Подключение микроконтроллера к локальной сети

Локальная сеть — вещь прикольная и интересная. Место обитания каждого гика, включая его самого, опутано витой парой сверху донизу. Почему бы не использовать всё это на пользу дела?

Тем более, существует микросхема, позволяющая микроконтроллеру прекрасно чувствовать себя в сети Ethernet. А именно, ENC28J60, разработка вражеской компании Microchip. Об её использовании мы и поговорим.

Вообще-то, Ethernet — достаточно обширная тема. В один пост явно не поместится. Так что частей будет несколько.

Эта первая часть, и как обычно, — вводная и обзорная.

А зачем это нужно?

С точки зрения микроконтроллера, локальная сеть — лишь ещё один интерфейс «наружу». Зачем использовать именно его, а не простейший RS-232, скажем?

• Это удобно. Любая нормальная операционная система имеет нативную поддержку сети и API для работы с ней. Много стандартного софта умеет работать в сети и сможет обращаться к нашему девайсику.
• Девайс будет доступен как минимум с любого компа, подключенного к локальной сети, а максимум — вообще с любого компа, имеющего доступ в интернет. В том числе, по беспроводному соединению — к девайсу можно будет обращаться, например, с ноутбука, не привязывая себя к девайсу проводами.
• Девайс сам сможет выходить в интернет и получать различную информацию — от точного времени до прогноза погоды и последних новостей (хм, ну конечно если памяти у МК хватит на всё это).
• Это быстро. 10 мбит/с — более чем прилично для микроконтроллерного девайсика.
• Девайс больше не привязан к компу проводами — максимальные 100 м для витой пары не идут ни в какое сравнение с «классическими» интерфейсами.
• Это просто. Нет, правда! IP-стек мне кажется куда проще и логичнее чем, скажем, USB.

Всё это открывает возможности для создания множества прикольных и необычных девайсов.

Конечно, есть и недостатки — для работы с сетью нужен контроллер с обвязкой. Что несколько повышает стоимость конечного девайса.

Интересно? Поехали! :)

Disclaimer

Стоит сразу сказать что здесь подразумевается под Ethernet и что это есть на самом деле.

Ethernet — группа стандартов IEEE 802.3, описывающая различные технологии локальных сетей. В этих стандартах определён общий канальный уровень и набор технологий физического уровня (использующих для передачи данных оптоволокно, витую пару, коаксиал, с разными скоростями, etc.).

Здесь же под Ethernet будет подразумеваться конкретный стандарт IEEE 802.3i, который и поддерживается ENC28J60. В этом стандарте физический уровень — это 10BASE-T, 10 мбит/с по витой паре (Twisted pair).

The Plan

Вот, в общем виде, структурная схема девайса:



Здесь вроде-бы всё просто. ENC28J60 содержит в себе физический уровень (PHY) и канальный уровень (MAC) Ethernet. Микроконтроллеру остаётся только подтаскивать пакеты для отправки и забирать принятые через SPI.

В прошивке микроконтроллера реализован простенький IP-стек, позволяющий прикладной задаче общаться с задачами на других системах с помощью стандартных протоколов.

Более подробно обо всём этом будет в следующих частях.

Модель OSI

А что это за уровни, о которых я всё говорю? Если ты знаешь, эту часть можно пропустить.

Модель OSI — полезная вещь для понимания того, как работает сеть. Здесь о ней очень кратенько.

Данная модель разбивает коммуникационную систему на простые части, называемые уровнями. Каждый уровень обслуживает следующий (верхний) и обслуживается предыдущим (нижним) — вертикальные связи. Особенности функционирования каждого уровня скрыты от других уровней.

Взаимодействует две системы, соответственно есть и по два экземпляра каждого уровня. На каждом уровне используются свои протоколы (горизонтальные связи).



Всего есть 7 уровней модели OSI.



У нас будет только 5 уровней.

Физический уровень

У нас это 10BASE-T. Физический уровень реализован в ENC28J60. Сюда входит витая пара и всё, что нужно для передачи данных по ней (драйверы, трансформаторы).

Канальный уровень

Канальный уровень Ethenet (MAC) тоже реализован в ENC28J60. Канальный уровень отвечает за передачу Ethernet-фреймов между узлами локальной сети (адресацию, проверку контрольной суммы, разрешение коллизий, etc.).

Проще говоря, канальный уровень — это то, что позволяет посылать фреймы другим узлам локальной сети и принимать фреймы от них.

Также к канальному уровню относится протокол ARP, который служит для преобразовния IP-адресов в MAC-адреса.

Сетевой уровень

Сетевой уровень отвечает за передачу пакетов. У нас это IP. IP-пакет спокойно может пройти через несколько разных сетей с различными технологиями физического и канального уровня.

Проще говоря, сетевой уровень — это то, что позволяет отправлять пакеты любым узлам и принимать пакеты от любых узлов.

В нашем маленьком IP-стеке сетевой уровень будет очень простой. Скажем, отправка пакета будет сводиться к добавлению к блоку данных IP-заголовка и отрпавке в виде фрейма канального уровня на определённый MAC-адрес.

Транспортный уровень

Транспортный уровень отвечает за связь узлов. Скажем, приложение хочет отправит данные другому узлу. Транспортный уровень представляет эти данные в виде пакета сетевого уровня (или пакетов) и отправляет. Если используется протокол с установкой соединения, транспортный уровень занимается также установкой и контролем соединения. UDP и TCP — протоколы транспортного уровня.

Прикладной уровень

А тут может быть всё, что нам вздумается. Это то, ради чего всё затевалось. Та самая задача, обменивающаяся с внешним миром данными по какому-то своему или стандартному протоколу.

Вприницпе, пока это всё. В следующей части будет ближе к делу. Будем писать библиотеку для работы с ENC28J60. :)



Все статьи цикла

• Подключение микроконтроллера к локальной сети: Теория
• Подключение микроконтроллера к локальной сети: работаем с ENC28J60
• Подключение микроконтроллера к локальной сети: UDP-сервер
• Подключение микроконтроллера к локальной сети: UDP-клиент
• Подключение микроконтроллера к локальной сети: Широковещательные сообщения и DHCP
• Подключение микроконтроллера к локальной сети: TCP-клиент
• Подключение микроконтроллера к локальной сети: HTTP и CGI
• Подключение микроконтроллера к локальной сети: TCP и HTTP (продолжение)
• Подключение микроконтроллера к локальной сети: HTTP и CGI (заключение)
• Подключение микроконтроллера к локальной сети: тесты производительности и краткое описание API стека
• Подключение микроконтроллера к локальной сети: Заключение
• Веб сервер на Tiny2313. Чисто ради лулзов