LWIP協(xié)議與網(wǎng)絡分層

LwIP(Light weight IP)，是一種輕量化且開源的TCP/IP協(xié)議棧，它可以在有限的RAM和ROM條件下，實現(xiàn)一個完整的TCP/IP 協(xié)議棧。此外，LwIP既可以移植到操作系統(tǒng)上運行，也可以在無操作系統(tǒng)的情況下獨立運行。

TCP/IP協(xié)議棧的模型結構如下圖所示，由于TCP/IP協(xié)議棧的出現(xiàn)時間較早，所以沒有按照傳統(tǒng)的7層OSI網(wǎng)絡模型進行設計，一共只分為了4層，分別為網(wǎng)絡接口層，網(wǎng)絡層，傳輸層以及應用層，LwIP協(xié)議棧的網(wǎng)絡模型與之類似。

網(wǎng)絡接口層主要通過雙絞線，光纖，無線等方式進行網(wǎng)絡上數(shù)據(jù)幀的發(fā)送和接收。網(wǎng)絡接口層將網(wǎng)絡層的數(shù)據(jù)組裝成自己特定的幀進行發(fā)送，同時也會接收數(shù)據(jù)幀進行解析，并將解析過后的數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)絡層。

網(wǎng)絡層負責在主機之間的通信過程之中選擇數(shù)據(jù)包的傳輸路徑，并且在接收到傳入的數(shù)據(jù)報時會檢驗其有效性，并遞交給上層。

傳輸層主要提供應用程序之間的通信服務，它會系統(tǒng)的管理兩端數(shù)據(jù)之間的交互。

應用層簡單來說就是利用傳輸層提供的功能發(fā)送自己的數(shù)據(jù)到對方。

LWIP協(xié)議棧初始化

在開始傳輸數(shù)據(jù)之前，首先要進行一系列的初始化操作，本文以i.MX RT1060 SDK中的Demo "evkmimxrt1060_lwip_udppecho_bm"為例，該代碼可以通過MCUXpresso IDE進行導入。

netif_add函數(shù)用來掛載網(wǎng)絡接口，并完成網(wǎng)絡通信之前的大部分初始化工作，包括PHY芯片的初始化，i.MX RT1060上ENET外設初始化，以及一些通信過程中用到的相關數(shù)據(jù)結構的初始化。

PHY芯片的初始化是在ethernetif_phy_init之中完成，包括MDIO初始化，網(wǎng)口自動協(xié)商，網(wǎng)口連接等操作。

ENET外設的初始化在ENET_SetMacController之中完成，這里進行了ENET外設的一些配置，例如設置接口速率，以及接口類型(mii,Rmii)等等。

PHY初始化函數(shù)以及ENET初始化函數(shù)都在ethernetif0_init函數(shù)中被調(diào)用，并且該函數(shù)被作為一個實參傳入netif_add之中并被在其中被調(diào)用，因此netif_add不僅完成了網(wǎng)絡接口的掛載，還完成了接口相關的一系列初始化工作。

此外，在進行網(wǎng)絡接口相關初始化的同時，也完成了對一系列數(shù)據(jù)結構的初始化，此處介紹一些在網(wǎng)絡通信過程中用到的結構體。

enet_rx_bd_struct_t, 該結構體一般用來定義buffer descriptor，網(wǎng)絡接口層接收到的數(shù)據(jù)一般就封裝在buffer descriptor之中。
結構體定義如下圖所示，其中l(wèi)ength代表buffer descriptor之中數(shù)據(jù)的長度，control之中會存儲一些與buffer descriptor相關的狀態(tài)信息，并且支持enhanced buffer descriptor。

enet_rx_bd_ring_t結構體，如下圖所示，每一條ring都是由buffer descriptor組成的。
Ring結構體中的rxBdBase成員就是第一個buffer descriptor的地址，rxGenIdx指的是當前buffer descriptor的序號，rxRingLen指的是這條Ring中共有幾個buffer descriptor。

pbuf結構體，pbuf結構體是用來描述lwip協(xié)議棧中數(shù)據(jù)包的結構體。它是以鏈表的形式存在的，pbuf之中會存在指針指向下一個pubf 。

由于在case之中，使用的是UDP通信，因此還需要進行一些UDP相關的初始化設置。例如調(diào)用udp_bind函數(shù)，對UDP控制塊中的local_port,local_ip等參數(shù)進行綁定，以及調(diào)用udp_recv在udp控制塊上進行一些回調(diào)函數(shù)的綁定等等，至于什么是UDP控制塊，在后面會進行介紹。

LWIP網(wǎng)絡接口層

網(wǎng)絡接口層數(shù)據(jù)接收

在udpecho demo之中是通過輪詢的方法來實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收，使用的是raw/callback api, 除了這種api之外lwip還提供socket api等，不過需要操作系統(tǒng)的支持。

