恩智浦發布新一(yī)代安全高能效i.MX 91系列，爲廣泛的邊緣應用擴展Linux功能！
2023-06-15
在i.MX RT中(zhōng)使用LwIP協議棧淺析
- 分(fēn)類：行業動态
- 作者：Henry Lu@NXP
- 來源：恩智浦MCU加油站
- 發布時間：2022-11-03 11:35
- 訪問量：
【概要描述】 LWIP協議與網絡分(fēn)層 LwIP(Light weight IP)，是一(yī)種輕量化且開(kāi)源的TCP/IP協議棧，它可以在有限的RAM和ROM條件下(xià)，實現一(yī)個完整的TCP/IP 協議棧。此外(wài)，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(xià)獨立運行。 TCP/IP協議棧的模型結構如下(xià)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(yī)共隻分(fēn)爲了4層，分(fēn)别爲網絡接口層，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。網絡接口層将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，并将解析過後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(zhōng)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(kāi)始傳輸數據之前，首先要進行一(yī)系列的初始化操作，本文以i.MX RT1060 SDK中(zhōng)的Demo "evkmimxrt1060_lwip_udppecho_bm"爲例，該代碼可以通過MCUXpresso IDE進行導入。 netif_add函數用來挂載網絡接口，并完成網絡通信之前的大(dà)部分(fēn)初始化工(gōng)作，包括PHY芯片的初始化，i.MX RT1060上ENET外(wài)設初始化，以及一(yī)些通信過程中(zhōng)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(zhōng)完成，包括MDIO初始化，網口自動協商(shāng)，網口連接等操作。 PHY初始化函數以及ENET初始化函數都在ethernetif0_init函數中(zhōng)被調用，并且該函數被作爲一(yī)個實參傳入netif_add之中(zhōng)并被在其中(zhōng)被調用，因此netif_add不僅完成了網絡接口的挂載，還完成了接口相關的一(yī)系列初始化工(gōng)作。 此外(wài)，在進行網絡接口相關初始化的同時，也完成了對一(yī)系列數據結構的初始化，此處介紹一(yī)些在網絡通信過程中(zhōng)用到的結構體(tǐ)。 enet_rx_bd_struct_t, 該結構體(tǐ)一(yī)般用來定義buffer descriptor，網絡接口層接收到的數據一(yī)般就封裝在buffer descriptor之中(zhōng)。 結構體(tǐ)定義如下(xià)圖所示，其中(zhōng)length代表buffer descriptor之中(zhōng)數據的長度，control之中(zhōng)會存儲一(yī)些與buffer descriptor相關的狀态信息，并且支持enhanced buffer descriptor。 enet_rx_bd_ring_t結構體(tǐ)，如下(xià)圖所示，每一(yī)條ring都是由buffer descriptor組成的。 Ring結構體(tǐ)中(zhōng)的rxBdBase成員(yuán)就是第一(yī)個buffer descriptor的地址，rxGenIdx指的是當前buffer descriptor的序号，rxRingLen指的是這條Ring中(zhōng)共有幾個buffer descriptor。 pbuf結構體(tǐ)，pbuf結構體(tǐ)是用來描述lwip協議棧中(zhōng)數據包的結構體(tǐ)。它是以鏈表的形式存在的，pbuf之中(zhōng)會存在指針指向下(xià)一(yī)個pubf 。 由于在case之中(zhōng)，使用的是UDP通信，因此還需要進行一(yī)些UDP相關的初始化設置。例如調用udp_bind函數，對UDP控制塊中(zhōng)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(yī)些回調函數的綁定等等，至于什麽是UDP控制塊，在後面會進行介紹。 LWIP網絡接口層 網絡接口層數據接收 在udpecho demo之中(zhōng)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(wài)lwip還提供socket api等，不過需要操作系統的支持。 在while循環中(zhōng)首先會去(qù)調用ethernetif_input函數，該函數中(zhōng)會調用ethernetif_linkinput函數，在ethernetif_linkinput之中(zhōng)又(yòu)會去(qù)調用ENET_GetRxFrame和ethernetif_rx_frame_to_pbufs函數。 