MLAのFrameworkでTCP/IPを試して見るその２
(PING"エコー要求"と"エコー応答")

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前ページの"その１"では、FrameworkのTCP/IPスタックファイルの話と、tcpipプロジェクト作成方法の
話を書きましたので先ずはそちらからご覧下さい。
このページでは、ICMPモジュールを 使ってPINGコマンドの”エコー要求(Echo)”と
”エコー応答(Echo Reply)”の基本動作を実験してみます。

ここで、”データのカプセル化”につてこちらとこちらを読んでおきましょう。
これはデータの流れにおいて、各層でのプロトコルに従いデータにヘッダを追加していく話です

カプセル化のイメージ図
こんな感じで各層のプロトコル仕様により各層のヘッダ(荷札)が追加され
ユーザのデータは運ばれて行きます。
物理層の荷札はMACアドレス(ここも)
インターネット層の荷札はＩＰアドレス
トランスポート層の荷札はポート番号
「イーサネットのフレーム構成」も見ておきましょう。


これがこのページで実験する必要最小限の構成でのモデルです。
インターネット層
   ICMP  
IP
 ARP
  Stack Task 
物理層
 ENC28J60

Ｓｔａｃｋ　Ｔａｓｋ
　着信パケットのチェックを行い、上層のスタックモジュールにルーティングします。
　このタスクが"ENC28J60.c"のドライバーを呼び出す事になります。
　タイムリーな応答を確保するために、この関数を定期的に呼び出さなければなりません。
　なのでぇ、アプリケーションを作成する場合は必要最小限のDelayを使い、ステートマシン的な
　小刻みな処理を施す必要が有ります。

ＡＲＰ
　インターネットの世界ではＩＰアドレスで送受信を行っていますが、インターネットは
　イーサネットプロトコルを利用しているので相手先のMACアドレスを知らないと送る事が出来ません。
　でぇ、このＩＰアドレスからMACアドレスの交換を行ってくれるのがARPです。
　交換の仕方はこちら「アドレス解決とＡＲＰ」を参照下さい。
　通知されたMACアドレスは通常キャッシュに記憶されるのですが、このARPにはキャッシュ無りません

ＩＰ
　TCP/IPのデバイス間でＩＰアドレスによるデータの送受信を行います。
　単純にパケットの交換のみが役割で、データの分割も行う。
　ＩＰプロトコルのフレームフォーマットやヘッダ内容はこちらとこちらを参照しましょう。

ＩＣＭＰ
　ＩＰは通信異常が発生しても報告する機能が無いのでこれを補う為にICMPで通信エラーや
　ネットワークの状況を通知してくれるらしい。
　ICMPには色々な要求メッセージが有る様だが、TCP/IPスタックのICMPは”エコー要求”と
　”エコー応答”のみっぽいです。
　ICMPのフレームフォーマットは「ICMPとPINGコマンド」を参照しましょう、
　ICMPヘッダについてはこちらも参照しましょう。

《実験回路》

ENC28J60モジュールのピン構成
ENC28J60モジュール VCC
 電源3.3V　パケット転送中動作電流180mA
十分に流せる電源を準備しましょう。
GND
 グランド
RESET
 LOWでリセットなので通常はHIGH
CS
 SPIのチップセレクト入力ピン
SCK
 SPIのクロック入力ピン
SI
 SPIのデータ入力ピン
SO
 SPIのデータ出力ピン
WOL
 ウェイクアップ用割り込み出力
新チップはNCになっている。
INT
 割り込み出力ピン
CLKOUT
 クロック出力ピン
※ 灰色背景色のピンは今回利用しません。


実態配線図

LCD表示 器についての配線等の詳細はこちらのページを参照下さい。
ここでは18F25K22を使っていますがぁ、後後の実験を考えるとぉ18F26K22の方がプログラム容量が
倍有るのでそちらをお勧めします。

ENC28J60のRESETピンについて
RESETピンはPICのRC1ピンに接続されていますが、これは"ENC28J60,c"の初期化関数(MACInit)でHIGHを出力しているだけ なので、直接VDDに配線すればPICピンが1本利用可となります。
その際は、"system_config.h"の"#define ENC_RST_IO"をコメントにします。

回路電源について
ENC28J60モジュールが3.3Vなので回路電源は3.3Vで統一していますが、
ENC28J60自体の消費電流がパケット転送中で最大180mA、転送していない時で120mAと
結構電気食いで変動も激しいです。

