uboot添加ping命令的响应处理
本篇主要内容：
一、前言
🔍在uboot里使用tftp和nfs来启动linux系统是常用的方式，在搭建好网络环境后，我们经常会使用ping命令测试开发板和虚拟机之间的网络，但是能够发现，虚拟机或其它对uboot是ping不通的，原因是uboot里对ping请求包没有进行响应处理。那么，勤奋好学的我们便自然而然会想这是为什么呢，该怎么在uboot里添加对ping请求包的响应，让外界也能ping通uboot呢？
🔍ping请求包的说法实际上并不合适，因为用ping命令来测试网络通断，实际上使用的是ICMP协议。
二、ICMP协议
🔍ICMP协议主要用于在网络中传递控制消息、错误报告和诊断信息，在OSI网络模型里属于网络层协议，是IP协议的辅助协议，不传输用户数据。它的报文分为两种：①差错报告、②查询报文；使用ping命令时，用wireshark抓包可以看到，常见的报文是Echo Reply、Echo Request和Destination Unreachable。
🔍Echo Request和Echo Reply：目标请求和响应报文，属于查询报文。在windows ping其它局域网下的用网设备，收到响应报文Echo Reply，一般我们才视为ping通。
C:\Users\Administrator.DESKTOP-O6LBFD9>ping 192.168.6.98
正在 Ping 192.168.6.98 具有 32 字节的数据:
来自 192.168.6.98 的回复: 字节=32 时间<1ms TTL=64
来自 192.168.6.98 的回复: 字节=32 时间<1ms TTL=64
来自 192.168.6.98 的回复: 字节=32 时间<1ms TTL=64
🔍在uboot中，一般都没有响应报文，也就是我们在虚拟机ping uboot的时候，看到ping不通，实际上网络是通的，通过抓包可以看到，Request报文是成功发送到uboot的，只是没有收到回复，超时之后就会收到Destination Unreachable。
三、uboot里的ping命令
🔍了解完ICMP协议，就来简单看看uboot里是怎么实现ping命令的，以下源码阅读顺序自上而下，从最外层调用往里看的。
3.1 uboot的ping命令定义
⚡定义位置：cmd/net.c
⚡以下代码将ping命令注册uboot的命令行对应模块，主要通过U_BOOT_CMD( )这个宏来实现，其参数含义如下：
📌 命令名：ping
📌 参数个数：2个（包括命令本身，类似argc）
📌 是否可重复执行：1表示true
📌 调用函数：do_ping( )
📌 帮助信息
⚡调用的do_ping( )内容比较简单，核心就是net_loop( )这个函数，实现发送ICMP包核心都在这里。
#if defined(CONFIG_CMD_PING)
static int do_ping(cmd_tbl_t *cmdtp, int flag, int argc, char * const argv[])
{
if (argc < 2)
return CMD_RET_USAGE;
net_ping_ip = string_to_ip(argv[1]);
if (net_ping_ip.s_addr == 0)
return CMD_RET_USAGE;
if (net_loop(PING) < 0) {
printf("ping failed; host %s is not alive\n", argv[1]);
return CMD_RET_FAILURE;
}
printf("host %s is alive\n", argv[1]);
return CMD_RET_SUCCESS;
}
U_BOOT_CMD(
ping, 2, 1, do_ping,
"send ICMP ECHO_REQUEST to network host",
"ipaddress"
);
3.2 uboot的net_loop( )部分内容的简单分析
⚡ 代码位置：net/net.c
⚡ 协议栈层面的初始化：net_init( )函数
📌 可以看到，net_init( )函数主要做的协议栈层面的初始化，前面设置了数据包缓存的大小，并对齐地址（官方注释翻译过来）；net_pkt_buf是定义在net/net.h中的全局缓冲区，
📌net_pkt_buf缓存区大小设置：此处不深究具体原因了（从定义处来看，大致是由设备字节对齐要求（以满足CPU/DMA访问要求和性能，这里定义的是32字节）+以太网帧1536字节还需要X5个缓冲区确定的，最终大小是1536*5+32=7715字节`）
📌net_tx_packet是传输的数据包，其大小计算看不太懂，略过
📌接着arp_init()、net_clear_handlers()都是一些配置清零或复位
📌 最后，net_init_loop()只是获取了当前设备的MAC地址
可见，真正的实现代码还在net_loop( )里，接着往下看！
void net_init(void)
{
static int first_call = 1;
if (first_call) {
/*
* Setup packet buffers, aligned correctly.
