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lwip协议栈源码详解说明

发布时间:2019-06-19 23:42 来源:未知 编辑:admin

  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。

  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:

  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。

  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

  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。

  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:

  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。

  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。

  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。

  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。

  (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);

  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。

  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。

  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:

  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。

  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:

  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:

  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。

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