当初、こちらの前の型にACアダプタ(何時もの実験スタイルです)接続で行っていたのですがぁ．．．
動作でぇパケット受信したらPICがリセットするのです、でぇ、"ENC28J60.c"のXC8化が
上手く行ってないのかぁとか、リセットする場所を調べたりとかぁ、
もお色々ハマリまくりでぇ丸４日費やしもうダメぇと諦めた頃ふと、あ、電源では？と気付いた次第です。

でぇ、使った電源を計測(デジタルテスター)したら120mA程しか出力出来ていないらしく、
でぇ、使っているACアダプタ出力に3V切替が有り計測したら3.44V程出力するので直接そのまま
使う事にして転送していない時に計測したら129mA程で、転送中は表示されなく不明でした。

更に、PICのコンフィギュレーション、BOREN=OFF(電源電圧降下常時監視機能は切る)も
施したら何とか動作する様になったとさ、
ですから 十分に流せる安定化された電源を準備しましょう。

《ダウンロードファイルについて》

↓ここからプログラムソースをダウンロードして下さい。
PING_ENC28J60.zip
ファイルの説明とプロジェクトの作成方法は”その１”を参照下さい。
MPLAB X IDE v3.50 とMPLAB(R) XC8 C Compiler Version 1.40コンパイラを使用しています。

※ PINGのサンプルは、"C:\microchip\mla\v2016_11_07\apps\tcpip\wifi_demo_app\
　 firmware\src" フォルダーの"ping_demo.c"ファイルから作成しました。

《実験１》

実験１は固定ＩＰアドレスを指定し てのPING”エコー要求”と”エコー応答”を行って見ます。

必要最小限の構成でのモデル(上記参照)での実験です。

① "tcpip_config.h"のMACアドレス・ＩＰアドレ ス・サブネットマスクは”その１”を見て自分ちの
　　ネット環境に合わせて設定は完了していますね。

　　MY_DEFAULT_GATE_BYTE
　　デフォルトゲートウェイの所も設定を行って下さい、このＩＰアドレス宛に”エ コー要求”します。
　　ここでの例は"192.168.3.1"と指定した ので ここにPINGされます。

② プログラムをコンパイルしＰＩＣに書き込みましょう。
　　”framework/tcpip/src/common/helpers.c:1370: warning: (1496)arithmetic on pointer to
 　　void yields Undefined Behavior”
　　とワーニングが出るかもですがぁ、気にしなくても良いでしょう、たぶん。
　　この実験１コンパイルでの使用メモリは「Program=10686byte Data=314byte」です。

③ ENC28J60をネットワークに接続し、回路電源を入れましょう。
　　(私はYAHOO!プロバイダーのトリオモデムのAPに繋いでの 実験です)

④ LCDの1行目に[  Test to PING  ]が表示されます。

⑤ でぇ、３秒後に処理開始です、ＬＥＤが１秒毎に点滅します。
　　LCDの２行目に"tcpip_config.h"で設定した ＩＰアドレスが表示されます。
　　[ My IP Address  ]
　　[192.168.3.105    ]  ←は自分が設定したＩＰアドレスが表示されます がぁ以下はこれで説明

⑥ ＰＣのコマ ンドプロンプト画面を起動させ”ping 192.168.3.105”と実行させて下さい。
PING実行画面
　とぉ、こんな感じにPICが応答を返し表示されるでしょう。

⑦ 次は回路のスイッチをポチットぉ押して見て下さい。

PING要求実行LCD画面" tcpip_config.h"ネットワークアドレス指定オプションの
デフォルトゲートウェイの所に設定しているＩＰアドレス宛に
"PINGエコー要求"がされます。

応答が有れば、上の様に応答時間が表示されますが、それ以外の場合は下記のメッセージが表示されます。
[PING timed out ]   時間切れリクエストはタイムアウトしました。
[Can't resolve IP]   解決できないDNS/IPアドレス。

これで必要最小限のモジュール構成でのネット接続は出来た事になります。
ここまで来れた人はまず一安心、おめでとうございます。""ハ(ﾟ∇ﾟ*)パチパチ

《実験２》

実験２は、DHCPサーバーからＩＰアドレ スを割り振って貰う実験を行います。

これがDHCP追加のモデルです。
DHCP追加の構成モデル

ＤＨＣＰ
　今回追加するのは、"DHCPクライアント"部分のみで す、"DHCP サーバー"側は含まれません。
　IPアドレスを得る為にDHCPサーバーへ「DISCOVER」パケットの発行処理を行います。
　又、DHCPのメッセージフォーマットはこちらを参照下さい。

