网络相关知识上

Tutorial: 电子电路 Category: 嵌入式 Published: 2026-10-08 01:26:37 Views: 0 Likes: 0 Comments: 0

160.12.2网络相关知识(上)

/* 以下是标准库 W5500 客户端例程 main.c 中本节查看的网络参数装载函数，仅保留课堂涉及的业务配置并逐行解释。 */
void Load_Net_Parameters(void)                                                /* 把示例网络参数写入驱动层使用的全局数组。 */
{                                                                             /* 网络参数装载开始。 */
    Gateway_IP[0] = 192U;                                                     /* 设置默认网关地址的第 1 个字节。 */
    Gateway_IP[1] = 168U;                                                     /* 设置默认网关地址的第 2 个字节。 */
    Gateway_IP[2] = 1U;                                                       /* 设置默认网关地址的第 3 个字节。 */
    Gateway_IP[3] = 1U;                                                       /* 得到网关 192.168.1.1；同网段直连实验实际不会经它转发。 */

    Sub_Mask[0] = 255U;                                                       /* 设置子网掩码第 1 个字节。 */
    Sub_Mask[1] = 255U;                                                       /* 设置子网掩码第 2 个字节。 */
    Sub_Mask[2] = 255U;                                                       /* 设置子网掩码第 3 个字节。 */
    Sub_Mask[3] = 0U;                                                         /* 得到 255.255.255.0，即前缀长度 /24。 */

    Phy_Addr[0] = 0x0CU;                                                      /* 设置示例 MAC 地址第 1 个字节；实际产品必须保证地址唯一。 */
    Phy_Addr[1] = 0x29U;                                                      /* 设置示例 MAC 地址第 2 个字节。 */
    Phy_Addr[2] = 0xABU;                                                      /* 设置示例 MAC 地址第 3 个字节。 */
    Phy_Addr[3] = 0x7CU;                                                      /* 设置示例 MAC 地址第 4 个字节。 */
    Phy_Addr[4] = 0x00U;                                                      /* 设置示例 MAC 地址第 5 个字节。 */
    Phy_Addr[5] = 0x01U;                                                      /* 得到示例 MAC 地址 0C:29:AB:7C:00:01。 */

    IP_Addr[0] = 192U;                                                        /* 设置 W5500 本机 IPv4 地址第 1 个字节。 */
    IP_Addr[1] = 168U;                                                        /* 设置 W5500 本机 IPv4 地址第 2 个字节。 */
    IP_Addr[2] = 1U;                                                          /* 设置 W5500 本机 IPv4 地址第 3 个字节。 */
    IP_Addr[3] = 199U;                                                        /* 得到 W5500 本机地址 192.168.1.199。 */

    S0_Port[0] = 0x13U;                                                       /* 写 Socket 0 本地端口的高字节，0x13 是 5000 的高 8 位。 */
    S0_Port[1] = 0x88U;                                                       /* 写低字节，0x1388 换成十进制是本地端口 5000。 */

    S0_DIP[0] = 192U;                                                        /* 设置 Socket 0 目标 IPv4 地址第 1 个字节。 */
    S0_DIP[1] = 168U;                                                        /* 设置 Socket 0 目标 IPv4 地址第 2 个字节。 */
    S0_DIP[2] = 1U;                                                          /* 设置 Socket 0 目标 IPv4 地址第 3 个字节。 */
    S0_DIP[3] = 190U;                                                        /* 得到目标电脑地址 192.168.1.190。 */

    S0_DPort[0] = 0x17U;                                                     /* 写目标端口高字节，0x17 是 6000 的高 8 位。 */
    S0_DPort[1] = 0x70U;                                                     /* 写目标端口低字节，0x1770 换成十进制是 6000。 */

    S0_Mode = TCP_CLIENT;                                                    /* 让 W5500 的 Socket 0 以 TCP 客户端模式主动连接电脑。 */
}                                                                             /* 网络参数装载结束。 */

一、网络相关知识

本节围绕 W5500 与电脑网线直连实验，介绍静态/动态地址、IPv4/IPv6、子网、默认网关、MAC、ipconfig、ping 和 DNS。先记住网络定位的三个层次：

  • MAC 地址用于本地以太网链路上的一跳交付。
  • IP 地址用于在网络层定位接口并进行跨网络路由。
  • TCP/UDP 端口用于把到达某台主机的数据交给具体程序或 Socket。

因此，IP 和端口不是同一种“地址”。把信件类比成网络数据：IP 像楼房地址，端口像房间号，MAC 更像当前这一段配送链路要交给哪块网卡。

1.1 静态和动态

1.1.1 控制面板网络和Internet

动态配置通常由 DHCP 客户端向 DHCP 服务器申请。家用网络中 DHCP 服务器常在路由器或手机热点里，它不只可以给出 IPv4 地址，还可给出子网掩码、默认网关、DNS 服务器和租期。地址是“租用”的，设备重连后不保证永远得到同一个值。

