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LWIP的IP 协议栈

news 2025/8/20 11:25:20

IP 协议栈

下面的分析把上文对 IPv4 概念的说明与 lwIP 中的具体实现代码对应起来，便于将理论与实现对照理解。分析覆盖：输入处理、路由与转发、输出与报文构建、分片/重组、校验和与各种配置点（hook、选项、统计等）。

目录（快速导航）

ip4_input：接收与分发流程
ip4_route / ip4_forward：路由与转发决策
ip4_output_if / ip4_output：报文构建与发送
校验和（inet_chksum、CHECKSUM_GEN_IP_INLINE）
分片（ip4_frag）与重组（ip4_reass）
辅助逻辑：广播/组播、DHCP 链路层地址接收、HOOKs、统计计数器

1. 接收流程（ip4_input）

对应代码函数：ip4_input(struct pbuf *p, struct netif *inp)

主要步骤：

基本验证：
- 检查版本 IPH_V(iphdr) == 4，否则丢弃（并记录错误）。
- 计算首部长度 iphdr_hlen = IPH_HL_BYTES(iphdr)，总长度 iphdr_len = lwip_ntohs(IPH_LEN(iphdr))，并用 pbuf_realloc/检查 p->tot_len，防止长度不一致。
校验和：
- 在 CHECKSUM_CHECK_IP 启用且 netif 支持时，调用 inet_chksum(iphdr, iphdr_hlen) 检查 IP 首部。
地址拷贝与 netif 匹配：
- 将 src/dest 拷贝到 ip_data.current_iphdr_*，调用 ip4_input_accept() 判断本接口是否接受（检查网卡是否 up、是否和本机 IP 匹配、广播/回环等）。
- 对组播，若启用 IGMP，会查 igmp_lookfor_group() 决定是否接受。
- 若 netif==NULL，且 IP_ACCEPT_LINK_LAYER_ADDRESSING 条件下，若目标为 DHCP 客户端端口，也会接受（允许链路层寻址的 DHCP 报文）。
源地址合法性检查：
- 拒绝源地址为广播或组播的包（RFC 1122 要求）。
非本机包处理：
- 如果 netif == NULL（不是给本机），在启用 IP_FORWARD 时调用 ip4_forward()，否则丢弃。
分片处理：
- 检测 IP_MF 或偏移不为 0，即是分片，调用 ip4_reass()（若启用 IP_REASSEMBLY）进行重组；若不启用，直接丢弃。
IP 选项：
- 若 IP_OPTIONS_ALLOWED == 0 且存在选项（除 IGMP router-alert 的特殊允许），则丢弃。
分发到传输层：
- pbuf_remove_header(p, iphdr_hlen) 将 payload 调到传输层头部。
- 根据 IP_PROTO 调用 udp_input/tcp_input/icmp_input/igmp_input 或 raw_input/返回 ICMP 不可达。
清理与统计：
- 使用 IP_STATS/MIB2 增加相应统计。

要点：

lwIP 在 ip 层只检查 IP 首部检验和（传输层有自己的校验），并在每个路由器处重新计算首部校验和（因为 TTL 会被减 1）。
pbuf 是 lwIP 的缓冲结构，ip4_input 会对 pbuf 做裁剪（pbuf_realloc）和头部移动（pbuf_remove_header）。

