【lwip】09-IPv4协议&超全源码实现分析

乎语百科 2022-11-05 14:30:28 306 0

前言
9.1 IP协议简述
9.2 IP地址分类
9.3 IP数据报
9.4 IP首部数据结构
9.5 网卡路由
9.6 IP层数据流图
9.7 IP层输出
9.8 IP层输入

前言

默认主讲ipv4。

概念性的内容简单过一遍即可，主要还是在源码实现方面。

原文：李柱明博客：https://www.cnblogs.com/lizhuming/p/16859723.html

9.1 IP协议简述

IP 协议（Internet Protocol），又称之为网际协议，IP 协议处于 IP 层工作，它是整个 TCP/IP 协议栈的核心协议，上层协议都要依赖 IP 协议提供的服务，IP 协议负责将数据报从源主机发送到目标主机，通过 IP 地址作为唯一识别码。

IP 协议是一种无连接的不可靠数据报交付协议，协议本身不提供任何的错误检查与恢复机制。

IP地址是协议地址，MAC地址是硬件地址，所处的层级不一样。

常见的广域网路由器就工作在IP层。

在本次笔记lwip源码实现分析内容概述：

IP地址及其分类、特殊IP地址；
子网划分、子网掩码、NAT等概念；
IP层数据包结构一级数据报输入处理；
IP层数据包的发送及分片操作；
IP层分片数据重装过程。

9.2 IP地址分类

【lwip】09-IPv4协议&超全源码实现分析

A类地址：1.0.0.1—126.155.255.254

B类地址：128.0.0.1—191.255.255.254

C类地址：192.0.0.1—223.255.255.254

D类地址：224.0.0.1—239.255.255.254

E类地址：240.0.0.1—255.255.255.254

具体更加细致的地址作用，自行百度。

9.2.1 私有地址

A类的：10.x.x.x 是私有地址。

B类的：172.16.0.0—172.31.255.255 是私有地址。

C类的：全都是。192.0.0.1—223.255.255.254 是私有地址。

9.2.2 受限广播地址

受限广播地址是网络号与主机号都为 1 的地址：255.255.255.255

为了避免这个广播地址往整个互联网里发送广播包，在任何情况下，路由器都会禁止转发目的地址为 255.255.255.255 的广播数据包，要不然会给整个互联网带来网络性灾难。

9.2.3 直接广播地址

直接广播地址是主机号全为 1 而得到的地址，广播地址代表本网络内的所有主机，使用该地址可以向网络内的所有主机发送数据。

A 类地址的广播地址为：XXX.255.255.255

B 类地址的广播地址为：XXX.XXX.255.255

C 类地址的广播地址为：XXX.XXX.XXX.255

9.2.4 多播地址

多播地址属于分类编址中的 D 类地址，D 类地址只能用作目的地址，而不能作为主机中的源地址。

多播地址用在一对多的通信。

9.2.5 环回地址

127.x.x.x 是保留地址，用作循环测试用（127.0.0.1 为保留地址，一般用于环回地址）

9.2.6 本地链路地址

169.254.x.x 是本地链路地址。

AUTOIP协议使用。

即是如果 IP 地址是自动获取 IP 地址，而在网络上又没有找到可用的 DHCP 服务器，就会得到其中一个 IP。

9.2.7 本网络本主机地址

IP 地址 32bit 全为 0 的地址（0.0.0.0）表示的是本网络本主机，只能做源IP地址。

在当设备启动时但又不知道自己的 IP 地址情况下常见。

9.2.8 子网

子网掩码 & 判断是否在同一子网： IP 与子网掩码做按位与，就可以得出该 IP 的子网网段。如：

子网掩码：255.255.255.0
IP-1: 192.168.1.2 & 255.255.255.0 = 192.168.1.0
IP-2: 192.168.1.123 & 255.255.255.0 = 192.168.1.0
IP-3: 192.168.2.123 & 255.255.255.0 = 192.168.2.0
因为 192.168.1.0 = 192.168.1.0，所以IP-1与IP-2处于同一子网。
因为 192.168.1.0 != 192.168.2.0，所以IP-1与IP-3不在同一子网。

在发数据包时，子网的作用：

若源IP和目标IP在同一子网：直接获取目标IP主机的MAC，然后把数据包丢出去。
若源IP和目标IP不在同一子网：获取默认网关的 MAC ，然后把数据包丢给默认网关那边。

9.2.9 NAT 概念

在计算机网络中，网络地址转换(Network Address Translation，缩写为 NAT)，也叫做网络掩蔽或者 IP 掩蔽(IP masquerading)。

