lwip协议栈详解_如何更好的理解LWIP协议

LWIP协议和网络分层

LwIP(轻量级IP)是一个轻量级的开源TCP/IP协议栈，可以在有限的RAM和ROM条件下实现一个完整的TCP/IP协议栈。此外，LwIP可以移植到操作系统上，在没有操作系统的情况下独立运行。

TCP/IP协议栈的模型结构如下图所示。由于TCP/IP协议栈出现较早，并不是按照传统的7层OSI网络模型设计的，它只分为4层，即网络接口层、网络层、传输层和应用层。LwIP协议栈的网络模型类似。

网络接口层主要通过双绞线、光纤和无线在网络上发送和接收数据帧。网络接口层将网络层的数据组装成自己特定的帧发送，同时也接收数据帧进行解析，并将解析后的数据发送给网络层。

网络层负责选择主机间通信过程中数据包的传输路径，并会在收到传入数据报时检查其有效性，并提交给上层。

传输层主要提供应用程序之间的通信服务，它将系统地管理两端数据之间的交互。

应用层只是使用传输层提供的功能将自己的数据发送给另一方。

LWIP协议栈初始化

在数据传输之前，首先要进行一系列的初始化操作。本文以i.MX RT1060 SDK中的demo ' evkmimxrt 1060 _ lwip _ UDP pecho _ BM '为例，代码可以通过MCUXpresso IDE导入。

netif_add函数用于挂载网络接口，完成网络通信前的大部分初始化工作，包括PHY芯片的初始化，i.MX RT1060上ENET外设的初始化以及通信中用到的一些相关数据结构。

PHY芯片的初始化在ethernetif_phy_init中完成，包括MDIO初始化、网口自动协商、网口连接等操作。

ENET外设的初始化在ENET_SetMacController中完成，ENET外设的一些配置在这里执行，比如设置接口速率和接口类型(mii，Rmii)。

PHY初始化函数和ENET初始化函数都是在ethernetif0_init函数中调用的，这个函数作为参数传入并在netif_add中调用，所以netif_add不仅完成了网络接口的挂载，还完成了一系列与接口相关的初始化工作。

另外，在初始化网络接口的同时，一系列的数据结构也被初始化。以下是网络通信中使用的一些结构。

Enet_rx_bd_struct_t，该结构一般用于定义缓冲区描述符，网络接口层接收的数据一般封装在缓冲区描述符中。结构定义如下图所示，其中length表示缓冲区描述符中数据的长度，一些与缓冲区描述符相关的状态信息存储在control中，支持增强缓冲区描述符。

Enet_rx_bd_ring_t结构，如下图所示，每个环由缓冲区描述符组成。环结构中的rxBdBase成员是第一个缓冲区描述符的地址，rxGenIdx是指当前缓冲区描述符的序列号，rxRingLen是指这个环中有多少个缓冲区描述符。

Pbuf结构，pbuf结构用于描述lwip协议栈中的数据包。它以链表的形式存在，pbuf中会有指针指向下一个pubf。

因为万一用到了UDP通信，所以需要一些UDP相关的初始化设置。比如调用udp_bind函数绑定udp控制块中的local_port、local_ip等参数，调用udp_recv绑定udp控制块上的一些回调函数等。至于UDP控制块是什么，后面会介绍。

LWIP网络接口层

网络接口层数据接收

在udpecho demo中，通过轮询实现数据接收，使用raw/callback api。除了这个api，lwip还提供了socket api，但是需要操作系统的支持。

在while循环中，首先会调用ethernetif_input函数，其中会调用ethernetif_linkinput函数，在ethernetif_linkinput中会调用ENET_GetRxFrame和ethernetif_rx_frame_to_pbufs函数。

在ENET_GetRxFrame函数中，网络接口接收到的数据会被传输到RxFrame，然后ethernetif_rx_frame_to_pbufs函数会将RxFrame中的数据传输到pbufs，然后会调用ethernet_input函数。在lwip源代码中的ethernet.c文件中定义，主要用于网络层在没有操作系统的情况下，对接收到的数据帧进行处理，然后提交给上层，对不同的数据包进行不同的处理。如果是ARP包，调用etharp_input函数；如果是ip包，则调用ip4_input函数，通过这些函数将包提交给IP层进行处理。

网络接口层数据传输

在网络层发送数据时，会调用网络接口层的ethernet_output函数，在ethernet_output函数中会调用ethernetif_linkoutput函数。当大数据需要用多个pbuf存储时，pbuf是以链表的形式存在的，所以需要对这些链表中的数据进行合并，如下图所示。

操作完成后，通过ENET_SendFrame函数发送数据；最后，数据将通过网络接口传输。

LWIP网络层

互联网协议

IP协议是一个经典的网络层协议，IP协议，也称为互联网协议。IP协议工作在IP层，是整个TCP/IP协议栈的核心协议。上层协议依赖于IP协议提供的服务，负责将数据报从源主机发送到目标主机，并使用IP地址作为唯一的标识码。简单来说就是不同主机的IP地址不一样。在发送数据报的过程中，IP协议也可能会对数据报进行分片，同时在接收数据报时可能需要重新安装分片的数据报。