ip数据报格式。

在这里插入图片描述

2. 路由与转发（ip4_route / ip4_forward）

ip4_route(const ip4_addr_t *dest)
- 线性遍历 netif 列表，检查 netif 是否 up、link up 且有地址；用 ip4_addr_netcmp 与 netmask 比较判断是否同网段。
- 对多播有 ip4_default_multicast_netif 的支持（LWIP_MULTICAST_TX_OPTIONS）。
- 若没有找到合适的 netif，会尝试 netif_default（并记录 rterr）。
ip4_forward(struct pbuf *p, struct ip_hdr *iphdr, struct netif *inp)
- 首先用 ip4_canforward() 检查地址是否允许转发（不转发广播、多播、实验地址、回环等）。
- 禁止转发链路本地地址（RFC3927）。
- 查找下一跳 netif = ip4_route_src(src, dest)（可能有源地址路由 hook）。
- 防止在输入 netif 上再次发出（可由 IP_FORWARD_ALLOW_TX_ON_RX_NETIF 控制）。
- TTL–，若变为 0 则丢弃并发送 ICMP Time Exceeded（不对 ICMP 报文回复 ICMP）。
- 增量更新首部校验和（不必完全重算）。
- 处理分片：若 p->tot_len > netif->mtu：
  - 若允许分片（DF 未置位）且 IP_FRAG 启用，则调用 ip4_frag()。
  - 否则发送 ICMP Destination Unreachable (Fragmentation Needed)。
- 最后调用 netif->output(netif, p, dest) 将数据放到链路层。

要点：

转发功能可选（IP_FORWARD 宏）。嵌入式通常按需启用。
增量校验和更新是性能优化（仅因为 TTL 字段改变）。

3. 发送与报文构建（ip4_output_if / ip4_output）

对应函数：ip4_output_if_src / ip4_output_if / ip4_output

主要流程：

ip4_output()：高层入口，先通过 ip4_route_src 找到合适 netif，然后调用 ip4_output_if()。
ip4_output_if()：判断是否需要生成 IP 首部（dest != LWIP_IP_HDRINCL）。
- 若需要生成：
  - 可能插入 IP 选项（IP_OPTIONS_SEND），并把 pbuf 前面扩展出选项区与 IP_HLEN（pbuf_add_header）。
  - 填写 IP 字段：版本、头长、TOS、长度（p->tot_len）、标识（ip_id++）、偏移（0）、TTL、协议、源/目的地址。
  - 计算并填写首部校验和（支持 inline 计算或 inet_chksum，受 CHECKSUM_GEN_IP_INLINE、CHECKSUM_GEN_IP、NETIF_CHECKSUM_GEN_IP 控制）。
- 若 dest == LWIP_IP_HDRINCL：p 已包含 IP 头，直接使用 p->payload。
回环与多播处理：
- 若目标是本机地址或 loopback，则调用 netif_loop_output。
- 若 IP_FRAG 启用且 p->tot_len > netif->mtu，则调用 ip4_frag() 分片发送。
最后调用 netif->output(netif, p, dest)。

要点：

ip_id 是静态全局 u16_t，用于 IP 标识字段（RFC791 建议各实现可自有策略）。
LWIP 支持用户提前构造 IP 头（LWIP_IP_HDRINCL），或由栈自动构建。
netif->output 负责把 IP 包封装到链路层（通常最终会调用 etharp_output 或底层驱动）。

4. 校验和实现细节

IP 首部校验和：
- 接收时：CHECKSUM_CHECK_IP 宏控制是否在 netif 启用硬件/软件校验时检查；使用 inet_chksum(iphdr, iphdr_hlen)。
- 发送时：CHECKSUM_GEN_IP 或 CHECKSUM_GEN_IP_INLINE 控制是否内联计算校验和或调用 inet_chksum。
- LWIP_CHECKSUM_CTRL_PER_NETIF 允许 per-netif 配置是否生成/检查校验和。
传输层校验和（TCP/UDP）由各层自己计算/检查。

要点：

每次路由器处理需要修改 TTL，会相应更新首部校验和（代码用增量方式更新，避免重算）。

5. 分片（ip4_frag）与重组（ip4_reass）

分片发送：ip4_frag(struct pbuf *p, struct netif *netif, const ip4_addr_t *dest)