当前只需要知道NAT就是网络地址转换的作用即可，详细技术细节自行百度。

9.3 IP数据报

【lwip】09-IPv4协议&超全源码实现分析

9.3.1 版本号字段

占用4 bit。

这个字段规定了数据报的 IP 协议版本。

如：

IPv4：值为4。
IPv6：值为6。

9.3.2 首部长度字段

占用4 bit。

用于记录 IP 首部的数据的长度。

单位，字。最大可以表示15*4=60字节。

IP首部的长度默认是20 byte，但是如果有选项字段，就不止20 byte了。

9.3.3 服务类型（TOS：type of service）字段

占用8 bit。

该字段用于描述当前IP数据报急需的服务类型，如：

最小延时；
最大吞吐量；
最高可靠性；
最小费用等。

路由器在转发数据报时，可以根据该字段的值来为数据报选择最合理的路由路径。

9.3.4 总长度字段

占用16 bit。

是 IP 数据报的总长度（IP首部+数据区）。

单位，字节。最大能表示65535字节。

数据报很少有超过1500字节的，因为以太网数据帧的数据最大长度为1500字节。

如果一个IP数据报过大时，需要进行分片处理。

9.3.5 标识字段

标识字段、标志字段和13位偏移字段常在IP数据报分片时使用。

占用16 bit。

用于标识IP层发出去的每一份IP数据报，每发送一份，该值+1。

如果IP数据报被分片，该字段在每个分片的IP数据报上是一致的，表示属于同一个IP数据报。

在接收端会根据该字段识别同一个IP数据报进行重装。

9.3.6 标志字段

占用3 bit。

第一个bit保留未用。

第二个bit是不分片标志位：

0：则表示 IP 层在必要的时候可以对其进行分片处理。
1：则表示 IP 数据报在发送的过程中不允许进行分片，如果这个 IP 数据报的大小超过链路层能承载的大小，这个 IP 数据报将被丢弃。

第三个bit是更多分片标志位：

0：后续没有更多分片。即是当前分片的IP数据报是最后一个分片。
1：表示后续还有分片。即是当前分片的IP数据报不是最后一个分片。

9.3.7 分片偏移量字段

占用13 bit。

表示当前分片所携带的数据在整个 IP 数据报中的相对偏移位置。

单位，8字节（2个字）。

目标主机要接收到从0分片偏移量到最高分片偏移量的所有分片才能进行组装出完整的IP数据报。

9.3.8 生存时间（Time-To-Live，TTL）字段

占用8 bit。

该字段用来确保数据报不会永远在网络中循环。

IP数据报没经过一台路由器处理，该值-1。

如果TTL字段下降到0，则路由器会丢弃该数据报，且会返回一个 ICMP 差错报文给源主机。

9.3.9 协议字段

占用8 bit。

表示上层协议类型。即是表示数据区的数据是哪个协议的数据报。如：

6：表示TCP协议。
17：表示UDP协议。
其它值可以自行度娘。

9.3.10 首部校验和字段

占用16 bit。

只针对IP首部做校验，并不关系数据区在传输过程中是否出错，所以对于数据区的校验需要由上层协议负责。

路由器要对每个收到的 IP 数据报计算其首部检验和，如果数据报首部中携带的检验和与计算得到的检验和不一致，则表示出现错误，路由器一般会丢弃检测出错误的 IP 数据报。

需要注意的是，由于IP数据报首部的TTL字段每结果应该路由器都会-1，所以IP数据报首部检验和字段每经过一个路由器都要重新计算赋值。

参考：关于wireshark的Header checksum出问题解决方案：https://www.it610.com/article/1290714377560858624.htm

检验和计算可能由网络网络驱动，协议驱动，甚至是硬件完成。

高层校验通常是由协议执行，并将完成后的包转交给硬件。

比较新的网络硬件可以执行一些高级功能，如IP检验和计算，这被成为checksum offloading。网络驱动不会计算校验和，只是简单将校验和字段留空或填入无效信息，交给硬件计算。

发送数据时，首部校验和计算：二进制反码求和。

把IP数据包的校验和字段置为全0。
将首部中的每 2 个字节当作一个数，依次求和。
把结果取反码。
把得到的结果存入校验和字段中。

接收数据时，首部校验和验证过程：

首部中的每 2 个字节当作一个数，依次进行求和，包括校验和字段。
检查计算出的校验和的结果是否全为1（反码应为16个0）。
如果等于零，说明被整除，校验和正确。否则，校验和就是错误的，协议栈要抛弃这个数据包。