*/
int i;
net_tx_packet = &net_pkt_buf[0] + (PKTALIGN - 1);
net_tx_packet -= (ulong)net_tx_packet % PKTALIGN;
for (i = 0; i < PKTBUFSRX; i++) {
net_rx_packets[i] = net_tx_packet +
(i + 1) * PKTSIZE_ALIGN;
}
arp_init();
net_clear_handlers();
/* Only need to setup buffer pointers once. */
first_call = 0;
}
net_init_loop();
}
⚡网卡的初始化：在net_init( )后，是对网络接口的初始化
📌 代码位置：net/net.c
📌 eth_is_on_demand_init() 这个条件来判断是否是按需初始化网卡，demand是n.按需、需要的意思。
true: 表示当前网卡还未被初始化，现在需要第一次使用它，因此必须初始化
📌 protocol != NETCONS：NETCONS是网络控制台的意思，也就是非网络控制台协议，就必须进行以下初始化
📌 eth_halt( )和eth_set_current( )都是重新设置网卡，类似复位的意思。
eth_halt( )重新设置网卡；eth_set_current( )会重新从环境变量中获取当前使用的网卡
📌 至此，网卡的初始化也完成了，接下去的代码是一段状态机，轮询各种协议并调用相应的start函数，是一个由接收到的数据包和定时器事件驱动的状态机。
📌 这些对应的start函数实现功能就不看了，只看到ping命令相关的，也就是#if defined(CONFIG_CMD_PING)处的ping_start( )
⚡到这里已经能看到ping命令的基本实现，也就是start_ping()函数。在net_loop()下还有其它更复杂的内容，此处不再继续了，先了解start_ping( )。
/**********************************************************************/
/*
* Main network processing loop.
*/
int net_loop(enum proto_t protocol)
{
int ret = -EINVAL;
net_restarted = 0;
net_dev_exists = 0;
net_try_count = 1;
/* 调试信息 */
debug_cond(DEBUG_INT_STATE, "--- net_loop Entry\n");
/* uboot的启动性能分析模块，这里用于记录网卡启动的时间信息 */
bootstage_mark_name(BOOTSTAGE_ID_ETH_START, "eth_start");
/* 网络相关的初始化，包括硬件、协议栈等内容的初始化 */
net_init();
if (eth_is_on_demand_init() || protocol != NETCONS) {
eth_halt();
eth_set_current();
ret = eth_init();
if (ret < 0) {
eth_halt();
return ret;
}
} else {
eth_init_state_only();
}
restart:
#ifdef CONFIG_USB_KEYBOARD
net_busy_flag = 0;
#endif
net_set_state(NETLOOP_CONTINUE);
/*
* Start the ball rolling with the given start function. From
* here on, this code is a state machine driven by received
* packets and timer events.
*/
debug_cond(DEBUG_INT_STATE, "--- net_loop Init\n");
net_init_loop();
switch (net_check_prereq(protocol)) {
case 1:
/* network not configured */
eth_halt();
return -ENODEV;
case 2:
/* network device not configured */
break;
case 0:
net_dev_exists = 1;
net_boot_file_size = 0;
switch (protocol) {
case TFTPGET:
#ifdef CONFIG_CMD_TFTPPUT
case TFTPPUT:
#endif
/* always use ARP to get server ethernet address */
tftp_start(protocol);
break;
#ifdef CONFIG_CMD_TFTPSRV
case TFTPSRV:
tftp_start_server();
break;
#endif
#if defined(CONFIG_CMD_DHCP)
case DHCP:
bootp_reset();
net_ip.s_addr = 0;
dhcp_request(); /* Basically same as BOOTP */
break;
#endif
case BOOTP:
bootp_reset();
net_ip.s_addr = 0;
bootp_request();
break;
#if defined(CONFIG_CMD_RARP)
case RARP:
rarp_try = 0;
net_ip.s_addr = 0;
rarp_request();
break;
#endif
#if defined(CONFIG_CMD_PING)
case PING:
ping_start();
break;
#endif
#if defined(CONFIG_CMD_NFS)
case NFS:
nfs_start();
break;
#endif
#if defined(CONFIG_CMD_CDP)
case CDP:
cdp_start();
break;
#endif
#if defined(CONFIG_NETCONSOLE) && !(CONFIG_SPL_BUILD)
case NETCONS:
nc_start();
break;
#endif
#if defined(CONFIG_CMD_SNTP)
case SNTP:
sntp_start();
break;
#endif
#if defined(CONFIG_CMD_DNS)
case DNS:
dns_start();
break;
#endif
#if defined(CONFIG_CMD_LINK_LOCAL)
case LINKLOCAL:
link_local_start();
break;
#endif
default:
break;
}
break;
}
#if defined(CONFIG_MII) || defined(CONFIG_CMD_MII)
#if defined(CONFIG_SYS_FAULT_ECHO_LINK_DOWN) && \
defined(CONFIG_STATUS_LED) && \
defined(STATUS_LED_RED)
/*
* Echo the inverted link state to the fault LED.
