IP協(xié)議的功能
回顧一下前面寫的關(guān)于IP協(xié)議的文章:
IP協(xié)議基礎(chǔ)掃盲班
IP地址相關(guān)知識深入了解~
IP數(shù)據(jù)報分析
IP數(shù)據(jù)報結(jié)構(gòu)、IP分片的原理與處理
IP數(shù)據(jù)報的收發(fā)
回顧一下前面的文章所提及的知識點,總結(jié)一下IP協(xié)議的功能,得到以下結(jié)論:
- 編址(目標(biāo)端的IP地址),數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程當(dāng)中就必須表明要發(fā)送目標(biāo)端的IP地址
 - 尋址和路由(根據(jù)對方的IP地址,尋找最佳路徑傳輸信息);
 - 數(shù)據(jù)報的分片和重組。
 - 傳遞服務(wù)是不可靠的(IP協(xié)議只是盡自己最大努力去傳輸數(shù)據(jù)包),它也是無連接的協(xié)議
 
IP數(shù)據(jù)報發(fā)送
IP協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)層的主要協(xié)議,在上層傳輸協(xié)議(如TCP/UDP)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時,會將數(shù)據(jù)封裝起來,然后傳遞到IP層,IP協(xié)議首先會根據(jù)上層協(xié)議的目標(biāo)IP地址選擇一個合適的網(wǎng)卡進行發(fā)送數(shù)據(jù)( 路由),然后IP協(xié)議將再次封裝數(shù)據(jù)形成IP數(shù)據(jù)報,主要的操作就是填寫IP數(shù)據(jù)報首部對應(yīng)的各個字段:目標(biāo)IP地址、源IP地址、協(xié)議類型、生存時間等,最后在IP層通過回調(diào)函數(shù)netif->output(即etharp_output()函數(shù))將IP數(shù)據(jù)報投遞給ARP,再調(diào)用網(wǎng)卡底層發(fā)送函數(shù)進行發(fā)送,這樣子自上而下的數(shù)據(jù)就發(fā)送出去,IP協(xié)議以目標(biāo)IP地址作為目標(biāo)主機的身份地址。
/*** ip_output_if的簡化版接口。它找到發(fā)送數(shù)據(jù)包的netif網(wǎng)絡(luò)接口并調(diào)用ip_output_if來完成實際工作。** @param p 要發(fā)送的數(shù)據(jù)包(p->payload(有效負(fù)載)指向數(shù)據(jù),如果dest == LWIP_IP_HDRINCL,則p已包含IP頭和p->有效負(fù)載指向該IP頭)* @param src 要發(fā)送的源IP地址(如果src == IP4_ADDR_ANY,則用發(fā)送的netif綁定的IP地址用作源地址)* @param dest 目的IP地址* @param ttl 要在IP標(biāo)頭中設(shè)置的TTL值(生存時間)* @param tos 用于在IP標(biāo)頭中設(shè)置的TOS值* @param proto 將在IP頭中設(shè)置對應(yīng)的上層協(xié)議* @return ERR_OK 如果數(shù)據(jù)包發(fā)送正常就返回ok,* 如果p沒有足夠的空間用于IP /LINK標(biāo)頭,則為ERR_BUF* 其他則返回netif->output返回的錯誤* @return ERR_RTE如果沒有找到路線* 請參閱ip_output_if()以獲取更多返回值*/err_tip4_output(struct pbuf *p,constip4_addr_t*src,constip4_addr_t*dest,u8_t ttl,u8_t tos,u8_t proto){struct netif *netif;LWIP_IP_CHECK_PBUF_REF_COUNT_FOR_TX(p);//根據(jù)目標(biāo)IP地址找到對應(yīng)的網(wǎng)卡發(fā)送數(shù)據(jù)if((netif = ip4_route_src(src, dest))== NULL){LWIP_DEBUGF(IP_DEBUG,("ip4_output: No route to %"U16_F".%"U16_F".%"U16_F".%"U16_F"\\n",ip4_addr1_16(dest), ip4_addr2_16(dest), ip4_addr3_16(dest), ip4_addr4_16(dest)));IP_STATS_INC(ip.rterr);return ERR_RTE;}return ip4_output_if(p, src, dest, ttl, tos, proto, netif);}
路由過程的實現(xiàn)
