lwip协议栈源码详解说明

　　1、LWIP的结构

　　lwip是瑞典计算机科学院（SICS）的Adam Dunkels 开发的一个小型开源的TCP/IP协议栈。实现的重点是在保持TCP协议主要功能的基础上减少对RAM 的占用。

　　LWIP（Light weight internet protocol）的主要模块包括：配置模块、初始化模块、NetIf模块、mem（memp）模块、netarp模块、ip模块、udp模块、icmp 模块、igmp模块、dhcp模块、tcp模块、snmp模块等。下面主要对我们需要关心的协议处理进行说明和梳理。

　　配置模块：

　　配置模块通过各种宏定义的方式对系统、子模块进行了配置。比如，通过宏，配置了mem管理模块的参数。该配置模块还通过宏，配置了协议栈所支持的协议簇，通过宏定制的方式，决定了支持那些协议。主要的文件是opt.h。

　　初始化模块：

　　初始化模块入口的文件为tcpip.c，其初始化入口函数为： void tcpip_init（void （* initfunc）（void *）， void *arg）

　　该入口通过调用lwip_init（）函数，初始化了所有的子模块，并启动了协议栈管理进程。同时，该函数还带有回调钩子及其参数。可以在需要的地方进行调用。

　　协议栈数据分发管理进程负责了输入报文的处理、超时处理、API函数以及回调的处理，原型如下：

　　static void tcpip_thread（void *arg）

　　NetIf模块：

　　Netif模块为协议栈与底层驱动的接口模块，其将底层的一个网口设备描述成协议栈的一个接口设备（net interface）。该模块的主要文件为netif.c。其通过链表的方式描述了系统中的所有网口设备。

　　Netif的数据结构描述了网口的参数，包括IP地址、MAC地址、link状态、网口号、收发函数等等参数。一个网口设备的数据收发主要通过该结构进行。

　　Mem（memp）模块：

　　Mem模块同一管理了协议栈使用的内容缓冲区，并管理pbuf结构以及报文的字段处理。主要的文件包括mem.c、memp.c、pbuf.c。

　　netarp模块：

　　netarp模块是处理arp协议的模块，主要源文件为etharp.c。其主要入口函数为： err_t ethernet_input（struct pbuf *p， struct netif *netif）

　　该入口函数通过判断输入报文p的协议类型来决定是按照arp协议进行处理还是将该报文提交到IP协议。如果报文是arp报文，该接口则调用etharp_arp_input，进行arp请求处理。

　　如果是ip报文，该接口就调用etharp_ip_input进行arp更新，并调用ip_input接口，将报文提交给ip层。

　　在该模块中，创建了设备的地址映射arp表，并提供地址映射关系查询接口。同时还提供了arp报文的发送接口。如下

　　err_t etharp_output（struct netif *netif， struct pbuf *q， struct ip_addr *ipaddr）

　　该接口需要注册到netif的output字段，ip层在输出报文时，通过该接口获取目标机的MAC地址，组合最终报文后，由该接口调用底层设备的驱动接口发送数据。

　　在etharp_output接口中，判断报文类型，如果是广播包或者组播包，就调用etharp_send_ip（组装目标mac和源mac）接口，etharp_send_ip调用netif结构中的设备驱动注册的linkoutput钩子函数发送最终报文。如果是单播包，etharp_output接口就调用etharp_query进行ip地址和MAC地址的映射，来获取到目标机的MAC地址。并在etharp_query中调用etharp_send_ip来发送最终组合报文。

　　ip模块：

　　ip模块实现了协议的ip层处理，主要文件为ip.c。其主要入口函数为： err_t ip_input（struct pbuf *p， struct netif *inp）

　　该接口通过判断输入报文的协议类型，将其输入到相应的上层协议模块中去。比如，将udp报文送到udp_input。

　　该模块另外一个接口是输入函数，原型如下：

　　err_t ip_output（struct pbuf *p， struct ip_addr *src， struct ip_addr *dest， u8_t ttl， u8_t

　　tos， u8_t proto）

　　该接口通过路由表或者传输ip后，调用netif的output字段函数钩子发送报文。

　　udp模块：

　　udp模块实现了udp协议层的协议处理，主要文件为udp.c。该模块通过PCB控制块将应用端口跟应用程序做了绑定。在接收到新报文时，分析其对应的PCB，找到对应的处理钩子，进行应用的处理。主要入口函数为：

　　void udp_input（struct pbuf *p， struct netif *inp） 该模块负责输出的接口如下：

　　err_t udp_send（struct udp_pcb *pcb， struct pbuf *p）

　　该模块负责将一个PCB跟一个本地端口进行绑定的接口如下：

　　err_t udp_bind（struct udp_pcb *pcb， struct ip_addr *ipaddr， u16_t port） 该模块负责将一个PCB跟一个远端端口绑定的接口如下：

　　err_t udp_connect（struct udp_pcb *pcb， struct ip_addr *ipaddr， u16_t port）

　　igmp模块：

　　igmp模块负责分组管理。其主要的接口函数如下：

　　void igmp_input（struct pbuf *p， struct netif *inp， struct ip_addr *dest） 该接口负责IGMP协议报文的处理，比如分析当前报文是请求还是应答。 err_t igmp_joingroup（struct ip_addr *ifaddr， struct ip_addr *groupaddr） 该接口将一个网口加入一个组。