只在发送端且 netif->mtu 小于 p->tot_len 时触发（并受 IP_FRAG 宏控制）。
要点：
- 不支持 IP options（IPH_HL_BYTES 必须等于 IP_HLEN）。
- 以 8 字节为单位分片（nfb = (mtu - IP_HLEN)/8）。
- 使用 pbuf_alloc / pbuf_alloced_custom 等机制，创建每个片的 pbuf 链（有的配置使用 PBUF_REF 避免复制）。
- 每个片设置偏移量（IP_OFFMASK + IP_MF），设置长度、首部校验和，并调用 netif->output 发送。
- 若内存不足返回 ERR_MEM。

分片重组：ip4_reass(struct pbuf *p)

仅在 IP_REASSEMBLY 启用时存在。
使用 struct ip_reassdata 链表保存正在重组的报文，每个报文链由多个 pbuf（头部被替换为 ip_reass_helper 结构）串联。
关键点：
- ip_reass_enqueue_new_datagram：为新报文分配 ip_reassdata。
- ip_reass_chain_frag_into_datagram_and_validate：插入并检测重叠、缺片、排序；计算是否已全部接收。
- ip_reass_pbufcount 控制系统内排队 pbuf 总量（避免资源耗尽）。
- 超时机制 ip_reass_tmr（每 IP_TMR_INTERVAL 调用一次，过期则清理并可能发送 ICMP Time Exceeded）。
- 成功重组时把 pbuf 链拼接、恢复 IP 头并返回完整 pbuf。

