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@t13801206(亮 馬)

ESP32 × RustでARPパケットを打ってみる

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Last updated at Posted at 2026-05-02

はじめに

前回記事ではArduinoを使ったセグメントチェッカーを作った。

今回はESP32 × Rustという構成で、ESPからPCに向かって ARPパケットを投げてみる。
VSCodeを使ったRustの環境構築から始めて、最後はWiresharkでパケット受信しているところまで確認する。

Rustのコードは最終的にはGithubに上げる。
まだこの記事の段階では検証中なので、この記事にはGithubへのURLは記載されていない。
次か、次の次の記事あたりではGithubにPushしたい。

完成品

ESP→W5500→PCの順にARP問い合わせフレームが流れる
PCはARPに応答する

IMG_3469.jpeg

7, 8行目でARPの問い合わせと応答が行われている。

image.png

Rustのコードは長いので巻末に載せる
当たり前だが main.rs だけでは動かない、依存するライブラリが必要

環境構築（ソフトウェア編）

まずは環境構築と最初のLチカならぬ「Hello, world!」を拝むまでの手順です。

1. ツールチェーンのインストール

RustでESP32を扱うには、通常のRustツールチェーンに加えて、Espressif（ESP32のメーカー）専用のツールが必要です。以下のコマンドで一気に揃えます。

# ESP32用環境構築ツール
cargo install espup
# ESP32ツールチェーンのインストール（数分かかります）
espup install
# テンプレート生成ツール
cargo install cargo-generate
# 書き込み・モニターツール
cargo install ldproxy cargo-espflash

インストールが終わったら、環境変数をロードして準備完了です。

. $HOME\export-esp.ps1

確認結果：

xtensa-esp-elf-gcc.exe (crosstool-NG esp-15.2.0_20250920) 15.2.0

2. プロジェクトの生成

テンプレートから雛形を作成します。ここで作業用ディレクトリ名を入力する。

cargo generate esp-rs/esp-idf-template cargo
  • MCU: esp32
  • STD support: true

3. Windowsの壁「パス長制限」を回避する

Windows環境で普通にビルドを始めると、中間ファイルの階層が深すぎて「パスが長すぎます（Too long output directory）」というエラーで落ちます。

これを回避するため、ビルド専用の作業場をドライブ直下に作成します。今回は D:\tmp を作成しました。

次に、プロジェクト内の .cargo/config.toml に以下の設定を追記し、ビルド先（targetフォルダ）をここに逃がします。

[build]
target-dir = "D:/tmp"
target = "xtensa-esp32-espidf"

これが非常に重要なポイントです。 ソースコードはいつもの場所に置いたまま、ビルドだけを安全な場所で行うことができます。

4. 運命のビルド実行

いよいよESP32に書き込みます。

cargo espflash flash --monitor

ここで注意したいのが、esp-idf-sys というライブラリのビルド。これがとにかく長い！裏でC言語のSDKを丸ごとビルドしているため、コーヒーを淹れて気長に待つ必要があります。

私の環境では、無事にビルドが完了するまで 約10分 かかりました。

ビルド完了！：

Finished `dev` profile [optimized + debuginfo] target(s) in 9m 41s
Chip type:         esp32 (revision v3.1)
Crystal frequency: 40 MHz
Flash size:        4MB
MAC address:       30:76:f5:ac:39:e0

5. 勝利の「Hello, world!」

フラッシュが完了し、シリアルモニターが立ち上がると……。

I (407) main_task: Started on CPU0
I (407) main_task: Calling app_main()
I (407) esp32_loopchk: Hello, world!
I (407) main_task: Returned from app_main()

見事、Rustで書かれたコードがESP32上で産声をあげました！

ここまでのまとめ

WindowsでのESP32 Rust開発は、「ビルド先を短いパスに設定する（target-dir）」 ことさえ知っていれば、非常に快適にスタートできます。

次回は、いよいよW5500（イーサネットモジュール）を2枚接続し、SPI通信の初期化に挑戦します。

寄り道～開発サイクル～

環境構築が完了したら、次は「コードを書いて、動かす」という日々のサイクルをいかに効率化するかが重要です。寄り道として、VSCodeのターミナルからPCアプリ感覚でESP32を操るための設定と、基本操作をまとめます。

1. 魔法のコマンド cargo run

通常、マイコン開発では「ビルド」と「書き込み（フラッシュ）」を別々に行いますが、.cargo/config.toml を適切に設定することで、PC向け開発と同じように cargo run 一発で書き込みまで完了させることができます。

プロジェクトの .cargo/config.toml に以下の記述があることを確認します。

[target.'cfg(target_os = "espidf")']
runner = "espflash flash --monitor"