　　err_t igmp_leavegroup（struct ip_addr *ifaddr， struct ip_addr *groupaddr） 该接口将一个网口从一个组中移出。

　　dhcp模块：

　　dhcp模块用于获取设备ip地址的相关信息。其处理入口主要有这么几个：dpch的启动、dpch的接收报文处理以及定时器模块的处理。

　　主要的接口原型如下：

　　err_t dhcp_start（struct netif *netif）

　　该接口用于设备启动dhcp模块，主要是客户端的功能。该模块实现设备dhcp描述结构生成，并将dhcp的端口绑定到udp协议中，以及将本dhcp模块跟远端服务器端口进行绑定。最后启动dhcp申请。

　　static void dhcp_recv（void *arg， struct udp_pcb *pcb， struct pbuf *p， struct ip_addr *addr， u16_t port）

　　该接口为一个注册接口，用于dhcp报文接收。在start dhcp时，该接口通过dhcp的udp pcb注册到udp协议层。Udp进行报文处理后，根据端口调用该注册接口。该接口中，实现dhcp报文的协议处理。

　　Void dhcp_fine_tmr（） Void dhcp_coarse_tmr（）

　　这两个函数接口实现了dhcp的相关超时处理监控。上面一个用于请求应答超时处理。下面一个用于地址租用情况的到期处理。

　　从源码分析看，上述的接口在应用lwip的协议栈时，需要重点关注。对于小内存应用的场合，该协议栈的内存管理以及pbuf应用部分需要自行改写。

　　2、lwip特征

　　（1）支持多网络接口下的IP转发；

　　（2）支持ICMP协议；

　　（3）包括实验性扩展的UDP（用户数据报协议）；

　　（4）包括阻塞控制、RTT 估算、快速恢复和快速转发的TCP（传输控制协议）；

　　（5）提供专门的内部回调接口（Raw API），用于提高应用程序性能；

　　（6）可选择的Berkeley接口API （在多线程情况下使用） 。

　　（7）在最新的版本中支持ppp

　　（8） 新版本中增加了的IP fragment的支持。

　　（9） 支持DHCP协议，动态分配ip地址.

　　3、LWIP的协议流程

　　下面这张图比较清楚的描述了lwip的报文处理流程，呵呵，借用一下。不过，其对netif-》output描述不够。从代码看，该output实际是arp层的输出，最后通过arp层调用netif中的底层输出接口发送报文。

　　四、LwIP的API的实现

　　LwIP的API的实现主要有两部分组成：一部分驻留在用户进程中，一部分驻留在TCP/IP协议栈进程中。这两个部分间通过操作系统模拟层提供的进程通信机制（IPC）进行通信，从而完成用户进程与协议栈间的通信，IPC包括共享内存、消息传递和信号量。通常尽可能多的工作在用户进程内的API部分实现，例如运算量及时间开销大的工作；TCP/IP协议栈进程中的API部分只完成少量的工作，主要是完成进程间的通讯工作。两部分API之间通过共享内存传递数据，对于共享内存区的描述是采用和pbuf类似的结构来实现。综上，可以用简单的一段话来描述这种API实现的机制：API 函数库中处理网络连接的函数驻留在 TCP/IP 进程中。位于应用程序进程中的API函数使用邮箱这种通讯协议向驻留在TCP/IP 进程中的API函数传递消息。这个消息包括需要协议栈执行的操作类型及相关参数。驻留在 TCP/IP 进程中的API函数执行这个操作并通过消息传递向应用程序返回操作结果。

　　很早以前描述过结构pbuf，它是协议栈内部用来描述数据包的一种方式。这里介绍数据结构netbuf，它是API用来描述数据的一种方式。netbuf是基于pbuf来实现的，其结构如下所示，很明显，它就是包含了几个典型结构的指针。

　　struct netbuf {

　　struct pbuf *p， *ptr;

　　struct ip_addr *addr;

　　u16_t port;

　　};

　　注意，这里的netbuf只是相当于一个数据头，而真正保存数据的还是字段p指向的pbuf链表。字段ptr也是指向该netbuf的pbuf链表，但与p的区别在于：p一直指向pbuf链表中的第一个pbuf结构，而ptr则不然，它可能指向链表中的其他位置，源文档里面把它描述为fragment pionter，与该指针调整密切相关的函数是netbuf_next和netbuf_first。还有两个字段addr和port分别表示发出netbuf数据端的IP地址和端口号，这两个字段实际用处似乎不大，API定义了宏netbuf_fromaddr和netbuf_fromport分别用于返回某个netbuf结构中这两个字段的值。

