lan_dhcp实验_动态分配ip地址 []

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|  V1.0  |  2020-07-09  |  gingko  |  初次建立  |

===== 实验二十四：LWIP_DHCP实验——动态分配IP地址 =====

==== 
一、 实验目的与意义 ====
  - 
  - 了解STM32 SPI和DHCP结构。
  - 了解STM32 SPI和DHCP特征。
  - 掌握SPI和DHCP的使用方法。
  - 掌握KEIL MDK 集成开发环境使用方法。
==== 二、 实验设备及平台 ====

  - iCore4 双核心板[[https://item.taobao.com/item.htm?spm=a1z10.1-c-s.w4004-22598974120.15.5923532fsFrHiE&id=551864196684|点击购买]]。
  - JLINK（或相同功能）仿真器[[https://item.taobao.com/item.htm?id=554869837940|点击购买]]。
  - Micro USB线缆。
  - 网线。
  - Keil MDK 开发平台。
  - 装有WIN XP（及更高版本）系统的计算机。
==== 三、 实验原理 ====

=== 1、DHCP简介 ===

  * DHCP（动态主机配置协议）是一个局域网的网络协议。指的是由服务器控制一段lP地址范围，客户机登录服务器时就可以自动获得服务器分配的lP地址和子网掩码。默认情况下，DHCP作为Windows Server的一个服务组件不会被系统自动安装，还需要管理员手动安装并进行必要的配置。
  * DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol，动态主机配置协议）通常被应用在大型的局域网络环境中，主要作用是集中的管理、分配IP地址，使网络环境中的主机动态的获得IP地址、Gateway地址、DNS服务器地址等信息，并能够提升地址的使用率。 
  * DHCP协议采用客户端/服务器模型，主机地址的动态分配任务由网络主机驱动。当DHCP服务器接收到来自网络主机申请地址的信息时，才会向网络主机发送相关的地址配置等信息，以实现网络主机地址信息的动态配置。DHCP具有以下功能： 
    * （1）保证任何IP地址在同一时刻只能由一台DHCP客户机所使用。 
    * （2）DHCP应当可以给用户分配永久固定的IP地址。  
    * （3）DHCP应当可以同用其他方法获得IP地址的主机共存（如手工配置IP地址的主机）。 
    * （4）DHCP服务器应当向现有的BOOTP客户端提供服务。 
  * DHCP有三种机制分配IP地址： 
    * （1）自动分配方式（Automatic Allocation），DHCP服务器为主机指定一个永久性的IP地址，一旦DHCP客户端第一次成功从DHCP服务器端租用到IP地址后，就可以永久性的使用该地址。 
    * （2）动态分配方式（Dynamic Allocation），DHCP服务器给主机指定一个具有时间限制的IP地址，时间到期或主机明确表示放弃该地址时，该地址可以被其他主机使用。
    * （3）手工分配方式（Manual Allocation），客户端的IP地址是由网络管理员指定的，DHCP服务器只是将指定的IP地址告诉客户端主机。 
  * 三种地址分配方式中，只有动态分配可以重复使用客户端不再需要的地址。 
  * DHCP消息的格式是基于BOOTP（Bootstrap Protocol）消息格式的，这就要求设备具有BOOTP中继代理的功能，并能够与BOOTP客户端和DHCP服务器实现交互。BOOTP中继代理的功能，使得没有必要在每个物理网络都部署一个DHCP服务器。RFC 951和RFC 1542对BOOTP协议进行了详细描述。
=== 2、LWIP简介 ===