*/
if (miiphy_link(eth_get_dev()->name, CONFIG_SYS_FAULT_MII_ADDR))
status_led_set(STATUS_LED_RED, STATUS_LED_OFF);
else
status_led_set(STATUS_LED_RED, STATUS_LED_ON);
#endif /* CONFIG_SYS_FAULT_ECHO_LINK_DOWN, ... */
#endif /* CONFIG_MII, ... */
#ifdef CONFIG_USB_KEYBOARD
net_busy_flag = 1;
#endif
/*
* Main packet reception loop. Loop receiving packets until
* someone sets `net_state' to a state that terminates.
*/
for (;;) {
WATCHDOG_RESET();
#ifdef CONFIG_SHOW_ACTIVITY
show_activity(1);
#endif
if (arp_timeout_check() > 0)
time_start = get_timer(0);
/*
* Check the ethernet for a new packet. The ethernet
* receive routine will process it.
* Most drivers return the most recent packet size, but not
* errors that may have happened.
*/
eth_rx();
/*
* Abort if ctrl-c was pressed.
*/
if (ctrlc()) {
/* cancel any ARP that may not have completed */
net_arp_wait_packet_ip.s_addr = 0;
net_cleanup_loop();
eth_halt();
/* Invalidate the last protocol */
eth_set_last_protocol(BOOTP);
puts("\nAbort\n");
/* include a debug print as well incase the debug
messages are directed to stderr */
debug_cond(DEBUG_INT_STATE, "--- net_loop Abort!\n");
ret = -EINTR;
goto done;
}
/*
* Check for a timeout, and run the timeout handler
* if we have one.
*/
if (time_handler &&
((get_timer(0) - time_start) > time_delta)) {
thand_f *x;
#if defined(CONFIG_MII) || defined(CONFIG_CMD_MII)
#if defined(CONFIG_SYS_FAULT_ECHO_LINK_DOWN) && \
defined(CONFIG_STATUS_LED) && \
defined(STATUS_LED_RED)
/*
* Echo the inverted link state to the fault LED.
*/
if (miiphy_link(eth_get_dev()->name,
CONFIG_SYS_FAULT_MII_ADDR))
status_led_set(STATUS_LED_RED, STATUS_LED_OFF);
else
status_led_set(STATUS_LED_RED, STATUS_LED_ON);
#endif /* CONFIG_SYS_FAULT_ECHO_LINK_DOWN, ... */
#endif /* CONFIG_MII, ... */
debug_cond(DEBUG_INT_STATE, "--- net_loop timeout\n");
x = time_handler;
time_handler = (thand_f *)0;
(*x)();
}
if (net_state == NETLOOP_FAIL)
ret = net_start_again();
switch (net_state) {
case NETLOOP_RESTART:
net_restarted = 1;
goto restart;
case NETLOOP_SUCCESS:
net_cleanup_loop();
if (net_boot_file_size > 0) {
printf("Bytes transferred = %d (%x hex)\n",
net_boot_file_size, net_boot_file_size);
setenv_hex("filesize", net_boot_file_size);
setenv_hex("fileaddr", load_addr);
}
if (protocol != NETCONS)
eth_halt();
else
eth_halt_state_only();
eth_set_last_protocol(protocol);
ret = net_boot_file_size;
debug_cond(DEBUG_INT_STATE, "--- net_loop Success!\n");
goto done;
case NETLOOP_FAIL:
net_cleanup_loop();
/* Invalidate the last protocol */
eth_set_last_protocol(BOOTP);
debug_cond(DEBUG_INT_STATE, "--- net_loop Fail!\n");
goto done;
case NETLOOP_CONTINUE:
continue;
}
}
done:
#ifdef CONFIG_USB_KEYBOARD