路由(routing)就是通過互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)把信息從源地址傳輸?shù)侥康牡刂返幕顒?,發(fā)送端必然需要找到一個網(wǎng)卡將數(shù)據(jù)報發(fā)送出去,而實現(xiàn)這個過程的函數(shù)就是 ip4_route_src()。
其實lwip對 ip4_route_src()函數(shù)進行了重新定義,實際上是調(diào)用了 ip4_route()函數(shù)。這個函數(shù)的原理就是根據(jù)指定的IP地址找到合適的網(wǎng)卡 netif,然后返回,前面的文章也提到過,lwip的網(wǎng)卡是通過 netif_list列表管理的,那么找網(wǎng)卡的操作也必然是遍歷網(wǎng)卡列表 netif_list,判斷網(wǎng)卡是否已經(jīng)掛載并且IP地址是否有效,如果連網(wǎng)卡都找不到,那就不用發(fā)送數(shù)據(jù)了,返回null。
#define ip4_route_src(src, dest) ip4_route(dest)
/***為給定的IP地址查找適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)接口。*它搜索網(wǎng)絡(luò)接口列表。找到匹配項**@param dest 要查找路由的目標(biāo)IP地址*@return 發(fā)送到達目的地的網(wǎng)卡 netif*/struct netif *ip4_route(constip4_addr_t*dest){#if!LWIP_SINGLE_NETIFstruct netif *netif;LWIP_ASSERT_CORE_LOCKED();#if LWIP_MULTICAST_TX_OPTIONS/*默認(rèn)使用管理選擇的接口進行多播*/if(ip4_addr_ismulticast(dest)&& ip4_default_multicast_netif){return ip4_default_multicast_netif;}#endif /* LWIP_MULTICAST_TX_OPTIONS *//* bug #54569: in case LWIP_SINGLE_NETIF=1 and LWIP_DEBUGF() disabled, the following loop is optimized away */LWIP_UNUSED_ARG(dest);/*遍歷網(wǎng)卡列表netif_list */NETIF_FOREACH(netif){/* 如果網(wǎng)卡已經(jīng)掛載并且IP地址是有效的 */if(netif_is_up(netif)&& netif_is_link_up(netif)&&!ip4_addr_isany_val(*netif_ip4_addr(netif))){/* 網(wǎng)絡(luò)掩碼匹配? */if(ip4_addr_netcmp(dest, netif_ip4_addr(netif), netif_ip4_netmask(netif))){/* 返回找到的網(wǎng)卡netif */return netif;}/* 網(wǎng)關(guān)在非廣播接口上匹配?(即在點對點接口中對等) */if(((netif->flags & NETIF_FLAG_BROADCAST)==0)&& ip4_addr_cmp(dest, netif_ip4_gw(netif))){/* 返回找到的網(wǎng)卡netif */return netif;}}}#if LWIP_NETIF_LOOPBACK &&!LWIP_HAVE_LOOPIF /**如果打開環(huán)回地址的宏定義 *//* loopif is disabled, looopback traffic is passed through any netif */if(ip4_addr_isloopback(dest)){/*不檢查環(huán)回流量的鏈接*/if(netif_default != NULL && netif_is_up(netif_default)){return netif_default;}/*默認(rèn)netif沒有啟動,只需使用任何netif進行環(huán)回流量*/NETIF_FOREACH(netif){if(netif_is_up(netif)){return netif;}}return NULL;}#endif /* LWIP_NETIF_LOOPBACK && !LWIP_HAVE_LOOPIF */#ifdef LWIP_HOOK_IP4_ROUTE_SRCnetif = LWIP_HOOK_IP4_ROUTE_SRC(NULL, dest);if(netif != NULL){return netif;}#elif defined(LWIP_HOOK_IP4_ROUTE)netif = LWIP_HOOK_IP4_ROUTE(dest);if(netif != NULL){return netif;}#endif#endif /* !LWIP_SINGLE_NETIF */if((netif_default == NULL)||!netif_is_up(netif_default)||!netif_is_link_up(netif_default)||ip4_addr_isany_val(*netif_ip4_addr(netif_default))|| ip4_addr_isloopback(dest)){/*找不到匹配的netif,默認(rèn)的netif不可用。