پیاده‌سازی پروتکل TCP در میکروکنترلر (TCP Server) به زبان C

آموزش – امبدد لینوکس

4 بازدید

۱۴۰۴-۰۹-۱۵

3 دقیقه

نویسنده: مجتبی داشخانه
درباره نویسنده: ---

و اما نوبت به اجرای کد TCP می‌رسد. باتوجه‌به پیکربندی نرم‌افزار میکروکنترلر و به جهت سادگی (چون پیغام اول را کلاینت می‌فرستد)، حالت TCP Server را در میکرو پیاده‌سازی می‌کنیم. کلاینت (PC) یک ارتباط رو در پورت موردنظر رو باز میکنه (open)؛ تعدادی داده رو ارسال (TCP send) و سعی میکنه به همون تعداد داده بخونه و بعد ارتباط رو میبنده (close). برای اجرای این کد در محیط LabVIEW قطعه کد زیر را استفاده کرده‌ایم:

پیاده‌سازی پروتکل TCP در میکروکنترلر (TCP Server) به زبان C

تغییرات در لایه IP برای شناسایی TCP

در میکروکنترلر به درخواست ارتباط جواب مثبت میدیم و داده‌های ارسالی از طرف کامپیوتر رو به خودش برمیگردونیم (echo). اولین پیام دریافتی؛ اولین سگمنت از هندشیک شروع خواهد بود. کامپیوتر به‌عنوان کلاینت، درخواستی برای شروع ارتباط به میکروکنترلر ارسال میکنه، بالطبع اولین قدم اینه که در تابع IP_Process بررسی کنیم که آیا پکت فعلی (در پروتکل IP) یک پکت شامل سگمنت TCP هست یا نه؟ کد تابع IP_Process به‌صورت زیر تغییر میکنه:

if (ipFrame->protocol == IP_FRAME_PROTOCOL_ICMP) //==0x01

      {

        newDataLen = ICMP_Process((ICMP_EchoFrame*)ipFrame->data, dataLen);

      }     

  else if (ipFrame->protocol == IP_FRAME_PROTOCOL_UDP) // ==0x11

      {

        newDataLen = UDP_Process((UDP_Frame*)ipFrame->data, dataLen);

      }

  else if (ipFrame->protocol == IP_FRAME_PROTOCOL_TCP) // ==0x06

      {

        newDataLen = TCP_Process((TCP_Frame*)ipFrame->data, dataLen,ipFrame);

      }

if (ipFrame->protocol == IP_FRAME_PROTOCOL_ICMP) //==0x01

{

newDataLen = ICMP_Process((ICMP_EchoFrame*)ipFrame->data, dataLen);

}

else if (ipFrame->protocol == IP_FRAME_PROTOCOL_UDP) // ==0x11

{

newDataLen = UDP_Process((UDP_Frame*)ipFrame->data, dataLen);

}

else if (ipFrame->protocol == IP_FRAME_PROTOCOL_TCP) // ==0x06

{

newDataLen = TCP_Process((TCP_Frame*)ipFrame->data, dataLen,ipFrame);

}

تعاریف اولیه و ساختار هدر TCP

گام بعدی، تعریف ثوابتی مثل شماره پورت و بیت‌های بخش flags است؛

تعریف پورت و فلگ‌ها (Flags)

آفست Seq num رو هم مقدار ثابت 0x1A در نظر گرفتیم؛ هرچند بهتره این مقدار تصادفی انتخاب بشه. در بعضی مراجع مقدار آفست رو init seq num هم گفته‌اند. همچنین ساختاری برای پردازش هدر TCP تعریف می‌کنیم و یک define برای به‌دست‌آوردن طول قسمت Options در صورت وجود.

#define   TCP_DEMO_PORT  2020                                               

#define   TCP_MYSEQ           0x1A

#define  OPTION_LENGTH(x)   ( ( (x >> 12) & 0x000f) * 4 - 20 )

#define   TCP_FIN_FLAG   (1<<0)

#define   TCP_SYN_FLAG   (1<<1)

#define   TCP_RST_FLAG   (1<<2)

#define   TCP_PSH_FLAG   (1<<3)

#define   TCP_ACK_FLAG   (1<<4)

#define   TCP_URG_FLAG   (1<<5)




//tcp header length 20~60 (option 0~40)bytes

typedef struct TCP_Frame

{

  uint16_t   srcPort;

  uint16_t   destPort;

  uint32_t   seqnum;

  uint32_t   acknum;

  uint16_t   flags;

  uint16_t   winsize;

  uint16_t   chksum;

  uint16_t   urgptr;

  uint8_t   data[]; // options+data

} TCP_Frame;

