LWIP協議與網絡分層

LwIP(Light weight IP)，是一種輕量化且開源的TCP/IP協議棧，它可以在有限的RAM和ROM條件下，實現一個完整的TCP/IP 協議棧。此外，LwIP既可以移植到操作系統上運行，也可以在無操作系統的情況下獨立運行。

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

網絡接口層主要通過雙絞線，光纖，無線等方式進行網絡上數據幀的發送和接收。網絡接口層將網絡層的數據組裝成自己特定的幀進行發送，同時也會接收數據幀進行解析，并將解析過后的數據發送給網絡層。

網絡層負責在主機之間的通信過程之中選擇數據包的傳輸路徑，并且在接收到傳入的數據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，它會系統的管理兩端數據之間的交互。

應用層簡單來說就是利用傳輸層提供的功能發送自己的數據到對方。

LWIP協議棧初始化

在開始傳輸數據之前，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函數用來掛載網絡接口，并完成網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據結構的初始化。

PHY芯片的初始化是在ethernetif_phy_init之中完成，包括MDIO初始化，網口自動協商，網口連接等操作。

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

此外，在進行網絡接口相關初始化的同時，也完成了對一系列數據結構的初始化，此處介紹一些在網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，網絡接口層接收到的數據一般就封裝在buffer descriptor之中。
結構體定義如下圖所示，其中length代表buffer descriptor之中數據的長度，control之中會存儲一些與buffer descriptor相關的狀態信息，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協議棧中數據包的結構體。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。例如調用udp_bind函數，對UDP控制塊中的local_port,local_ip等參數進行綁定，以及調用udp_recv在udp控制塊上進行一些回調函數的綁定等等，至于什么是UDP控制塊，在后面會進行介紹。

LWIP網絡接口層

網絡接口層數據接收

在udpecho demo之中是通過輪詢的方法來實現數據接收，使用的是raw/callback api, 除了這種api之外lwip還提供socket api等，不過需要操作系統的支持。

在while循環中首先會去調用ethernetif_input函數，該函數中會調用ethernetif_linkinput函數，在ethernetif_linkinput之中又會去調用ENET_GetRxFrame和ethernetif_rx_frame_to_pbufs函數。

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

網絡接口層數據發送

在網絡層發送數據時，會調用網絡接口層的ethernet_output函數，ethernet_output函數之中又會去調用ethernetif_linkoutput函數,當數據較大需要用多個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據進行合并，如下圖所示。

操作完成后通過ENET_SendFrame函數來完成數據的發送；最后數據會通過網絡接口傳輸出去。

LWIP網絡層

IP協議

IP協議是一種經典的網絡層協議，IP協議(Internet Protocol)，又稱之為網際協議，IP 協議處于IP層工作，它是整個TCP/IP協議棧的核心協議，上層協議都要依賴IP協議提供的服務，IP協議負責將數據報從源主機發送到目標主機，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，在發送數據報的過程中，IP協議還可能對數據報進行分片處理，同時在接收數據報的時候，還可能需要對分片的數據報進行重裝等等。

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

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網中與其他主機進行通信。

IP數據報

IP數據包一般由IP首部和數據組成，首部一般有20-60字節，其中有40字節是可選的，一般首部僅由20字節組成，IP數據報結構如下圖所示。

為了方便對IP首部進行讀取或寫入操作，在lwip源碼之中定義了ip_hdr結構體來表示ip數據報首部。

IP層數據接收

在上文提到，對于不同的數據包進行不同的處理，如果是ARP包，則調用etharp_input函數去處理；如果是IP包，則交給IP相關函數去處理。

在udpecho demo中使用的是IPV4協議，因此，會調用ip4_input函數。

在ip4_input函數中會對ip數據報的相關字段進行檢驗，例如長度，校驗和，版本號等等，也會判斷該數據包是否是發送給本地的，如果不是發送給本地的數據包，可能還要對其進行轉發或者丟棄，如果數據報沒有問題，IP層就會根據傳輸層的協議類型將數據包傳送到不同的入口函數之中，例如udp_input, tcp_input函數等。

IP層數據發送

在傳輸層協議需要通過IP層來發送數據時，在上層函數之中會調用ip4_output_if_src函數，在該函數中，又會去調用ip4_output_if_opt_src函數，它會將傳輸數據封裝到ip數據報之中，填寫數據報之中的目標IP地址，源IP地址，協議類型等相關信息。然后再去調用etharp_output()，它會解析MAC地址，組裝以太網幀并并發送。在etharp_output()函數之中，最終會去調用網絡接口層的相關發送函數。

LWIP傳輸層與應用層

網絡層已經通過IP協議等完成了數據報在各臺主機之間傳輸的的功能，但是數據還沒有到達最終目的地—主機上的某個特定應用程序。

IP層通過傳輸層的協議將數據包遞交給應用程序，常用的傳輸層協議有UDP協議，TCP協議等。

此處以UDP協議為例，它是一種較為簡單的傳輸層協議，經常應用于局域網環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數據交互的。

UDP報文

在使用UDP傳輸數據時，它會將數據封裝在UDP報文之中，在IP層又會將數據包封裝在IP報文之中，在物理層又會將IP數據包封裝在物理數據幀之中。

一份用戶數據在被發送時共經歷了三次封裝。

UDP相關數據結構

在LWIP源碼的udp.h之中，定義了報文首部數據結構以及UDP控制塊。

LwIP報文首部數據結構為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位用戶數據報總長度, 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地址以及收到數據時的回調函數等等，系統會為每一個基于UDP協議的進程創建一個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，并將數據通過回調函數傳遞到上層應用。

UDP報文接收

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

UDP報文發送

UDP報文發送依靠IP層提供的服務，用戶在發送數據時需要在應用程序之中調用udp_send或者是udp_sendto,應用程序之中將用戶數據填到pbuf數據區域,并將pubf作為參數傳入udp_send或udp_sendto之中。

udp_send和udp_sendto之間的區別就是udp_sendto將數據發送到指定的ip地址和端口號，udp_send將數據發送到UDP控制塊之中定義的ip地址和端口號。udp_send實際上也是調用udp_sendto來進行數據的發送，最終這兩個函數都是會去調用udp_sendto_if。

udp_sendto_if函數之中會完成udp報文的組裝和發送，最終會調用Ip層的發送函數去發送報文。

LWIP應用層

在應用層一般會通過調用傳輸層的一些函數來編寫特定的應用程序，從而實現數據的傳遞，在udpecho demo之中，當接收到數據之后，在udp控制塊中綁定的接收回調函數中又會去調用udp_sendto函數。

除了上面介紹的一些協議外，LWIP還支持ICMP、IGMP、PPP、DHCP等協議，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協議。

對LWIP協議棧感興趣的讀者可自行深入了解。

審核編輯 黃宇