在ENET_GetRxFrame函數中(zhōng)會把網絡接口中(zhōng)接收到的數據搬運到RxFrame之中(zhōng)，然後ethernetif_rx_frame_to_pbufs函數又(yòu)會把RxFrame之中(zhōng)的數據搬運到pbufs之中(zhōng)，接下(xià)來就會調用ethernet_input函數，在lwip源碼之中(zhōng)的ethernet.c文件中(zhōng)被定義，主要用于無操作系統時候網絡層去(qù)處理接收到的數據幀，然後往上層遞交，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，通過這些函數将數據包遞交給 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(zhōng)又(yòu)會去(qù)調用ethernetif_linkoutput函數,當數據較大(dà)需要用多個pbuf進行存儲的時候，pbuf以鏈表的形式存在，所以需要将這些鏈表中(zhōng)的數據進行合并，如下(xià)圖所示。 操作完成後通過ENET_SendFrame函數來完成數據的發送；最後數據會通過網絡接口傳輸出去(qù)。 LWIP網絡層 IP協議 IP協議是一(yī)種經典的網絡層協議，IP協議(Internet Protocol)，又(yòu)稱之爲網際協議，IP 協議處于IP層工(gōng)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協議負責将數據報從源主機發送到目标主機，并通過IP地址作爲唯一(yī)識别碼。簡單來說，不同主機之間的IP地址是不一(yī)樣的，在發送數據報的過程中(zhōng)，IP協議還可能對數據報進行分(fēn)片處理，同時在接收數據報的時候，還可能需要對分(fēn)片的數據報進行重裝等等。 IP協議是一(yī)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複機制，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(zhōng)，設計人員(yuán)爲每一(yī)台主機分(fēn)配一(yī)個32bit的IP地址，隻有具有有效的IP地址的主機才能接入互聯網中(zhōng)與其他主機進行通信。 IP數據報 IP數據包一(yī)般由IP首部和數據組成，首部一(yī)般有20-60字節，其中(zhōng)有40字節是可選的，一(yī)般首部僅由20字節組成，IP數據報結構如下(xià)圖所示。 爲了方便對IP首部進行讀取或寫入操作，在lwip源碼之中(zhōng)定義了ip_hdr結構體(tǐ)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(qù)處理；如果是IP包，則交給IP相關函數去(qù)處理。 在udpecho demo中(zhōng)使用的是IPV4協議，因此，會調用ip4_input函數。 在ip4_input函數中(zhōng)會對ip數據報的相關字段進行檢驗，例如長度，校驗和，版本号等等，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丢棄，如果數據報沒有問題，IP層就會根據傳輸層的協議類型将數據包傳送到不同的入口函數之中(zhōng)，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(zhōng)會調用ip4_output_if_src函數，在該函數中(zhōng)，又(yòu)會去(qù)調用ip4_output_if_opt_src函數，它會将傳輸數據封裝到ip數據報之中(zhōng)，填寫數據報之中(zhōng)的目标IP地址，源IP地址，協議類型等相關信息。然後再去(qù)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(zhōng)，最終會去(qù)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台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将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協議爲例，它是一(yī)種較爲簡單的傳輸層協議，經常應用于局域網環境以及視頻(pín)播放(fàng)領域，以UDP爲例結合SDK代碼講解一(yī)下(xià)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，它會将數據封裝在UDP報文之中(zhōng)，在IP層又(yòu)會将數據包封裝在IP報文之中(zhōng)，在物(wù)理層又(yòu)會将IP數據包封裝在物(wù)理數據幀之中(zhōng)。 一(yī)份用戶數據在被發送時共經曆了三次封裝。 UDP相關數據結構 在LWIP源碼的udp.h之中(zhōng)，定義了報文首部數據結構以及UDP控制塊。 LwIP報文首部數據結構爲udp_hdr, 定義了 UDP 報文首部的各個字段, 分(fēn)别爲16位源端口号src, 16位目标端口号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，如源端口号、目标端口号、源IP地址、目标IP地址以及收到數據時的回調函數等等，系統會爲每一(yī)個基于UDP協議的進程創建一(yī)個UDP控制塊，并且将其與對應的端口綁定，并将所有的UDP控制塊用一(yī)個鏈表連接起來。