lwip協(xié)議棧源碼詳解說明

　　1、LWIP的結(jié)構(gòu)

　　lwip是瑞典計(jì)算機(jī)科學(xué)院（SICS）的Adam Dunkels 開發(fā)的一個(gè)小型開源的TCP/IP協(xié)議棧。實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)是在保持TCP協(xié)議主要功能的基礎(chǔ)上減少對(duì)RAM 的占用。

　　LWIP（Light weight internet protocol）的主要模塊包括：配置模塊、初始化模塊、NeTIf模塊、mem（memp）模塊、netarp模塊、ip模塊、udp模塊、icmp 模塊、igmp模塊、dhcp模塊、tcp模塊、snmp模塊等。下面主要對(duì)我們需要關(guān)心的協(xié)議處理進(jìn)行說明和梳理。

　　配置模塊：

　　配置模塊通過各種宏定義的方式對(duì)系統(tǒng)、子模塊進(jìn)行了配置。比如，通過宏，配置了mem管理模塊的參數(shù)。該配置模塊還通過宏，配置了協(xié)議棧所支持的協(xié)議簇，通過宏定制的方式，決定了支持那些協(xié)議。主要的文件是opt.h。

　　初始化模塊：

　　初始化模塊入口的文件為tcpip.c，其初始化入口函數(shù)為： void tcpip_init（void （* initfunc）（void *）， void *arg）

　　該入口通過調(diào)用lwip_init（）函數(shù)，初始化了所有的子模塊，并啟動(dòng)了協(xié)議棧管理進(jìn)程。同時(shí)，該函數(shù)還帶有回調(diào)鉤子及其參數(shù)?？梢栽谛枰牡胤竭M(jìn)行調(diào)用。

　　協(xié)議棧數(shù)據(jù)分發(fā)管理進(jìn)程負(fù)責(zé)了輸入報(bào)文的處理、超時(shí)處理、API函數(shù)以及回調(diào)的處理，原型如下：

　　staTIc void tcpip_thread（void *arg）

　　NeTIf模塊：

　　NeTIf模塊為協(xié)議棧與底層驅(qū)動(dòng)的接口模塊，其將底層的一個(gè)網(wǎng)口設(shè)備描述成協(xié)議棧的一個(gè)接口設(shè)備（net interface）。該模塊的主要文件為netif.c。其通過鏈表的方式描述了系統(tǒng)中的所有網(wǎng)口設(shè)備。

　　Netif的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述了網(wǎng)口的參數(shù)，包括IP地址、MAC地址、link狀態(tài)、網(wǎng)口號(hào)、收發(fā)函數(shù)等等參數(shù)。一個(gè)網(wǎng)口設(shè)備的數(shù)據(jù)收發(fā)主要通過該結(jié)構(gòu)進(jìn)行。

　　Mem（memp）模塊：

　　Mem模塊同一管理了協(xié)議棧使用的內(nèi)容緩沖區(qū)，并管理pbuf結(jié)構(gòu)以及報(bào)文的字段處理。主要的文件包括mem.c、memp.c、pbuf.c。

　　netarp模塊：

　　netarp模塊是處理arp協(xié)議的模塊，主要源文件為etharp.c。其主要入口函數(shù)為： err_t ethernet_input（struct pbuf *p， struct netif *netif）

　　該入口函數(shù)通過判斷輸入報(bào)文p的協(xié)議類型來決定是按照arp協(xié)議進(jìn)行處理還是將該報(bào)文提交到IP協(xié)議。如果報(bào)文是arp報(bào)文，該接口則調(diào)用etharp_arp_input，進(jìn)行arp請(qǐng)求處理。

　　如果是ip報(bào)文，該接口就調(diào)用etharp_ip_input進(jìn)行arp更新，并調(diào)用ip_input接口，將報(bào)文提交給ip層。

　　在該模塊中，創(chuàng)建了設(shè)備的地址映射arp表，并提供地址映射關(guān)系查詢接口。同時(shí)還提供了arp報(bào)文的發(fā)送接口。如下

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

　　該接口需要注冊(cè)到netif的output字段，ip層在輸出報(bào)文時(shí)，通過該接口獲取目標(biāo)機(jī)的MAC地址，組合最終報(bào)文后，由該接口調(diào)用底層設(shè)備的驅(qū)動(dòng)接口發(fā)送數(shù)據(jù)。

　　在etharp_output接口中，判斷報(bào)文類型，如果是廣播包或者組播包，就調(diào)用etharp_send_ip（組裝目標(biāo)mac和源mac）接口，etharp_send_ip調(diào)用netif結(jié)構(gòu)中的設(shè)備驅(qū)動(dòng)注冊(cè)的linkoutput鉤子函數(shù)發(fā)送最終報(bào)文。如果是單播包，etharp_output接口就調(diào)用etharp_query進(jìn)行ip地址和MAC地址的映射，來獲取到目標(biāo)機(jī)的MAC地址。并在etharp_query中調(diào)用etharp_send_ip來發(fā)送最終組合報(bào)文。

　　ip模塊：

　　ip模塊實(shí)現(xiàn)了協(xié)議的ip層處理，主要文件為ip.c。其主要入口函數(shù)為： err_t ip_input（struct pbuf *p， struct netif *inp）