建議使用LWIP_HOOK_IP4_ROUTE()*/LWIP_DEBUGF(IP_DEBUG | LWIP_DBG_LEVEL_SERIOUS,("ip4_route: No route to %"U16_F".%"U16_F".%"U16_F".%"U16_F"\\n",ip4_addr1_16(dest), ip4_addr2_16(dest), ip4_addr3_16(dest), ip4_addr4_16(dest)));IP_STATS_INC(ip.rterr);MIB2_STATS_INC(mib2.ipoutnoroutes);return NULL;}return netif_default;}
ip4_output_if函數(shù)
找到網(wǎng)卡之后就調(diào)用 ip4_output_if()函數(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送出去,這個函數(shù)會指定發(fā)送數(shù)據(jù)的網(wǎng)卡,同時會將來自上層協(xié)議(tcp、udp)的數(shù)據(jù)進行封裝,組成IP數(shù)據(jù)報再發(fā)送,不過這個函數(shù)層層調(diào)用,比較麻煩,具體如下:。
/*** 在網(wǎng)絡(luò)接口上發(fā)送IP數(shù)據(jù)包。這個函數(shù)構(gòu)造IP數(shù)據(jù)包首部并計算IP頭校驗和,* 如果源IP地址為NULL,在發(fā)送的時候就填寫發(fā)送網(wǎng)卡的IP地址為源IP地址* 如果目標(biāo)IP地址是LWIP_IP_HDRINCL,則假定pbuf已經(jīng)存在包括IP頭和有效負(fù)載指向它而不是數(shù)據(jù)。** @param p 要發(fā)送的數(shù)據(jù)包(p->payload(有效負(fù)載)指向數(shù)據(jù),如果dest == LWIP_IP_HDRINCL,則p已包含IP頭和p->有效負(fù)載指向該IP頭)* @param src 要發(fā)送的源IP地址(如果src == IP4_ADDR_ANY,則用發(fā)送的netif綁定的IP地址用作源地址)* @param dest 目的IP地址* @param ttl 要在IP標(biāo)頭中設(shè)置的TTL值(生存時間)* @param tos 用于在IP標(biāo)頭中設(shè)置的TOS值* @param proto 將在IP頭中設(shè)置對應(yīng)的上層協(xié)議* @param netif 發(fā)送此數(shù)據(jù)包的netif* @return ERR_OK 如果數(shù)據(jù)包發(fā)送正常就返回ok,* 如果p沒有足夠的空間用于IP /LINK標(biāo)頭,則為ERR_BUF* 其他則返回netif->output返回的錯誤** @note ip_id:RFC791“某些主機可能只需使用* 獨立于目的地的唯一標(biāo)識符“*/err_tip4_output_if(struct pbuf *p,constip4_addr_t*src,constip4_addr_t*dest,u8_t ttl,u8_t tos,u8_t proto,struct netif *netif){#if IP_OPTIONS_SENDreturn ip4_output_if_opt(p, src, dest, ttl, tos, proto, netif, NULL,0);}