當UDP接收到一(yī)個報文的時候，會去(qù)遍曆鏈表上的所有控制塊，通過端口号來找到匹配的控制塊，并将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(yī)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(zhōng)進行了一(yī)些報文合法性的檢測，然後根據報文中(zhōng)的端口信息查找UDP控制塊，最後通過UDP控制塊之中(zhōng)的回調函數recv_udp将數據傳遞到應用層，如果找不到對應的端口，那麽會返回一(yī)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(zhōng)調用udp_send或者是udp_sendto,應用程序之中(zhōng)将用戶數據填到pbuf數據區域,并将pubf作爲參數傳入udp_send或udp_sendto之中(zhōng)。 udp_send和udp_sendto之間的區别就是udp_sendto将數據發送到指定的ip地址和端口号，udp_send将數據發送到UDP控制塊之中(zhōng)定義的ip地址和端口号。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(qù)調用udp_sendto_if。 dp_sendto_if函數之中(zhōng)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(qù)發送報文。 LWIP應用層 在應用層一(yī)般會通過調用傳輸層的一(yī)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(zhōng)，當接收到數據之後，在udp控制塊中(zhōng)綁定的接收回調函數中(zhōng)又(yòu)會去(qù)調用udp_sendto函數。 除了上面介紹的一(yī)些協議外(wài)，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。 關注威旺達網站及微信公衆号，了解 NXP MCU更多信息.
在i.MX RT中(zhōng)使用LwIP協議棧淺析
【概要描述】
LWIP協議與網絡分(fēn)層
LwIP(Light weight IP)，是一(yī)種輕量化且開(kāi)源的TCP/IP協議棧，它可以在有限的RAM和ROM條件下(xià)，實現一(yī)個完整的TCP/IP 協議棧。此外(wài)，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(xià)獨立運行。
TCP/IP協議棧的模型結構如下(xià)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(yī)共隻分(fēn)爲了4層，分(fēn)别爲網絡接口層，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。網絡接口層将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，并将解析過後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(zhōng)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(kāi)始傳輸數據之前，首先要進行一(yī)系列的初始化操作，本文以i.MX RT1060 SDK中(zhōng)的Demo "evkmimxrt1060_lwip_udppecho_bm"爲例，該代碼可以通過MCUXpresso IDE進行導入。
netif_add函數用來挂載網絡接口，并完成網絡通信之前的大(dà)部分(fēn)初始化工(gōng)作，包括PHY芯片的初始化，i.MX RT1060上ENET外(wài)設初始化，以及一(yī)些通信過程中(zhōng)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(zhōng)完成，包括MDIO初始化，網口自動協商(shāng)，網口連接等操作。
PHY初始化函數以及ENET初始化函數都在ethernetif0_init函數中(zhōng)被調用，并且該函數被作爲一(yī)個實參傳入netif_add之中(zhōng)并被在其中(zhōng)被調用，因此netif_add不僅完成了網絡接口的挂載，還完成了接口相關的一(yī)系列初始化工(gōng)作。
此外(wài)，在進行網絡接口相關初始化的同時，也完成了對一(yī)系列數據結構的初始化，此處介紹一(yī)些在網絡通信過程中(zhōng)用到的結構體(tǐ)。
enet_rx_bd_struct_t, 該結構體(tǐ)一(yī)般用來定義buffer descriptor，網絡接口層接收到的數據一(yī)般就封裝在buffer descriptor之中(zhōng)。
結構體(tǐ)定義如下(xià)圖所示，其中(zhōng)length代表buffer descriptor之中(zhōng)數據的長度，control之中(zhōng)會存儲一(yī)些與buffer descriptor相關的狀态信息，并且支持enhanced buffer descriptor。
enet_rx_bd_ring_t結構體(tǐ)，如下(xià)圖所示，每一(yī)條ring都是由buffer descriptor組成的。
Ring結構體(tǐ)中(zhōng)的rxBdBase成員(yuán)就是第一(yī)個buffer descriptor的地址，rxGenIdx指的是當前buffer descriptor的序号，rxRingLen指的是這條Ring中(zhōng)共有幾個buffer descriptor。