为什么计算出的校验和结果全为1？

因为如果校验依时次求和，不包含校验和字段的话，得出的值就是校验和字段的反码。

校验和的反码和校验和求和，当然是全1啦。

9.3.11 二进制反码求和

IP/ICMP/IGMP/TCP/UDP等协议的校验和算法都是相同的。

二进制反码求和：（求和再反码，结果一致）

对两个二进制数进行加法运算。
加法规则：0+0=0，0+1=1，1+1=10（进位1加到下一bit）。
若最高两位相加仍然有进位，则在最后的结果中+1即可。
对最终结果取反码。

相关源码参考LwIP\core\inet_chksum.c中的lwip_standard_chksum()。

这里提取版本3分析：

前期先确保4字节对齐，如果不是4字节对齐，就补到4字节对齐。
后面采用32 bit累加。溢出后，在低位+1。
- 为什么？：这里读者可能会有个疑问，IP数据包的校验和不是要求16 bit求和的吗？这里为什么能用32 bit求和？
- 答：起始要求是16 bit，但是实际计算时只要大于16 bit即可，因为到最后，可以把高位折叠加到低位。
- 例子：按32bit累加，溢出就在低位+1。其实就是两组两个（高、低）16 bit对应累加，低16 bit累加的进位给高16 bit里加回1了。而高16 bit累加的进位在底16 bit里加回1了（手动）。这样，累加到最后剩下32bit。把高16bit和低16bit进行累加，进位再加1即可快速得到16bit的校验和。
数据后部分可能不是8字节对齐，所以剩余的字节也需要16bit校验和处理。

思路图：

【lwip】09-IPv4协议&超全源码实现分析

由于目的是16 bit的校验和。其实可以看成两组2个8bit对应相加，低8bit组进位给高8bit组，高8bit组进位给低8bit组。所以相加值是对应高、低8bit相互独立的。

而下面函数就是利用这个特性，如果首字节为奇地址，先单独取出来放到t的高地址，因为后续的统计字节顺序是返的。等待全部统计完毕后，再把两个字节顺序调换即可。

如果是偶地址开始，那符合校验和规则，最后不需要调换字节顺序。

#if (LWIP_CHKSUM_ALGORITHM == 3) /* Alternative version #3 */
/**
 * An optimized checksum routine. Basically, it uses loop-unrolling on
 * the checksum loop, treating the head and tail bytes specially, whereas
 * the inner loop acts on 8 bytes at a time.
 *
 * @arg start of buffer to be checksummed. May be an odd byte address.
 * @len number of bytes in the buffer to be checksummed.
 * @return host order (!) lwip checksum (non-inverted Internet sum)
 *
 * by Curt McDowell, Broadcom Corp. December 8th, 2005
 */
u16_t
lwip_standard_chksum(const void *dataptr, int len)
{
  const u8_t *pb = (const u8_t *)dataptr; /* 取数据的地址 */
  const u16_t *ps;
  u16_t t = 0;
  const u32_t *pl;
  u32_t sum = 0, tmp;

  int odd = ((mem_ptr_t)pb & 1); /* 判断是否为奇地址 */

  if (odd && len > 0) { /* 如果不是2直接对齐 */
    /* 缓存奇地址上的字节，存于 t 的高位。数据地址偏移为偶，2字节对齐。 */
    /* 存到高位是为了和后面字节序保持一致，方便在最后一次性更正。 */
    ((u8_t *)&t)[1] = *pb++;
    len--; /* 字节数-1 */
  }

  /* 2字节对齐的数据起始地址 */
  ps = (const u16_t *)(const void *)pb;

  if (((mem_ptr_t)ps & 3) && len > 1) {/* 如果不是4字节对齐 */
    /* 把多出来的两字节保存到sum */
    sum += *ps++;
    len -= 2;
  }

  /* 4字节对齐的数据起始地址 */
  pl = (const u32_t *)(const void *)ps;

  while (len > 7)  {
    tmp = sum + *pl++;          /* ping */
    if (tmp < sum) {
      tmp++;                    /* 溢出，手动+1 */
    }

    sum = tmp + *pl++;          /* pong */
    if (sum < tmp) {
      sum++;                    /* 溢出，手动+1 */
    }

    len -= 8;
  }

  /* 折叠高、低16bit */
  sum = FOLD_U32T(sum);

  /* 处理剩余的字节 */
  ps = (const u16_t *)pl;

