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| V1.0 | 2020-07-09 | gingko | 初次建立 |
===== 实验二十五：LWIP_DNS实验——域名解析 =====
==== 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、DNS简介 ===
* 域名系统（服务）协议（DNS）是一种分布式网络目录服务，主要用于域名与 IP 地址的相互转换，以及控制因特网的电子邮件的发送。
* 大多数因特网服务依赖于DNS而工作，一旦DNS出错，就无法连接 Web 站点，电子邮件的发送也会中止。
* DNS 有两个独立的方面 ：
* 定义了命名语法和规范，以利于通过名称委派域名权限。基本语法是： local.group.site；定义了如何实现一个分布式计算机系统，以便有效地将域名转换成 IP 地址。
* 在 DNS 命名方式中，采用了分散和分层的机制来实现域名空间的委派授权以及域名与地址相转换的授权。通过使用 DNS 的命名方式来为遍布全球的网络设备分配域名，而这则是由分散在世界各地的服务器实现的。
* 理论上， DNS 协议中的域名标准阐述了一种可用任意标签值的分布式的抽象域名空间。任何组织都可以建立域名系统，为其所有分布结构选择标签，但大多数 DNS 协议用户遵循官方因特网域名系统使用的分级标签。常见的顶级域是： COM、EDU、GOV、 NET、ORG、BIZ，另外还有一些带国家代码的顶级域。
* DNS的分布式机制支持有效且可靠的名字到IP地址的映射。多数名字可以在本地映射，不同站点的服务器相互合作能够解决大网络的名字与IP地址的映射问题。单个服务器的故障不会影响 DNS 的正确操作。DNS是一种通用协议，它并不仅限于网络设备名称。
* 域名系统（Domain Name System缩写DNS，Domain Name被译为域名）是因特网的一项核心服务，它作为可以将域名和IP地址相互映射的一个分布式数据库，能够使人更方便的访问互联网，而不用去记住能够被机器直接读取的IP数串。
* 域名系统(Domain Name System,DNS)是Internet上解决网上机器命名的一种系统。就像拜访朋友要先知道别人家怎么走一样，Internet上当一台主机要访问另外一台主机时，必须首先获知其地址，TCP/IP中的IP地址是由四段以“.”分开的数字组成，记起来总是不如名字那么方便，所以，就采用了域名系统来管理名字和IP的对应关系。
=== 2、域名解析简介 ===
* 域名解析是把域名指向网站空间IP，让人们通过注册的域名可以方便地访问到网站的一种服务。IP地址是网络上标识站点的数字地址，为了方便记忆，采用域名来代替IP地址标识站点地址。域名解析就是域名到IP地址的转换过程。域名的解析工作由DNS服务器完成。
* 域名解析也叫域名指向、服务器设置、域名配置以及反向IP登记等等。说得简单点就是将好记的域名解析成IP，服务由DNS服务器完成，是把域名解析到一个IP地址，然后在此IP地址的主机上将一个子目录与域名绑定。互联网中的地址是数字的IP地址，域名解析的作用主要就是为了便于记忆。
* 在域名注册商那里注册了域名之后如何才能看到自己的网站内容，用一个专业术语就叫“域名解析”。
* 域名是为了方便记忆而专门建立的一套地址转换系统，要访问一台互联网上的服务器，最终还必须通过IP地址来实现，域名解析就是将域名重新转换为IP地址的过程。一个域名对应一个IP地址，一个IP地址可以对应多个域名；所以多个域名可以同时被解析到一个IP地址。域名解析需要由专门的域名解析服务器(DNS)来完成。
* 解析过程，比如，一个域名为：abc.com，是想看到这个现HTTP服务，如果要访问网站，就要进行解析，首先在域名注册商那里通过专门的DNS服务器解析到一个WEB服务器的一个固定IP上：211.214.1.XXX，然后，通过WEB服务器来接收这个域名，把abc.com这个域名映射到这台服务器上。那么，输入abc.com这个域名就可以实现访问网站内容了.即实现了域名解析的全过程；
* 人们习惯记忆域名，但机器间互相只认IP地址，域名与IP地址之间是对应的，它们之间的转换工作称为域名解析，域名解析需要由专门的域名解析服务器来完成，整个过程是自动进行的。
* 域名解析协议（DNS）用来把便于人们记忆的主机域名和电子邮件地址映射为计算机易于识别的IP地址。DNS是一种c/s的结构，客户机就是用户用于查找一个名字对应的地址，而服务器通常用于为别人提供查询服务。
=== 3、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。
=== 4、LAN8720A简介 ===
* LAN8720A功能框图如图所示：
{{ :icore4:icore4_arm_hal_25_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
=== 5、原理图 ===
* iCore4带有lan8720a嵌入式以太网控制器，本实验实现 DNS 功能。域名解析分为正向解析和反向解析，正向解析就是将域名转换成对应的 IP 地址的过程，它应用于在浏览器地址栏中输入网站域名时的情形；而反向解析是将 IP 地址转换成对应域名的过程。本实验是正向解析，实现的功能是给出一个域名，最终得到该域名对应的 IP 地址。原理图如下：
{{ :icore4:icore4_arm_hal_25_2.png?direct |}}
==== 四、 实验程序 ====
=== 1、主函数 ===
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
}
OSTaskCreate(start_task,(void*)0,(OS_STK*)&START_TASK_STK[START_STK_SIZE-1],START_TASK_PRIO);
OSStart(); //开启UCOS
}
=== 2、开始任务 ===
void start_task(void *pdata)
{
OS_CPU_SR cpu_sr;
pdata = pdata ;
OSStatInit(); //初始化统计任务
OS_ENTER_CRITICAL(); //关中断
#if LWIP_DHCP
lwip_comm_dhcp_creat(); //创建DHCP任务
#if LWIP_DNS
my_dns.initialize(); //创建DNS任务
#endif
#endif
OSTaskCreate(led_task,(void*)0,(OS_STK*)&LED_TASK_STK[LED_STK_SIZE-1],LED_TASK_PRIO); //创建LED任务
OSTaskCreate(display_task,(void*)0,(OS_STK*)&DISPLAY_TASK_STK[DISPLAY_STK_SIZE-1],DISPLAY_TASK_PRIO); //显示任务