要点：

重组在接收端进行（端系统处理），路由器不重组。
若发生重叠或资源不足，会丢弃分片/报文并统计相应错误。
支持策略：IP_REASS_FREE_OLDEST 在队满时释放最旧报文以给新报文空间。
何时发生分片
- 当要发送的 IP 数据报（包括 IP 首部）比下一跳链路的 MTU 大时，源主机或转发主机必须将数据报分片以适应 MTU。
- 如果 IP 头部的 DF（Don’t Fragment）位被置位，则不能分片，若超过 MTU 则应产生 ICMP Destination Unreachable（Fragmentation Needed）。
分片的单位与偏移量
- IPv4 分片偏移量（Fragment Offset）单位是 8 字节（64 位）。因此，除首/尾片外每个分片的数据长度必须是8的整数倍（除非是最后一个分片）。
- lwIP 中计算每片数据块数： nfb = (netif->mtu - IP_HLEN) / 8；实际每片数据字节数 = nfb * 8。
发送端（ip4_frag）的关键步骤（对应源码要点）
- 不支持带 IP option 的数据报（在 lwIP ip4_frag 中要求 IPH_HL_BYTES == IP_HLEN）。
- 计算要分的片数并循环：
  - 为每片准备 pbuf：在不同配置下使用 PBUF_RAM（复制数据）或用 PBUF_REF / pbuf_alloced_custom 来引用原始 pbuf 的数据以避免拷贝（节省内存/CPU）。
  - 设置每片的 IP 首部字段：
    - 将原始首部复制到每个片的首部位置（除某些字段外保持一致）。
    - 设置长度（片的总长度 = IP_HLEN + 片数据长度）。
    - 计算并设置分片偏移量（以 8 字节为单位）和 MF（更多片）位：除最后一片外 MF=1，最后一片 MF=0。
    - 计算 IP 首部校验和（受 CHECKSUM_GEN_IP / CHECKSUM_GEN_IP_INLINE / NETIF_CHECKSUM_GEN_IP 控制）。
  - 调用 netif->output(netif, rambuf, dest) 逐片发送，然后释放 rambuf（注意硬件可能异步使用）。
- 返回 ERR_OK 或在内存不足时返回 ERR_MEM。
接收端重组（ip4_reass）的关键步骤（对应源码要点）
- 入口：当接收到分片（IPH_OFFSET 中含有 MF 或 offset != 0）时，ip4_input 调用 ip4_reass。
- 结构与队列：
  - 用 struct ip_reassdata 链表保存待重组的报文（每个 ip_reassdata 保留原始第一个片的 IP 头副本、timer、pbuf 链等）。
  - 为每个已接片在 pbuf 的 IP 首部处放置一个小的 helper 结构（ip_reass_helper），记录该片在整体报文中的 start/end 偏移以及指向下一个片的指针。
- 入队与插入验证（ip_reass_chain_frag_into_datagram_and_validate）：
  - 将新片按 start 偏移排序插入链表（在正确位置插入或追加）。
  - 检查重叠（可选，受 IP_REASS_CHECK_OVERLAP 控制）：若重叠或重复片可选择丢弃。
  - 检查“洞”（missing fragments）：若链中有间隙则标记为未完成（valid = 0）。
  - 若见到最后一片（MF==0），并且链上没有洞，则认为重组已完成。
- 资源与防护
  - 使用 ip_reass_pbufcount 跟踪已占用 pbuf 数量，并限制最大排队 pbuf（IP_REASS_MAX_PBUFS）。
  - 当达到上限时，可通过 IP_REASS_FREE_OLDEST 策略释放最旧报文以腾出空间（实现中有此可选行为）。
  - 超时机制：ip_reass_tmr 每 IP_TMR_INTERVAL（一般 1s）递减重组项 timer，超时后释放并（如果已接到第一个片）发送 ICMP Time Exceeded。
- 成功重组
  - 将所有片的 pbuf 链按顺序拼接：对于除第一片外每个片调用 pbuf_remove_header(r, IP_HLEN) 隐藏其 IP 首部，然后用 pbuf_cat 把它们追加到第一个 pbuf。
  - 恢复第一个 pbuf 的原始 IP 首部（从 ipr->iphdr 拷贝），设置总长度、将偏移设为 0，校验和重算（若需要）。
  - 从重组队列中移除并释放 ip_reassdata，更新 ip_reass_pbufcount，返回完整的 pbuf 链给上层处理。
- 失败情形
  - 如果出现重叠（并被配置为拒绝）、内存不足、或超时，丢弃分片并相应更新统计；在某些情形会发送 ICMP（例如超时发送 Time Exceeded，或 DF 导致分片失败则转发端会触发 ICMP）。
路由器与终端的区别
- 路由器不应（且在 lwIP 默认实现中不）对通过它的分片进行重组：重组工作放在目的主机（端系统）上。路由器只转发分片（除非路由器自身就是目的主机）。
- 因此分片可以在路径上的不同链路被再次分片（分片的再分片），最终端系统负责按偏移装配回原始数据报。
安全与性能注意事项
- 分片可被滥用用于逃避检测或触发 DoS（大量未完成的重组会耗尽内存）。建议：
  - 限制 IP_REASS_MAX_PBUFS（或直接禁用 IP_REASSEMBLY，当能保证上层不依赖分片时）。
  - 启用 IP_REASS_FREE_OLDEST 或短重组超时以减少资源占用窗口。
  - 严格处理重叠片（拒绝或按策略合并）。
- 分片/重组会增加延迟并消耗内存与 CPU，能避免时尽量通过 Path MTU Discovery（PMTUD）或尽量发送小包减少分片需求。
示例
- 原始 IP 数据段：3980 字节（不含 20 字节 IP 头），通过 MTU=1500 的链路。
- 每片能承载的数据 = 1500 - 20 = 1480 字节（且为8字节倍数）。
- 分片方案：
  - 分片 1：数据长度 1480，偏移 0，MF = 1，总长 1500（含 20 字节头）。
  - 分片 2：数据长度 1480，偏移 1480/8 = 185，MF = 1，总长 1500。
  - 分片 3（最后片）：数据长度 = 3980 - 1480 - 1480 = 1020，偏移 = 185 + 185 = 370，MF = 0，总长 = 1020 + 20 = 1040。
- 目的主机收到三片后根据偏移（0, 185, 370）拼接成完整 3980 字节数据并交给传输层。
实践建议（对 lwIP 配置）
- 如果内存充足且需要接收任意分片：启用 IP_REASSEMBLY，合理增大 IP_REASS_MAX_PBUFS 并启用 IP_REASS_FREE_OLDEST（以减轻洪泛）。
- 对于路由器/网关：通常关闭重组（路由器不必重组）并启用转发（IP_FORWARD），确保 DF/MTU/ICMP Path MTU 策略正确。
- 若链路 MTU 可变或紧张：优先使用 PMTUD 或在上层限制 MSS/MTU，减少 IP 分片发生。