  /* 2字节处理 */
  while (len > 1) {
    sum += *ps++;
    len -= 2;
  }

  /* 剩余单字节 */
  if (len > 0) {                /* 补到前面t的低位 */
    ((u8_t *)&t)[0] = *(const u8_t *)ps;
  }

  sum += t;                     /* 把t也一起16bit校验和 */

  /* 两次折叠高、低16bit */
  sum = FOLD_U32T(sum);
  sum = FOLD_U32T(sum);

  if (odd) { /* 因为前面是从第二个字节和第三个字节开始进行统计的，字节序反了，这里在结果更正。 */
    sum = SWAP_BYTES_IN_WORD(sum);
  }

  return (u16_t)sum; /* 返回校验和 */
}
#endif

9.3.12 源IP字段

占用32 bit。

为源主机的IP地址。

9.3.13 目标IP字段

占用32 bit。

为目标主机的IP地址。

9.3.14 选项字段

0到40字节。

对于IP数据报首部来说，其大小必须为4字节的整数倍。

如果选项字段长度不为4的倍数，则需要用0进行填充。

在 LwIP 中只识别选项字段，不会处理选项字段的内容。

该字段在IPv6报文中已经被移除了。

9.3.15 数据区字段

IP 数据报的最后的一个字段，装载着当前IP数据报的数据，是上层协议的数据报。

9.3.16 对应wireshark包分析

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9.4 IP首部数据结构

注意：网络字节序是大端的。

ipv4的IP首部数据结构：对应IP首部报文图。

/* The IPv4 header */
struct ip_hdr {
  /* version / header length */
  PACK_STRUCT_FLD_8(u8_t _v_hl); /* 版本号字段（4）+首部长度字段（4）单位字 */
  /* type of service */
  PACK_STRUCT_FLD_8(u8_t _tos); /* 服务类型TOS字段（8） */
  /* total length */
  PACK_STRUCT_FIELD(u16_t _len); /* 总长度字段（16）单位字节 */
  /* identification */
  PACK_STRUCT_FIELD(u16_t _id); /* 标识字段字段（16） */
  /* fragment offset field */
  PACK_STRUCT_FIELD(u16_t _offset); /* 标志字段（3）+分片偏移量字段（13）单位两字 */
#define IP_RF 0x8000U        /* 标志字段第一位：字段保留 */
#define IP_DF 0x4000U        /* 标志字段第二位：不发片掩码 */
#define IP_MF 0x2000U        /* 标志字段第三位：更多分片掩码 */
#define IP_OFFMASK 0x1fffU   /* 分片偏移量字段的掩码 */
  /* time to live */
  PACK_STRUCT_FLD_8(u8_t _ttl); /* TTL字段（8） */
  /* protocol*/
  PACK_STRUCT_FLD_8(u8_t _proto); /* 上层协议类型字段（8） */
  /* checksum */
  PACK_STRUCT_FIELD(u16_t _chksum); /* 首部校验和字段（16） */
  /* source and destination IP addresses */
  PACK_STRUCT_FLD_S(ip4_addr_p_t src); /* 源IP字段（32） */
  PACK_STRUCT_FLD_S(ip4_addr_p_t dest); /* 目的IP字段（32） */
} PACK_STRUCT_STRUCT;

由于IP首部部分字段的操作涉及到bit，所以lwip也封装出对应的宏操作。

/* 均为网络字节序 */
/* Macros to get struct ip_hdr fields: */
#define IPH_V(hdr)  ((hdr)->_v_hl >> 4) /* 获取版本号 */
#define IPH_HL(hdr) ((hdr)->_v_hl & 0x0f) /* 获取首部长度字段值 */
#define IPH_HL_BYTES(hdr) ((u8_t)(IPH_HL(hdr) * 4)) /* 获取首部长度，单位字节 */
#define IPH_TOS(hdr) ((hdr)->_tos) /* 获取服务类型TOS */
#define IPH_LEN(hdr) ((hdr)->_len) /* 获取IP数据报总长度 */
#define IPH_ID(hdr) ((hdr)->_id) /* 获取标识字段 */
#define IPH_OFFSET(hdr) ((hdr)->_offset) /* 获取标志字段+分片偏移量字段 */
#define IPH_OFFSET_BYTES(hdr) ((u16_t)((lwip_ntohs(IPH_OFFSET(hdr)) & IP_OFFMASK) * 8U)) /* 获取分片偏移量，单位字节 */
#define IPH_TTL(hdr) ((hdr)->_ttl) /* 获取TTL */
#define IPH_PROTO(hdr) ((hdr)->_proto) /* 获取协议类型 */
#define IPH_CHKSUM(hdr) ((hdr)->_chksum) /* 获取首部校验和字段 */