  * LwIP是Light Weight (轻型)IP协议，有无操作系统的支持都可以运行。LwIP实现的重点是在保持TCP协议主要功能的基础上减少对RAM 的占用，它只需十几KB的RAM和40K左右的ROM就可以运行，这使LwIP协议栈适合在低端的嵌入式系统中使用。 
  * LwIP协议栈主要关注的是怎么样减少内存的使用和代码的大小，这样就可以让LwIP适用于资源有限的小型平台例如嵌入式系统。为了简化处理过程和内存要求，LwIP对API进行了裁减，可以不需要复制一些数据。
  * LwIP提供三种API：1)RAW API  2)LwIP API  3)BSD API。
  * RAW API把协议栈和应用程序放到一个进程里边，该接口基于函数回调技术，使用该接口的应用程序可以不用进行连续操作。不过，这会使应用程序编写难度加大且代 码不易被理解。为了接收数据，应用程序会向协议栈注册一个回调函数。该回调函数与特定的连接相关联，当该关联的连接到达一个信息包，该回调函数就会被协议 栈调用。这既有优点也有缺点。优点是既然应用程序和TCP/IP协议栈驻留在同一个进程中，那么发送和接收数据就不再产生进程切换。主要缺点是应用程序不 能使自己陷入长期的连续运算中，这样会导致通讯性能下降，原因是TCP/IP处理与连续运算是不能并行发生的。这个缺点可以通过把应用程序分为两部分来克 服，一部分处理通讯，一部分处理运算。
  * LwIP API把接收与处理放在一个线程里面。这样只要处理流程稍微被延迟，接收就会被阻塞，直接造成频繁丢包、响应不及时等严重问题。因此，接收与协议处理必须 分开。LwIP的作者显然已经考虑到了这一点，他为我们提供了 tcpip_input() 函数来处理这个问题， 虽然他并没有在 rawapi 一文中说明。讲到这里，读者应该知道tcpip_input()函数投递的消息从哪里来的答案了吧，没错，它们来自于由底层网络驱动组成的接收线程。我们在编写网络驱动时， 其接收部分以任务的形式创建。 数据包到达后， 去掉以太网包头得到IP包， 然后直接调用tcpip_input()函数将其 投递到mbox邮箱。投递结束，接收任务继续下一个数据包的接收，而被投递得IP包将由TCPIP线程继续处理。这样，即使某个IP包的处理时间过长也不 会造成频繁丢包现象的发生。这就是LwIP API。
  * BSD API提供了基于open-read-write-close模型的UNIX标准API，它的最大特点是使应用程序移植到其它系统时比较容易，但用在嵌入式系统中效率比较低，占用资源多。这对于我们的嵌入式应用有时是不能容忍的。
  * 其主要特性如下： 
    * (1) 支持多网络接口下的IP转发；
    * (2) 支持ICMP协议；
    * (3) 包括实验性扩展的UDP(用户数据报协议)；
    * (4) 包括阻塞控制、RTT 估算、快速恢复和快速转发的TCP(传输控制协议)；
    * (5) 提供专门的内部回调接口(Raw API)，用于提高应用程序性能；
    * (6) 可选择的Berkeley接口API (在多线程情况下使用) ；
    * (7) 在最新的版本中支持ppp；
    * (8) 新版本中增加了的IP fragment的支持；
    * (9) 支持DHCP协议,动态分配ip地址。
==== 3、LAN8720A简介 ====

  * LAN8720A功能框图如图所示：
{{ :icore4:icore4_arm_hal_24_1.png?direct |}}
  * LAN8720A是低功耗的10/100M以太网PHY层芯片，I/O引脚电压符合IEEE802.3-2005标准，支持通过RMII接口与以太网MAC层通信，内置10-BASE-T/100BASE-TX全双工传输模块，支持10Mbps和100Mbps。
  * LAN8720A可以通过自协商的方式与目的主机最佳的连接方式(速度和双工模式)，支持HPAuto-MDIX自动翻转功能，无需更换网线即可将连接更改为直连或交叉连接。LAN8720A的主要特点如下：
    * 高性能的10/100M以太网传输模块
    * 支持RMII接口以减少引脚数
    * 支持全双工和半双工模式
    * 两个状态LED输出
    * 可以使用25M晶振以降低成本
    * 支持自协商模式
    * 支持HPAuto-MDIX自动翻转功能
    * 支持SMI串行管理接口
    * 支持MAC接口
=== 4、原理图 ===

  * iCore4带有lan8720a嵌入式以太网控制器，本实验实现DHCP功能。当DHCP服务器接收到来自主机申请地址的信息时，DHCP服务器给主机指定一个具有时间限制的IP地址，时间到期或主机明确表示放弃该地址时，该地址可以被其他主机使用。实验原理图如下：
{{ :icore4:icore4_arm_hal_24_2.png?direct |}}
==== 四、 实验程序 ====