（上述流程直接映射至 lwIP 源码中的 ip4_frag、ip4_reass、ip_reass_tmr、ip_reass_chain_frag_into_datagram_and_validate、ip4_input 等函数）

6. 组播、广播与 DHCP（链路层寻址）

代码中对组播做了专门处理：
- ip4_input 在 dest 为 multicast 时会对 IGMP 做额外检查（igmp_lookfor_group）。
- ip4_route 支持 ip4_default_multicast_netif（LWIP_MULTICAST_TX_OPTIONS）。
将链路层寻址包（例如 DHCP Server->Client reply）在 netif down 时仍能接收：
- IP_ACCEPT_LINK_LAYER_ADDRESSING 宏及 IP_ACCEPT_LINK_LAYER_ADDRESSED_PORT 的扩展允许接受目的 IP 不匹配的 UDP 包（通常用于 DHCP）。
- 当 netif==NULL 并检测到 UDP 且目标端口为 DHCP 客户端端口时，强制接受。

7. Hook 与可配置项（可扩展点）

代码中暴露多个 hook / macro 以便定制：

LWIP_HOOK_IP4_INPUT：在 ip4_input 开始时可「吃掉」包（返回非 0 则视为已处理）。
LWIP_HOOK_IP4_ROUTE_SRC / LWIP_HOOK_IP4_ROUTE：可自定义路由选择（包括基于源地址的路由）。
LWIP_HOOK_IP4_CANFORWARD：自定义能否转发判断。
LWIP_NETIF_LOOPBACK / NETIF_FLAG_BROADCAST / NETIF_CHECKSUM_* 等编译时选项影响行为。

8. 统计与调试

大量 IP_STATS_*、MIB2_STATS_INC 用于统计收发、错误、转发、碎片、重组等信息，便于监控与调试。
IP_DEBUG / IP_REASS_DEBUG 等宏用于运行时打印调试信息（lwIP 的 LWIP_DEBUGF）。

9. 关联要点汇总

IP 地址与路由选择：理论上 IP 地址指定主机身份；实现上由 ip4_route() 根据 netif 和 netmask 找到发送接口。
TTL 防止循环：在 ip4_forward 中 TTL 每跳减 1，TTL 归 0 时发 ICMP 超时（icmp_time_exceeded）。
分片单位与重组：
- 理论：分片以 8 字节为单位；实现：nfb = (mtu - IP_HLEN) / 8，偏移以 8 字节单位设置。
- 重组仅在接收端完成：ip4_reass 使用链表与 helper 结构保存片段。
NAT：用户文中描述 NAT 工作方式（修改源 IP:port 并维护转换表）属于应用/路由器层，lwIP core 没有内置完整 NAT 实现，这种功能通常由路由器软件/OS 层实现（lwIP 可以作为设备上的 IP 层基础）。
校验和策略：IP 首部在每跳必须验证，发包时根据配置选择内联或函数计算；传输层还会做更广泛的校验（TCP/UDP 校验和）。

10. 常见调整建议

若设备作路由器：打开 IP_FORWARD、IP_FRAG、IP_REASSEMBLY；注意内存（IP_REASS_MAX_PBUFS）与安全（不要盲目接受链路层包）。
若网卡有硬件校验：启用 LWIP_CHECKSUM_CTRL_PER_NETIF 并为 netif 配置 NETIF_CHECKSUM_*，可节约 CPU。
对内存敏感：禁用 IP_REASSEMBLY 或启用 IP_REASS_FREE_OLDEST，慎重设置 IP_REASS_MAX_PBUFS。
若需要高性能：启用 CHECKSUM_GEN_IP_INLINE，避免重复拷贝（使用 PBUF_REF / custom pbufs）。

