基于DWC_ether_qos的以太网驱动开发-LWIP的ICMP模块介绍与PING收发测试

原创嵌入式Lee 2023-09-18 17:45

示波器需要多少模拟通道？ 精密双向电流传感放大器：精准测量，守护电流安全

一. 前言

ICMP即Internet Control Message Protocol因特网控制消息协议。

ICMP是网络层协议，IP不可分割的一部分。

ICMP用于报告数据报处理中的错误，比如以下情况下时发送ICMP消息:当数据报无法到达其目的地时，当网关没有转发数据报的缓冲能力时，以及当网关可以指示主机在较短的路由上发送数据时。

互联网协议的设计并不是绝对可靠的。ICMP这些控制消息的目的是提供有关通信环境中问题的反馈，而不是使IP可靠。不能确保数据报的传递或控制消息的返回，一些数据报可能无法送达时也没有任何丢失报告。如果需要可靠的通信，则使用IP的更高级别协议必须实现其自己的可靠性程序。

ICMP消息通常报告数据报处理中的错误，且不发送关于ICMP消息的ICMP消息，否则消息会无限递归。此外，ICMP消息只发送关于处理分段数据报的零分段时的错误。（片段零的片段offeset等于零）。

参考

RFC 792

https://www.iana.org/assignments/icmp-parameters/icmp-parameters.xhtml

二. ICMP消息格式

ICMP消息格式

从 ICMP 的报文格式来说，ICMP 是 IP 的上层协议，他是在IP报的基础上再添加ICMP报格式。但是 ICMP 是分担了 IP 的一部分功能。所以，他也被认为是与 IP 同层的协议。