/*** 與ip_output_if()相同,但可以包含IP選項:** @param ip_options指向IP選項的指針,復(fù)制到IP頭中* @param optlen ip_options的長度*/err_tip4_output_if_opt(struct pbuf *p,constip4_addr_t*src,constip4_addr_t*dest,u8_t ttl,u8_t tos,u8_t proto,struct netif *netif,void*ip_options,u16_t optlen){#endif /* IP_OPTIONS_SEND */constip4_addr_t*src_used = src;if(dest != LWIP_IP_HDRINCL){if(ip4_addr_isany(src)){src_used = netif_ip4_addr(netif);}}#if IP_OPTIONS_SENDreturn ip4_output_if_opt_src(p, src_used, dest, ttl, tos, proto, netif,ip_options, optlen);#else/* IP_OPTIONS_SEND */return ip4_output_if_src(p, src_used, dest, ttl, tos, proto, netif);#endif /* IP_OPTIONS_SEND */}
ip4_output_if_opt_src
首先看看這個函數(shù)到底做了什么吧:在上層協(xié)議遞交數(shù)據(jù)包后,通過層層調(diào)用,最終到 ip4_output_if_opt_src()函數(shù)中處理,它的處理如下:
代碼的實現(xiàn)如下:注釋非常豐富。主要過程就是:
- 判斷是否填寫好IP數(shù)據(jù)報首部?若目標(biāo)IP地址為LWIPIPHDRINCL表示已經(jīng)填寫好IP數(shù)據(jù)報首部,且payload指針也指向了IP數(shù)據(jù)報首部。
 - 如果沒有填寫IP數(shù)據(jù)報首部,調(diào)用 
pbuf_add_header()函數(shù)調(diào)整數(shù)據(jù)區(qū)域指針以指向IP數(shù)據(jù)報首部。 - 填寫IP數(shù)據(jù)報中的生存時間、服務(wù)類型、上層協(xié)議、目標(biāo)IP地址、版本號與首部長度、數(shù)據(jù)報總長度、標(biāo)志位和分片偏移量、標(biāo)識、源IP地址等內(nèi)容,總之就是將IP數(shù)據(jù)報首部的內(nèi)容該填的都填上。
 - 如果目標(biāo)IP地址是自己的網(wǎng)卡IP地址,調(diào)用環(huán)回輸入函數(shù) 
netif_loop_output()發(fā)送IP數(shù)據(jù)報給自己,這種處理一般是用于測試代碼。 - 如果IP數(shù)據(jù)報太大,數(shù)據(jù)報總長度大于網(wǎng)卡的MTU,則需要進行分片處理,調(diào)用 
ip4_frag()函數(shù)進行發(fā)送。 - 直接調(diào)用注冊的 
netif->output接口傳遞給ARP,實際上就是調(diào)用etharp_output()函數(shù),在這里它會將IP地址解析成對應(yīng)的MAC地址,并且調(diào)用網(wǎng)卡發(fā)送函數(shù)進行發(fā)送。 
/*** 與ip4_output_if_opt()相同,當(dāng)源地址是'IP4_ADDR_ANY'時,'src'地址不會被netif地址替換*/err_tip4_output_if_opt_src(struct pbuf *p,constip4_addr_t*src,constip4_addr_t*dest,u8_t ttl,u8_t tos,u8_t proto,struct netif *netif,void*ip_options,u16_t optlen){#endif /* IP_OPTIONS_SEND */struct ip_hdr *iphdr;ip4_addr_t dest_addr;#if CHECKSUM_GEN_IP_INLINEu32_t chk_sum =0;#endif /* CHECKSUM_GEN_IP_INLINE */LWIP_ASSERT_CORE_LOCKED();LWIP_IP_CHECK_PBUF_REF_COUNT_FOR_TX(p);MIB2_STATS_INC(mib2.ipoutrequests);/* 應(yīng)該要構(gòu)建IP首部還是已經(jīng)包含在pbuf中了?如果是要構(gòu)建IP數(shù)據(jù)報首部 */if(dest != LWIP_IP_HDRINCL){u16_t ip_hlen = IP_HLEN;#if IP_OPTIONS_SENDu16_t optlen_aligned =0;if(optlen !