ＵＤＰ
　送信完了等の確認を行わない比較的単純なプロトコル(こち らも見ておこう)。
　通信中のデータ異常への対応などは上位のプロトコル(アプリケーション層)で行います。
　信頼性を重視する必要が無く、速度を重視するアプリケーション で使用されます。
　信頼性を重視する場合は"TCPプロトコル"を使用します

"tcpip_config.h"の変更
#define STACK_USE_ICMP_SERVER   // ICMP(PING)はサーバ(Ping query応答)機能を実装する
#define STACK_USE_ICMP_CLIENT   // ICMP(PING)はクライアント(送信)機能を実装する

#define STACK_USE_DHCP_CLIENT  // IPアドレス及びその他のパラメータを取得する為のDHCPライアントの実装
"STACK_USE_DHCP_CLIENT"の行コメントを外し "DHCPクライアント"モジュールを生かします、
これにより"UDP"モジュールも追加されます。

追加されるファイル構成

dhcp_client.c DHCP クライアントプロトコルのモジュールファイル(RFC 2131)(RFC 2132)
Dynamic Host Configuration Protocol
DHCP対応ネットワーク上の自動IPアドレス、サブネットマスク、ゲートウェイアドレス、DNSサーバーアドレス、およびその他の構成パラメータを提供 します。
udp.c
 UDPプ ロトコルのモジュールファイル(RFC 768)
User Datagram Protocol
アプリケーション・データグラム（パケット）指向のデータの信頼性が低く、
最小遅延のトランスポートを提供します。


① プログラムを再コンパイルしＰＩＣに書き込みましょう。
　　この実験２コンパイルでの使用メモリは「Program=17112byte Data=314byte」です。
　　PIC18F25K22では、52％もプログラムメモリを消費しました。

② ENC28J60をネットワークに接続し、回路電源を入れましょう。

DHCPからのIPアドレス割り当て表示画面 ③ 実験１では設定したＩＰアドレス[192.168.3.105   ] が
　　表示されたと思いますが、今度はDHCPサーバーから
　　割り振られたＩＰアドレス[192.168.3.5    ] を表示
　　しています。
　　(表示されるアドレスは環境により異なりますよ、念の為)

④ ＰＣのコマンドプロンプト画面を起動させ”ping 192.168.3.5”と実行させて下さい。
　　応答が有ると思います、因みに”ping 192.168.3.105”では応答がないでしょう。

これでDHCPサーバーからＩＰアドレスが割り当てられる事が解ったと思います。
尚、ＩＰアドレス、サブネットマスク、ゲートウェイアドレス、DNSサーバーアドレス等のデータを自分で
設定するのでDHCP機能はいらなければ"DHCPクライアント"モジュールは取り外しても良いでしょう。

《実験３》

実験１では、デフォルトゲートウェイの所に設定したＩＰアドレス宛に"PINGエコー要求"がされました。
実験３では、ホスト名(ドメイン名)で"PINGエコー要求"を行って見ます。

これがDNS追加のモデルです。
DNS追加の構成モデル

ＤＮＳ
　今回追加するのは、"ＤＮＳクライアント"部分のみで す、"ＤＮＳサーバー"側は含まれません。
　ＤＮＳは名前解決機能が有り、ホスト名からＩＰアドレスに変換する為にＤＮＳサーバーへ
　問い合わせパケット(正引き) の発行処理を行います。

"tcpip_config.h"の変更
#define STACK_USE_ICMP_SERVER   // ICMP(PING)はサーバ(Ping query応答)機能を実装する
#define STACK_USE_ICMP_CLIENT   // ICMP(PING)はクライアント(送信)機能を実装する

//#define STACK_USE_DHCP_CLIENT  // IPアドレス及びその他のパラメータを取得する為のDHCPライアントの実装
#define STACK_USE_DNS_CLIENT     // ホスト名文字列をIPアドレスに解決する為のDNSクライアントの実装
"STACK_USE_DHCP_CLIENT"の行コメントを一旦コメントを付けてモジュールを外します。
"STACK_USE_DNS_CLIENT"の行コメントを外し "DNSクライアント"モジュールを生かします、
これにより"UDP"モジュールも追加されます。

追加されるファイル構成

dns_client.c ＤＮＳ クライアントプロトコルのモジュールファイル(RFC 1035)
Domain Name System
ホスト名からIPアドレスへの変換を提供します。
udp.c
 上記参照


① プログラムを再コンパイルしＰＩＣに書き込みましょう。
　　この実験３コンパイルでの使用メモリは「Program=17744byte Data=314byte」です。
　　PIC18F25K22では、54％もプログラムメモリを消費しました。