=== 1、主函数 ===
<code c>
int main(void)
{   
    system_clock.initialize();     //系统时钟初始化
    led.initialize();                //LED初始化
    adc.initialize();              //ADC初始化
    delay.initialize(216);         //延时初始化
    my_malloc.initialize(SRAMIN);  //动态内存初始化
    usart6.initialize(115200);      //串口波特设置
    usart6.printf("\033[1;32;40m"); //设置字体终端为绿色
    usart6.printf("\r\nHello, I am iCore4!\r\n\r\n");  //串口信息输出 

    OSInit();                       //UCOS初始化
    
    while(lwip.initialize())        //lwip初始化
    {
     LED_RED_ON;
         usart6.printf("\r\nETH initialize error!\r\n\r\n");//ETH初始化失败
    }
    tcp.initialize();                                                     
    OSTaskCreate(start_task,(void*)0,(OS_STK*)&START_TASK_STK[START_STK_SIZE-1],START_TASK_PRIO);
    OSStart();                      //开启UCOS   
}
 
</code>
=== 2、动态内存初始化 ===
<code c>
void my_mem_init(u8 memx)  
{  
     mymemset(mallco_dev.memmap[memx],0,memtblsize[memx]*4); 
     //内存状态表数据清零  
     mallco_dev.memrdy[memx]=1;          
     //内存管理初始化OK  
} 
 
</code>
=== 3、LWIP初始化 ===
<code c>
u8 lwip_comm_init(void)
{
    OS_CPU_SR cpu_sr;
    struct netif *Netif_Init_Flag;  //调用netif_add()函数时的返回值,用于判断网络初始化是否成功 
        struct ip_addr ipaddr;              //ip地址
    struct ip_addr netmask;              //子网掩码
    struct ip_addr gw;                  //默认网关 
    if(lan8720.memory_malloc())return 1;    //内存申请失败
    if(lwip_comm_mem_malloc())return 1;     //内存申请失败
    if(lan8720.initialize())return 2;       //初始化LAN8720失败 
    tcpip_init(NULL,NULL); //初始化tcp ip内核,该函数里面会创建tcpip_thread内核任务
    lwip_comm_default_ip_set(&lwipdev);     //设置默认IP等信息
#if LWIP_DHCP    //使用动态IP
    ipaddr.addr = 0;
    netmask.addr = 0;
    gw.addr = 0;
#else        //使用静态IP
    IP4_ADDR(&ipaddr,lwipdev.ip[0],lwipdev.ip[1],lwipdev.ip[2],lwipdev.ip[3]);
    IP4_ADDR(&netmask,lwipdev.netmask[0],lwipdev.netmask[1] ,lwipdev.netmask[2],lwipdev.netmask[3]);
    IP4_ADDR(&gw,lwipdev.gateway[0],lwipdev.gateway[1],lwipdev.gateway[2],lwipdev.gateway[3]);
    usart6.printf("网卡en的MAC地址为:................%d.%d.%d.%d.%d.%d\r\n",lwipdev.mac[0],lwipdev.mac[1],lwipdev.mac[2],lwipdev.mac[3],lwipdev.mac[4],lwipdev.mac[5]);
    usart6.printf("静态IP地址........................%d.%d.%d.%d\r\n",lwipdev.ip[0],lwipdev.ip[1],lwipdev.ip[2],lwipdev.ip[3]);
    usart6.printf("子网掩码..........................%d.%d.%d.%d\r\n",lwipdev.netmask[0],lwipdev.netmask[1],lwipdev.netmask[2],lwipdev.netmask[3]);
    usart6.printf("默认网关..........................%d.%d.%d.%d\r\n",lwipdev.gateway[0],lwipdev.gateway[1],lwipdev.gateway[2],lwipdev.gateway[3]);
#endif
    Netif_Init_Flag=netif_add(&lwip_netif,&ipaddr,&netmask,&gw,NULL,&ethernetif_init,&tcpip_input);//向网卡列表中添加一个网口