静态配置由用户或固件明确指定地址。静态不等于公网，也不等于地址永远有效；它只表示当前接口没有依靠 DHCP 动态取得这组参数。手工设置时必须避免和其他设备重复。

本实验中，W5500 固件写死为 192.168.1.199/24，网线又直接连接电脑，没有 DHCP 服务器替电脑分配同网段地址。为使两端可直接通信，需要把电脑的有线网卡配置为例如：

项目电脑有线网卡W5500
IPv4 地址192.168.1.190192.168.1.199
子网掩码255.255.255.0（/24）255.255.255.0（/24）
TCP 端口网络助手监听 6000本地 5000，连接目标 6000
默认网关直连且只访问对端时可留空源码写 .1，同网段通信不使用它
DNS只按 IP 直连时可留空本实验不解析域名

Windows 传统界面路径是“控制面板 → 网络和 Internet → 网络和共享中心 → 更改适配器设置 → 以太网属性 → Internet 协议版本 4（TCP/IPv4）”。不同 Windows 版本也可以从“设置”中修改 IP 分配。

需要选择实际插着 W5500 网线的以太网适配器，不要误改 WLAN、蓝牙或虚拟机网卡。实验结束后若该网口平时依赖路由器上网，应改回“自动获得 IP 地址”，否则以后接入其他网络可能无法通信。

网线直连不意味着理论上“必须静态 IP”：操作系统还可能使用 IPv4 链路本地地址等机制。这里必须手动配 .190，是因为 W5500 示例已固定为 .199/24，两端必须拥有兼容的地址和路由。

1.1.2 项目代码

本例 Socket 0 的关键参数是：

  • 本地端点：192.168.1.199:5000。
  • 远端端点：192.168.1.190:6000。
  • 工作方式：W5500 为 TCP Client，电脑网络助手为 TCP Server。

客户端连接时，远端 IP 必须指向电脑的有线网卡，远端端口必须与网络助手的监听端口相同。本地端口不必等于服务端端口；TCP 连接由源 IP、源端口、目标 IP、目标端口以及协议共同区分。

源码用两个字节保存端口：0x13 × 256 + 0x88 = 5000，0x17 × 256 + 0x70 = 6000。网络协议通常按高字节在前表示多字节字段，因此驱动按高、低字节组合。

示例 MAC 0C:29:AB:7C:00:01 只是现成工程值，不应复制到多台同时联网的设备。量产设备应使用合法分配且唯一的 MAC；实验性本地地址也应正确设置“本地管理”位并确保当前二层网络内不重复。

1.1.3 思维导图总结

“网段就是 IPv4 前三段”只对本例的 /24 掩码成立。通用判断方法是把 IP 地址与子网掩码逐位进行 AND（按位与）：

192.168.1.190 AND 255.255.255.0 = 192.168.1.0

192.168.1.199 AND 255.255.255.0 = 192.168.1.0

结果相同，所以两端判断彼此在同一子网，可以直接通过 ARP 找到对方 MAC 并发送以太网帧。在常规 /24 子网中，.0 是网络地址、.255 是定向广播地址，通常不分配给普通主机；.190 和 .199 都可作主机地址。

若目标不在本地子网，主机才把包交给默认网关。网关通常是本地路由器的一个接口，它根据路由表把数据转发到其他网络。子网掩码负责判断“目标是否同网段”，网关负责“不同网段时下一跳交给谁”；网关不是用来换算或校验 IP 的。

本例电脑与 W5500 同为 192.168.1.0/24，因此数据不会经过代码填写的 192.168.1.1。直连线上即使不存在 .1 这个设备，.190 与 .199 仍应能够通信。

1.2 IPV4和IPV6

项目IPv4IPv6
地址长度32 bit128 bit
常见写法4 个十进制八位组，如 192.168.1.1998 组十六进制，可按规则压缩，如 2001:db8::1
地址空间2^32 个理论值2^128 个理论值
本实验W5500 硬件协议栈使用 IPv4配套 W5500 不提供 IPv6 硬件协议栈

IPv6 的设计不只是“IPv4 位数不够就加长”。它还调整了首部格式、自动配置、邻居发现和广播处理等机制。不能把 IPv4 和 IPv6 地址直接按字符串互换；双栈、隧道或翻译机制属于另外的网络部署问题。

192.168.1.199 位于 IPv4 私有地址范围 192.168.0.0/16，适合局域网使用，不能直接当作互联网上的全球可路由地址。

MAC 地址与 IPv4/IPv6 地址不同。典型 Ethernet MAC 为 48 bit，例如 02:12:34:56:78:9A。同一接口的 IP 可以通过 DHCP 改变，MAC 也不应简单理解成永远烧死且全球可见的“身份证”：系统可以使用虚拟或随机 MAC，而且路由器每转发一跳都会重新封装链路层头部。IPv4 局域网通常用 ARP 把下一跳 IPv4 地址解析成 MAC。