IP协议是一种无连接且不可靠的数据报传送协议。协议本身不提供任何错误检查和恢复机制，但需要传输层协议来完成这些功能。

IP地址；网络地址

在TCP/IP设计过程中，设计者给每台主机分配一个32位的IP地址，只有拥有有效IP地址的主机才能访问互联网与其他主机进行通信。

ip数据报

IP数据包通常由IP报头和数据组成。头一般为20-60字节，其中40字节可选。通常，报头仅由20个字节组成。IP数据报的结构如下图所示。

为了方便地读写ip头，在lwip源代码中定义了一个ip_hdr结构来表示ip数据报头。

IP层数据接收

如上所述，不同的数据包被不同地处理。如果是ARP包，调用etharp_input函数进行处理。如果是IP包，则交给IP相关功能处理。

udpecho演示中使用的是IPV4协议，所以会调用ip4_input函数。

在ip4_input函数中，ip数据报的相关字段，如长度、校验和、版本号等。会进行检查，也会判断数据包是否是本地发送的。如果它不是本地发送的，它可能会被转发或丢弃。如果数据报没有问题，IP层会根据传输层的协议类型，将数据包转移到不同的入口函数，比如UDP _ input和TCP _ input函数。

IP层数据传输

当传输层协议需要通过ip层发送数据时，会在上层函数中调用ip4_output_if_src函数，在这个函数中，会调用ip4_output_if_opt_src函数，将传输的数据封装成一个ip数据报，并在数据报中填入目的ip地址、源IP地址、协议类型等相关信息。然后调用etharp_output()，它将解析MAC地址，组装以太网帧并发送出去。在etharp_output()函数中，最终会调用网络接口层的相关发送函数。

LWIP传输层和应用层

网络层通过IP协议完成了主机间数据报传输的功能，但数据还没有到达最终目的地——主机上的某个特定应用。

IP层通过传输层协议将数据包提交给应用，常用的传输层协议有UDP协议、TCP协议等。

这里以UDP协议为例，它是一个比较简单的传输层协议，常用于局域网环境和文章播放领域。以UDP为例，结合SDK代码，说明传输层如何实现数据交互。

UDP消息

使用UDP传输数据时，会将数据封装在UDP报文中，将数据包封装在IP层的IP报文中，将IP数据包封装在物理层的物理数据帧中。

一条用户数据在发送时已经被封装了三次。

UDP相关数据结构

在LWIP源代码的udp.h中，定义了消息头和udp控制块的数据结构。

LwIP报文头的数据结构为udp_hdr，定义了udp报文头的字段，包括16位源端口号src、16位目的端口号dest、16位用户数据报总长度和16位校验和。

LwIP还定义了一个UDP控制块，记录了与UDP通信的所有相关信息，如源端口号、目标端口号、源IP地址、目标IP地址以及接收数据时的回调函数等。系统会基于UDP协议为每个进程创建一个UDP控制块，绑定到相应的端口，用链表连接所有的UDP控制块。UDP收到消息时，会遍历链表上的所有控制块，通过端口号找到匹配的控制块，通过回调函数将数据传递给上层应用。

UDP消息接收

在IP层，当接收到包含udp报文的数据报时，会调用udp_input函数，在这个函数中会检查一些报文，然后根据报文中的端口信息找到UDP控制块。最后，数据将通过udp控制块中的回调函数recv_udp传递给应用层。如果找不到相应的端口，将返回端口不可达数据包。

UDP消息发送

UDP消息的传输依赖于IP层提供的服务。用户在发送数据时，需要在应用程序中调用udp_send或udp_sendto，将用户数据填入pbuf数据区，并将pubf作为参数传入udp_send或udp_sendto。

udp_send和udp_sendto的区别在于，udp_sendto向指定的ip地址和端口号发送数据，udp_send向udp控制块中定义的ip地址和端口号发送数据。Udp_send实际上是调用udp_sendto发送数据，最终这两个函数会调用udp_sendto_if。

udp_sendto_if函数将完成udp消息的组装和发送，最后调用Ip层的发送函数发送消息。

LWIP应用层

在应用层，通常通过调用传输层的一些函数来编写特定的应用程序，从而实现数据传输。在udpecho演示中，接收到数据后，udp控制块中绑定的接收回调函数中会调用udp _ SendTo函数。

除了上面介绍的一些协议，LWIP还支持ICMP、IGMP、PPP、DHCP等协议，SOCKET API和NETCONN API更容易使用，但RAW/Callback API的使用有助于更好地理解LWIP协议。

对LWIP协议栈感兴趣的读者可以自己了解更多。

审计彭静