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基于W5500的NetBIOS应用实例

2015-3-6 13:31:36 5158 W5500 智能家居物联网

已刊登在《无线电》2月刊

一实例背景

最近一个做智能家居的朋友面临这样的一个烦恼，他想让用户通过智能手机在家里方便地控制家居设备，又想让用户免除下载安装App的麻烦，通过浏览器直接打开设备内嵌的网页便可实现控制。但是设备的IP地址都是通过家里的路由器自动获得的，设备上又没有屏幕来显示其IP地址。问我有没有办法不输入IP地址来实现浏览器访问该设备网页的办法，就是类似DNS之类，但是无需连外网，只在家庭网络内能访问即可。
这使我想起一个古老的协议，NetBIOS(Network Basic Input/Output System)。这个在上世纪80年代由IBM开发的协议，主要用于数十台左右计算机组成的小型局域网，该协议的主要用途之一就是把计算机名称解析为相应IP地址。如果每个设备有一个固定名字，在实现了NetBIOS的前提下，用户在浏览器里输入该设备的名字，然后通过NetBIOS解析，便可实现访问该设备网页的这个功能了。而且NetBIOS占用系统资源少，在单片机上运行不成问题。于是推荐这个朋友在他的设备上实现了NetBIOS协议，解决了他的烦恼。
除了智能家居，在当下物联网时代，想必还有其他应用也会遇到类似问题，就拿手头的WIZnet-W5500评估板实现了一下NetBIOS，希望能对做网络设备开发的朋友有所帮助。在用W5500实现之前，我们还是先在PC上看一下NetBIOS到底是一个什么东西。

二 NetBIOS协议
我们知道在DOS 命令下可以通过PING主机名获得另外一台电脑的IP地址，实际上就是通过 NETBIOS进行的。在Windows操作系统中，默认情况下在安装TCP/IP协议后会自动安装NetBIOS。查看方法如下：本地连接属性的中“高级TCP/IP设置”窗口中选择“WINS”选项卡，在“NetBIOS设置”区域中就可以设置相应的NetBIOS，如图1：

图1 WINS下的NetBIOS设置

Ping主机名的第一个数据包就是NBNS（NetBIOS Name Server),协议包，它是 TCP/IP 上的 NetBIOS (NetBT) 协议族的一部分，它在基于 NetBIOS 名称访问的网络上提供主机名和地址映射方法。NBNS是动态DNS的一种，Microsoft的NBNS实现称为WINS。NetBIOS的报文类型较多、结构复杂，不同的网络环境及不同的用途中，会使用不同报文，可用端口进行区分，WINS协议中，NetBIOS名字报文、数据报报文及会话报文分别使用TCP 137、138和139端口。
NetBIOS 数据报有很多不同格式，主要取决于服务和信息类型，以及用以传送 NetBIOS 数据报的传输协议。 NetBIOS 协议架构可见图2，其中包含三种基本服务： NAME、SESSION 和 DATAGRAM　，其中NAME所用协议就是NBNS协议。　

图2：NetBIOS协议架构

下面看一下WINS协议使用的报文NETBIOS的名字报文（NAME）的总体格式如表1：

表1 NetBIOS名字报文格式

事物ID（2bytes）	通用标志（2bytes）
问题记录个数（2bytes）	回答记录个数（2bytes）
权威记录个数（2bytes）	附加记录个数（2bytes）
问题记录（若干字节）
回答记录（若干字节）
权威记录（若干字节）
附加记录（若干字节）

报文的前12字节总称为NETBIOS名字报文的首部，通过首部我们可以判断出是否为名字查询的报文。
NETBIOS名字报文中最常见的是携带问题记录的报文，问题记录的格式如表2：