1.3 IP配置

Windows 常用命令：

  • ipconfig：查看各适配器的基本 IP 配置。
  • ipconfig /all：查看 DHCP、DNS、默认网关、物理地址等更完整信息。
  • ping 192.168.1.199：用 ICMP Echo 测试目标是否愿意返回回显应答。
  • arp -a：查看本机当前 ARP 缓存，可辅助确认 IPv4 到 MAC 的解析。
  • route print：查看路由表，判断数据会从哪块网卡发出。

Linux 中传统工具是 ifconfig，但现代系统更常用 ip addr、ip route；是否预装 ifconfig 取决于发行版。不能笼统说 ifconfig 一定比 ipconfig 显示更全面，它们属于不同系统和工具集。

ping 成功能证明在当时条件下至少存在双向 IP/ICMP 可达性；ping 失败不等于设备一定离线。目标防火墙可能丢弃 ICMP、设备可能没有实现 Echo Reply、地址或路由可能错误，甚至请求已到达但回程路由失败。反过来，能 ping 通也不表示 TCP 6000 端口一定打开。

1.4 应用案例

1.4.1 例题: 手机IP查询

视频中的手机是 192.168.31.128，电脑是 192.168.31.118。若两端掩码都是 /24，按位与后都得到 192.168.31.0，所以属于同一子网。原稿出现 192.168.32.118 是识别错误；若真是 .31.x 与 .32.x 且都为 /24，它们并不在同一子网。

建议按下列顺序排查：

  1. 在电脑用 ipconfig 确认正在使用的网卡、IP 和掩码。
  2. 在手机 Wi-Fi 详情确认地址与掩码，避免把移动数据地址当成 Wi-Fi 地址。
  3. 先判断是否同网段，再执行 ping。
  4. 查看丢包率和每次往返时间，但不要只凭一次超时下结论。

手机锁屏后可能进入 Wi-Fi 省电状态，也可能仍保持联网；视频中一次超时不能直接证明“锁屏就断 Wi-Fi”。W5500 能回应 ping，是因为芯片硬件协议栈支持 ICMP，而不是 STM32 主循环亲自解析每个 Echo Request。

ping www.baidu.com 包含两个步骤：系统先通过 DNS 得到某个 IP，再向该 IP 发送 ICMP Echo。失败可能出在 DNS，也可能出在 ICMP 路径。区分方法之一是分别测试域名和已知 IP，但公网服务的地址和 ICMP 策略会变化，不应把视频里的某个 IP 当作永久值。

1.5 在线IP查询工具

所谓“查询网站动态 IP”的页面，通常是在做 DNS 解析或展示递归解析结果；它查到的并不一定是网站唯一且固定的主机。一个域名可能同时有多个 IPv4/IPv6 地址，也可能因时间、地区、运营商、CDN 和负载均衡返回不同结果。

直接 ping 查询到的 IP 与 ping 域名都成功，只能说明当时 DNS/ICMP 路径可用。对于 HTTP/HTTPS，服务器还可能依靠 HTTP Host 字段和 TLS SNI 区分网站，因此把域名换成裸 IP 访问不一定得到同一个页面。

1.6 DNS解析

1.6.1 域名系统概述

DNS（Domain Name System，域名系统）是分布式、分层的命名系统。常见的 A 记录把域名关联到 IPv4 地址，AAAA 记录关联到 IPv6 地址；DNS 还承载邮件、别名、权威服务器等多种记录，并非只有“网站名转 IP”。

一次简化的查询过程是：

  1. 应用把域名交给系统解析器。
  2. 解析器先检查本地缓存和 hosts 文件，再询问配置的递归 DNS 服务器。
  3. 递归服务器从缓存或根、顶级域、权威服务器体系中取得记录。
  4. 结果按 TTL 缓存，应用再用返回的地址发起 IP/TCP/UDP 通信。

DNS 主要是“名称查询记录”，不是一个永久的一一映射表。多个域名可以指向同一 IP，一个域名也可以返回多个 IP；反向解析则使用 PTR 记录，不能假定任意 IP 都能反推出原域名。

1.6.2 参考

在本课程直连实验中，STM32/W5500 已直接保存目标 IP 192.168.1.190，没有发送 DNS 查询，因此电脑 DNS 设置并不是这次 TCP 连接的必要条件。DNS 知识用于理解为什么日常可以输入域名，而网络层最终仍使用 IP 地址。

二、实验排错清单

  • W5500 LINK 指示是否建立物理链路；没有链路先检查供电、网线和接口。
  • 电脑有线网卡必须是 .190/24，W5500 必须是 .199/24，两端地址不能重复。
  • ping .199 只测试 IP/ICMP；TCP 还要确认网络助手为 Server、绑定 .190 或正确接口、监听端口为 6000。
  • Windows 防火墙可能阻止 ICMP 或 TCP 入站；排查时应添加明确规则，不建议长期关闭整个防火墙。
  • 电脑同时存在 Wi-Fi、虚拟网卡和以太网时，用 route print 确认到 192.168.1.0/24 的路由走有线网卡。
  • 改源码中的 IP 或端口后，电脑和网络助手的参数也要同步，并重新编译、烧录、复位。

三、参考依据

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