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以太网报文结构 via ethernetPacket in CAPL

news 2025/7/30 6:48:54

Vector 如何封装以太网报文

在 Vector 的 CAPL 环境中，官方提供了一个叫做 ethernetPacket 的结构体，它对以太网报文的结构做了封装。我们只需要设置好一些关键字段（比如源 MAC、目标 MAC、帧类型和负载长度），然后通过Byte（Index）方法逐字节填充数据即可。

VECTOR封装原理

CANoe 内部会根据我们设置的 ethernetPacket 字段自动组装出完整的以太网帧。
一般以太网帧，分为三部分：头部+Payload+尾部
以太网头部（包括目的 MAC、源 MAC 和以太网类型字段）由 source、destination和 type 等字段提供。
以太网数据负载Payload中，也就是下图中的Payload字段，代表上层协议数据（如 IP 报文、SOME/IP、VLAN等）
以太网尾部FCS，帧校验序列，不属于Payload，主要进行CRC校验，检测数据检测错误。

以太网（Ethernet II 帧）报文格式

一个标准的Ethernet II 帧由三部分组成：Header ，Payload和FCS。但是，在CANoe工程中，一般只需要关注Header和Payload即可。（注释1）
Header（头部）
1. 目标 MAC 地址（6 字节）：标识接收方的网络接口。
2. 源 MAC 地址（6 字节）：标识发送方的网络接口。
3. 类型/长度字段（2 字节）：
  1. 如果该字段的数值大于或等于 0x0600，则表示以太网类型，说明 Payload 中承载的是哪种协议（例如 0x0800 表示 IPv4）。
  2. 如果小于 0x0600，则表示 Payload 的长度。(注释2)
4. 对于Header，长度总共是 14 字节
5. 对于Header中的type，常用协议类型的以太网帧type字段参考：（注释3)
Payload（有效载荷）
1. Payload这部分是实际承载数据的内容。
2. 在后文的代码示例中，Payload 包括了 IP 头部和 ICMP 头部：

注：在 ethernetPacket中，只计算 Payload 的字节数，不包括前面的 14 字节以太网头部。

在代码示例中设置 Length 为 84 字节，表示 IP 数据包（包括 IP 头 20 字节、ICMP 头 8 字节和 56 字节数据）的总长度。（即84字节，并不包含以太网头部的14字节）

为什么 IP （头部）和（ICMP）头部包含在 Payload内？

IP头部：
这是网络层协议（IPv4）的首部，包含了版本、总长度、源 IP、目的 IP 等信息。
当以太网帧的类型字段（Type）被设置为 0x0800 时，接收方会知道接下来的数据是一个 IP 数据包。
ICMP头部：
IP 数据包中载荷（Payload）的内容可以是多种协议的数据。在后文的代码示例中，我们构造的是一个 ICMP Echo Request（通常用来执行 ping 测试）。
ICMP（Internet Control Message Protocol，互联网控制消息协议）用于在网络设备间传递控制信息和错误报告。

Echo Request（0x08）：用来请求对方回复
Echo Reply （0x00）：对应的回复消息
IP和ICMP的关系，参见（注释4）
此处需要厘清：
有三个“Header”（头部）
分别为：
1）以太网帧的头部
2）以太网Payload中IP的头部
3）以太网Payload中ICMP的头部

以太网帧的头部header不包含于Payload内，以太网header中包含了目标Mac、源Mac、以及以太网类型；
而IP头部和ICMP头部，包含在Payload内；

CAPL源代码

代码主要功能：在 CANoe 中通过 Ethernet 总线发送 ICMPv4 Echo Request（即 Ping 请求），然后监听 IUT（被测设备）是否回复 ICMP Echo Reply（即 Ping 响应）。


/*@!Encoding:65001*/
variables
{ 
  const dword iutIP = 0xC0A8B239; //IUT-->192.168.178.57
  const dword broadcastIP = 0xFFFFFFFF;   // broadcast IP-->255.255.255.255
  ethernetPacket txPacket;
}


on start
{
  int i;

