STM32:实现ping命令(lwip)

0.协议介绍

ping指令实际上并不直接对应一个“协议”，而是使用ICMP（Internet Control Message Protocol，互联网控制消息协议）协议来实现其功能。ICMP是IP（Internet Protocol，互联网协议）的一个辅助协议，用于在IP主机、路由器之间传递控制消息。ping指令通过发送ICMP回声请求消息（ICMP Echo Request）并等待ICMP回声应答消息（ICMP Echo Reply）来测试目标主机的可达性。
以下是ping指令使用的ICMP数据包的格式：

ICMP数据包格式

ICMP数据包封装在IP数据包内，其格式通常包括以下几个部分：
1.IP头部：包含源IP地址、目的IP地址、协议号（对于ICMP，协议号为1）、总长度、TTL（Time To Live，生存时间）等字段。
2.ICMP头部：
类型（Type）：8位，表示ICMP消息的类型。对于回声请求消息，类型为8；对于回声应答消息，类型为0。
3.代码（Code）：8位，与类型字段一起表示ICMP消息的具体种类。对于回声请求和回声应答消息，代码字段通常为0。
4.校验和（Checksum）：16位，用于校验ICMP头部的正确性。
5.标识符（Identifier）：16位，用于标识发送者的身份，以便接收者能够匹配请求和应答。
6.序列号（Sequence Number）：16位，用于标识每个ICMP消息的序列号，以便在多个消息之间建立关联。
7.可选数据（Optional Data）：对于回声请求和回声应答消息，这个部分通常包含用户定义的数据（即ping指令发送的数据）。这个数据可以是任意长度的，但通常不会太长，以避免数据包过大而导致的分片。

ping指令发送的ICMP回声请求消息

当使用ping指令发送ICMP回声请求消息时，数据包通常包含以下字段：

**IP头部：**源IP地址设置为发送ping指令的主机的IP地址，目的IP地址设置为要测试的目标主机的IP地址。
**ICMP头部：**类型字段设置为8（表示回声请求消息），代码字段设置为0，校验和字段根据ICMP头部的内容计算得出，标识符和序列号由发送者自行选择。
**可选数据：**通常包含一些固定的文本（如“PING”或“Hello, World!”），以及发送者的时间戳等信息。

ping指令接收的ICMP回声应答消息

当目标主机接收到ICMP回声请求消息后，会发送一个ICMP回声应答消息作为回应。这个数据包通常包含以下字段：

**IP头部：**源IP地址设置为目标主机的IP地址，目的IP地址设置为发送ping指令的主机的IP地址。
**ICMP头部：**类型字段设置为0（表示回声应答消息），代码字段设置为0，校验和字段根据ICMP头部的内容计算得出，标识符和序列号与接收到的回声请求消息中的相应字段保持一致。
**可选数据：**与接收到的回声请求消息中的可选数据保持一致（如果有的话）。
通过比较发送的回声请求消息和接收到的回声应答消息，ping指令可以计算出往返时间（RTT，Round-Trip Time），从而评估网络的延迟情况。如果目标主机不可达或设置了ICMP数据包过滤（如防火墙），则可能无法接收到回声应答消息，此时ping指令会显示相应的错误信息（如“请求超时”或“目标主机不可达”）。

1.实现步骤

在STM32上使用LwIP库实现ping功能涉及几个步骤。LwIP（Lightweight IP）是一个轻量级的TCP/IP协议栈，它被设计为可以在资源有限的系统中运行。为了在STM32上实现ping功能，你需要确保以下几点：

1. 配置和初始化LwIP：
   •确保你已经在你的STM32项目中正确地集成了LwIP库。
   •配置网络接口（例如以太网或Wi-Fi），包括MAC地址、IP地址、子网掩码和默认网关。
   •初始化LwIP堆栈。
2. 设置网络接口：
   •如果你使用的是以太网，需要配置并启用以太网外设。
   •如果是无线网络，则需要配置Wi-Fi模块，并连接到一个可用的无线网络。
3. 创建Ping线程或任务：
   •在FreeRTOS环境中，你可以创建一个新的任务来处理Ping请求。
   •如果没有操作系统，你可以将Ping代码放在主循环中的适当位置。
4. 编写Ping函数：
   •使用LwIP提供的API来发送ICMP Echo请求（即Ping请求）。这通常涉及到调用icmp_ping_send函数或类似的功能。
   •你可以通过ping命令行工具或者自己实现一个简单的用户界面来触发Ping操作。
5. 处理响应：
   •LwIP会自动处理接收到的ICMP Echo回复，并调用相应的回调函数。
   •你需要实现一个回调函数来处理这些回复，比如计算往返时间（RTT）并打印结果。
6. 测试和调试：
   •连接到你的开发板，并尝试Ping一个已知的IP地址（如8.8.8.8，这是Google的公共DNS服务器之一）。
   •检查输出结果，确认是否成功接收到了回复。