この runner 設定のおかげで、「コード変更」→「cargo run」 という流れるような開発が可能になります。

2. 開発サイクル：Edit -> Run -> Stop

Step 1: コードを書き換える

src/main.rs を編集し、保存します。

Step 2: 実行する

ターミナル（環境変数がロードされた状態）でコマンドを叩きます。

cargo run

ビルドが始まり、成功すると自動的にESP32への書き込みが開始されます。

Step 3: 動作を確認する

書き込みが終わると、そのまま 「シリアルモニター」 が立ち上がります。ESP32から送られてくるログ（println! の結果など）がリアルタイムに表示されます。

Step 4: 終了する（ストップ）

モニターを終了して、次のコード変更に戻りたいときは以下のキーを打つだけです。

  • Ctrl + C

これで、モニターが止まり、コマンド入力画面に戻ります。
※モニターを止めてもESP32側のプログラムは動き続けているので、再度モニターしたいときは cargo espflash monitor で繋ぎ直すことも可能です。

3. モニター中の便利な小技

モニターモード中に「最初から動きを確認したいな」と思ったら、基板のボタンを押さなくてもキーボードでリセットをかけられます。

  • Ctrl + R ：ESP32をソフトリセット（再起動）

前回の環境構築編に続き、今回はついにW5500（イーサネットモジュール）をRustで制御し、実際にパケットをネットワークへ放流するまでの道のりをまとめます。

「Hello, World」の次がいきなり「自作パケットの送出」というハードな内容ですが、Rustの強力なライブラリ群のおかげで、驚くほどスマートに実装できました。

ネットワーク実践編：Rustでパケットを自作して放流する

環境が整ったので、次はハードウェアの制御に移ります。今回の標的はARP（Address Resolution Protocol）パケット。ネットワーク上の機器に「あなたのMACアドレスを教えて！」と尋ねる、通信の第一歩となるパケットです。

1. W5500との接続（物理層の開通）

まずはESP32とW5500をSPIで接続します。
W5500は「MACRAWモード」という、イーサネットフレームを丸ごと生データとして扱えるモードで動作させます。これにより、Rust側でパケットの中身を1ビット単位で制御できるようになります。

配線ピンアサイン

今回のARPテストで使用した、ESP32とW5500（1台目）の接続表です。

W5500 ピン名 ESP32 ピン名 (GPIO) 役割 備考
VCC 3.3V 電源 パスコン(0.1μF)をGNDとの間に入れるとなおよし
GND GND グランド 共通グランド
SCK GPIO 18 SPI クロック peripherals.spi2 を使用
MISO GPIO 19 SPI データ入力 W5500 → ESP32
MOSI GPIO 23 SPI データ出力 ESP32 → W5500
CS GPIO 5 チップセレクト SpiDeviceDriver で制御
RST GPIO 17 ハードリセット 起動時に PinDriver で操作

W5500のピン配置はW5500 ピン配置を参考にさせていただきました。

2. Rustでのパケット生成：smoltcpの威力

C言語ではバイト配列を手計算で組み立てるのが一般的ですが、Rustには smoltcp という鉄壁のネットワークスタックがあります。

今回はこれを利用して、以下のような流れでパケットを構築しました

  • Ethernetフレーム の作成（送信元MACを設定）
  • その中に ARPリクエスト をカプセル化（「10.0.0.254（私のPC）はどこ？」という質問を込める）

3. 実践！ cargo run 後の世界

コードを書き終え、いよいよ実行です。

cargo run

ビルドが終わり、書き込みが完了した瞬間のログがこちら。

I (370) main_task: Started on CPU0
I (370) efuse_init: Chip rev: v3.1
I (400) esp32_loopchk: === W5500 MACRAW ARP Sender Start ===
I (510) esp32_loopchk: Interface up: mac=02:ad:be:ef:fe:ed, ip=10.0.0.200
I (520) esp32_loopchk: ARP Request Sent to 10.0.0.254

ログにはしっかりと 「ARP Request Sent」 の文字が刻まれました。

勝利の瞬間：Wiresharkでのキャプチャ

プログラムが動いていることを証明するため、PC側でWiresharkを立ち上げて網を張ります。
ターゲットは自分のPCのIPアドレス（10.0.0.254）。

ついにその時が来ました。

画面にパッと現れたのは、淡い青色の一行。

  • Source: 02:ad:be:ef:fe:ed（Rustで指定した偽のMACアドレス）
  • Info: Who has 10.0.0.254? Tell 10.0.0.200

ESP32から放たれたパケットが、LANケーブルを通っておれのPCに正しく届き、PC側も「俺はここだよ！」とARP Replyを返してくれました。RustとWindowsが、ネットワークの深淵で握手した瞬間です。

（再度掲載）Wiresharkのキャプチャ

image.png

考察：なぜ「Rust」なのか？

今回の実装を通じて、改めてC言語とRustを比較してみました。

比較項目 C言語 Rust (smoltcp)
安全性 配列の境界ミスで即クラッシュ コンパイラがバッファミスを許さない
可読性 0x08, 0x06...と16進数が並ぶ ArpOperation::Request と名前で書ける
保守性 メモリ管理に常に気を張る 所有権システムが自動で守ってくれる