#define TCP_DEMO_PORT 2020

#define TCP_MYSEQ 0x1A

#define OPTION_LENGTH(x) ( ( (x >> 12) & 0x000f) * 4 - 20 )

#define TCP_FIN_FLAG (1<<0)

#define TCP_SYN_FLAG (1<<1)

#define TCP_RST_FLAG (1<<2)

#define TCP_PSH_FLAG (1<<3)

#define TCP_ACK_FLAG (1<<4)

#define TCP_URG_FLAG (1<<5)

//tcp header length 20~60 (option 0~40)bytes

typedef struct TCP_Frame

{

uint16_t srcPort;

uint16_t destPort;

uint32_t seqnum;

uint32_t acknum;

uint16_t flags;

uint16_t winsize;

uint16_t chksum;

uint16_t urgptr;

uint8_t data[]; // options+data

} TCP_Frame;

پیاده‌سازی تابع TCP_Process

مطابق روالمون تا اینجا، تابعی بنام TCP_Process می‌نویسیم که کدهای این پروتکل رو اجرا کنه.

بررسی صحت پورت و Checksum

در این تابع؛ ابتدا دو مورد رو بررسی می‌کنیم. آیا پیغام، روی پورت مدنظر ما ارسال شده است؟ و آیا چک سام صحیح است؟

if ( (ntohs(tcpFrame->destPort)) == TCP_DEMO_PORT)

  {

          uint16_t  calcCheckSum = TCP_CalcCheckSum (( uint8_t* ) tcpFrame, frameLen ) ; 

           if ( rxCheckSum == calcCheckSum )  

           { 

 }

  }

if ( (ntohs(tcpFrame->destPort)) == TCP_DEMO_PORT)

{

uint16_t calcCheckSum = TCP_CalcCheckSum (( uint8_t* ) tcpFrame, frameLen ) ;

if ( rxCheckSum == calcCheckSum )

{

}

اگر این موارد صحیح باشد، وارد قسمت اصلی پردازش می‌شویم. بخش Flags رو در یک متغیر ذخیره می‌کنیم:

flag = htons(tcpFrame->flags);

1. مدیریت درخواست اتصال (SYN Packet)

پکت های دریافتی سه حالت خواهند داشت:

یا پیغام SYN دریافت و در پاسخ seq num ارسال میشه. مقدار window size هم 8192 اعلام شده که برای ما فعلاً بی‌اهمیت هست. در بخش Option هم، تنها گزینه MSS با مقدار 1460 فرستاده شده (20 بایت برای هدر TCP؛ 20 بایت برای هدر IP و 18 بایت سربار در فریم Ethernet ii لذا از 1518 بایت 1460 باقی می‌ماند).

شاید برای شما مفید باشد:

ریدایرکت کردن توابع stdio در STM32 | قسمت دهم آموزش STM32 با توابع HAL

if( flag & TCP_SYN_FLAG)//it is SYN packet => create SYNACK packet

{

 temp=0x0000;

 tcpFrame->flags = htons((temp | TCP_ACK_FLAG | TCP_SYN_FLAG | (((uint16_t)6)<<12)));

myack=(ntohl(tcpFrame->seqnum)) +1;                    

tcpFrame->acknum= htonl(myack);                           

tcpFrame->seqnum = htonl(TCP_MYSEQ);

myseq=TCP_MYSEQ+1;

tcpFrame->winsize = htons(8192);

tcpFrame->urgptr = 0;




//only MSS Option(0x02) . for this example MSS=1460=0x05B4

tcpFrame->data[0]=0x02;

tcpFrame->data[1]=0x04;

tcpFrame->data[2]=0x05;

tcpFrame->data[3]=0xB4;

newFrameLen = 24;

}

if( flag & TCP_SYN_FLAG)//it is SYN packet => create SYNACK packet

{

temp=0x0000;

tcpFrame->flags = htons((temp | TCP_ACK_FLAG | TCP_SYN_FLAG | (((uint16_t)6)<<12)));

myack=(ntohl(tcpFrame->seqnum)) +1;

tcpFrame->acknum= htonl(myack);

tcpFrame->seqnum = htonl(TCP_MYSEQ);

myseq=TCP_MYSEQ+1;

tcpFrame->winsize = htons(8192);

tcpFrame->urgptr = 0;