2.源码分析

2.1 初始化函数

设置目标IP地址和本地IP地址，创建并绑定一个新的协议控制块（PCB），以及设置接收回调函数

void Ping_Init(void)
{ IP4_ADDR(&dest_ip,192,168,1,188);IP4_ADDR(&local_ip,192,168,1,30);/*bind local IP.*/LOG_INFO("local IP address:%4d.%4d.%4d.%4d\r\n",ip4_addr1(&local_ip),\ip4_addr2(&local_ip),\ip4_addr3(&local_ip),\ip4_addr4(&local_ip));/*bind dest IP.*/LOG_INFO("dest IP address:%4d.%4d.%4d.%4d\r\n", ip4_addr1(&dest_ip),\ip4_addr2(&dest_ip),\ip4_addr3(&dest_ip),\ip4_addr4(&dest_ip));    /*allocate a new pcb*/ping_pcb = raw_new(IP_PROTO_ICMP);//set IP protocol type to ICMPif(NULL == ping_pcb) {LOG_INFO("get n new raw pcb failed.\r\n");return;}raw_bind(ping_pcb,&local_ip);//bind local IP to pcb.raw_recv(ping_pcb,recv_callback,NULL);
}

2.2 发送函数

函数参数：
1.void *arg：这是一个指向raw_pcb结构体的指针，该结构体代表一个原始协议控制块（PCB），用于处理原始套接字通信。在这个函数中，它被用来发送ICMP Echo请求（即Ping请求）。
2.ip_addr_t dst_ip：这是目标IP地址，表示Ping请求应该发送到的设备。
3.Ping任务状态检查：
首先，函数检查一个全局变量ping_completed，以确定Ping任务是否已经完成。如果已完成，则函数立即返回。
4.发送次数检查：
接着，函数检查已发送的Ping请求数量（ping_count）是否已达到预设的最大值（PING_MAX_COUNT）。如果是，则将ping_completed设置为1，将ping_state设置为PING_STATE_COMPLETED，并记录已收到的回复数量（reply_count），然后返回。
5.获取PCB：
从arg参数中获取raw_pcb结构体的指针。
6.分配pbuf：
使用pbuf_alloc函数为ICMP Echo请求分配内存。请求的内存大小是ICMP头部大小加上一个消息字符串的大小（message），这里假设message是一个在函数外部定义的全局变量或常量字符串。
如果内存分配失败，则记录错误并返回。
7.检查pbuf大小：
确保分配的pbuf足够大，以容纳ICMP头部和消息数据。如果不够大，则释放pbuf并返回。
8.设置ICMP头部：
初始化ICMP Echo请求的头部字段，包括类型（type，设置为Ping请求）、代码（code）、校验和（chksum，这里初始化为0，因为LwIP协议栈在发送前会自动计算并填充正确的校验和）、标识符（id）和序列号（seqno）。
9.添加数据：
将消息数据复制到ICMP Echo请求的数据部分。这里假设message是一个包含要发送数据的字节数组。
10.发送数据包：
使用raw_sendto函数发送ICMP Echo请求。这个函数需要PCB、pbuf和目标IP地址作为参数。
记录发送时间和请求数量：
更新全局变量last_send_time为当前系统时间（使用sys_now函数获取），并增加ping_count的值。
11.释放pbuf：
在发送之后，释放之前为ICMP Echo请求分配的pbuf。

void Ping_Send(void *arg,ip_addr_t dst_ip)
{struct pbuf *icmp_pbuf = NULL;struct raw_pcb  *pcb = NULL;struct icmp_echo_hdr *icmp_hdr = NULL;u8_t *data_ptr = NULL;u8_t i =0;// 检查Ping任务是否已完成if (ping_completed) {return;}// 检查是否达到最大发送次数if (ping_count >= PING_MAX_COUNT) {ping_completed = 1;ping_state = PING_STATE_COMPLETED;LOG_INFO("Ping completed: max count reached, %d replies received.\r\n", reply_count);return;}pcb = (struct raw_pcb*)arg;/* IP header(pre allocated) + payload(ICMP header + data)    */icmp_pbuf = pbuf_alloc(PBUF_IP,sizeof(struct icmp_echo_hdr) + sizeof(message),PBUF_POOL);//allocate memory;if(NULL == icmp_pbuf){LOG_INFO("pbuf_alloc() failed.\r\n");return;