net_busy_flag = 0;
#endif
#ifdef CONFIG_CMD_TFTPPUT
/* Clear out the handlers */
net_set_udp_handler(NULL);
net_set_icmp_handler(NULL);
#endif
return ret;
}
3.3 uboot中ping命令的实现ping_start( )
⚡ping_start( )实际上主要内容是在ping_send( )函数中
void ping_start(void)
{
printf("Using %s device\n", eth_get_name());
net_set_timeout_handler(10000UL, ping_timeout_handler);
ping_send();
}
⚡ICMP请求报文发送：ping_send( )：主要做的是构造好icmp的Request报文数据，再调用arp_request()发送arp请求，整个函数完。到这里，实际上我们还看不到真正的ICMP请求包的发送。还需要在看到ARP相关的代码，因为真正的ICMP Echo Request报文是在ARP的响应处理中实现的。
📌 代码位置：net/ping.c
📌 构造请求体：set_icmp_header()：以太网帧头+IP头+ICMP头+数据
📌 发送arp请求：arp_request( )
📌 arp响应处理才是真正的发送icmp请求包的实现。跳转到最后可以看到，最后的发包实现函数
static int ping_send(void)
{
uchar *pkt;
int eth_hdr_size;
/* XXX always send arp request */
/* 调试信息 */
debug_cond(DEBUG_DEV_PKT, "sending ARP for %pI4\n", &net_ping_ip);
/* 构建以太网帧头 */
net_arp_wait_packet_ip = net_ping_ip;
eth_hdr_size = net_set_ether(net_tx_packet, net_null_ethaddr, PROT_IP);
pkt = (uchar *)net_tx_packet + eth_hdr_size;
/* 构建icmp报文头 */
set_icmp_header(pkt, net_ping_ip);
/* size of the waiting packet */
/* 待发送的报文大小：以太网帧头+IP头+ICMP头+数据 */
arp_wait_tx_packet_size = eth_hdr_size + IP_ICMP_HDR_SIZE;
/* and do the ARP request */
/* ARP请求：请求对端IP地址对应的MAC */
arp_wait_try = 1;
arp_wait_timer_start = get_timer(0);
arp_request();
return 1; /* waiting */
}
四、添加ping_echo命令
⚡大致阅读完上面的一点uboot源码，可以发现在net/ping.c中是有响应处理的函数的ping_receive( ),，实际上也就是将前面发送的Echo Request报文改成Echo Reply，再发送到对端。
⚡那么为什么实现了ping的响应处理，却不能ping通uboot呢？原因是uboot实际上只是一个裸机程序，并不能实现多线程多进程，所以并不能主动监听或响应来自网络的请求。所以，要实现这个uboot响应ping，我们大致有两种方式可选择，①是注册一个uboot命令，类似ping_echo，调用ping_receive( )；②是修改原来的ping命令，让其在ping的同时能接受对端的请求响应，这里选择第一种方式，仿照ping命令，添加一个ping_echo命令。
4.1 uboot注册ping_echo命令
⚡在cmd/net.c中添加以下代码，并在net.h中的协议类型枚举中添加PING_ECHO，即net_loop()传入的参数，这里不用#ifndef。如果和前面的命令一样添加条件编译，需要到config/Kconfig使能该命令
static int do_ping_echo(struct cmd_tbl *cmdtp, int flag, int argc, char *const argv[]) {
printf("Waiting for ICMP Echo Requests...\n");
if (net_loop(PING_ECHO) < 0) {
return CMD_RET_FAILURE;
}
printf("recving icmp request\n");
return CMD_RET_SUCCESS;
}
U_BOOT_CMD(
ping_echo, 1, 1, do_ping_echo,
"Wait ICMP Echo Requests",
""
);
# Kconfig内容，不添加条件编译可省略
config CMD_PING_ECHO
bool "ping_echo"
help
Respond to ICMP Echo Requests from hosts
4.2 net_loop()添加对应的case分支
⚡ping_echo_start( )如下，net_set_timeout_handler( )绑定到ping_receive即可
void ping_echo_start(void)
{
printf("%s waiting for icmp request...\n", eth_get_name());
net_set_timeout_handler(0UL,ping_receive);
}
⚡调用关系：cmd/net.c中ping_echo命令调用do_ping_echo( )，do_ping_echo( )调用net_loop( )，net_loop( )调用ping_echo_start()，ping_echo_start()调用ping_receive( )；
五、结果测试
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