基于STM32和W5500的UPnP自动端口映射功能实现

文章开始之前让我们设想下面的几个情形：我们在办公室内就能访问到生产车间的网络摄像机，而无需到监控室查看生产情况；在下班之前，或在回去的路上，就可以先打开家里的空调器和厨房设备，等进入家门，立刻就是一个温度宜人的环境――厨房里的饭也做好了；我们想在电视机上回味一下几天前在景区拍的照片，把相机或者DV联网就可以了，无需再去拷贝。工作生活都如此方便，将是一个很惬意的事情。
实现这些场景的网络设备都要基于一种叫端口映射的网络技术。端口映射就是路由器将外网某一个端口与内网中某个设备的IP地址和端口号建立起一一对应关系。内网主动访问外网时，路由器主动建立了映射关系，内外网间就可以通信。但是外网要主动访问内网是不可行的，因为不知道内网的设备IP和端口，只能和路由器外网通信。路由器可以进行手动配置端口映射，但是便携式设备经常移动，内网的IP地址也是不是固定的，每次使用都要手动配置路由器显然是个麻烦的事情。本文就为你讲解如何使用UPnP协议实现网络设备自动配置路由器进行端口映射。

一、UPnP协议简介
UPnP（Universal Plug and Play，即插即用）是各种各样的智能设备、无线设备和个人电脑等实现遍布全球的对等网络连接（P2P）的结构。使用UPnP达到的效果是任何设备一旦连接上网络，所有在网络上的设备马上就能知道有新设备加入，这些设备彼此之间能互相通信，更能直接使用或者控制它，一切都不需要人工设置。
1.1 UPnP结构
服务、设备和控制点是UPnP网络的基本组件，如图1：


图 1 UPnP组件图
 设备（Device）：家电、手机、智能设备、无线设备、电脑等等都可以称之为设备。
 服务（Service）：是指设备在不同情况下的动作和设备的状态。
 控制点（Control Point）：指的是可以发现并控制其他设备的控制设备。在UPnP网络中，设备可以和控制点合并为同一台设备。

1.2 UPnP工作流程
UPnP定义了设备之间、设备和控制点、控制点之间通信的协议。完整的UPnP有设备寻址、设备发现、设备描述、设备控制、事件通知和基于HTML的描述等几部分构成。UPnP协议最底层是TCP/IP协议，UPnP实现的工作流程如图2所示：

图2 UPnP实现的工作流程
寻址：就是找个可用IP地址。一般都采用DHCP服务，使设备自动得到一个IP地址。
发现：加入到网络中，设备会定期的以组播的方式表明自身的存在以及告知（Advertise）它提供的服务；控制点则是网络中广播search packets来发现具有某些服务的设备，具有该服务的设备以单播的方式应答。
描述：控制点可以从发现消息中得到设备描述的URL（可以认为是浏览器地址），通过URL取回设备描述的信息。
控制、事件和展示则是控制点获取描述之后进行的各种通信交互。其中控制是控制点对设备进行的操作；事件为设备向控制点定期发送其感兴趣的信息，展示可以认为是设备的一个功能，它给控制点一个URL，可以登录到设备的网页服务器。[page]

二、UPnP路由器端口映射控制点在W5500实现
2.1 实验硬件平台和实验目的
通过以上讲解，相信大家对UPnP也有一定认识了，下面就让我们开始我们实验之旅。我们选用的实验平台为WIZnet W5500EVB，它使用USB口进行供电和调试，单片机为STM32F103RCT6，网络芯片为WIZnet硬件TCP/IP的以太网芯片W5500。
我们的实验目的就是让W5500（Control Point）控制路由器（Device）执行端口映射服务（Service），让外网中的PC2可以与内网中的W5500EVB板建立连接。如图3所示 PC2往路由器36.36.141.53:12222 发送的信息，将被转发到内网192.168.1.110:5000。

图3端口映射网络图

2.2 UPnP自动端口映射软件实现流程
本文中W5500将作为控制点的角色出现，并不需要实现展示的功能，在UPnP协议上仅实现了Search的过程，对网络中的Advertise消息不做处理。下面让我看看程序是如何实现的，首先看一下整个程序流程图如图4，对整个程序有个大致的了解：
 
图4 主程序流程图
如图所示：
程序首先进行初始化，初始化CPU资源和W5500然后使用DHCP协议自动获取IP，如果获取失败就设定为固定IP，DHCP的过程在此不再详细介绍。
获取IP地址后，先使用SSDP发现设备。W5500打开本地一个socket，再使用UDP组播地址（255.255.255.255）发送SSDP M-SEARCH信息搜索在相同子网中的IGD（Internet Gateway Device），设备收到SSDP M-SEARCH信息后会回复数据包。如图5 所示：

图5发送SSDP广播包和收到回复信息

通过解析收到数据包我们可以得到：LOCATION：设备描述文件的URL。通过Location信息，我们能够获得IGD的IP地址和端口号。利用这个IP地址和端口号生成HTTP GET Header，W5500重新打开一个Socket，然后再将其发送给IGD来获取IGD的服务描述。当IGD接收到HTTP GET Header后，IGD将会让W5500_Control_Piont获知它的设备描述和服务描述。发送的数据包如图6。
图6还显示了设备回复的部分信息，从中我们可以看到设备描述和服务描述，WANIPConnection对应端口映射服务，可以看到该路由设备有该项服务。在WANIPConnection服务描述中可以得到Control URL和eventSubURL，一个用来控制，一个用来订阅。


