DIY TCP/IP IP模块和ICMP模块的实现2

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原创最新推荐文章于 2026-08-16 21:25:34 发布 336 阅读 AI 写同款· GEO 优化 ›

XIAO W5500以太网模块：硬件TCP/IP协议栈赋能嵌入式稳定联网在嵌入式系统开发中，为微控制器（MCU）实现稳定可靠的网络连接是物联网、工业控制等场景的核心需求。传统软件TCP/IP协议栈会占用大量MCU的CPU和内存资源，而硬件协议栈芯片则通过集成完整的网络协议处理单元，将网络协议解析、数据包封装等复杂任务从主控MCU卸载，显著降低了系统负载与开发门槛。其技术价值在于为资源受限的单片机提供了即插即用的有线以太网解决方案，尤其适用于对网络实时性和稳定性要求高的应用。W5500作为一款经典的全硬件TCP/IP嵌入式以太网控制器，内部集成了8个独立的硬件Socket和零拷贝阅读详情

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本节在8.2节的基础上扩展icmp_recv函数，检验接收到的ICMP数据帧的校验和，解析ICMP数据帧头部的type字段，根据ICMP数据帧的类型做相应处理。

  int icmp_recv(unsigned char *pkt, unsigned int sz)
  {
      int ret = 0;
      iphdr_t *ippkt = NULL;
      icmphdr_t *icmppkt = NULL;
      unsigned short icmppkt_len = 0;
      unsigned char icmp_type = 0;
      unsigned char *payload = NULL;
  
      if (pkt == NULL || sz == 0) {
          ret = -1;
          goto out;
      }
  
      ippkt = (iphdr_t *)pkt;
      icmppkt_len = NTOHS(ippkt->total_len) - sizeof(iphdr_t);
      icmppkt = (icmphdr_t *)strip_header(ippkt, sizeof(iphdr_t));
      if (cksum(0, icmppkt, icmppkt_len, BENDIAN)) {
          log_printf(ERROR, "Invalid ICMP checksum\n");
          ret = -1;
          goto out;
      }
      icmp_type = icmppkt->type;
      log_printf(INFO, "Echo (ping) %s, id: %u, seq: %u/%u, ttl=%u\n",
          icmp_type == ICMP_TYPE_ECHO ? "request" : "reply",
          NTOHS(icmppkt->id), NTOHS(icmppkt->seq), icmppkt->seq,
          ippkt->ttl);
      dump_buf(icmppkt, icmppkt_len);
      switch(icmp_type) {
          case ICMP_TYPE_ECHO:
              ret = process_icmp_echo(ippkt, icmppkt);
              break;
          case ICMP_TYPE_ECHO_REPLY:
              ret = process_icmp_echo_reply();
              break;
          default:
              log_printf(WARNING,
                  "Unhandled ICMP PKT, type: %u\n", icmp_type);
              ret = -1;
              goto out;
      }
  out:
      return ret;
  }