11. 参考源码位置

输入/输出主入口：ip4_input、ip4_output、ip4_output_if、ip4_output_if_src
转发/路由：ip4_route、ip4_forward、ip4_canforward
分片/重组：ip4_frag、ip4_reass、ip_reass_tmr、ip_reass_chain_frag_into_datagram_and_validate
辅助：ip4_addr_isbroadcast_u32、ip4addr_aton、ip4addr_ntoa_r 等地址工具

12. 小结

将理论与lwIP实现对照可以看出：IP 协议栈在嵌入式实现中需要在功能完备与资源受限之间做折中。lwIP 提供了丰富的编译时配置点（碎片、重组、校验和、路由 hook 等），可以根据设备角色（终端/路由器/网关）调整。理解 ip4_input/ip4_output/ip4_frag/ip4_reass 这几个核心函数，能帮助定位大多数网络问题（丢包、碎片、路由错误、校验失败、DHCP/组播交互等）。

在这里插入图片描述
核心思路：验证 → 匹配本机/多播/广播 → 是否需转发 → 是否为分片 → 重组或直接分发到上层协议（UDP/TCP/ICMP/IGMP）或丢弃/回复 ICMP。

关键处理步骤（按图自下而上）
1. ethernet_input() 把以太网帧交给 ip4_input()（若是 IPv4）。
  关联源码：ethernet_input、netif 层。
2. ip4_input() 首部验证（版本、首部长度、校验和、总长度）和源/目的地址基本检查。
  失败：丢弃并更新统计／可能发送 ICMP。
3. 判断是否 IPv4（图中 “IPv4?”）。不是则由上层其它处理或丢弃。
4. 检查目的地址是否为本机（ip4_addr_isloopback / 本机 IP / 多播 / 广播）。
  - 是本机：继续处理（进入分片重组或上层协议）。
  - 否且 netif==NULL：不是给本机——进入转发逻辑或丢弃（取决于 IP_FORWARD）。
5. netif==NULL 分支：对于非广播/多播目标且启用转发，调用 ip4_forward() 转发；对广播通常不转发（直接丢弃或本地处理视实现）。
6. 分片检测：若 IP 标志或偏移表明为分片（MF 或 offset!=0），调用 ip4_reass() 做重组。
  - 重组成功：交给上层协议处理。
  - 重组失败或超时：释放并可能发送 ICMP（Time Exceeded 等）。
7. 分发到上层：根据 IP 协议字段发到 udp_input、tcp_input、icmp_input、igmp_input 或 raw_input；未知协议通常丢弃或统计错误。
特别注意点
- 分片在目的端重组：路由器不重组（转发即可），重组逻辑在 ip4_reass。
- 多播与 IGMP：多播包可能需要额外的 IGMP 检查（igmp_lookfor_group）。
- 广播处理：通常不转发到其它网段；交给本机所有接口的广播机制或丢弃。
- netif==NULL 表示该包在本机没有匹配的接口（即目标不是本机地址），需要考虑是否转发。
- 未知上层协议会被丢弃（或由 raw/pcap/probe 钩子捕获）。
常见后续动作（实现/调试相关）
- 出错会更新 IP_STATS/MIB2 并在启用的情况下打印调试信息。
- 转发时若需分片且 DF=1，会触发 ICMP Destination Unreachable (Fragmentation Needed)。
- 重组资源受限会导致丢弃，应检查 IP_REASS_MAX_PBUFS、重组超时策略等。
源码映射（快速索引）
- 入口/验证/分发：ip4_input
- 重组：ip4_reass、ip_reass_tmr
- 转发/路由：ip4_forward、ip4_route、ip4_canforward
- 发送到上层：udp_input / tcp_input / icmp_input / igmp_input