　　与netbuf相关的处理函数很多，在源文档15.2节中对每个函数也有了详细的说明，这里说说比较重要的几个。netbuf_new用于分配一个新的netbuf结构，注意这里只是一个头部结构，而真正需要的存储数据区域是在函数netbuf_alloc中分配的，同理函数netbuf_delete用于删除一个netbuf结构，同时函数pbuf_free会被调用，用以删除数据区域的空间。以上这几个函数使用的简单例子如下：

　　struct netbuf *buf; // 申明指针

　　buf = netbuf_new（）; // 申请新的netbuf

　　netbuf_alloc（buf， 200）; // 为netbuf分配200 字节的空间

　　。。。。 // 使用buf做相关事情

　　netbuf_delete（buf）; // 删除buf

　　讲过了API的内存管理，再来讲具体的API函数。与前面的对应，API函数由两部分组成，分别在文件api_lib.c和api_msg.c中。前者包括了用户程序直接调用的API接口函数，后者包括了与协议栈进程通信的API函数，用户程序不可直接调用。这两部分API函数之间通过邮箱传递的消息进行通信。这里又要涉及到两个重要的数据结构：API应用接口部分提供给上层应用以描述一个网络连接的数据结构netconn，以及描述两部分API函数间传递的消息结构的api_msg。

　　应用程序要使用API函数建立一个连接连接，首先应该建立一个netconn的结构来描述这个连接的各种属性。netconn结构如下，其中去掉了不必要的编译选项和注释。

　　struct netconn {

　　enum netconn_type type; // 连接的类型，包括TCP， UDP等

　　enum netconn_state state; // 连接的状态

　　union { // 共用体，内核用来描述某个连接

　　struct ip_pcb *ip;

　　struct tcp_pcb *tcp;

　　struct udp_pcb *udp;

　　struct raw_pcb *raw;

　　} pcb;

　　err_t err; // 该连接最近一次发生错误的编码

　　sys_sem_t op_completed; // 用于两部分API间同步的信号量

　　sys_mbox_t recvmbox; // 接收数据的邮箱

　　sys_mbox_t acceptmbox; // 服务器用来接受外部连接的邮箱

　　int socket; // 该字段只在socket实现中使用

　　u16_t recv_avail; //

　　struct api_msg_msg *write_msg; // 对数据不能正常处理时，保存信息

　　int write_offset; // 同上，表示已经处理数据的多少

　　netconn_callback callback; // 回调函数，在发生与该netconn相关的事件时可以调用

　　};

　　write_msg是api_msg_msg类型的指针，该结构后续讲到；netconn_callback是API定义的一种函数指针类型，其定义为：

　　typedef void （* netconn_callback）（struct netconn *， enum netconn_evt， u16_t len）;

　　关键字typedef的功能是定义新的类型。这里它用于定义一种netconn_callback的类型，这种类型为指向某种函数的指针，且这种函数有三个类型的输入参数，返回类型为void。在这定义以后就可以像使用int，char一样使用netconn_callback，也即它也表示一种数据类型了。所以上面的callback字段表示一个函数指针，当把某个函数名赋给该字段后，该字段就记录了这个函数的起始地址。

　　netconn的其他字段后面用到时再详解。接下来看看两部分API函数间传递的消息结构的api_msg：

　　struct api_msg {

　　void （* function）（struct api_msg_msg *msg）; // 函数指针

　　struct api_msg_msg msg; // 函数执行时需要的参数

　　}

　　字段function是一个函数指针，通常当消息被构造时，该字段被填充为api_msg.c中的某个与协议栈接口的API函数，然后该消息被投递到协议栈进程中进行处理，协议栈进程解析出并执行该函数，这样应用程序与协议栈之间的通信就完成了。字段msg中包含了这个函数执行时需要的所有参数，api_msg_msg是个枚举类型，所以对于不同的function，msg有着不同的结构。api_msg_msg结构如下所示：

　　struct api_msg_msg {

　　struct netconn *conn; // 与消息相关的某个连接

　　union {

　　struct netbuf *b; // 函数do_send的参数

　　struct { // 函数do_newconn的参数

　　u8_t proto;

　　} n;

　　struct { // 函数do_bind和do_connect的参数

　　struct ip_addr *ipaddr;

　　u16_t port;

　　} bc;

　　struct { // 函数do_getaddr的参数

　　struct ip_addr *ipaddr;

　　u16_t *port;

　　u8_t local;

　　} ad;

　　struct { // 函数do_write的参数

　　const void *dataptr;

　　int len;

　　u8_t apiflags;

　　} w;

　　struct { // 函数do_recv的参数

　　u16_t len;

　　} r;

　　} msg;

　　};

　　这个结构体只包含了两个字段：描述连接信息的conn和枚举类型msg。在api_msg_msg中保存conn字段是必须的，因为conn结构中包含了与该连接相关的信箱和信号量等信息，协议栈进程要用这些信息来完成与应用进程间的同步与通信。枚举类型msg的各个成员与调用它的函数密切相关。因此在构建一个消息时，API应首先填充消息的function字段，并针对特定的function种类往api_msg_msg的枚举字段写入参数，函数function被协议栈解析执行时，直接按照自己已定的格式取参数。这意味着，对于构造消息的API函数和解析消息的function函数，它们对参数个数、结构的认识是预先约定的，不能有其他变数。这一点体现出LwIP呆板僵硬的一面。