　　該接口通過判斷輸入報(bào)文的協(xié)議類型，將其輸入到相應(yīng)的上層協(xié)議模塊中去。比如，將udp報(bào)文送到udp_input。

　　該模塊另外一個(gè)接口是輸入函數(shù)，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）

　　該接口通過路由表或者傳輸ip后，調(diào)用netif的output字段函數(shù)鉤子發(fā)送報(bào)文。

　　udp模塊：

　　udp模塊實(shí)現(xiàn)了udp協(xié)議層的協(xié)議處理，主要文件為udp.c。該模塊通過PCB控制塊將應(yīng)用端口跟應(yīng)用程序做了綁定。在接收到新報(bào)文時(shí)，分析其對(duì)應(yīng)的PCB，找到對(duì)應(yīng)的處理鉤子，進(jìn)行應(yīng)用的處理。主要入口函數(shù)為：

　　void udp_input（struct pbuf *p， struct netif *inp） 該模塊負(fù)責(zé)輸出的接口如下：

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

　　該模塊負(fù)責(zé)將一個(gè)PCB跟一個(gè)本地端口進(jìn)行綁定的接口如下：

　　err_t udp_bind（struct udp_pcb *pcb， struct ip_addr *ipaddr， u16_t port） 該模塊負(fù)責(zé)將一個(gè)PCB跟一個(gè)遠(yuǎn)端端口綁定的接口如下：

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

　　igmp模塊：

　　igmp模塊負(fù)責(zé)分組管理。其主要的接口函數(shù)如下：

　　void igmp_input（struct pbuf *p， struct netif *inp， struct ip_addr *dest） 該接口負(fù)責(zé)IGMP協(xié)議報(bào)文的處理，比如分析當(dāng)前報(bào)文是請(qǐng)求還是應(yīng)答。 err_t igmp_joingroup（struct ip_addr *ifaddr， struct ip_addr *groupaddr） 該接口將一個(gè)網(wǎng)口加入一個(gè)組。

　　err_t igmp_leavegroup（struct ip_addr *ifaddr， struct ip_addr *groupaddr） 該接口將一個(gè)網(wǎng)口從一個(gè)組中移出。

　　dhcp模塊：

　　dhcp模塊用于獲取設(shè)備ip地址的相關(guān)信息。其處理入口主要有這么幾個(gè)：dpch的啟動(dòng)、dpch的接收?qǐng)?bào)文處理以及定時(shí)器模塊的處理。

　　主要的接口原型如下：

　　err_t dhcp_start（struct netif *netif）

　　該接口用于設(shè)備啟動(dòng)dhcp模塊，主要是客戶端的功能。該模塊實(shí)現(xiàn)設(shè)備dhcp描述結(jié)構(gòu)生成，并將dhcp的端口綁定到udp協(xié)議中，以及將本dhcp模塊跟遠(yuǎn)端服務(wù)器端口進(jìn)行綁定。最后啟動(dòng)dhcp申請(qǐng)。

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

　　該接口為一個(gè)注冊(cè)接口，用于dhcp報(bào)文接收。在start dhcp時(shí)，該接口通過dhcp的udp pcb注冊(cè)到udp協(xié)議層。Udp進(jìn)行報(bào)文處理后，根據(jù)端口調(diào)用該注冊(cè)接口。該接口中，實(shí)現(xiàn)dhcp報(bào)文的協(xié)議處理。

　　Void dhcp_fine_tmr（） Void dhcp_coarse_tmr（）

　　這兩個(gè)函數(shù)接口實(shí)現(xiàn)了dhcp的相關(guān)超時(shí)處理監(jiān)控。上面一個(gè)用于請(qǐng)求應(yīng)答超時(shí)處理。下面一個(gè)用于地址租用情況的到期處理。

　　從源碼分析看，上述的接口在應(yīng)用lwip的協(xié)議棧時(shí)，需要重點(diǎn)關(guān)注。對(duì)于小內(nèi)存應(yīng)用的場(chǎng)合，該協(xié)議棧的內(nèi)存管理以及pbuf應(yīng)用部分需要自行改寫。

　　2、lwip特征

　?。?）支持多網(wǎng)絡(luò)接口下的IP轉(zhuǎn)發(fā)；

　　（2）支持ICMP協(xié)議；

　?。?）包括實(shí)驗(yàn)性擴(kuò)展的UDP（用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議）；

　?。?）包括阻塞控制、RTT 估算、快速恢復(fù)和快速轉(zhuǎn)發(fā)的TCP（傳輸控制協(xié)議）；

　?。?）提供專門的內(nèi)部回調(diào)接口（Raw API），用于提高應(yīng)用程序性能；

　?。?）可選擇的Berkeley接口API （在多線程情況下使用） 。

　　（7）在最新的版本中支持ppp

　?。?） 新版本中增加了的IP fragment的支持。

　?。?） 支持DHCP協(xié)議，動(dòng)態(tài)分配ip地址.

　　3、LWIP的協(xié)議流程

　　下面這張圖比較清楚的描述了lwip的報(bào)文處理流程，呵呵，借用一下。不過，其對(duì)netif-》output描述不夠。從代碼看，該output實(shí)際是arp層的輸出，最后通過arp層調(diào)用netif中的底層輸出接口發(fā)送報(bào)文。