我们这里只关注ICMP部分，ICMP由首部和数据两部分组成,如下

区域

类型

Type

代码

Code

校验和

Checksum

字节大小

区域

首部数据,根据类型不一样而不一样，对于ping拆为了16位的ID和16位的序列号

字节大小

区域

ICMP数据部分

字节大小

类型不同长度不同

Type和Code如下表

类型TYPE

代码CODE

用途|描述 Description

查询类Query

差错类Error

Echo Reply——回显应答（Ping应答）

Network Unreachable——网络不可达

Host Unreachable——主机不可达

Protocol Unreachable——协议不可达

Port Unreachable——端口不可达

Fragmentation needed but no frag. bit set——需要进行分片但设置不分片比特

Source routing failed——源站选路失败

Destination network unknown——目的网络未知

Destination host unknown——目的主机未知

Source host isolated (obsolete)——源主机被隔离（作废不用）

Destination network administratively prohibited——目的网络被强制禁止

Destination host administratively prohibited——目的主机被强制禁止

Network unreachable for TOS——由于服务类型TOS，网络不可达

Host unreachable for TOS——由于服务类型TOS，主机不可达

Communication administratively prohibited by filtering——由于过滤，通信被强制禁止

Host precedence violation——主机越权

Precedence cutoff in effect——优先中止生效

Source quench——源端被关闭（基本流控制）

Redirect for network——对网络重定向

Redirect for host——对主机重定向

Redirect for TOS and network——对服务类型和网络重定向

Redirect for TOS and host——对服务类型和主机重定向

Echo request——回显请求（Ping请求）

Router advertisement——路由器通告

Route solicitation——路由器请求

TTL equals 0 during transit——传输期间生存时间为0

TTL equals 0 during reassembly——在数据报组装期间生存时间为0

IP header bad (catchall error)——坏的IP首部（包括各种差错）

Required options missing——缺少必需的选项

Timestamp request (obsolete)——时间戳请求（作废不用）

Timestamp reply (obsolete)——时间戳应答（作废不用）

Information request (obsolete)——信息请求（作废不用）

Information reply (obsolete)——信息应答（作废不用）

Address mask request——地址掩码请求

Address mask reply——地址掩码应答

使用wirshark协助解析

三. LWIP中ICMP相关代码分析

这里只看IPV4相关的,IPV6下也有对应的实现。

ipv4/icmp.c

icmp.h

3.1调试打印

可以配置宏ICMP_DEBUG,使能调试打印,一遍跟踪对应的程序处理过程。

lwipopts.h中配置

#define ICMP_DEBUG LWIP_DBG_ON

3.2数据结构

实现了以下Type

#define ICMP_ER   0    /* echo reply */
#define ICMP_DUR  3    /* destination unreachable */
#define ICMP_SQ   4    /* source quench */
#define ICMP_RD   5    /* redirect */
#define ICMP_ECHO 8    /* echo */
#define ICMP_TE  11    /* time exceeded */
#define ICMP_PP  12    /* parameter problem */
#define ICMP_TS  13    /* timestamp */
#define ICMP_TSR 14    /* timestamp reply */
#define ICMP_IRQ 15    /* information request */
#define ICMP_IR  16    /* information reply */
#define ICMP_AM  17    /* address mask request */
#define ICMP_AMR 18    /* address mask reply */

定义了头的数据结构

struct icmp_hdr {
PACK_STRUCT_FLD_8(u8_t type);
PACK_STRUCT_FLD_8(u8_t code);
PACK_STRUCT_FIELD(u16_t chksum);
PACK_STRUCT_FIELD(u32_t data);
} PACK_STRUCT_STRUCT;

如果四echo则，ICMP首部后面4字节数据拆分成id和序列号

struct icmp_echo_hdr {
PACK_STRUCT_FLD_8(u8_t type);
PACK_STRUCT_FLD_8(u8_t code);
PACK_STRUCT_FIELD(u16_t chksum);
PACK_STRUCT_FIELD(u16_t id);
PACK_STRUCT_FIELD(u16_t seqno);
} PACK_STRUCT_STRUCT;

3.3输入数据流

关键代码是icmp_input

ethernet_input->Type=0x0800 ip4_input-> Protocol=0x01 icmp_input

通过switch处理各种类型

switch (type) {
  case ICMP_ER:

比如对于收到别人的ping请求就是进入

case ICMP_ECHO:

如果是多播地址不响应

然后检查ICMP头部至少要8字节。

然后检查checksum

最后调用ip4_output_if发送响应包。

3.4输出数据流

icmp_dest_unreach

icmp_time_exceeded

都是调用

icmp_send_response

3.5发送PING

收到响应进入icmp_input的

  case ICMP_ER:
    /* This is OK, echo reply might have been parsed by a raw PCB
       (as obviously, an echo request has been sent, too). */
    MIB2_STATS_INC(mib2.icmpinechoreps);
    break

发送ping可以裸机可以使用raw PCB，带OS可以使用socket实现

详见ping.c/h

#include "lwip/opt.h"
#if LWIP_RAW /* don't build if not configured for use in lwipopts.h */
#include "ping.h"
#include "lwip/mem.h"#include "lwip/raw.h"#include "lwip/icmp.h"#include "lwip/netif.h"#include "lwip/sys.h"#include "lwip/timeouts.h"#include "lwip/inet_chksum.h"#include "lwip/prot/ip4.h"
#if PING_USE_SOCKETS#include "lwip/sockets.h"#include "lwip/inet.h"#include #endif /* PING_USE_SOCKETS */