/* Macros to set struct ip_hdr fields: */
#define IPH_VHL_SET(hdr, v, hl) (hdr)->_v_hl = (u8_t)((((v) << 4) | (hl))) /* 设置版本号 */
#define IPH_TOS_SET(hdr, tos) (hdr)->_tos = (tos) /* 设置服务类型TOS */
#define IPH_LEN_SET(hdr, len) (hdr)->_len = (len) /* 设置总长度字段值 */
#define IPH_ID_SET(hdr, id) (hdr)->_id = (id) /* 设置标识 */
#define IPH_OFFSET_SET(hdr, off) (hdr)->_offset = (off) /* 设置标志字段+分片偏移量字段 */
#define IPH_TTL_SET(hdr, ttl) (hdr)->_ttl = (u8_t)(ttl) /* 设置TTL */
#define IPH_PROTO_SET(hdr, proto) (hdr)->_proto = (u8_t)(proto) /* 设置协议类型 */
#define IPH_CHKSUM_SET(hdr, chksum) (hdr)->_chksum = (chksum) /* 设置首部校验和 */

9.5 网卡路由

9.5.1 路由网卡匹配

从官方源码看，匹配网卡的流程：

ip4_route_src()：

先函数LWIP_HOOK_IP4_ROUTE_SRC()匹配。
然后到ip4_route()基函数匹配。

9.5.2 路由网卡匹配基函数

ip4_route()：

多播IP优先匹配多播专用网卡ip4_default_multicast_netif。
遍历网卡：
- 有效网卡先匹配子网；
- 子网匹配失败就匹配网关，网卡不能有广播能力。
环回IP：如果开启了各个网卡的环回功能，且没有创建环回网卡：
- 说明：因为创建了环回网卡，在遍历链表时，就会把环回IP 127.x.x.x都会匹配到环回网卡。
- 对于环回IP，优先匹配默认网卡netif_default。
- 再遍历网卡，第一个协议栈有效的网卡即可。
钩子匹配：（由用户实现）
- 先LWIP_HOOK_IP4_ROUTE_SRC(src, dest);
- 再LWIP_HOOK_IP4_ROUTE(dest);
以上都没有匹配成功，则使用netif_default，必须条件：
- 默认网卡netif_default存在；
- 默认网卡协议栈有效；
- 默认网卡数据链路有效；
- 默认网卡IP有效。
- 匹配的目的IP不能为环回IP（因为如果是环回IP，前面已经匹配过了，除非没有开启该功能）

/**
 * Finds the appropriate network interface for a given IP address. It
 * searches the list of network interfaces linearly. A match is found
 * if the masked IP address of the network interface equals the masked
 * IP address given to the function.
 *
 * @param dest the destination IP address for which to find the route
 * @return the netif on which to send to reach dest
 */
struct netif *
ip4_route(const ip4_addr_t *dest)
{
#if !LWIP_SINGLE_NETIF
  struct netif *netif;

  /* 确保在tcpip内核锁内 */
  LWIP_ASSERT_CORE_LOCKED();

#if LWIP_MULTICAST_TX_OPTIONS /* 开启了组播TX功能 */
  /* 如果目的IP是一个组播地址，且协议栈内创建了组播专用网卡，则选用组播专用网卡接口 */
  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);

  /* 遍历网卡链表 */
  NETIF_FOREACH(netif) {
    /* 网卡协议栈有效，网卡链路层也有效，网卡的IP地址不为全0 */
    if (netif_is_up(netif) && netif_is_link_up(netif) && !ip4_addr_isany_val(*netif_ip4_addr(netif))) {
      /* 匹配传入的目的IP和网卡是否处于同一个子网 */
      if (ip4_addr_net_eq(dest, netif_ip4_addr(netif), netif_ip4_netmask(netif))) {
        /* 匹配成功。返回netif，以转发IP数据包 */
        return netif;
      }
      /* 当前网卡子网匹配不成功 */
      /* 那就匹配下网关，匹配规则：网卡没有广播功能，目的IP和网关IP一致。也算匹配成功，因为上层的目的是到网关。当前网卡能把数据传达到网卡。 */
      if (((netif->flags & NETIF_FLAG_BROADCAST) == 0) && ip4_addr_eq(dest, netif_ip4_gw(netif))) {
        /* 匹配成功。返回netif，以转发IP数据包 */
        return netif;
      }
    }
  }