#if LWIP_DNS   
    dns_init();
#endif  
    if(Netif_Init_Flag==NULL)return 3;//网卡添加失败 
    else//网口添加成功后,设置netif为默认值,并且打开netif网口
    {
        netif_set_default(&lwip_netif); //设置netif为默认网口
        netif_set_up(&lwip_netif);      //打开netif网口
    }
    return 0;//操作OK.
} 

</code>
=== 4、TCP初始化 ===
<code c>
static INT8U tcp_server_init(void)//创建TCP服务器线程
{
    INT8U res;
    OS_CPU_SR cpu_sr;
    
    OS_ENTER_CRITICAL();    //关中断
    res = OSTaskCreate(tcp_server_thread,(void*)0,(OS_STK*)&TCPSERVER_TASK_STK[TCPSERVER_STK_SIZE-1],TCPSERVER_PRIO); //创建TCP服务器线程
    OS_EXIT_CRITICAL();    //开中断
    
    return res;//返回值:0 TCP服务器创建成功
}
 
</code>
=== 5、TCP服务器任务 ===
<code c>
static void tcp_server_thread(void *arg)//tcp服务器任务
{
    struct netconn *conn, *newconn;
    err_t err,recv_err;
    unsigned   char remot_addr[4];
    ip_addr_t ipaddr;
    unsigned   short  port;
    struct netbuf *recvbuf;

    LWIP_UNUSED_ARG(arg);

    conn = netconn_new(NETCONN_TCP);  //创建一个TCP链接
    netconn_bind(conn,IP_ADDR_ANY,TCP_SERVER_PORT);  //绑定端口 8088号端口
    netconn_listen(conn);      //进入监听模式
    
    while(1){
        err = netconn_accept(conn,&newconn);  //接收连接请求
            
        if (err == ERR_OK)    //处理新连接的数据
        { 
            newconn->recv_timeout = 10;
            netconn_getaddr(newconn,&ipaddr,&port,0); //获取远端IP地址和端口号
            remot_addr[3] = (uint8_t)(ipaddr.addr >> 24); 
            remot_addr[2] = (uint8_t)(ipaddr.addr >> 16);
            remot_addr[1] = (uint8_t)(ipaddr.addr >> 8);
            remot_addr[0] = (uint8_t)(ipaddr.addr);
            usart6.printf("pc ip : %d.%d.%d.%dserver,lacol port:%d\r\n",remot_addr[0], remot_addr[1],remot_addr[2],remot_addr[3],port);
            while(1)
            {
                recv_err = netconn_recv(newconn,&recvbuf);        
                if((recv_err == ERR_OK)||(recvbuf != NULL))   //接收到数据
                {   
                    recv_err = netconn_write(newconn ,recvbuf->p->payload,recvbuf->p->len,NETCONN_NOCOPY); //将接受到的数据原封不动的再发出去
                    
                    netbuf_delete(recvbuf);
                }else if(recv_err == ERR_CLSD){  //关闭连接        
                    netconn_close(newconn);
                    netconn_delete(newconn);
                    usart6.printf("lacol ip :%d.%d.%d.%d close connect\r\n",remot_addr[0], remot_addr[1],remot_addr[2],remot_addr[3]);
                    break;
                }else if(recv_err == ERR_MEM)  //内存错误，请稍后再试
  {
          OSTimeDlyHMSM(0,0,0,5);  //延时5ms
                }else OSTimeDlyHMSM(0,0,0,5);  //延时5ms
            }
        }else OSTimeDlyHMSM(0,0,0,5);  //延时5ms
    }
}

</code>
==== 五、 实验步骤 ====

  - 把仿真器与iCore4的SWD调试口相连（直接相连或者通过转接器相连）；
  - 将跳线冒插在USB UART；
  - 把iCore4（USB UART）通过Micro USB线与计算机相连，为iCore4供电；
  - 把iCore4网口通过网线与计算机网口相连；
  - 打开PuTTY； 
  - 打开Keil MDK 开发环境，并打开本实验工程；
  - 烧写程序到iCore4上；
  - 也可以进入Debug模式，单步运行或设置断点验证程序逻辑。
==== 六、 实验现象 ====

  * 实通过串口终端显示出信息。
{{ :icore4:icore4_arm_hal_24_3.png?direct |}}
用户工具

站点工具

页面工具