在while循環(huán)中首先會去調(diào)用ethernetif_input函數(shù)，該函數(shù)中會調(diào)用ethernetif_linkinput函數(shù)，在ethernetif_linkinput之中又會去調(diào)用ENET_GetRxFrame和ethernetif_rx_frame_to_pbufs函數(shù)。

在ENET_GetRxFrame函數(shù)中會把網(wǎng)絡接口中接收到的數(shù)據(jù)搬運到RxFrame之中，然后ethernetif_rx_frame_to_pbufs函數(shù)又會把RxFrame之中的數(shù)據(jù)搬運到pbufs之中，接下來就會調(diào)用ethernet_input函數(shù)，在lwip源碼之中的ethernet.c文件中被定義，主要用于無操作系統(tǒng)時候網(wǎng)絡層去處理接收到的數(shù)據(jù)幀，然后往上層遞交，對于不同的數(shù)據(jù)包進行不同的處理，如果是 ARP包，則調(diào)用etharp_input函數(shù)；如果是 IP 包，則調(diào)用 ip4_input函數(shù)，通過這些函數(shù)將數(shù)據(jù)包遞交給 IP 層處理。

網(wǎng)絡接口層數(shù)據(jù)發(fā)送

在網(wǎng)絡層發(fā)送數(shù)據(jù)時，會調(diào)用網(wǎng)絡接口層的ethernet_output函數(shù)，ethernet_output函數(shù)之中又會去調(diào)用ethernetif_linkoutput函數(shù),當數(shù)據(jù)較大需要用多個pbuf進行存儲的時候，pbuf以鏈表的形式存在，所以需要將這些鏈表中的數(shù)據(jù)進行合并，如下圖所示。

操作完成后通過ENET_SendFrame函數(shù)來完成數(shù)據(jù)的發(fā)送；最后數(shù)據(jù)會通過網(wǎng)絡接口傳輸出去。

LWIP網(wǎng)絡層

IP協(xié)議

IP協(xié)議是一種經(jīng)典的網(wǎng)絡層協(xié)議，IP協(xié)議(Internet Protocol)，又稱之為網(wǎng)際協(xié)議，IP 協(xié)議處于IP層工作，它是整個TCP/IP協(xié)議棧的核心協(xié)議，上層協(xié)議都要依賴IP協(xié)議提供的服務，IP協(xié)議負責將數(shù)據(jù)報從源主機發(fā)送到目標主機，并通過IP地址作為唯一識別碼。簡單來說，不同主機之間的IP地址是不一樣的，在發(fā)送數(shù)據(jù)報的過程中，IP協(xié)議還可能對數(shù)據(jù)報進行分片處理，同時在接收數(shù)據(jù)報的時候，還可能需要對分片的數(shù)據(jù)報進行重裝等等。

IP協(xié)議是一種無連接的不可靠數(shù)據(jù)報交付協(xié)議，協(xié)議本身不提供任何的錯誤檢查與恢復機制，需要傳輸層協(xié)議來完成這些功能。

IP地址

在TCP/IP設計過程中，設計人員為每一臺主機分配一個32bit的IP地址，只有具有有效的IP地址的主機才能接入互聯(lián)網(wǎng)中與其他主機進行通信。

IP數(shù)據(jù)報

IP數(shù)據(jù)包一般由IP首部和數(shù)據(jù)組成，首部一般有20-60字節(jié)，其中有40字節(jié)是可選的，一般首部僅由20字節(jié)組成，IP數(shù)據(jù)報結構如下圖所示。

為了方便對IP首部進行讀取或?qū)懭氩僮鳎趌wip源碼之中定義了ip_hdr結構體來表示ip數(shù)據(jù)報首部。

IP層數(shù)據(jù)接收

在上文提到，對于不同的數(shù)據(jù)包進行不同的處理，如果是ARP包，則調(diào)用etharp_input函數(shù)去處理；如果是IP包，則交給IP相關函數(shù)去處理。

在udpecho demo中使用的是IPV4協(xié)議，因此，會調(diào)用ip4_input函數(shù)。

在ip4_input函數(shù)中會對ip數(shù)據(jù)報的相關字段進行檢驗，例如長度，校驗和，版本號等等，也會判斷該數(shù)據(jù)包是否是發(fā)送給本地的，如果不是發(fā)送給本地的數(shù)據(jù)包，可能還要對其進行轉(zhuǎn)發(fā)或者丟棄，如果數(shù)據(jù)報沒有問題，IP層就會根據(jù)傳輸層的協(xié)議類型將數(shù)據(jù)包傳送到不同的入口函數(shù)之中，例如udp_input, tcp_input函數(shù)等。