  /* 到这，遍历网卡，匹配失败 */

/* 开启了环回功能，但是没有创建环回网卡。（因为如果创建了环回网卡，在遍历网卡链表时就已经处理过了，这里不需要再处理） */
#if LWIP_NETIF_LOOPBACK && !LWIP_HAVE_LOOPIF
  /* 如果目的IP是一个环回IP地址，则优先返回默认网卡，否则返回网卡链表中第一个协议栈使能了的网卡作为当前环回网卡 */
  if (ip4_addr_isloopback(dest)) { /* 目的IP是一个环回IP */
    if ((netif_default != NULL) && netif_is_up(netif_default)) {
      /* 优先考虑默认网卡。如果有默认网卡，且默认网卡协议栈使能了，则以此网卡作为本次环回网卡 */
      return netif_default;
    }
    /* 默认网卡没有匹配成功，则从网卡链表中找一个协议栈已使能的网卡作为本次环回网卡 */
    NETIF_FOREACH(netif) {
      if (netif_is_up(netif)) {
        return netif;
      }
    }
    return NULL; /* 都没找到，那就匹配失败 */
  }
#endif /* LWIP_NETIF_LOOPBACK && !LWIP_HAVE_LOOPIF */

#ifdef LWIP_HOOK_IP4_ROUTE_SRC /* 如果开启了匹配网卡的钩子宏函数 */
  netif = LWIP_HOOK_IP4_ROUTE_SRC(NULL, dest); /* 使用宏钩子匹配 */
  if (netif != NULL) {
    return netif;
  }
#elif defined(LWIP_HOOK_IP4_ROUTE) /* 网卡匹配钩子 */
  netif = LWIP_HOOK_IP4_ROUTE(dest); /* 使用宏钩子匹配 */
  if (netif != NULL) {
    return netif;
  }
#endif
#endif /* !LWIP_SINGLE_NETIF */

  /* 上述方案都无法匹配到网卡，就检查网卡网卡是否正常，正常则就返回默认网卡 */

  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)) {
    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; /* 返回默认网络接口 */
}

9.5.3 路由网卡匹配支持源IP和目的IP网卡匹配的接口

匹配网卡，一般是按照目的IP来匹配，但是可以通过LWIP_HOOK_IP4_ROUTE_SRC()钩子宏函数来实现源IP地址和目的IP地址匹配。

ip4_route_src()：

如果源IP地址不为空，则会先传入LWIP_HOOK_IP4_ROUTE_SRC()钩子函数来匹配网卡。
钩子函数匹配失败或者源IP地址为空，则由ip4_route()只根据目的IP地址匹配。

#ifdef LWIP_HOOK_IP4_ROUTE_SRC
/**
 * Source based IPv4 routing must be fully implemented in
 * LWIP_HOOK_IP4_ROUTE_SRC(). This function only provides the parameters.
 */
struct netif *
ip4_route_src(const ip4_addr_t *src, const ip4_addr_t *dest)
{
  if (src != NULL) {
    /* 当src==NULL时，钩子会从ip4_route(dest)调用 */
    struct netif *netif = LWIP_HOOK_IP4_ROUTE_SRC(src, dest);
    if (netif != NULL) {
      return netif;
    }
  }
  return ip4_route(dest);
}
#endif /* LWIP_HOOK_IP4_ROUTE_SRC */

9.5.4 路由网卡匹配的钩子函数

通过分析前面的基函数和接口函数，可发现其实现是支持宏钩子函数，即是支持用户自己实现网卡匹配的逻辑的。

有两个宏钩子：

LWIP_HOOK_IP4_ROUTE_SRC(src, dest)：钩子入口参数有源IP和目的IP。
LWIP_HOOK_IP4_ROUTE(dest)：钩子入口参数只有目的IP。

9.5.5 收包网卡匹配

当IP层收到一个IP报文时，也要收包网卡匹配。

而且IP包的输入和输出的网卡匹配是不一样的，比如普通的IP单播包，输出时，只需要找到目的IP和网卡处于同一个子网或者是该网卡的网关即可匹配。而输入时，需要明确目的IP就是该网卡IP。

收包的网卡匹配除了ip4_input_accept()这个主要函数外，还有很多独立的匹配条件，具体看IP层输入章节。

这里只分析ip4_input_accept()：

在调用该API前，应该先配置全局IP数据结构成员值：struct ip_globals ip_data;
需要被匹配的网卡必须在协议栈方向使能了，且IP地址为有效地址。
- 单播包，目的地址和网卡地址一致，网卡匹配成功。
- 广播包，IP地址bit全1，必定是广播地址。如果网卡就被广播能力，且IP地址的主机号bit全1，也是子网广播地址。都匹配成功。
- 环回，没有环回网卡，且目的IP地址为环回IP IPADDR_LOOPBACK。匹配成功。