图6发送获取描述单播包和收到的回复信息
执行完上面的发现设备后在串口上为用户提供了一个菜单页面，通过在菜单中输入命令，我们可以交互添加端口和删除端口。
首先是添加端口，利用IGD的IP地址、端口号以及控制URL来完成XML，然后通过HTTP POST method-basedSOAP执行AddPortMapping操作。其执行过程如图7流程图所示：

图7 AddPortProcess()函数流程图
在SOAP描述中可以看到ExternalPort、Protocol、InternalPort以及控制点IP地址等信息，如图8 AddPort的报文所示。
IGD在收到这样的控制请求后，会给出一系列应答，如果应答中包含收到“uuidAddPort Success!!”后，表明端口映射添加成功。添加端口映射成功后，就可以在外网访问内网中指定IP地址和端口了，如果添加了TCP端口映射，可以建立连接并发送数据测试。


图8 AddPort的报文
删除端口与添加端口格式一样，都是通过HTTP POST method-basedSOAP执行DeletePortMapping操作，只需要ExternalPort和Protocol两个参数即可。在此不再详细叙述，请参考我们的程序代码下载链接：http://pan.baidu.com/s/1roc70

三 自动端口映射功能测试
程序讲解完毕后将讲解如何测试我们写的W5500EVB程序，看是不是能够达到我们的实现目的，实现控制路由器端口映射功能。[page]

第一步：开启路由器UPnP。登陆路由器控制界面，打开“转发规则->UPnP 设置”，如果UPnP状态没有开启，则需要开启一下。
第二步：将编译好的可执行文件下载到开发板中，接网线到路由器上，接USB调试线到PC端，打开串口助手对应的COM口以便查看调试信息和进入串口命令菜单。按复位键，程序开始执行，经过串口打印信息，我们看到DHCP获取正确IP地址，发现UPnP设备、获得描述，设置事件都已完成，如图9所示：

图9 UPnP执行成功打印输出
接下来就是我们的串口操作菜单，如图10：

图10 程序完成初始化后的菜单界面

第三步：基本命令输入。按照菜单提示进行命令输入，在此1-4就是基本的串口命令操作：打开/关闭led，设置/查看网络配置；5 、6步就是开启TCP 、UDP回环测试。TCP回环实际上就是开启了一个TCP Server，同一网段的TCP Client可以直接与其建立通信，可发送数据到此TCP Server，TCP Server会回复相同的数据。串口基本配置和内网回环测比较简单，在此不再贴图查看。

第四步：配置TCP端口映射。在串口调试助手上输入 7，进行配置选项，按照菜单提示，我们端口映射，外网端口号为12222，内网端口号为5000，添加成功后会提示AddPortSuccess。如图11所示：

图11添加端口映射成功后串口打印出信息
刷新第一步进入的UPnP状态设置和设备列表，可发现控制节点W5500_Control_Point 已经加入内部端口号为5000，外部端口53F7为12222。可见我们已经成功用UPnP协议对路由器端口进行了映射。而且看到Thunder5在这里也有UDP /TCP 端口映射列表。如图12所示。在这里也说一下，我们常用的P2P软件，Thunder PPlive等都支持UPnP端口映射。

图12添加端口映射后路由器端口映射表

第五步，用外网测试配置好的端口映射。
如图3端口映射网络图，W5500和PC2不在同一个网络中，如果不进行端口映射，PC2不可能连接到W5500 TCP Server。首先我们在串口界面上输入5进入TCP Server回环程序。接下来查看路由器的外网IP，可见外网IP为“36.36.141.53”，其为公网IP。我们任意找一台PC用网络调试助手建立一个TCP Client ，去连接我们刚才配置好的服务器IP为“36.36.141.53”端口为“12222”。连接成功后，发送LED_ON(红色为发送的数据），通过网络调试助手我们可以看到收到LED_ON（黑色为收到的数据），证明回环已建立。这就如同，无论我们在什么地方都能对我们的设备进行连接和控制。如图13所示：

图13外网连接到内网并进行数据回环测试
同时通过EVB上的LED，我们可以发现，LED灯可以根据我们输入的指令执行亮灭动作。如图14 所示：

图14 LED根据命令进行亮灭

第六步：删除已添加的端口。在菜单界面中输入8，然后按指示删除刚才的端口，刷新路由器映射表，发现已经没有这个应用了。

四 总结
目前，实现各种设备的互联互通已经成为人们的迫切需求，而实现这一目的的关键是家庭网络的中间件技术，最有前景的就是今天讲的UPnP，因此支持UPnP标准的设备越来越多。本文通过UPnP部分协议实现了设备的自动端口映射，方便设备直接部署在内网中，无需客户去配置，就能在外网中直接访问内网设备，查看或者配置设备信息。作为一个UPnP协议的一个简单应用，希望能给大家一个思路。