/** * PING_DEBUG: Enable debugging for PING. */#ifndef PING_DEBUG#define PING_DEBUG     LWIP_DBG_ON#endif
/** ping receive timeout - in milliseconds */#ifndef PING_RCV_TIMEO#define PING_RCV_TIMEO 1000#endif
/** ping delay - in milliseconds */#ifndef PING_DELAY#define PING_DELAY     1000#endif
/** ping identifier - must fit on a u16_t */#ifndef PING_ID#define PING_ID        0xAFAF#endif
/** ping additional data size to include in the packet */#ifndef PING_DATA_SIZE#define PING_DATA_SIZE 32#endif
/** ping result action - no default action */#ifndef PING_RESULT#define PING_RESULT(ping_ok)#endif
/* ping variables */static const ip_addr_t* ping_target;static u16_t ping_seq_num;#ifdef LWIP_DEBUGstatic u32_t ping_time;#endif /* LWIP_DEBUG */#if !PING_USE_SOCKETSstatic struct raw_pcb *ping_pcb;#endif /* PING_USE_SOCKETS */
/** Prepare a echo ICMP request */static voidping_prepare_echo( struct icmp_echo_hdr *iecho, u16_t len){  size_t i;  size_t data_len = len - sizeof(struct icmp_echo_hdr);
  ICMPH_TYPE_SET(iecho, ICMP_ECHO);  ICMPH_CODE_SET(iecho, 0);  iecho->chksum = 0;  iecho->id     = PING_ID;  iecho->seqno  = lwip_htons(++ping_seq_num);
  /* fill the additional data buffer with some data */  for(i = 0; i < data_len; i++) {    ((char*)iecho)[sizeof(struct icmp_echo_hdr) + i] = (char)i;  }
  iecho->chksum = inet_chksum(iecho, len);}
#if PING_USE_SOCKETS
/* Ping using the socket ip */static err_tping_send(int s, const ip_addr_t *addr){  int err;  struct icmp_echo_hdr *iecho;  struct sockaddr_storage to;  size_t ping_size = sizeof(struct icmp_echo_hdr) + PING_DATA_SIZE;  LWIP_ASSERT("ping_size is too big", ping_size <= 0xffff);
#if LWIP_IPV6  if(IP_IS_V6(addr) && !ip6_addr_isipv4mappedipv6(ip_2_ip6(addr))) {    /* todo: support ICMP6 echo */    return ERR_VAL;  }#endif /* LWIP_IPV6 */
  iecho = (struct icmp_echo_hdr *)mem_malloc((mem_size_t)ping_size);  if (!iecho) {    return ERR_MEM;  }
  ping_prepare_echo(iecho, (u16_t)ping_size);
#if LWIP_IPV4  if(IP_IS_V4(addr)) {    struct sockaddr_in *to4 = (struct sockaddr_in*)&to;    to4->sin_len    = sizeof(*to4);    to4->sin_family = AF_INET;    inet_addr_from_ip4addr(&to4->sin_addr, ip_2_ip4(addr));  }#endif /* LWIP_IPV4 */
#if LWIP_IPV6  if(IP_IS_V6(addr)) {    struct sockaddr_in6 *to6 = (struct sockaddr_in6*)&to;    to6->sin6_len    = sizeof(*to6);    to6->sin6_family = AF_INET6;    inet6_addr_from_ip6addr(&to6->sin6_addr, ip_2_ip6(addr));  }#endif /* LWIP_IPV6 */
  err = lwip_sendto(s, iecho, ping_size, 0, (struct sockaddr*)&to, sizeof(to));
  mem_free(iecho);
  return (err ? ERR_OK : ERR_VAL);}
static voidping_recv(int s){  char buf[64];  int len;  struct sockaddr_storage from;  int fromlen = sizeof(from);
  while((len = lwip_recvfrom(s, buf, sizeof(buf), 0, (struct sockaddr*)&from, (socklen_t*)&fromlen)) > 0) {    if (len >= (int)(sizeof(struct ip_hdr)+sizeof(struct icmp_echo_hdr))) {      ip_addr_t fromaddr;      memset(&fromaddr, 0, sizeof(fromaddr));