/** Return true if the current input packet should be accepted on this netif */
static int
ip4_input_accept(struct netif *netif)
{
  LWIP_DEBUGF(IP_DEBUG, ("ip_input: iphdr->dest 0x%"X32_F" netif->ip_addr 0x%"X32_F" (0x%"X32_F", 0x%"X32_F", 0x%"X32_F")\n",
                         ip4_addr_get_u32(ip4_current_dest_addr()), ip4_addr_get_u32(netif_ip4_addr(netif)),
                         ip4_addr_get_u32(ip4_current_dest_addr()) & ip4_addr_get_u32(netif_ip4_netmask(netif)),
                         ip4_addr_get_u32(netif_ip4_addr(netif)) & ip4_addr_get_u32(netif_ip4_netmask(netif)),
                         ip4_addr_get_u32(ip4_current_dest_addr()) & ~ip4_addr_get_u32(netif_ip4_netmask(netif))));

  /* 网卡是否在协议栈中使能且网卡地址有效？ */
  if ((netif_is_up(netif)) && (!ip4_addr_isany_val(*netif_ip4_addr(netif)))) {
    /* 是否是单播到这个接口地址? */
    if (ip4_addr_eq(ip4_current_dest_addr(), netif_ip4_addr(netif)) ||
        /* 或者广播这个接口的网络地址? */
        ip4_addr_isbroadcast(ip4_current_dest_addr(), netif)
#if LWIP_NETIF_LOOPBACK && !LWIP_HAVE_LOOPIF /* 如果开启环回功能，但是没有创建环回网卡 */
        /* 目的IP是一个环回的IP地址，也就是给当前网卡的，能匹配成功 */
        || (ip4_addr_get_u32(ip4_current_dest_addr()) == PP_HTONL(IPADDR_LOOPBACK))
#endif /* LWIP_NETIF_LOOPBACK && !LWIP_HAVE_LOOPIF */
       ) {
      LWIP_DEBUGF(IP_DEBUG, ("ip4_input: packet accepted on interface %c%c\n",
                             netif->name[0], netif->name[1]));
      /* accept on this netif */
      return 1;
    }
#if LWIP_AUTOIP
    /* 更改netif地址后，链路本地地址的连接必须保持(RFC3927 ch. 1.9) */
    /* 即是netif网卡地址更新为可路由地址了，原本本地链路地址的连接必须保持，所以数据包能得到当前网卡。匹配成功 */
    if (autoip_accept_packet(netif, ip4_current_dest_addr())) {
      LWIP_DEBUGF(IP_DEBUG, ("ip4_input: LLA packet accepted on interface %c%c\n",
                             netif->name[0], netif->name[1]));
      /* accept on this netif */
      return 1;
    }
#endif /* LWIP_AUTOIP */
  }
  return 0;
}

9.6 IP层数据流图

【lwip】09-IPv4协议&超全源码实现分析

9.7 IP层输出

ipv4。

当上层需要发送数据时，会先将自己的数据包组装在一个pbuf中。并将payload指针指向对应协议首部。

然后调用ip_output()发送数据，需要给ip_output()函数提供源IP、目的IP、协议类型、TTL等重要信息让其组IP包。

该函数直接或者间接调用ip4_route_src()根据目的IP选出一个匹配的网卡作为本次IP数据包传输网卡。

选出后调用ip4_output_if()进行IP数据包组包，并调用netif->output()发送出去。或者调用netif_loop_output()环回到本网卡。

9.7.1 发送数据报

上层调用ip_output()把数据转交给IP层处理，lwip支持ipv4和ipv6，这里默认分析ipv4，因为ipv6也是一大块，后面有时间再完整分析下。

/**
 * @ingroup ip
 * Output IP packet, netif is selected by source address
 */
#define ip_output(p, src, dest, ttl, tos, proto) \
        (IP_IS_V6(dest) ? \
        ip6_output(p, ip_2_ip6(src), ip_2_ip6(dest), ttl, tos, proto) : \
        ip4_output(p, ip_2_ip4(src), ip_2_ip4(dest), ttl, tos, proto))

9.7.2 ip层前期处理：ip4_output()

ipv4发包：

检查pbuf的引用ref是否为1。为1才能说明当前pbuf没有被其它地方引用，因为IP层处理可能会改变这个pbuf的部分指针值，如payload。
调用ip4_route_src()匹配网卡。
调用ip4_output_if()把数据包传入IP层处理。