特にネットワークパケットのような「サイズを間違えると通信が崩壊する」データを扱う場合、Rustの型システムは最強のガードレールになります。

今回のまとめと次への展望

  • W5500をMACRAWモードで制御成功。
  • smoltcpによるARPリクエストの生成・送信に成功。
  • Wiresharkで物理パケットの疎通を確認。

ハードウェアの潔白は証明されました。次はいよいよ、このW5500を 「2枚」 同時に使い、「自分が出したパケットを自分で拾う」 というループ検知の核心部分へ挑みます。

インジケータも赤（ループ検知）と緑（健全）の2色を用意して、現場で使えるプロ仕様のツールに仕上げていくぜ！

展望図解

W5500を２つ使ってループ検知装置を作りたい。概要はこちら
コンデンサの挿入位置やVINの線がW5500にのびてるところが変だけど、ざっくりこんな感じのイメージ

image.png

もっとビジュアルよく、かつ意味不明な配線

image.png

糸冬了！！

参考

付録：Rustコード

main.rs
use std::thread;
use std::time::{Duration, Instant as StdInstant};

use cotton_w5500::smoltcp::Device as W5500Device;
use esp_idf_hal::{
    gpio::PinDriver,
    peripherals::Peripherals,
    spi::{self, SpiDeviceDriver, SpiDriver},
    units::Hertz,
};
use smoltcp::{
    phy::{Device, TxToken},
    time::Instant,
    wire::{
        ArpOperation, ArpPacket, ArpRepr, EthernetAddress, EthernetFrame, EthernetProtocol,
        EthernetRepr, Ipv4Address,
    },
};

const LOCAL_MAC: [u8; 6] = [0x02, 0xAD, 0xBE, 0xEF, 0xFE, 0xED];
const LOCAL_IP: [u8; 4] = [10, 0, 0, 200];
const TARGET_IP: [u8; 4] = [10, 0, 0, 254];

fn now_from(start: &StdInstant) -> Instant {
    Instant::from_millis(start.elapsed().as_millis() as i64)
}

fn send_arp_request<D: Device>(
    dev: &mut D,
    src_mac: EthernetAddress,
    src_ip: Ipv4Address,
    target_ip: Ipv4Address,
    now: Instant,
) {
    if let Some(tx) = dev.transmit(now) {
        let arp = ArpRepr::EthernetIpv4 {
            operation: ArpOperation::Request,
            source_hardware_addr: src_mac,
            source_protocol_addr: src_ip,
            target_hardware_addr: EthernetAddress([0x00; 6]),
            target_protocol_addr: target_ip,
        };
        let eth = EthernetRepr {
            src_addr: src_mac,
            dst_addr: EthernetAddress::BROADCAST,
            ethertype: EthernetProtocol::Arp,
        };
        let frame_len = eth.buffer_len() + arp.buffer_len();

        tx.consume(frame_len, |buf| {
            let mut frame = EthernetFrame::new_unchecked(buf);
            eth.emit(&mut frame);

            let mut arp_packet = ArpPacket::new_unchecked(frame.payload_mut());
            arp.emit(&mut arp_packet);
        });

        log::info!("ARP Request Sent to {}", target_ip);
    } else {
        log::warn!("No TX token available; ARP request not sent");
    }
}

fn main() {
    esp_idf_svc::sys::link_patches();
    esp_idf_svc::log::EspLogger::initialize_default();

    thread::Builder::new()
        .stack_size(65536)
        .spawn(worker)
        .unwrap()
        .join()
        .unwrap();
}

fn worker() {
    log::info!("=== W5500 MACRAW ARP Sender Start ===");

    let peripherals = Peripherals::take().unwrap();
    let pins = peripherals.pins;

    let mut rst = PinDriver::output(pins.gpio17).unwrap();
    rst.set_low().unwrap();
    thread::sleep(Duration::from_millis(100));
    rst.set_high().unwrap();
    thread::sleep(Duration::from_millis(500));

    let spi_driver = SpiDriver::new(
        peripherals.spi2,
        pins.gpio18,
        pins.gpio23,
        Some(pins.gpio19),
        &spi::SpiDriverConfig::new(),
    )
    .unwrap();

    let spi_dev_cfg = spi::config::Config::new().baudrate(Hertz(10_000_000));
    let spi_dev = SpiDeviceDriver::new(&spi_driver, Some(pins.gpio5), &spi_dev_cfg).unwrap();

    let bus = w5500::bus::FourWire::new(spi_dev);
    let local_mac = EthernetAddress(LOCAL_MAC);
    let local_ip = Ipv4Address::from_octets(LOCAL_IP);
    let target_ip = Ipv4Address::from_octets(TARGET_IP);

    let mut dev = W5500Device::new(bus, &LOCAL_MAC);
    log::info!("Interface up: mac={}, ip={}", local_mac, local_ip);

    let start = StdInstant::now();

    loop {
        send_arp_request(&mut dev, local_mac, local_ip, target_ip, now_from(&start));
        thread::sleep(Duration::from_secs(5));
    }
}
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