IP協議的功能

回顧一下前面寫的關于IP協議的文章：

IP協議基礎掃盲班

IP地址相關知識深入了解~

IP數據報分析

IP數據報結構、IP分片的原理與處理

IP數據報的收發

回顧一下前面的文章所提及的知識點，總結一下IP協議的功能，得到以下結論：

1. 編址（目標端的IP地址），數據傳輸的過程當中就必須表明要發送目標端的IP地址
2. 尋址和路由（根據對方的IP地址，尋找最佳路徑傳輸信息）；
3. 數據報的分片和重組。
4. 傳遞服務是不可靠的（IP協議只是盡自己最大努力去傳輸數據包），它也是無連接的協議

IP數據報發送

IP協議是網絡層的主要協議，在上層傳輸協議（如TCP/UDP）需要發送數據時，會將數據封裝起來，然后傳遞到IP層，IP協議首先會根據上層協議的目標IP地址選擇一個合適的網卡進行發送數據（ 路由），然后IP協議將再次封裝數據形成IP數據報，主要的操作就是填寫IP數據報首部對應的各個字段：目標IP地址、源IP地址、協議類型、生存時間等，最后在IP層通過回調函數netif->output（即etharp_output()函數）將IP數據報投遞給ARP，再調用網卡底層發送函數進行發送，這樣子自上而下的數據就發送出去，IP協議以目標IP地址作為目標主機的身份地址。

1. /**

2. * ip_output_if的簡化版接口。它找到發送數據包的netif網絡接口并調用ip_output_if來完成實際工作。

3. *

4. * @param p 要發送的數據包（p->payload（有效負載）指向數據，如果dest == LWIP_IP_HDRINCL，則p已包含IP頭和p->有效負載指向該IP頭）

5. * @param src 要發送的源IP地址（如果src == IP4_ADDR_ANY，則用發送的netif綁定的IP地址用作源地址）

6. * @param dest 目的IP地址

7. * @param ttl 要在IP標頭中設置的TTL值(生存時間)

8. * @param tos 用于在IP標頭中設置的TOS值

9. * @param proto 將在IP頭中設置對應的上層協議

10. * @return ERR_OK 如果數據包發送正常就返回ok，

11. * 如果p沒有足夠的空間用于IP /LINK標頭，則為ERR_BUF

12. * 其他則返回netif->output返回的錯誤

13. * @return ERR_RTE如果沒有找到路線

14. * 請參閱ip_output_if（）以獲取更多返回值

15. */

16. err_t

17. ip4_output(struct pbuf *p,constip4_addr_t*src,constip4_addr_t*dest,

18. u8_t ttl,u8_t tos,u8_t proto)

19. {

20. struct netif *netif;

21. 
    

22. LWIP_IP_CHECK_PBUF_REF_COUNT_FOR_TX(p);

23. 
    

24. //根據目標IP地址找到對應的網卡發送數據

25. if((netif = ip4_route_src(src, dest))== NULL){

26. LWIP_DEBUGF(IP_DEBUG,("ip4_output: No route to %"U16_F".%"U16_F".%"U16_F".%"U16_F"\\n",

27. ip4_addr1_16(dest), ip4_addr2_16(dest), ip4_addr3_16(dest), ip4_addr4_16(dest)));

28. IP_STATS_INC(ip.rterr);

29. return ERR_RTE;

30. }

31. 
    

32. return ip4_output_if(p, src, dest, ttl, tos, proto, netif);

33. }

路由過程的實現

路由（routing）就是通過互聯的網絡把信息從源地址傳輸到目的地址的活動，發送端必然需要找到一個網卡將數據報發送出去，而實現這個過程的函數就是 ip4_route_src()。

其實lwip對 ip4_route_src()函數進行了重新定義，實際上是調用了 ip4_route()函數。這個函數的原理就是根據指定的IP地址找到合適的網卡 netif，然后返回，前面的文章也提到過，lwip的網卡是通過 netif_list列表管理的，那么找網卡的操作也必然是遍歷網卡列表 netif_list，判斷網卡是否已經掛載并且IP地址是否有效，如果連網卡都找不到，那就不用發送數據了，返回null。

1. #define ip4_route_src(src, dest) ip4_route(dest)

1. /**

2. *為給定的IP地址查找適當的網絡接口。

3. *它搜索網絡接口列表。找到匹配項

4. *

5. *@param dest 要查找路由的目標IP地址

6. *@return 發送到達目的地的網卡 netif

7. */

8. struct netif *

9. ip4_route(constip4_addr_t*dest)

10. {

11. #if!LWIP_SINGLE_NETIF

12. struct netif *netif;

13. 
    

14. LWIP_ASSERT_CORE_LOCKED();

15. 
    

16. #if LWIP_MULTICAST_TX_OPTIONS

17. /*默認使用管理選擇的接口進行多播*/

18. if(ip4_addr_ismulticast(dest)&& ip4_default_multicast_netif){

19. return ip4_default_multicast_netif;

20. }

21. #endif /* LWIP_MULTICAST_TX_OPTIONS */

22. 
    

23. /* bug #54569: in case LWIP_SINGLE_NETIF=1 and LWIP_DEBUGF() disabled, the following loop is optimized away */

24. LWIP_UNUSED_ARG(dest);

25. 
    