/**
 * Simple interface to ip_output_if. It finds the outgoing network
 * interface and calls upon ip_output_if to do the actual work.
 *
 * @param p the packet to send (p->payload points to the data, e.g. next
            protocol header; if dest == LWIP_IP_HDRINCL, p already includes an
            IP header and p->payload points to that IP header)
 * @param src the source IP address to send from (if src == IP4_ADDR_ANY, the
 *         IP  address of the netif used to send is used as source address)
 * @param dest the destination IP address to send the packet to
 * @param ttl the TTL value to be set in the IP header
 * @param tos the TOS value to be set in the IP header
 * @param proto the PROTOCOL to be set in the IP header
 *
 * @return ERR_RTE if no route is found
 *         see ip_output_if() for more return values
 */
err_t
ip4_output(struct pbuf *p, const ip4_addr_t *src, const ip4_addr_t *dest,
           u8_t ttl, u8_t tos, u8_t proto)
{
  struct netif *netif;

  /* 下传到IP层的pbuf的ref必须为1，即是没有被其它地方引用，因为pbuf下传到IP层后，pbuf的payload指针会被更改。
    如果这个pbuf被其它地方引用了，可能会导致数据混乱。 */
  LWIP_IP_CHECK_PBUF_REF_COUNT_FOR_TX(p);

  /* 根据目的IP地址为数据报寻找一个合适的网络接口（匹配网卡） */
  if ((netif = ip4_route_src(src, dest)) == NULL) { /* 没找到，记录信息，返回错误 */
    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;
  }

  /* 匹配到网卡，传入IP层处理：组包、发送 */
  return ip4_output_if(p, src, dest, ttl, tos, proto, netif);
}

9.7.3 发包前的网卡匹配

IP层收到上层的数据包后，需要匹配到网络接口，才能组IP包发出去。

这里调用ip4_route_src()进行网卡匹配。具体分析参考前面。

9.7.4 组建、发送IP包

注意几个函数的区别：

ip4_output_if()：这个函数封装了底层IP层组包、发送的实现函数。
ip4_output_if_src()：这个函数就是IP层组包、发送的实现函数。不支持IP首部的选项字段。
ip4_output_if_opt()：这也是IP层组包、发送的实现函数，会用选中的网卡IP地址覆盖传入的源IP地址。支持IP首部的选项字段。
ip4_output_if_opt_src()：这也是IP层组包、发送的实现函数，不会用选中的网卡IP地址覆盖传入的源IP地址。支持IP首部的选项字段。

9.7.5 IP数据报分片

注意：lwip分片偏移不支持IP首部带选项字段的。

从IP报文首部就可知，有分片概念。

不是每个底层网卡都能承载每个 IP 数据报长度的报文。如：

以太网帧最大能承载 1500 个字节的数据。
某些广域网链路的帧可承载不超过 576 字节的数据。

一个链路层帧能承载的最大数据量叫做最大传送单元（Maximum TransmissionUnit，MTU）。

IP 数据报的分片偏移量是用 8 的整数倍记录的，所以每个数据报中的分片数据大小也必须是 8 的整数倍。

IP数据报分片主要关注IP首部的标识字段、标志字段和分片偏移量字段。具体往前看。

参考图：【lwip】09-IPv4协议&超全源码实现分析

【lwip】09-IPv4协议&超全源码实现分析

前言

9.1 IP协议简述

9.2 IP地址分类

9.2.1 私有地址

9.2.2 受限广播地址

9.2.3 直接广播地址

9.2.4 多播地址

9.2.5 环回地址

9.2.6 本地链路地址

9.2.7 本网络本主机地址

9.2.8 子网

9.2.9 NAT 概念

9.3 IP数据报

9.3.1 版本号字段

9.3.2 首部长度字段

9.3.3 服务类型（TOS：type of service）字段

9.3.4 总长度字段

9.3.5 标识字段

9.3.6 标志字段

9.3.7 分片偏移量字段

9.3.8 生存时间（Time-To-Live，TTL）字段

9.3.9 协议字段

9.3.10 首部校验和字段

9.3.11 二进制反码求和

9.3.12 源IP字段

9.3.13 目标IP字段

9.3.14 选项字段

9.3.15 数据区字段

9.3.16 对应wireshark包分析

9.4 IP首部数据结构

9.5 网卡路由

9.5.1 路由网卡匹配

9.5.2 路由网卡匹配基函数

9.5.3 路由网卡匹配支持源IP和目的IP网卡匹配的接口

9.5.4 路由网卡匹配的钩子函数

9.5.5 收包网卡匹配

9.6 IP层数据流图

9.7 IP层输出

9.7.1 发送数据报

9.7.2 ip层前期处理：ip4_output()

9.7.3 发包前的网卡匹配

9.7.4 组建、发送IP包

9.7.5 IP数据报分片

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