  // 以太网头部：header
  txPacket.msgChannel   = 1;  
  txPacket.source       = EthGetMacAddressAsNumber("11:22:33:44:55:66");//My Mac Addr
  txPacket.destination  = EthGetMacAddressAsNumber("AA:BB:CC:DD:00:39");//PIU_Mst Mac Addr
  txPacket.type         = 0x0800;  // IPv4
  // payload：84 byte(Not contain header)
  txPacket.Length       = 84;     



  //以太网Payload
  // --- 构造 IP 头部 (20 字节) ---
  txPacket.Byte(0)  = 0x45;    // Version=4, IHL=5 (20字节)
  txPacket.Byte(1)  = 0x00;    // DSCP/ECN
  txPacket.Byte(2)  = 0x00;    // Total Length 高位 (0x0054 = 84)
  txPacket.Byte(3)  = 0x54;    // Total Length 低位
  txPacket.Byte(4)  = 0x00;    // Identification 高位
  txPacket.Byte(5)  = 0x00;    // Identification 低位
  txPacket.Byte(6)  = 0x40;    // Flags (0x40 = Don't Fragment) + Fragment Offset 高位
  txPacket.Byte(7)  = 0x00;    // Fragment Offset 低位
  txPacket.Byte(8)  = 0x40;    // TTL = 64
  txPacket.Byte(9)  = 0x01;    // Protocol = ICMP
  txPacket.Byte(10) = 0x00;    // Header Checksum（此处置 0，如有需要可计算）
  txPacket.Byte(11) = 0x00;
  // 源 IP 地址设为广播地址 (用于测试)
  txPacket.Byte(12) = (broadcastIP >> 24) & 0xFF;
  txPacket.Byte(13) = (broadcastIP >> 16) & 0xFF;
  txPacket.Byte(14) = (broadcastIP >> 8)  & 0xFF;
  txPacket.Byte(15) = broadcastIP & 0xFF;
  // 目标 IP 地址：IUT 的 IP 地址
  txPacket.Byte(16) = (iutIP >> 24) & 0xFF;
  txPacket.Byte(17) = (iutIP >> 16) & 0xFF;
  txPacket.Byte(18) = (iutIP >> 8)  & 0xFF;
  txPacket.Byte(19) = iutIP & 0xFF;

  // --- 构造 ICMP 头部 (8 字节) ---
  txPacket.Byte(20) = 0x08;    // ICMP Type: Echo Request
  txPacket.Byte(21) = 0x00;    // Code
  txPacket.Byte(22) = 0x00;    // Checksum 高位（可选计算）
  txPacket.Byte(23) = 0x00;    // Checksum 低位
  txPacket.Byte(24) = 0x12;    // Identifier 高位
  txPacket.Byte(25) = 0x34;    // Identifier 低位
  txPacket.Byte(26) = 0x00;    // Sequence Number 高位
  txPacket.Byte(27) = 0x01;    // Sequence Number 低位

  // --- 填充附加数据 (56 字节) ---
  for(i = 28; i < 84; i++){
      txPacket.Byte(i) = i & 0xFF;
  }

  // 发送构造好的以太网数据包
  output(txPacket);
  write("Sent ICMPv4 Echo Request to IUT on Ethernet1.");
}

// 监听来自 Ethernet1 的所有报文，并检测 IUT 是否发送了 ICMPv4 Echo Reply
on ethernetPacket msgChannel1.*
{
  // 判断数据包是否为 IPv4 类型
  if(this.type == 0x0800 && this.Length >= 28)
  {
    // 检查 IP 头部中 Protocol 字段是否为 ICMP (0x01)
    if(this.Byte(9) == 0x01)
    {
      // 判断 ICMP 头部中 Type 字段是否为 Echo Reply (0x00)
      if(this.Byte(20) == 0x00)
      {
        // 判断报文的源 MAC 是否与 IUT 的 MAC 匹配
        if(this.source == EthGetMacAddressAsNumber("AA:BB:CC:DD:00:39"))
        {
          write("ERROR: IUT sent ICMPv4 Echo Reply, which is NOT expected!");
        }
      }
    }
  }
}

代码分析

1. 使用的结构类型：

on ethernetPacket()

这是 CAPL 中用来表示以太网数据包的结构，VECTOR 官方在 CAPL 示例中已经做了封装。
结构体内部主要包含头部字段（如源 MAC、目的 MAC、帧类型）和一个用于保存上层协议数据的字节数组（payload）。