pbuf結構體(tǐ)，pbuf結構體(tǐ)是用來描述lwip協議棧中(zhōng)數據包的結構體(tǐ)。它是以鏈表的形式存在的，pbuf之中(zhōng)會存在指針指向下(xià)一(yī)個pubf 。
由于在case之中(zhōng)，使用的是UDP通信，因此還需要進行一(yī)些UDP相關的初始化設置。例如調用udp_bind函數，對UDP控制塊中(zhōng)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(yī)些回調函數的綁定等等，至于什麽是UDP控制塊，在後面會進行介紹。
LWIP網絡接口層
網絡接口層數據接收
在udpecho demo之中(zhōng)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(wài)lwip還提供socket api等，不過需要操作系統的支持。
在while循環中(zhōng)首先會去(qù)調用ethernetif_input函數，該函數中(zhōng)會調用ethernetif_linkinput函數，在ethernetif_linkinput之中(zhōng)又(yòu)會去(qù)調用ENET_GetRxFrame和ethernetif_rx_frame_to_pbufs函數。
在ENET_GetRxFrame函數中(zhōng)會把網絡接口中(zhōng)接收到的數據搬運到RxFrame之中(zhōng)，然後ethernetif_rx_frame_to_pbufs函數又(yòu)會把RxFrame之中(zhōng)的數據搬運到pbufs之中(zhōng)，接下(xià)來就會調用ethernet_input函數，在lwip源碼之中(zhōng)的ethernet.c文件中(zhōng)被定義，主要用于無操作系統時候網絡層去(qù)處理接收到的數據幀，然後往上層遞交，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，通過這些函數将數據包遞交給 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(zhōng)又(yòu)會去(qù)調用ethernetif_linkoutput函數,當數據較大(dà)需要用多個pbuf進行存儲的時候，pbuf以鏈表的形式存在，所以需要将這些鏈表中(zhōng)的數據進行合并，如下(xià)圖所示。
操作完成後通過ENET_SendFrame函數來完成數據的發送；最後數據會通過網絡接口傳輸出去(qù)。
LWIP網絡層
IP協議
IP協議是一(yī)種經典的網絡層協議，IP協議(Internet Protocol)，又(yòu)稱之爲網際協議，IP 協議處于IP層工(gōng)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協議負責将數據報從源主機發送到目标主機，并通過IP地址作爲唯一(yī)識别碼。簡單來說，不同主機之間的IP地址是不一(yī)樣的，在發送數據報的過程中(zhōng)，IP協議還可能對數據報進行分(fēn)片處理，同時在接收數據報的時候，還可能需要對分(fēn)片的數據報進行重裝等等。
IP協議是一(yī)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複機制，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(zhōng)，設計人員(yuán)爲每一(yī)台主機分(fēn)配一(yī)個32bit的IP地址，隻有具有有效的IP地址的主機才能接入互聯網中(zhōng)與其他主機進行通信。
IP數據報
IP數據包一(yī)般由IP首部和數據組成，首部一(yī)般有20-60字節，其中(zhōng)有40字節是可選的，一(yī)般首部僅由20字節組成，IP數據報結構如下(xià)圖所示。
爲了方便對IP首部進行讀取或寫入操作，在lwip源碼之中(zhōng)定義了ip_hdr結構體(tǐ)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(qù)處理；如果是IP包，則交給IP相關函數去(qù)處理。
在udpecho demo中(zhōng)使用的是IPV4協議，因此，會調用ip4_input函數。
在ip4_input函數中(zhōng)會對ip數據報的相關字段進行檢驗，例如長度，校驗和，版本号等等，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丢棄，如果數據報沒有問題，IP層就會根據傳輸層的協議類型将數據包傳送到不同的入口函數之中(zhōng)，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(zhōng)會調用ip4_output_if_src函數，在該函數中(zhōng)，又(yòu)會去(qù)調用ip4_output_if_opt_src函數，它會将傳輸數據封裝到ip數據報之中(zhōng)，填寫數據報之中(zhōng)的目标IP地址，源IP地址，協議類型等相關信息。然後再去(qù)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(zhōng)，最終會去(qù)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台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将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協議爲例，它是一(yī)種較爲簡單的傳輸層協議，經常應用于局域網環境以及視頻(pín)播放(fàng)領域，以UDP爲例結合SDK代碼講解一(yī)下(xià)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，它會将數據封裝在UDP報文之中(zhōng)，在IP層又(yòu)會将數據包封裝在IP報文之中(zhōng)，在物(wù)理層又(yòu)會将IP數據包封裝在物(wù)理數據幀之中(zhōng)。