IP層數(shù)據(jù)發(fā)送

在傳輸層協(xié)議需要通過IP層來發(fā)送數(shù)據(jù)時，在上層函數(shù)之中會調(diào)用ip4_output_if_src函數(shù)，在該函數(shù)中，又會去調(diào)用ip4_output_if_opt_src函數(shù)，它會將傳輸數(shù)據(jù)封裝到ip數(shù)據(jù)報之中，填寫數(shù)據(jù)報之中的目標IP地址，源IP地址，協(xié)議類型等相關信息。然后再去調(diào)用etharp_output()，它會解析MAC地址，組裝以太網(wǎng)幀并并發(fā)送。在etharp_output()函數(shù)之中，最終會去調(diào)用網(wǎng)絡接口層的相關發(fā)送函數(shù)。

LWIP傳輸層與應用層

網(wǎng)絡層已經(jīng)通過IP協(xié)議等完成了數(shù)據(jù)報在各臺主機之間傳輸?shù)牡墓δ?，但是?shù)據(jù)還沒有到達最終目的地—主機上的某個特定應用程序。

IP層通過傳輸層的協(xié)議將數(shù)據(jù)包遞交給應用程序，常用的傳輸層協(xié)議有UDP協(xié)議，TCP協(xié)議等。

此處以UDP協(xié)議為例，它是一種較為簡單的傳輸層協(xié)議，經(jīng)常應用于局域網(wǎng)環(huán)境以及視頻播放領域，以UDP為例結合SDK代碼講解一下傳輸層是如何實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互的。

UDP報文

在使用UDP傳輸數(shù)據(jù)時，它會將數(shù)據(jù)封裝在UDP報文之中，在IP層又會將數(shù)據(jù)包封裝在IP報文之中，在物理層又會將IP數(shù)據(jù)包封裝在物理數(shù)據(jù)幀之中。

一份用戶數(shù)據(jù)在被發(fā)送時共經(jīng)歷了三次封裝。

UDP相關數(shù)據(jù)結構

在LWIP源碼的udp.h之中，定義了報文首部數(shù)據(jù)結構以及UDP控制塊。

LwIP報文首部數(shù)據(jù)結構為udp_hdr, 定義了 UDP 報文首部的各個字段, 分別為16位源端口號src, 16位目標端口號dest, 16位用戶數(shù)據(jù)報總長度, 以及16位的校驗和。

LwIP還定義了UDP控制塊，記錄與UDP通信的所有相關信息，如源端口號、目標端口號、源IP地址、目標IP地址以及收到數(shù)據(jù)時的回調(diào)函數(shù)等等，系統(tǒng)會為每一個基于UDP協(xié)議的進程創(chuàng)建一個UDP控制塊，并且將其與對應的端口綁定，并將所有的UDP控制塊用一個鏈表連接起來。當UDP接收到一個報文的時候，會去遍歷鏈表上的所有控制塊，通過端口號來找到匹配的控制塊，并將數(shù)據(jù)通過回調(diào)函數(shù)傳遞到上層應用。

UDP報文接收

在IP層，當接收到一個包含UDP報文的數(shù)據(jù)報時，udp_input函數(shù)就會被調(diào)用，該函數(shù)之中進行了一些報文合法性的檢測，然后根據(jù)報文中的端口信息查找UDP控制塊，最后通過UDP控制塊之中的回調(diào)函數(shù)recv_udp將數(shù)據(jù)傳遞到應用層，如果找不到對應的端口，那么會返回一個端口不可達數(shù)據(jù)包。

UDP報文發(fā)送

UDP報文發(fā)送依靠IP層提供的服務，用戶在發(fā)送數(shù)據(jù)時需要在應用程序之中調(diào)用udp_send或者是udp_sendto,應用程序之中將用戶數(shù)據(jù)填到pbuf數(shù)據(jù)區(qū)域,并將pubf作為參數(shù)傳入udp_send或udp_sendto之中。

udp_send和udp_sendto之間的區(qū)別就是udp_sendto將數(shù)據(jù)發(fā)送到指定的ip地址和端口號，udp_send將數(shù)據(jù)發(fā)送到UDP控制塊之中定義的ip地址和端口號。udp_send實際上也是調(diào)用udp_sendto來進行數(shù)據(jù)的發(fā)送，最終這兩個函數(shù)都是會去調(diào)用udp_sendto_if。

udp_sendto_if函數(shù)之中會完成udp報文的組裝和發(fā)送，最終會調(diào)用Ip層的發(fā)送函數(shù)去發(fā)送報文。

LWIP應用層

在應用層一般會通過調(diào)用傳輸層的一些函數(shù)來編寫特定的應用程序，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞，在udpecho demo之中，當接收到數(shù)據(jù)之后，在udp控制塊中綁定的接收回調(diào)函數(shù)中又會去調(diào)用udp_sendto函數(shù)。

除了上面介紹的一些協(xié)議外，LWIP還支持ICMP、IGMP、PPP、DHCP等協(xié)議，并且SOCKET API以及NETCONN API使用起來更加簡單，但是RAW/Callback API的使用有助于更好的理解LWIP協(xié)議。

對LWIP協(xié)議棧感興趣的讀者可自行深入了解。

審核編輯 黃宇