表2 NetBIOS名字报文中问题记录格式

问题名称（若干字节）
问题类型（2 bytes）	问题类别（2bytes）

通过携带问题记录的报文，我们可以得到要查询的名字字符，如果和本机名相符，就发送报文响应，响应中带有IP地址，发送广播的主机就会得到该IP地址。

三 W5500EVB实现NETBIOS名字报文解析
了解了NETBIOS协议之后，下面就让我们通过W5500EVB做一个嵌入NetBIOS的简单实验。

实验目的：通过在DOS下ping该设备名“WIZNRTW5500”，可以得到开发板的IP地址。
硬件环境

单片机：STM32F103RC，256K字节Flash，48K字节SRAM，2K字节EEPROM
以太网控制器：W5500，SPI接口与单片机相连
电源：USB供电
硬件外设：板载LED

开发工具: Keil
测试软件：串口调试助手，网络调试助手看代码之前，我们还是先来了解一下整个的程序流程，如图3所示整个程序采用查询方式,通过DHCP子程序成功获取IP后可执行NBNS服务。同时W5500EVB设置成HTTP Server，可以接收，并处理TCP Client发来的数据

图3：主程序流程图
本文主要讨论如何在单片机上实现NETBIOS名字解析服务，DHCP和TCP Server相关部分子程序在此不再详细介绍，根据NETBIOS名字解析服务子程序流程图（如图4示），我们可以得知当查询到137端口收到网络的UDP数据包时，读取数据包并进行判断是否为NETBIOS名字报文，如果是就将解析出的名字与本机名比较，如果一致就回复报文。
图4：NBNS程序流程图
在此贴出NETBIOS部分代码，要获取完整代码，请到http://pan.baidu.com/s/1nt9MQKh上进行下载。

void do_netbios(void)

{

unsigned char state;

unsigned int len;

1 state = getSn_SR(NETBIOS_SOCK);

switch(state)

{

case SOCK_UDP:

2 if((len=getSn_RX_RSR(NETBIOS_SOCK))>0)

{

unsigned char rem_ip_addr[4];

uint16 rem_udp_port;

3 char netbios_name[NETBIOS_NAME_LEN+1];

4 NETBIOS_HDR* netbios_hdr;

5 NETBIOS_NAME_HDR* netbios_name_hdr;

6 len=recvfrom(NETBIOS_SOCK,(unsignedchar*)&netbios_rx_buf,len,rem_ip_addr,&rem_udp_port);

printf(“rem_ip_addr=%d.%d.%d.%d:%drn”,rem_ip_addr[0],rem_ip_addr[1],rem_ip_addr[2],rem_ip_addr[3],rem_udp_port);

7 netbios_hdr = (NETBIOS_HDR*)netbios_rx_buf;

8 netbios_name_hdr = (NETBIOS_NAME_HDR*)(netbios_hdr+1);

/* if the packet is a NetBIOS name query question */

9 if(((netbios_hdr->flags& ntohs(NETB_HFLAG_OPCODE)) == ntohs(NETB_HFLAG_OPCODE_NAME_QUERY)) &&

((netbios_hdr->flags & ntohs(NETB_HFLAG_RESPONSE)) == 0) &&

(netbios_hdr->questions == ntohs(1)))

{

printf(“netbios name query questionrn”);

/* decode the NetBIOS name */

10 netbios_name_decoding( (char*)(netbios_name_hdr->encname), netbios_name, sizeof(netbios_name));

printf(“name is %srn”,netbios_name);

/* if the packet is for us */

11 if (strcmp(netbios_name, NETBIOS_W5500_NAME) == 0)

{

uint8 ip_addr[4];

NETBIOS_RESP *resp = (NETBIOS_RESP*)netbios_tx_buf;

/* prepare NetBIOS header response */

12 resp->resp_hdr.trans_id = netbios_hdr->trans_id;

resp->resp_hdr.flags = htons(NETB_HFLAG_RESPONSE | NETB_HFLAG_OPCODE_NAME_QUERY |