=0){#if CHECKSUM_GEN_IP_INLINEint i;#endif /* CHECKSUM_GEN_IP_INLINE */if(optlen >(IP_HLEN_MAX - IP_HLEN)){/* 選項字段太長 */LWIP_DEBUGF(IP_DEBUG | LWIP_DBG_LEVEL_SERIOUS,("ip4_output_if_opt: optlen too long\\n"));IP_STATS_INC(ip.err);MIB2_STATS_INC(mib2.ipoutdiscards);return ERR_VAL;}/* 選項字段按照4字節(jié)對齊 */optlen_aligned =(u16_t)((optlen +3)&~3);ip_hlen =(u16_t)(ip_hlen + optlen_aligned);/* 首先寫入IP選項字段 */if(pbuf_add_header(p, optlen_aligned)){LWIP_DEBUGF(IP_DEBUG | LWIP_DBG_LEVEL_SERIOUS,("ip4_output_if_opt: not enough room for IP options in pbuf\\n"));IP_STATS_INC(ip.err);MIB2_STATS_INC(mib2.ipoutdiscards);return ERR_BUF;}MEMCPY(p->payload, ip_options, optlen);if(optlen < optlen_aligned){/* 剩余字節(jié)清零 */memset(((char*)p->payload)+ optlen,0,(size_t)(optlen_aligned - optlen));}#if CHECKSUM_GEN_IP_INLINEfor(i =0; i < optlen_aligned /2; i++){chk_sum +=((u16_t*)p->payload)[i];}#endif /* CHECKSUM_GEN_IP_INLINE */}#endif /* IP_OPTIONS_SEND *//* 生成IP頭 */if(pbuf_add_header(p, IP_HLEN)){LWIP_DEBUGF(IP_DEBUG | LWIP_DBG_LEVEL_SERIOUS,("ip4_output: not enough room for IP header in pbuf\\n"));IP_STATS_INC(ip.err);MIB2_STATS_INC(mib2.ipoutdiscards);return ERR_BUF;}iphdr =(struct ip_hdr *)p->payload;(p->len >=sizeof(struct ip_hdr)));IPH_TTL_SET(iphdr, ttl);IPH_PROTO_SET(iphdr, proto);#if CHECKSUM_GEN_IP_INLINEchk_sum += PP_NTOHS(proto |(ttl <<8));#endif /* CHECKSUM_GEN_IP_INLINE *//* 構(gòu)建目的IP地址,此處的目的IP地址不能為NULL */ip4_addr_copy(iphdr->dest,*dest);#if CHECKSUM_GEN_IP_INLINEchk_sum += ip4_addr_get_u32(&iphdr->dest)&0xFFFF;chk_sum += ip4_addr_get_u32(&iphdr->dest)>>16;#endif /* CHECKSUM_GEN_IP_INLINE */IPH_VHL_SET(iphdr,4, ip_hlen /4);IPH_TOS_SET(iphdr, tos);#if CHECKSUM_GEN_IP_INLINEchk_sum += PP_NTOHS(tos |(iphdr->_v_hl <<8));#endif /* CHECKSUM_GEN_IP_INLINE */IPH_LEN_SET(iphdr, lwip_htons(p->tot_len));#if CHECKSUM_GEN_IP_INLINEchk_sum += iphdr->_len;#endif /* CHECKSUM_GEN_IP_INLINE */IPH_OFFSET_SET(iphdr,0);IPH_ID_SET(iphdr, lwip_htons(ip_id));#if CHECKSUM_GEN_IP_INLINEchk_sum += iphdr->_id;#endif /* CHECKSUM_GEN_IP_INLINE */++ip_id;if(src == NULL){ip4_addr_copy(iphdr->src,*IP4_ADDR_ANY4);/** 構(gòu)建源IP地址 */}else{/* 此處的源IP地址不能為NULL */ip4_addr_copy(iphdr->src,*src);}#if CHECKSUM_GEN_IP_INLINEchk_sum += ip4_addr_get_u32(&iphdr->src)&0xFFFF;chk_sum += ip4_addr_get_u32(&iphdr->src)>>16;chk_sum =(chk_sum >>16)+(chk_sum &0xFFFF);chk_sum =(chk_sum >>16)+ chk_sum;chk_sum =~chk_sum;IF__NETIF_CHECKSUM_ENABLED(netif, NETIF_CHECKSUM_GEN_IP){iphdr->_chksum =(u16_t)chk_sum;/* network order */}#if LWIP_CHECKSUM_CTRL_PER_NETIFelse{IPH_CHKSUM_SET(iphdr,0);}#endif /* LWIP_CHECKSUM_CTRL_PER_NETIF*/#else/* CHECKSUM_GEN_IP_INLINE */IPH_CHKSUM_SET(iphdr,0);#if CHECKSUM_GEN_IPIF__NETIF_CHECKSUM_ENABLED(netif, NETIF_CHECKSUM_GEN_IP){IPH_CHKSUM_SET(iphdr, inet_chksum(iphdr, ip_hlen));}#endif /* CHECKSUM_GEN_IP */#endif /* CHECKSUM_GEN_IP_INLINE */}else{/* IP頭已包含在pbuf中 */if(p->len < IP_HLEN){/** pbuf的長度小于IP數(shù)據(jù)報首部長度(20字節(jié)) */LWIP_DEBUGF(IP_DEBUG | LWIP_DBG_LEVEL_SERIOUS,("ip4_output: LWIP_IP_HDRINCL but pbuf is too short\\n"));IP_STATS_INC(ip.err);MIB2_STATS_INC(mib2.ipoutdiscards);return ERR_BUF;}iphdr =(struct ip_hdr *)p->payload;/** 直接從數(shù)據(jù)區(qū)域獲取IP數(shù)據(jù)報首部 */ip4_addr_copy(dest_addr, iphdr->dest);/** 獲取目的IP地址 */dest =&dest_addr;}IP_STATS_INC(ip.xmit);LWIP_DEBUGF(IP_DEBUG,("ip4_output_if: %c%c%"U16_F"\\n", netif->name[0], netif->name[1],(u16_t)netif->num));ip4_debug_print(p);#if ENABLE_LOOPBACK /** 換回接口 */if(ip4_addr_cmp(dest, netif_ip4_addr(netif))#if!LWIP_HAVE_LOOPIF|| ip4_addr_isloopback(dest)#endif /* !LWIP_HAVE_LOOPIF */){/* 數(shù)據(jù)包是給自己的,將其放入環(huán)回接口 */LWIP_DEBUGF(IP_DEBUG,("netif_loop_output()"));return netif_loop_output(netif, p);}#if LWIP_MULTICAST_TX_OPTIONSif((p->flags & PBUF_FLAG_MCASTLOOP)!=0){netif_loop_output(netif, p);}#endif /* LWIP_MULTICAST_TX_OPTIONS */#endif /* ENABLE_LOOPBACK */#if IP_FRAG/** 要發(fā)送的數(shù)據(jù)報大于mtu,需要分片,此處的前提是使能了IP_FRAG (IP分片) */if(netif->mtu &&(p->tot_len > netif->mtu)){return ip4_frag(p, netif, dest);/** 調(diào)用IP數(shù)據(jù)報分片函數(shù)將數(shù)據(jù)報分片發(fā)送出去 */}#endif /* IP_FRAG */LWIP_DEBUGF(IP_DEBUG,("ip4_output_if: call netif->output()\\n"));return netif->output(netif, p, dest);/** 如果不需要分片就直接通過網(wǎng)卡發(fā)送出去,netif->output() */}
最后提個醒
此外:上層協(xié)議是不會直接調(diào)用 ip4_output()函數(shù)的,lwip是通過宏定義將 ip4_output()函數(shù)進行重新定義:
#define ip_output(p, src, dest, ttl, tos, proto) ip4_output(p, src, dest, ttl, tos, proto
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                                IP協(xié)議
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專家開講:深入了解電池技術(shù)──Part 3
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