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。