（主要用于烧录程序，也可以虚拟出串口使用）

• 通过TTL串口转USB，连接UART0 的默认引脚：

  • RP2040 GPIO0（UART0 TX） <----> USB_TTL_RX
  • RP2040 GPIO1（UART0 RX） <----> USB_TTL_TX

• 使用模块连接RP2040 进行接线时

  • RP2040 GPIO16 <----> W5100S MISO
  • RP2040 GPIO17 <----> W5100S CS
  • RP2040 GPIO18 <----> W5100S SCK
  • RP2040 GPIO19 <----> W5100S MOSI
  • RP2040 GPIO20 <----> W5100S RST

• 通过PC和设备都通过网线连接路由器LAN口

4.4 主要代码概述

  我们使用的是WIZnet官方的ioLibrary_Driver库。该库支持的协议丰富，操作简单，芯片在硬件上集成了TCP/IP协议栈，该库又封装好了TCP/IP层之上的协议，我们只需简单调用相应函数即可完成协议的应用。

第一步：arp_run.c文件中加入对应的.h文件。

第二步：定义DHCP配置需要的宏。

第三步：网络信息的配置,开启DHCP模式。

第四步：编写定时器回调处理函数，用于 DHCP 1s滴答定时器处理函数。

第五步：主函数先是定义了一个定时器结构体参数用来触发定时器回吊函数，对串口和SPI进行初始化，然后写入W5100S的网络配置参数，初始化DHCP后开始DHCP获取IP，获取到就打印获取到的IP，获取次数超过最大获取次数时就使用静态IP，然后主循环发起ARP请求，所需参数是socket的号、缓存buff、以及目标IP。获取到就答应目标IP的MAC地址。

#include <stdio.h>
#include "pico/stdlib.h"
#include "pico/binary_info.h"
#include "hardware/spi.h"#include "wizchip_conf.h"
#include "bsp_spi.h"
#include "dhcp.h"     // Use dhcp
#include "socket.h"   // Use socket
#include "arp.h"      // Use arp#define SOCKET_ID 0                      // Socket number
#define ETHERNET_BUF_MAX_SIZE (1024 * 2) // Send and receive cache size
#define DHCP_RETRY_COUNT 5               // DHCP retry times/*** @brief   Timer callback processing function, used for dhcp timing processing* @param   repeating :Timer structure* @return  bool*/
bool repeating_timer_callback(struct repeating_timer *t);/*** @brief   Initialization of chip network information* @param   conf_info :Static configuration information* @return  none*/
void network_init(wiz_NetInfo *conf_info);/* Network information to be configured. */
wiz_NetInfo net_info = {.mac = {0x00, 0x08, 0xdc, 0x1e, 0xed, 0x2e}, // Configured MAC address.ip = {192, 168, 1, 10},                     // Configured IP address.sn = {255, 255, 255, 0},                    // Configured subnet mask.gw = {192, 168, 1, 1},                      // Configured gateway.dns = {8, 8, 8, 8},                         // Configured domain address.dhcp = NETINFO_DHCP};                       // Configured dhcp model,NETINFO_DHCP:use dhcp; NETINFO_STATIC: use static ip.static uint8_t ethernet_buf[ETHERNET_BUF_MAX_SIZE] = {0,
};                                           // Send and receive cachestatic uint8_t destip[4]={192, 168, 1, 2};  // udp destination ip
static uint8_t dest_ip[4] = {192, 168, 1, 2}; // UDP IP address
static uint8_t breakout_flag = 0;         // Define the DHCP acquisition flagint main()
{struct repeating_timer timer; // Define the timer structurewiz_NetInfo get_info;/* MCU init */stdio_init_all();     // Initialize the main control peripheralwizchip_initialize(); // Initialize the chip interface/*dhcp init*/DHCP_init(SOCKET_ID, ethernet_buf);                                   // DHCP initializationadd_repeating_timer_ms(1000, repeating_timer_callback, NULL, &timer); // Add DHCP 1s Tick Timer handlerprintf("wiznet chip tcp server example.\r\n");network_init(&net_info);              // Configuring Network Informationprint_network_information(&get_info); // Read back the configuration information and print itwhile (true){do_arp(SOCKET_ID, ethernet_buf, dest_ip);   //run arp}
}void network_init(wiz_NetInfo *conf_info)
{int count = 0;uint8_t dhcp_retry = 0;if (conf_info->dhcp == NETINFO_DHCP){while (true){switch (DHCP_run()) // Do the DHCP client{case DHCP_IP_LEASED: // DHCP resolves the domain name successfully{if (breakout_flag == 0){printf("DHCP success\r\n");getIPfromDHCP((*conf_info).ip);getGWfromDHCP((*conf_info).gw);getSNfromDHCP((*conf_info).sn);getDNSfromDHCP((*conf_info).dns);wizchip_setnetinfo(conf_info); // Configuring Network Informationclose(SOCKET_ID);              // After dhcp close the socket, avoid errors in later usebreakout_flag = 1;}break;}case DHCP_FAILED:{printf(" DHCP failed \r\n");count++;if (count <= DHCP_RETRY_COUNT) // If the number of times is less than or equal to the maximum number of times, try again{printf("DHCP timeout occurred and retry %d \r\n", count);}else if (count > DHCP_RETRY_COUNT) // If the number of times is greater than DHCP fails{breakout_flag = 1; // if DHCP fail, use the staticDHCP_stop();       // Stop processing DHCP protocolconf_info->dhcp = NETINFO_STATIC;wizchip_setnetinfo(conf_info); // Configuring Network Informationbreak;}break;}}if (breakout_flag){printf("config succ\r\n");break;}}}else{wizchip_setnetinfo(conf_info); // Configuring Network Information}
}bool repeating_timer_callback(struct repeating_timer *t)
{DHCP_time_handler(); // DHCP 1s Tick Timer handlerreturn true;
}

4.5 结果演示

1.打开WIZ UartTool，填入参数：选择串口对应的com port，波特率115200，8位数据位，1位停止位，无校验位，无流控，填完参数后点击open打开。

2.打开串口后，按下复位键可以看到串口打印DHCP获取到的信息，其中IP为192.168.1.123。

3.然后开始ARP请求192.168.1.2获取MAC，获取到MAC地址之后表示成功。

5 注意事项

• socket号必须选择socket0，并使其工作在MACRAM模式下。
• 如果想用WIZnet的W5500来实现本章的示例，我们只需修改两个地方即可：

​ (1)在library/ioLibrary_Driver/Ethernet/下找到wizchip_conf.h这个头文件，将_WIZCHIP_ 宏定义修改为W5500。

​ (2)在library下找到CMakeLists.txt文件，将COMPILE_SEL设置为ON即可，OFF为W5100S，ON为W5500。

6 相关链接

WIZnet官网

WIZnet官方库链接

本章相关例程链接

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