NETB_HFLAG_AUTHORATIVE |

NETB_HFLAG_RECURS_DESIRED);

resp->resp_hdr.questions = 0;

resp->resp_hdr.answerRRs = htons(1);

resp->resp_hdr.authorityRRs = 0;

resp->resp_hdr.additionalRRs = 0;

/* prepare NetBIOS header datas */

memcpy( resp->resp_name.encname, netbios_name_hdr->encname, sizeof(netbios_name_hdr->encname));

resp->resp_name.nametype = netbios_name_hdr->nametype;

resp->resp_name.type = netbios_name_hdr->type;

resp->resp_name.cls = netbios_name_hdr->cls;

resp->resp_name.ttl = htonl(NETBIOS_NAME_TTL);

resp->resp_name.datalen = htons(sizeof(resp->resp_name.flags)+sizeof(resp->resp_name.addr));

resp->resp_name.flags = htons(NETB_NFLAG_NODETYPE_BNODE);

getSIPR(ip_addr);

memcpy(resp->resp_name.addr,ip_addr,4);

/* send the NetBIOS response */

13 sendto(NETBIOS_SOCK, (unsigned char*)resp, sizeof(NETBIOS_RESP), rem_ip_addr, rem_udp_port);

printf(“send responsern”);

}

break;

14 case SOCK_CLOSED:

close(NETBIOS_SOCK);

socket(NETBIOS_SOCK,Sn_MR_UDP,NETBIOS_PORT,0);

break;

default:

break;

}

主要代码解释：

第1、2段程序功能为通过SPI接口读取NBNS Socket寄存器状态，如果检测建立了UDP连接，并且收到数据则进行NBNS服务。第3段定义了NetBIOS name缓存区，Netbios name长度为16。第4、5段定义了NetBIOS 包头和其name部分结构体变量。第6段为读取137端口的UDP数据)netbios_rx_buf。接下来NBNS核心部分：

第7、8两段将接受缓存区数据对定义的包头进行赋值，第9，10段，判断数据NetBIOS 包头是否为名字查询，如果是名字查询则进行名字解析。第11行进行NetBIOS名字进一步比较。比较一致后，第12段程序准备回复NetBIOS包头和内容。第13段，发送NetBIOS回复响应。第14段为检测到NBNS Socket 为SOCK_CLOSED，则打开137端口的UDP Socket。

四实验测试

试验中，我们通过W5500EVB对NetBIOS的解析，并用浏览器直接访问设备名称，来实现对设备的远程访问，以达实验目的。下面就来看一下实验测试全过程。

首先，打开串口调试助手，运行DHCP相关程序。可看到图5中所示，W5500EVB成功通过DHCP获得可用IP地址。

图5：W5500EVB通过DHCP获得可用IP地址

2. 在DOS下，ping W5500EVB设备名：WIZNET5500，可看到如图6中，获取设备IP地址为：192.168.1.100 。

图6：通过Ping命令获取W5500的IP地址

3. 运行NetBIOS解析程序，在串口调试助手中看到解析过程，如图7所示：

图7：W5500 EVB解析本地网络中的NetBIOS广播包

4. 最后，我们在浏览器中输入要访问的设备名称：wiznet5500，可以看到顺利访问到设备中的内置网页，浏览到设备的配置信息。NetBIOS解析成功！如图8所示：

图8：在IE浏览器中输入设备名称，可以访问内置网页

五总结
随着物联网事业的发展，越来越多的网络设备走进千家万户。对于普通用户来说，设定和查询IP地址显得稍微麻烦，即插即用的设备将会受到人们的青睐。本次实验，我们在STM32上实现了NetBIOS name Server，通过在浏览器中输入设备的名字就可以登录到设备中的网页中，然后就可以进行查看和控制。这样以来，只要知道该设备的名字，无需用客户端软件就能对设备进行控制。例子很简单，但希望能给大家提供一个思路，将其应用到你的智能家居DIY制作中，让智能家居真正的“智能”起来！