Line 1-13: icmp_recv函数的参数pkt指向IP数据帧的首字节地址，sz是IP数据帧的长度，包括IP头部和IP Payload。pkt的类型是void *，没有定义成iphdr_t *类型，因为icmp_recv函数是ICMP模块暴露给其他模块使用的函数接口，icmp_recv函数声明在icmp.h头文件中，如果定义icmp_recv的入参pkt为iphdr_t *类型，就需要在icmp.h头文件中引入ip.h头文件，造成ICMP模块和IP模块头文件的循环引用。读者还会在其他模块的实现中看到类似的void *类型的函数入参的定义，都是为了避免头文件的循环引用和增加模块之间的独立性。
Line 14-17: 判断入参pkt不为空且sz不为0时继续执行，将pkt强制转换为iphdr_t *类型，根据IP首部的total_len字段计算ICMP数据帧的长度，strip_header将IP数据帧的头部剥去后赋值给icmppkt，strip_header之前已经介绍过，将ippkt指针转换为unsigned char *类型，再加上sizeof(iphdr_t)。
Line 18-22: 检验ICMP数据帧的校验和，8.1节中介绍的ICMP的头部数据和ICMP的payload数据都要参与计算校验和，icmppkt指向的ICMP数据帧的头部中包含发送方的校验和数据，所以此处检验校验和的结果应当为0，否则认为接收到的ICMP数据帧不合法。
Line 23-44: 校验和检验通过后，打印输出接收的到ICMP数据帧的头部信息，dump_buf做为debug使用，输出Echo (Ping) Request数据帧的内容。根据ICMP头部中的type判断，接收到的ICMP数据帧是Echo Ping Rquest或者是Echo Ping Reply，再交给process_icmp_echo和process_icmp_echo_reply函数处理。
8.4 ICMP数据帧的发送
本节在8.3节的基础上扩展process_icmp_echo函数，构造ICMP Echo (Ping) Reply数据帧，复制ICMP Echo Ping Request数据帧的payload数据，计算ICMP数据帧的校验和，将构造好的ICMP Echo Ping Reply数据帧交给IP模块发送。在介绍代码实现之前，先来通过wireshark抓取PING的数据帧交互过程，查看如何构造ICMP Echo (Ping) Reply数据帧。
DIY TCP/IP Ping Router Sample
上图是本人所在局域网中的一台windows主机PING路由器的交互过程，192.168.0.105发出Echo (ping) Request，路由器192.168.0.1回复Echo (ping) Reply。
Echo (ping) Requset数据帧
DIY TCP/IP Ping Request
Echo (Ping) Request数据帧头部结构已经在8.1节详细介绍过，data部分含有32个字节的数据，从wireshark的raw byte数据显示可以看出，32个字节的data是ascii码小写的a到w，再重复小写的a到i。
Echo (ping) Reply数据帧
DIY TCP/IP Ping Reply
Echo (ping) Reply的identifier，sequence number与Echo (ping) Request相等，在8.1节已经介绍过，RFC792 ICMP协议中有说明，ICMP头部code为0时，Echo ping Request和Echo Ping Reply的identifier，sequence number字段分别相等。表示Echo Ping Reply回复对应的Echo ping request数据帧。再来看数据部分，32个字节的数据也是相等的，与ICMP Echo数据帧的名字相呼应，接收到Echo (Ping) Request数据帧时，将数据原封不动的Echo回去。Echo (Ping) Reply除了type和校验和部分与Echo (Ping) Request不相等之外，其余部分均相等。弄清楚Echo (Ping) Reply数据帧的回复规则后，再来看process_icmp_echo的代码实现。

 static int process_icmp_echo(iphdr_t *ippkt, icmphdr_t *echo_req)
 {
  int ret = 0;
  unsigned short data_len = 0;
  unsigned char *echo_req_data = NULL;
  icmphdr_t *echo_reply = NULL;
  pdbuf_t *pdbuf = NULL;
 
  if (ippkt == NULL || echo_req == NULL) {
      ret = -1;
      goto out;
  }
 
  echo_req_data = strip_header(echo_req, sizeof(icmphdr_t));
  data_len = NTOHS(ippkt->total_len) -
          sizeof(iphdr_t) - sizeof(icmphdr_t);
  pdbuf = pdbuf_alloc(data_len, !IGNORE_MTU);
  if (pdbuf == NULL) {
      ret = -1;
      goto out;
  }
  /* build icmp reply */
  pdbuf_push(pdbuf, data_len);
  memcpy(pdbuf->payload, echo_req_data, data_len);
  pdbuf_push(pdbuf, sizeof(icmphdr_t));
  echo_reply = (icmphdr_t *)pdbuf->payload;
  echo_reply->type = ICMP_TYPE_ECHO_REPLY;
  echo_reply->code = ICMP_CODE;
  echo_reply->cksum = 0;
  echo_reply->id = echo_req->id;
  echo_reply->seq = HSTON(icmp_seq ++);
  echo_reply->cksum = cksum(0, echo_reply,
              data_len + sizeof(icmphdr_t), BENDIAN);
  echo_reply->cksum = HSTON(echo_reply->cksum);
  dump_buf(echo_reply, data_len + sizeof(icmphdr_t));
 out:
  return ret;
 }
 