一(yī)份用戶數據在被發送時共經曆了三次封裝。
UDP相關數據結構
在LWIP源碼的udp.h之中(zhōng)，定義了報文首部數據結構以及UDP控制塊。
LwIP報文首部數據結構爲udp_hdr, 定義了 UDP 報文首部的各個字段, 分(fēn)别爲16位源端口号src, 16位目标端口号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，如源端口号、目标端口号、源IP地址、目标IP地址以及收到數據時的回調函數等等，系統會爲每一(yī)個基于UDP協議的進程創建一(yī)個UDP控制塊，并且将其與對應的端口綁定，并将所有的UDP控制塊用一(yī)個鏈表連接起來。當UDP接收到一(yī)個報文的時候，會去(qù)遍曆鏈表上的所有控制塊，通過端口号來找到匹配的控制塊，并将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(yī)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(zhōng)進行了一(yī)些報文合法性的檢測，然後根據報文中(zhōng)的端口信息查找UDP控制塊，最後通過UDP控制塊之中(zhōng)的回調函數recv_udp将數據傳遞到應用層，如果找不到對應的端口，那麽會返回一(yī)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(zhōng)調用udp_send或者是udp_sendto,應用程序之中(zhōng)将用戶數據填到pbuf數據區域,并将pubf作爲參數傳入udp_send或udp_sendto之中(zhōng)。
udp_send和udp_sendto之間的區别就是udp_sendto将數據發送到指定的ip地址和端口号，udp_send将數據發送到UDP控制塊之中(zhōng)定義的ip地址和端口号。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(qù)調用udp_sendto_if。
dp_sendto_if函數之中(zhōng)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(qù)發送報文。
LWIP應用層
在應用層一(yī)般會通過調用傳輸層的一(yī)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(zhōng)，當接收到數據之後，在udp控制塊中(zhōng)綁定的接收回調函數中(zhōng)又(yòu)會去(qù)調用udp_sendto函數。
除了上面介紹的一(yī)些協議外(wài)，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。
關注威旺達網站及微信公衆号，了解 NXP MCU更多信息.
- 分(fēn)類：行業動态
- 作者：Henry Lu@NXP
- 來源：恩智浦MCU加油站
- 發布時間：2022-11-03 11:35
- 訪問量：
詳情
LWIP協議與網絡分(fēn)層
LwIP(Light weight IP)，是一(yī)種輕量化且開(kāi)源的TCP/IP協議棧，它可以在有限的RAM和ROM條件下(xià)，實現一(yī)個完整的TCP/IP 協議棧。此外(wài)，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(xià)獨立運行。
TCP/IP協議棧的模型結構如下(xià)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(yī)共隻分(fēn)爲了4層，分(fēn)别爲網絡接口層，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。網絡接口層将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，并将解析過後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(zhōng)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(kāi)始傳輸數據之前，首先要進行一(yī)系列的初始化操作，本文以i.MX RT1060 SDK中(zhōng)的Demo "evkmimxrt1060_lwip_udppecho_bm"爲例，該代碼可以通過MCUXpresso IDE進行導入。
netif_add函數用來挂載網絡接口，并完成網絡通信之前的大(dà)部分(fēn)初始化工(gōng)作，包括PHY芯片的初始化，i.MX RT1060上ENET外(wài)設初始化，以及一(yī)些通信過程中(zhōng)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(zhōng)完成，包括MDIO初始化，網口自動協商(shāng)，網口連接等操作。