//only MSS Option(0x02) . for this example MSS=1460=0x05B4

tcpFrame->data[0]=0x02;

tcpFrame->data[1]=0x04;

tcpFrame->data[2]=0x05;

tcpFrame->data[3]=0xB4;

newFrameLen = 24;

}

2. دریافت داده و پاسخ اکو (PSH Packet)

یا داده‌های اصلی دریافت شده که عین آن به کامپیوتر برگشت داده می‌شود (echo). مقدار win Size همچنان ثابت هست؛ چون ما هر سگمنتی رو در لحظه پردازش می‌کنیم (اگر با wireshark سگمنت‌ها رو رصد کنید متوجه میشید که بیت push هم از طرف فرستنده همواره ست شده است). کد برای فهم آسان‌تر در ساده‌ترین حالت نوشته شده است:

else if(flag & TCP_PSH_FLAG)

{

 temp=0x0000;

tcpFrame->flags = htons((temp | TCP_ACK_FLAG | TCP_PSH_FLAG | (((uint16_t)5)<<12)));

myack=(ntohl(tcpFrame->seqnum)) +(frameLen-20);

tcpFrame->acknum= htonl(myack);                           

tcpFrame->seqnum = htonl(myseq);

myseq+=(frameLen-20);

tcpFrame->winsize = htons(8192);

newFrameLen = frameLen;

}

else if(flag & TCP_PSH_FLAG)

{

temp=0x0000;

tcpFrame->flags = htons((temp | TCP_ACK_FLAG | TCP_PSH_FLAG | (((uint16_t)5)<<12)));

myack=(ntohl(tcpFrame->seqnum)) +(frameLen-20);

tcpFrame->acknum= htonl(myack);

tcpFrame->seqnum = htonl(myseq);

myseq+=(frameLen-20);

tcpFrame->winsize = htons(8192);

newFrameLen = frameLen;

}

3. پایان ارتباط (FIN Packet)

یا کامپیوتر با ارسال پرچم FIN درخواست پایان (با اجرای تابع Close TCP در کد داخل کامپیوتر) ارتباط را داده است؛ لذا ما هم با ست‌کردن بیت‌های FIN, RST ارتباط را می‌بندیم (Close). در این حالت ارتباط از سمت ما، تنها با یک پیام بسته می‌شود:

else if(flag & TCP_FIN_FLAG)

{

 temp=0x0000;

 tcpFrame->flags = htons((temp | TCP_ACK_FLAG | TCP_FIN_FLAG | TCP_RST_FLAG |   (((uint16_t)5)<<12)));

 myack=(ntohl(tcpFrame->seqnum)) +(frameLen-20);

 tcpFrame->acknum= htonl(myack);                          

 tcpFrame->seqnum = htonl(myseq);

 myseq+=(frameLen-20);

 newFrameLen = frameLen;           

}

else if(flag & TCP_FIN_FLAG)

{

temp=0x0000;

tcpFrame->flags = htons((temp | TCP_ACK_FLAG | TCP_FIN_FLAG | TCP_RST_FLAG | (((uint16_t)5)<<12)));

myack=(ntohl(tcpFrame->seqnum)) +(frameLen-20);

tcpFrame->acknum= htonl(myack);

tcpFrame->seqnum = htonl(myseq);

myseq+=(frameLen-20);

newFrameLen = frameLen;

}

نکاتی درباره هندشیک و بیت ACK

توجه داشته باشید که باتوجه‌به نوع پیاده‌سازی؛ سگمنت دریافتی در مرحله سوم هندشیک؛ پاسخی ندارد!
در تمام سگمنت‌های ارسالی از سمت سرور (میکروکنترلر) بیت Ack یک خواهد بود، در سمت کلاینت نیز، تنها در سگمنت اول این بیت صفر است و در مابقی سگمنت‌ها این بیت یک می‌شود.

جمع‌بندی و قدم‌های بعدی

در اینجا به پایان این نوشتار رسیدیم؛ اگر وقتی باشه و حوصله‌ای؛ احتمالاً پروتکل HTTP هم به متن اضافه خواهد شد. اما اگر شما تونستید تا اینجا خودتون رو برسونید؛ به‌راحتی میتونید پروتکل‌های دیگه رو هم خودتون اجرا کنید. در ادامه به ضمیمه‌ها خواهیم پرداخت و در بخش نهایی نیز تمامی کدها قرار داده خواهند شد. موفق باشید.