 static int process_icmp_echo_reply()
 {
  int ret = 0;
  return ret;
 }

process_icmp_echo函数的入参是ippkt指针和icmppkt指针，分别指向IP数据帧的首字节地址，和ICMP数据帧的首字节地址。之所以需要IP数据帧，是因为ICMP Echo (Ping) Reply数据帧构造完成之后，需要将其交给IP模块的发送函数处理，发送的目标IP地址就是ICMP Request数据帧的IP头部中的源IP地址。
Line 1-16: 判断ippkt和icmppkt指针都不为空时继续执行，虽然icmp_recv到process_ecmp_echo的调用，ippkt和icmppkt指针必然不为空，本人编写C语言习惯先检查指针的合法性，再使用指针。调用strip_header将ICMP数据帧的头部剥去，返回的指针赋值给echo_req_data，echo_req_data指向ICMP Echo (Ping) Request的数据部分的首字节地址。通过IP头部的total_len字段减去IP头部长度和ICMP头部长度，得到Echo (ping) Request数据部分的长度。
Line 17-21: pdbuf_alloc申请长度为data_len的buffer，6.4节已经介绍过pdbuf_alloc申请的内存空间包括data_len，Layer3和Layer4最大的协议头部，以太网头部和pdbuf_t描述符本身占用的全部内存空间。pdbuf_alloc的第二个参数是!IGNORE_MTU，表示最大申请1500字节的内存空间。介绍IP分片的重组时，会再次改写该函数，重组后的IP分片，封装的ICMP数据帧的长度会超过1500字节。
Line 22-26: pdbuf_push调整pdbuf->payload向地址减小的方向移动data_len个字节，首先将Echo Request的数据部分复制到pdbuf->payload指向的内存空间。再将pdbuf->payload向地址减小的方向移动sizeof(icmphdr_t)个字节，用于存放ICMP的头部数据。将pdbuf->payload指针强制转换为icmphdr_t *类型，用于构造ICMP头部数据。
Line 27-38: type为0x0，code为0x0，cksum字段先赋值为0，最后计算校验和的数值。Identifier和sequence number都来自Echo (ping) Request数据帧，已经是大端格式，所以不需要再次转换为大端。计算校验和，参与计算的数据包括Echo (ping) Reply的头部数据和Payload数据。校验和计算完成后再转换为大端格式填入Echo (ping) Reply数据帧的头部cksum字段中。dump_buf做为debug使用，在将Echo (ping) Reply数据帧交给IP模块发送之前，先通过dump_buf查看构造的数据帧是否符合预期。
与8.2的测试方法一致，运行DIY TCP/IP的主机记为A，与主机A在同一个局域网的主机B上Ping主机A，8.3节在完成ICMP数据帧的校验和检查后，dump_buf打印Echo Ping Request数据帧的内容，本节在ICMP数据帧的校验和计算完成后，dump_buf打印回复构造的Echo Ping Reply数据帧的内容。
主机B PING 192.168.0.7，该IP地址是DIY TCP/IP的虚拟IP地址(局域网中不存在)，本节只是构造了ICMP Echo Ping Reply，并没有将数据帧交给IP模块发送，所以主机B上PING的结果仍然是失败的。
DIY TCP/IP Ping Result
再来看DIY TCP/IP的运行结果

gannicus@ubuntu:~/guojia/tasks/DIY_USER_SPACE_TCPIP/ch5/2$ sudo ./tcp_ip_stack -i 192.168.0.7
[sudo] password for gannicus: 
Network device init
filter: ether proto 0x0800 or ether proto 0x0806
Network device RX init
Network device TX init
Net device ip address: 192.168.0.7
192.168.0.7 is at 00:0c:29:2e:0a:ed
ARP Table
IP Address      MAC Address
192.168.0.105       8c:a9:82:11:d1:de
Echo (ping) request, id: 1, seq: 16/4096, ttl=64
08 00 4d 4b 00 01 00 10 61 62 63 64 65 66 67 68
69 6a 6b 6c 6d 6e 6f 70 71 72 73 74 75 76 77 61
62 63 64 65 66 67 68 69 
Echo (ping) reply, id: 1, seq: 16/4096, ttl=64
00 00 55 4b 00 01 00 10 61 62 63 64 65 66 67 68
69 6a 6b 6c 6d 6e 6f 70 71 72 73 74 75 76 77 61
62 63 64 65 66 67 68 69 
Echo (ping) request, id: 1, seq: 17/4352, ttl=64
…

从运行结果可以看出，ICMP模块接收到了Echo (PIing) Request，并且校验和检验成功，Echo (ping) request的type为0x08，0x0为code，4d 4b 为大端格式的校验和，00 01是大端格式的identification，00 10也是大端格式的sequence number，从61向后，一直到第40个字节是Echo (ping) Request的数据内容。
再来看本节构造的Echo (Ping) Reply，type为0x00，0x0为code，55 4b是大端格式的校验和，identification和sequence number与Echo (Ping) Request相等，后面的数据部分也相等，运行结果符合预期。
下一篇：DIY TCP/IP IP模块和ICMP模块的实现3

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