PHY初始化函數以及ENET初始化函數都在ethernetif0_init函數中(zhōng)被調用，并且該函數被作爲一(yī)個實參傳入netif_add之中(zhōng)并被在其中(zhōng)被調用，因此netif_add不僅完成了網絡接口的挂載，還完成了接口相關的一(yī)系列初始化工(gōng)作。
此外(wài)，在進行網絡接口相關初始化的同時，也完成了對一(yī)系列數據結構的初始化，此處介紹一(yī)些在網絡通信過程中(zhōng)用到的結構體(tǐ)。
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enet_rx_bd_struct_t, 該結構體(tǐ)一(yī)般用來定義buffer descriptor，網絡接口層接收到的數據一(yī)般就封裝在buffer descriptor之中(zhōng)。
結構體(tǐ)定義如下(xià)圖所示，其中(zhōng)length代表buffer descriptor之中(zhōng)數據的長度，control之中(zhōng)會存儲一(yī)些與buffer descriptor相關的狀态信息，并且支持enhanced buffer descriptor。
enet_rx_bd_ring_t結構體(tǐ)，如下(xià)圖所示，每一(yī)條ring都是由buffer descriptor組成的。
Ring結構體(tǐ)中(zhōng)的rxBdBase成員(yuán)就是第一(yī)個buffer descriptor的地址，rxGenIdx指的是當前buffer descriptor的序号，rxRingLen指的是這條Ring中(zhōng)共有幾個buffer descriptor。
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pbuf結構體(tǐ)，pbuf結構體(tǐ)是用來描述lwip協議棧中(zhōng)數據包的結構體(tǐ)。它是以鏈表的形式存在的，pbuf之中(zhōng)會存在指針指向下(xià)一(yī)個pubf 。
由于在case之中(zhōng)，使用的是UDP通信，因此還需要進行一(yī)些UDP相關的初始化設置。例如調用udp_bind函數，對UDP控制塊中(zhōng)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(yī)些回調函數的綁定等等，至于什麽是UDP控制塊，在後面會進行介紹。
LWIP網絡接口層
網絡接口層數據接收
在udpecho demo之中(zhōng)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(wài)lwip還提供socket api等，不過需要操作系統的支持。
在while循環中(zhōng)首先會去(qù)調用ethernetif_input函數，該函數中(zhōng)會調用ethernetif_linkinput函數，在ethernetif_linkinput之中(zhōng)又(yòu)會去(qù)調用ENET_GetRxFrame和ethernetif_rx_frame_to_pbufs函數。
在ENET_GetRxFrame函數中(zhōng)會把網絡接口中(zhōng)接收到的數據搬運到RxFrame之中(zhōng)，然後ethernetif_rx_frame_to_pbufs函數又(yòu)會把RxFrame之中(zhōng)的數據搬運到pbufs之中(zhōng)，接下(xià)來就會調用ethernet_input函數，在lwip源碼之中(zhōng)的ethernet.c文件中(zhōng)被定義，主要用于無操作系統時候網絡層去(qù)處理接收到的數據幀，然後往上層遞交，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，通過這些函數将數據包遞交給 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(zhōng)又(yòu)會去(qù)調用ethernetif_linkoutput函數,當數據較大(dà)需要用多個pbuf進行存儲的時候，pbuf以鏈表的形式存在，所以需要将這些鏈表中(zhōng)的數據進行合并，如下(xià)圖所示。
操作完成後通過ENET_SendFrame函數來完成數據的發送；最後數據會通過網絡接口傳輸出去(qù)。
LWIP網絡層
IP協議
IP協議是一(yī)種經典的網絡層協議，IP協議(Internet Protocol)，又(yòu)稱之爲網際協議，IP 協議處于IP層工(gōng)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協議負責将數據報從源主機發送到目标主機，并通過IP地址作爲唯一(yī)識别碼。簡單來說，不同主機之間的IP地址是不一(yī)樣的，在發送數據報的過程中(zhōng)，IP協議還可能對數據報進行分(fēn)片處理，同時在接收數據報的時候，還可能需要對分(fēn)片的數據報進行重裝等等。
IP協議是一(yī)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複機制，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(zhōng)，設計人員(yuán)爲每一(yī)台主機分(fēn)配一(yī)個32bit的IP地址，隻有具有有效的IP地址的主機才能接入互聯網中(zhōng)與其他主機進行通信。