#if LWIP_IPV4      if(from.ss_family == AF_INET) {        struct sockaddr_in *from4 = (struct sockaddr_in*)&from;        inet_addr_to_ip4addr(ip_2_ip4(&fromaddr), &from4->sin_addr);        IP_SET_TYPE_VAL(fromaddr, IPADDR_TYPE_V4);      }#endif /* LWIP_IPV4 */
#if LWIP_IPV6      if(from.ss_family == AF_INET6) {        struct sockaddr_in6 *from6 = (struct sockaddr_in6*)&from;        inet6_addr_to_ip6addr(ip_2_ip6(&fromaddr), &from6->sin6_addr);        IP_SET_TYPE_VAL(fromaddr, IPADDR_TYPE_V6);      }#endif /* LWIP_IPV6 */
      LWIP_DEBUGF( PING_DEBUG, ("ping: recv "));      ip_addr_debug_print_val(PING_DEBUG, fromaddr);      LWIP_DEBUGF( PING_DEBUG, (" %"U32_F" ms\n", (sys_now() - ping_time)));
      /* todo: support ICMP6 echo */#if LWIP_IPV4      if (IP_IS_V4_VAL(fromaddr)) {        struct ip_hdr *iphdr;        struct icmp_echo_hdr *iecho;
        iphdr = (struct ip_hdr *)buf;        iecho = (struct icmp_echo_hdr *)(buf + (IPH_HL(iphdr) * 4));        if ((iecho->id == PING_ID) && (iecho->seqno == lwip_htons(ping_seq_num))) {          /* do some ping result processing */          PING_RESULT((ICMPH_TYPE(iecho) == ICMP_ER));          return;        } else {          LWIP_DEBUGF( PING_DEBUG, ("ping: drop\n"));        }      }#endif /* LWIP_IPV4 */    }    fromlen = sizeof(from);  }
  if (len == 0) {    LWIP_DEBUGF( PING_DEBUG, ("ping: recv - %"U32_F" ms - timeout\n", (sys_now()-ping_time)));  }
  /* do some ping result processing */  PING_RESULT(0);}
static voidping_thread(void *arg){  int s;  int ret;
#if LWIP_SO_SNDRCVTIMEO_NONSTANDARD  int timeout = PING_RCV_TIMEO;#else  struct timeval timeout;  timeout.tv_sec = PING_RCV_TIMEO/1000;  timeout.tv_usec = (PING_RCV_TIMEO%1000)*1000;#endif  LWIP_UNUSED_ARG(arg);
#if LWIP_IPV6  if(IP_IS_V4(ping_target) || ip6_addr_isipv4mappedipv6(ip_2_ip6(ping_target))) {    s = lwip_socket(AF_INET6, SOCK_RAW, IP_PROTO_ICMP);  } else {    s = lwip_socket(AF_INET6, SOCK_RAW, IP6_NEXTH_ICMP6);  }#else  s = lwip_socket(AF_INET,  SOCK_RAW, IP_PROTO_ICMP);#endif  if (s < 0) {    return;  }
  ret = lwip_setsockopt(s, SOL_SOCKET, SO_RCVTIMEO, &timeout, sizeof(timeout));  LWIP_ASSERT("setting receive timeout failed", ret == 0);  LWIP_UNUSED_ARG(ret);
  while (1) {    if (ping_send(s, ping_target) == ERR_OK) {      LWIP_DEBUGF( PING_DEBUG, ("ping: send "));      ip_addr_debug_print(PING_DEBUG, ping_target);      LWIP_DEBUGF( PING_DEBUG, ("\n"));
#ifdef LWIP_DEBUG      ping_time = sys_now();#endif /* LWIP_DEBUG */      ping_recv(s);    } else {      LWIP_DEBUGF( PING_DEBUG, ("ping: send "));      ip_addr_debug_print(PING_DEBUG, ping_target);      LWIP_DEBUGF( PING_DEBUG, (" - error\n"));    }    sys_msleep(PING_DELAY);  }}
#else /* PING_USE_SOCKETS */
/* Ping using the raw ip */static u8_tping_recv(void *arg, struct raw_pcb *pcb, struct pbuf *p, const ip_addr_t *addr){  struct icmp_echo_hdr *iecho;  LWIP_UNUSED_ARG(arg);  LWIP_UNUSED_ARG(pcb);  LWIP_UNUSED_ARG(addr);  LWIP_ASSERT("p != NULL", p != NULL);