② ENC28J60をネットワークに接続し、回路電源を入れましょう。

③ 起動時のMy ＩＰアドレスはDHCPを外したので[192.168.3.105    ]ですね。

④ 回路のスイッチをポチットぉ押して見て下さい。

DNSでの名前解決機能実験表示左図の様に”ww1.microchip.com”のホスト名で
"PINGエコー要求"が行われました。
(表示は１６文字までなので"m"が有りません)

"TestPING.c"ファイルに#define HOST_TO_PING "ww1.microchip.com"
が記述して有るので他のホスト名にしたい場合は書換えて下さい。

これでＤＮＳの名前解決が出来ましたね。

《実験４》

実験1・実験2では、PCからPINGする場合にIPアドレスを指定(ping 192.168.3.105)して行いましたね。
"tcpip_config.h"ファイルに
#define MY_DEFAULT_HOST_NAME            "PIC18F26K22"  // 15文字までの半角英数字
とホスト名を登録していたと思います。
なのでぇ実験４では、このホスト名 (NetBIOS名)を指定して実験を行って見ます。

これがNBNS追加のモデルです。
NBNS追加の構成モデル

ＮＢＮＳ
　ＰＣから名前の問い合わせパケットが有った場合に応答する為に"NBNS" モジュールで行います。
　ここでNetBIOSについて、こことここのページを読んで置きましょう。

"tcpip_config.h"の変更
#define STACK_USE_ICMP_SERVER   // ICMP(PING)はサーバ(Ping query応答)機能を実装する
#define STACK_USE_ICMP_CLIENT   // ICMP(PING)はクライアント(送信)機能を実装する

//#define STACK_USE_DHCP_CLIENT  // IPアドレス及びその他のパラメータを取得する為のDHCPライアントの実装
//#define STACK_USE_DNS_CLIENT   // ホスト名文字列をIPアドレスに解決する為のDNSクライアントの実装
#define STACK_USE_NBNS  // NBNSﾎｽﾄ名ブロードキャストクエリに応答するNetBIOSネームサービスサーバの実装
"STACK_USE_DHCP_CLIENT"と"STACK_USE_DNS_CLIENT"の行コメントを一旦コメントを付けてモジュールを外しま す。
"STACK_USE_NBNS"の行コメントを外し"NetBIOSネームサービスサーバー"モジュー ルを
生かします、これにより"UDP"モジュールも追加されます。

追加されるファイル構成

nbns.c ＮＢＮＳ プロトコルのモジュールファイル(RFC 1002)
NetBIOS Name Service (NBNS)
ボードへのホスト名割り当てを許可するNBNSの名前要求に対応します。
即ち、同じＩＰサブネット上のノードが、ＩＰアドレスではなくボードにアクセスする為にホスト名を使用する事を可能にする。
udp.c
 上記参照


① プログラムを再コンパイルしＰＩＣに書き込みましょう。
　　この実験４コンパイルでの使用メモリは「Program=14190byte Data=314byte」です。
　　PIC18F25K22では、43％もプログラムメモリを消費しました。

② ENC28J60をネットワークに接続し、回路電源を入れましょう。

③ 起動時のMy ＩＰアドレスはDHCPを外したので[192.168.3.105    ]ですね。

④ ＰＣのコマ ンドプロンプト画面を起動させ”ping PIC18F26K22”と実行させて下さい。
　　(実際に使っているPICは18F25K22なんですがぁね．．．)
PINGホスト名での実行画面
　とぉ、こんな感じにPICが応答を返し表示されるでしょう。

これで、ホスト名(NetBIOS名)による接続が出来ました。

《ぜ～んぶコンパイルしたらぁ》

ICMP/DHCP/DNS/NBNSを全部一緒にコンパイルしたら

ア プリケーション層
 DHCP
 DNS
 NBNS
ト ランスポー ト層 
UDP
インターネット 層
 ＩＰ (ICMP)
Stack Task
物理層
      ENC28J60

使用メモリは「Program=22910byte Data=314byte」です。
PIC18F25K22では、70％もプログラムメモリを消費しました。

因みに、これに”SMTPクライアント”と”TCP”モジュールを追加してコンパイルして見たら
メモリ不足でコンパイル不能でした、次回からはPIC18F26K22に交換して実験を続けたいと思います。

《その他》

PINGの実験風景
実験の風景です。
PICの電源引き込み部分に100uFの電解コンデンサーも取り付けている、
これで大分安定して動作しています。

ε-(´∀｀*) ふぅ、一時は諦め掛けたがやっとここまで出来ました。
次回はTELNETサーバーでもやってみます。


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