IP數據報
IP數據包一(yī)般由IP首部和數據組成，首部一(yī)般有20-60字節，其中(zhōng)有40字節是可選的，一(yī)般首部僅由20字節組成，IP數據報結構如下(xià)圖所示。
爲了方便對IP首部進行讀取或寫入操作，在lwip源碼之中(zhōng)定義了ip_hdr結構體(tǐ)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(qù)處理；如果是IP包，則交給IP相關函數去(qù)處理。
在udpecho demo中(zhōng)使用的是IPV4協議，因此，會調用ip4_input函數。
在ip4_input函數中(zhōng)會對ip數據報的相關字段進行檢驗，例如長度，校驗和，版本号等等，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丢棄，如果數據報沒有問題，IP層就會根據傳輸層的協議類型将數據包傳送到不同的入口函數之中(zhōng)，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(zhōng)會調用ip4_output_if_src函數，在該函數中(zhōng)，又(yòu)會去(qù)調用ip4_output_if_opt_src函數，它會将傳輸數據封裝到ip數據報之中(zhōng)，填寫數據報之中(zhōng)的目标IP地址，源IP地址，協議類型等相關信息。然後再去(qù)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(zhōng)，最終會去(qù)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台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将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協議爲例，它是一(yī)種較爲簡單的傳輸層協議，經常應用于局域網環境以及視頻(pín)播放(fàng)領域，以UDP爲例結合SDK代碼講解一(yī)下(xià)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，它會将數據封裝在UDP報文之中(zhōng)，在IP層又(yòu)會将數據包封裝在IP報文之中(zhōng)，在物(wù)理層又(yòu)會将IP數據包封裝在物(wù)理數據幀之中(zhōng)。
一(yī)份用戶數據在被發送時共經曆了三次封裝。
UDP相關數據結構
在LWIP源碼的udp.h之中(zhōng)，定義了報文首部數據結構以及UDP控制塊。
LwIP報文首部數據結構爲udp_hdr, 定義了 UDP 報文首部的各個字段, 分(fēn)别爲16位源端口号src, 16位目标端口号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，如源端口号、目标端口号、源IP地址、目标IP地址以及收到數據時的回調函數等等，系統會爲每一(yī)個基于UDP協議的進程創建一(yī)個UDP控制塊，并且将其與對應的端口綁定，并将所有的UDP控制塊用一(yī)個鏈表連接起來。當UDP接收到一(yī)個報文的時候，會去(qù)遍曆鏈表上的所有控制塊，通過端口号來找到匹配的控制塊，并将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(yī)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(zhōng)進行了一(yī)些報文合法性的檢測，然後根據報文中(zhōng)的端口信息查找UDP控制塊，最後通過UDP控制塊之中(zhōng)的回調函數recv_udp将數據傳遞到應用層，如果找不到對應的端口，那麽會返回一(yī)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(zhōng)調用udp_send或者是udp_sendto,應用程序之中(zhōng)将用戶數據填到pbuf數據區域,并将pubf作爲參數傳入udp_send或udp_sendto之中(zhōng)。
udp_send和udp_sendto之間的區别就是udp_sendto将數據發送到指定的ip地址和端口号，udp_send将數據發送到UDP控制塊之中(zhōng)定義的ip地址和端口号。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(qù)調用udp_sendto_if。
dp_sendto_if函數之中(zhōng)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(qù)發送報文。
LWIP應用層
在應用層一(yī)般會通過調用傳輸層的一(yī)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(zhōng)，當接收到數據之後，在udp控制塊中(zhōng)綁定的接收回調函數中(zhōng)又(yòu)會去(qù)調用udp_sendto函數。
除了上面介紹的一(yī)些協議外(wài)，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。
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