  if ((p->tot_len >= (PBUF_IP_HLEN + sizeof(struct icmp_echo_hdr))) &&      pbuf_remove_header(p, PBUF_IP_HLEN) == 0) {    iecho = (struct icmp_echo_hdr *)p->payload;
    if ((iecho->id == PING_ID) && (iecho->seqno == lwip_htons(ping_seq_num))) {      LWIP_DEBUGF( PING_DEBUG, ("ping: recv "));      ip_addr_debug_print(PING_DEBUG, addr);      LWIP_DEBUGF( PING_DEBUG, (" %"U32_F" ms\n", (sys_now()-ping_time)));
      /* do some ping result processing */      PING_RESULT(1);      pbuf_free(p);      return 1; /* eat the packet */    }    /* not eaten, restore original packet */    pbuf_add_header(p, PBUF_IP_HLEN);  }
  return 0; /* don't eat the packet */}
static voidping_send(struct raw_pcb *raw, const ip_addr_t *addr){  struct pbuf *p;  struct icmp_echo_hdr *iecho;  size_t ping_size = sizeof(struct icmp_echo_hdr) + PING_DATA_SIZE;
  LWIP_DEBUGF( PING_DEBUG, ("ping: send "));  ip_addr_debug_print(PING_DEBUG, addr);  LWIP_DEBUGF( PING_DEBUG, ("\n"));  LWIP_ASSERT("ping_size <= 0xffff", ping_size <= 0xffff);
  p = pbuf_alloc(PBUF_IP, (u16_t)ping_size, PBUF_RAM);  if (!p) {    return;  }  if ((p->len == p->tot_len) && (p->next == NULL)) {    iecho = (struct icmp_echo_hdr *)p->payload;
    ping_prepare_echo(iecho, (u16_t)ping_size);
    raw_sendto(raw, p, addr);#ifdef LWIP_DEBUG    ping_time = sys_now();#endif /* LWIP_DEBUG */  }  pbuf_free(p);}
static voidping_timeout(void *arg){  struct raw_pcb *pcb = (struct raw_pcb*)arg;
  LWIP_ASSERT("ping_timeout: no pcb given!", pcb != NULL);
  ping_send(pcb, ping_target);
  sys_timeout(PING_DELAY, ping_timeout, pcb);}
static voidping_raw_init(void){  ping_pcb = raw_new(IP_PROTO_ICMP);  LWIP_ASSERT("ping_pcb != NULL", ping_pcb != NULL);
  raw_recv(ping_pcb, ping_recv, NULL);  raw_bind(ping_pcb, IP_ADDR_ANY);  sys_timeout(PING_DELAY, ping_timeout, ping_pcb);}
voidping_send_now(void){  LWIP_ASSERT("ping_pcb != NULL", ping_pcb != NULL);  ping_send(ping_pcb, ping_target);}
#endif /* PING_USE_SOCKETS */
voidping_init(const ip_addr_t* ping_addr){  ping_target = ping_addr;
#if PING_USE_SOCKETS  sys_thread_new("ping_thread", ping_thread, NULL, DEFAULT_THREAD_STACKSIZE, DEFAULT_THREAD_PRIO);#else /* PING_USE_SOCKETS */  ping_raw_init();#endif /* PING_USE_SOCKETS */}
#endif /* LWIP_RAW */

#ifndef LWIP_PING_H#define LWIP_PING_H
#include "lwip/ip_addr.h"
/** * PING_USE_SOCKETS: Set to 1 to use sockets, otherwise the raw api is used */#ifndef PING_USE_SOCKETS#define PING_USE_SOCKETS    LWIP_SOCKET#endif
void ping_init(const ip_addr_t* ping_addr);
#if !PING_USE_SOCKETSvoid ping_send_now(void);#endif /* !PING_USE_SOCKETS */
#endif /* LWIP_PING_H */

如下是带OS的测试

  ip_addr_t ping_addr;
  IP4_ADDR(&ping_addr, 192, 168, 1, 9);
  ping_init(&ping_addr);

打印如下，(这里printf不支持某些格式所以IP地址打印显示不对)

四. 总结

了解ICMP包的格式，了解LWIP发送ping和对堆ping请求响应的过程。

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基于DWC_ether_qos的以太网驱动开发-LWIP的ICMP模块介绍与PING收发测试

一. 前言

二. ICMP消息格式

ICMP消息格式

使用wirshark协助解析

三. LWIP中ICMP相关代码分析

3.1调试打印

3.2数据结构

3.3输入数据流

3.4输出数据流

3.5发送PING

四. 总结

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