OSTaskSuspend(OS_PRIO_SELF); //挂起start_task任务
OS_EXIT_CRITICAL(); //开中断
}
=== 3、创建删除DHCP任务 ===
//创建DHCP任务
void lwip_comm_dhcp_creat(void)
{
OS_CPU_SR cpu_sr;
OS_ENTER_CRITICAL(); //进入临界区
OSTaskCreate(lwip_dhcp_task,(void*)0,(OS_STK*)&LWIP_DHCP_TASK_STK[LWIP_DHCP_STK_SIZE-1],LWIP_DHCP_TASK_PRIO);//创建DHCP任务
OS_EXIT_CRITICAL(); //退出临界区
}
//删除DHCP任务
void lwip_comm_dhcp_delete(void)
{
dhcp_stop(&lwip_netif); //关闭DHCP
OSTaskDel(LWIP_DHCP_TASK_PRIO); //删除DHCP任务
}
=== 4、DHCP处理任务 ===
void lwip_dhcp_task(void *pdata)
{
OS_CPU_SR cpu_sr;
u32 ip=0,netmask=0,gw=0;
dhcp_start(&lwip_netif);//开启DHCP
lwipdev.dhcpstatus=0; //正在DHCP
usart6.printf("开启 DHCP 中...\r\n");
while(1)
{
usart6.printf("正在获取地址...\r\n");
OS_ENTER_CRITICAL(); //关中断
ip=lwip_netif.ip_addr.addr; //读取新IP地址
netmask=lwip_netif.netmask.addr;//读取子网掩码
gw=lwip_netif.gw.addr; //读取默认网关
OS_EXIT_CRITICAL(); //开中断
OSTimeDlyHMSM(0,0,0,500);
if(ip!=0) //当正确读取到IP地址的时候
{
lwipdev.dhcpstatus=2; //DHCP成功
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]); //解析出通过DHCP获取到的IP地址
lwipdev.ip[3]=(uint8_t)(ip>>24);
lwipdev.ip[2]=(uint8_t)(ip>>16);
lwipdev.ip[1]=(uint8_t)(ip>>8);
lwipdev.ip[0]=(uint8_t)(ip);
usart6.printf("通过DHCP获取到IP地址..............%d.%d.%d.%d\r\n",lwipdev.ip[0],lwipdev.ip[1],lwipdev.ip[2],lwipdev.ip[3]);
//解析通过DHCP获取到的子网掩码地址
lwipdev.netmask[3]=(uint8_t)(netmask>>24);
lwipdev.netmask[2]=(uint8_t)(netmask>>16);
lwipdev.netmask[1]=(uint8_t)(netmask>>8);
lwipdev.netmask[0]=(uint8_t)(netmask);
usart6.printf("通过DHCP获取到子网掩码............%d.%d.%d.%d\r\n",lwipdev.netmask[0],lwipdev.netmask[1],lwipdev.netmask[2],lwipdev.netmask[3]); //解析出通过DHCP获取到的默认网关
lwipdev.gateway[3]=(uint8_t)(gw>>24);
lwipdev.gateway[2]=(uint8_t)(gw>>16);
lwipdev.gateway[1]=(uint8_t)(gw>>8);
lwipdev.gateway[0]=(uint8_t)(gw);
usart6.printf("通过DHCP获取到的默认网关..........%d.%d.%d.%d\r\n",lwipdev.gateway[0],lwipdev.gateway[1],lwipdev.gateway[2],lwipdev.gateway[3]);
break;
}else if(lwip_netif.dhcp->tries>LWIP_MAX_DHCP_TRIES) //通过DHCP服务获取IP地址失败,且超过最大尝试次数
{
lwipdev.dhcpstatus=0XFF;//DHCP失败.
//使用静态IP地址
IP4_ADDR(&(lwip_netif.ip_addr),lwipdev.ip[0],lwipdev.ip[1],lwipdev.ip[2],lwipdev.ip[3]);
IP4_ADDR(&(lwip_netif.netmask),lwipdev.netmask[0],lwipdev.netmask[1],lwipdev.netmask[2],lwipdev.netmask[3]);
IP4_ADDR(&(lwip_netif.gw),lwipdev.gateway[0],lwipdev.gateway[1],lwipdev.gateway[2],lwipdev.gateway[3]);
usart6.printf("DHCP服务超时,使用静态IP地址!\r\n");
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]);
break;
}
delay_ms(250); //延时250ms
}
lwip_comm_dhcp_delete();//删除DHCP任务
}
=== 5、创建DNS任务 ===
static INT8U my_dns_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(dns_test,(void*)0,(OS_STK*)&DNS_TASK_STK[DNS_STK_SIZE-1],DNS_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
}
==== 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 ====
* 本实验解析出百度域名（www.baidu.com）的IP地址为61.135.169.125。如下图所示：
{{ :icore4:icore4_arm_hal_25_3.png?direct |}}
{{ :icore4:icore4_arm_hal_25_4.png?direct&670 |}}