2. 主要字段说明

msgChannel
- 用于指定数据包所属的通道号。
- 在我们的例子中设为 1，但实际项目中需要根据 CANoe 工程中 Ethernet 通道的配置来调整。
source
- 表示发送该报文的以太网接口的 MAC 地址。
- 代码中使用 EthGetMacAddressAsNumber() 将字符串形式的 MAC 地址转换为数值格式赋值给 source。
destination
- 表示目标接收方的 MAC 地址。
- 这里同样用 EthGetMacAddressAsNumber() 转换 IUT 的 MAC 地址字符串。
type
- 表示以太网帧的类型字段，例如 0x0800 表示 IPv4 数据包。
- 该字段在数据链路层用于告知上层协议如何解析 payload。
txPacket.Length
- 表示 payload 部分的总字节数（不包括以太网帧头部）。
- 在我们的例子中设为 84 字节，这里包含了 IP 头部（20 字节）、ICMP 头部（8 字节）和附加数据（56 字节）。
payload 字节数组（通过 Byte(index) 访问）
- IP 头部：
  
  从 Byte(0) 到 Byte(19)，包括版本、头长、总长度、标识符、TTL、协议、源 IP 和目标 IP 等字段。
- ICMP 头部：
  
  从 Byte(20) 到 Byte(27)，设置了 ICMP 类型（Echo Request 为 0x08）、代码、校验和、标识符、序列号。
- 附加数据：
  
  从 Byte(28) 到 Byte(83)，这里简单填充为序号数据（可以根据需要自定义）。

使用 txPacket.Byte(i) 访问并设置报文的每个字节。

3. 数据包构造与发送

构造过程
- 前 20 字节：IP 头部
- 接下来 8 字节：ICMP 头部
- 剩余部分：附加数据负载
- 在 on start 事件中，先配置好 txPacket 的各个头部字段（msgChannel、source、destination、type、Length）。
- 然后依次用 txPacket.Byte(index) 填充各个字段：
发送
- 构造完成后调用 output(txPacket) 将数据包发送出去。
- 发送后数据包会经过 CANoe 的 Ethernet 驱动，在指定的通道（Ethernet1，对应 msgChannel1 通道）上进行发送。

4. 接收处理

接收事件：

使用 on ethernetPacket msgChannel1.* 事件监听所有来自指定通道的数据包。

解析过程：
- 通过 this.type 判断数据包类型（0x0800 表示 IPv4）。
- 通过 this.Length 判断报文长度是否满足基本要求（例如至少 28 字节以上）。
- 通过 this.Byte(9) 读取 IP 头部的 Protocol 字段，判断是否为 ICMP（0x01）。
- 通过 this.Byte(20) 判断 ICMP 类型是否为 Echo Reply（0x00）。
- 通过 this.source 与 EthGetMacAddressAsNumber(iutMACStr) 对比判断报文是否由 IUT 发出。

总结

该 CAPL 以太网报文结构利用了 VECTOR 官方提供的 ethernetPacket 封装函数，使得构造、发送、接收以太网数据包变得直观易用。

只需要设置好各个字段（MAC、类型、长度），然后使用 Byte() 方法填充 payload 内容。
数据包的解析也类似，通过预先定义的字段（如 type、Length、source 等）以及 Byte() 方法按偏移访问具体内容。

注释1：

以太网Mac层负责在帧发送前，自动计算FCS并附加到帧尾，接收端也会自动验证FCS

CANoe的CAPL主要操作的是数据链路层以上，它模拟或者处理以太网的Header和Payload，不需要手动计算或附加FCS

如果手动封装FCS，可能会导致错误，因为MAC硬件会再次计算和附加，最终FCS可能不匹配，最终被丢弃

总结：CAPL发送以太网帧的时候只关注头部和负载。

注释2：

以太网头部中的类型（Type）字段的作用，在以太网帧头部，以太网类型（Type）是一个 2 字节（16 位）的字段，主要用于区分上层协议类型（如IPV4)。但在 IEEE 802.3 标准早期，该字段也可以表示帧的负载长度（Payload Length），这就是为什么它可能会填充 0x0600（1536）以下的值。

注释3：

对于Header中的type，常用协议类型的以太网帧type字段 (这些值告诉接收端如何解析Payload部分的数据内容)：