26. /*遍歷網卡列表netif_list */

27. NETIF_FOREACH(netif){

28. /* 如果網卡已經掛載并且IP地址是有效的 */

29. if(netif_is_up(netif)&& netif_is_link_up(netif)&&!ip4_addr_isany_val(*netif_ip4_addr(netif))){

30. /* 網絡掩碼匹配? */

31. if(ip4_addr_netcmp(dest, netif_ip4_addr(netif), netif_ip4_netmask(netif))){

32. /* 返回找到的網卡netif */

33. return netif;

34. }

35. /* 網關在非廣播接口上匹配？（即在點對點接口中對等） */

36. if(((netif->flags & NETIF_FLAG_BROADCAST)==0)&& ip4_addr_cmp(dest, netif_ip4_gw(netif))){

37. /* 返回找到的網卡netif */

38. return netif;

39. }

40. }

41. }

42. 
    

43. #if LWIP_NETIF_LOOPBACK &&!LWIP_HAVE_LOOPIF /**如果打開環回地址的宏定義 */

44. /* loopif is disabled, looopback traffic is passed through any netif */

45. if(ip4_addr_isloopback(dest)){

46. /*不檢查環回流量的鏈接*/

47. if(netif_default != NULL && netif_is_up(netif_default)){

48. return netif_default;

49. }

50. /*默認netif沒有啟動，只需使用任何netif進行環回流量*/

51. NETIF_FOREACH(netif){

52. if(netif_is_up(netif)){

53. return netif;

54. }

55. }

56. return NULL;

57. }

58. #endif /* LWIP_NETIF_LOOPBACK && !LWIP_HAVE_LOOPIF */

59. 
    

60. #ifdef LWIP_HOOK_IP4_ROUTE_SRC

61. netif = LWIP_HOOK_IP4_ROUTE_SRC(NULL, dest);

62. if(netif != NULL){

63. return netif;

64. }

65. #elif defined(LWIP_HOOK_IP4_ROUTE)

66. netif = LWIP_HOOK_IP4_ROUTE(dest);

67. if(netif != NULL){

68. return netif;

69. }

70. #endif

71. #endif /* !LWIP_SINGLE_NETIF */

72. 
    

73. if((netif_default == NULL)||!netif_is_up(netif_default)||!netif_is_link_up(netif_default)||

74. ip4_addr_isany_val(*netif_ip4_addr(netif_default))|| ip4_addr_isloopback(dest)){

75. /*找不到匹配的netif，默認的netif不可用。建議使用LWIP_HOOK_IP4_ROUTE（）*/

76. LWIP_DEBUGF(IP_DEBUG | LWIP_DBG_LEVEL_SERIOUS,("ip4_route: No route to %"U16_F".%"U16_F".%"U16_F".%"U16_F"\\n",

77. ip4_addr1_16(dest), ip4_addr2_16(dest), ip4_addr3_16(dest), ip4_addr4_16(dest)));

78. IP_STATS_INC(ip.rterr);

79. MIB2_STATS_INC(mib2.ipoutnoroutes);

80. return NULL;

81. }

82. 
    

83. return netif_default;

84. }

ip4_output_if函數

找到網卡之后就調用 ip4_output_if()函數將數據發送出去，這個函數會指定發送數據的網卡，同時會將來自上層協議（tcp、udp）的數據進行封裝，組成IP數據報再發送，不過這個函數層層調用，比較麻煩，具體如下：。

1. /**

2. * 在網絡接口上發送IP數據包。這個函數構造IP數據包首部并計算IP頭校驗和，

3. * 如果源IP地址為NULL，在發送的時候就填寫發送網卡的IP地址為源IP地址

4. * 如果目標IP地址是LWIP_IP_HDRINCL，則假定pbuf已經存在包括IP頭和有效負載指向它而不是數據。

5. *

6. * @param p 要發送的數據包（p->payload（有效負載）指向數據，如果dest == LWIP_IP_HDRINCL，則p已包含IP頭和p->有效負載指向該IP頭）

7. * @param src 要發送的源IP地址（如果src == IP4_ADDR_ANY，則用發送的netif綁定的IP地址用作源地址）

8. * @param dest 目的IP地址

9. * @param ttl 要在IP標頭中設置的TTL值(生存時間)

10. * @param tos 用于在IP標頭中設置的TOS值

11. * @param proto 將在IP頭中設置對應的上層協議

12. * @param netif 發送此數據包的netif

13. * @return ERR_OK 如果數據包發送正常就返回ok，

14. * 如果p沒有足夠的空間用于IP /LINK標頭，則為ERR_BUF

15. * 其他則返回netif->output返回的錯誤

16. *

17. * @note ip_id：RFC791“某些主機可能只需使用

18. * 獨立于目的地的唯一標識符“

19. */

20. err_t

21. ip4_output_if(struct pbuf *p,constip4_addr_t*src,constip4_addr_t*dest,

22. u8_t ttl,u8_t tos,

23. u8_t proto,struct netif *netif)

24. {

25. #if IP_OPTIONS_SEND

26. return ip4_output_if_opt(p, src, dest, ttl, tos, proto, netif, NULL,0);

27. }

1. /**

2. * 與ip_output_if（）相同，但可以包含IP選項：

3. *

4. * @param ip_options指向IP選項的指針，復制到IP頭中

5. * @param optlen ip_options的長度

6. */

7. err_t

8. ip4_output_if_opt(struct pbuf *p,constip4_addr_t*src,constip4_addr_t*dest,

9. u8_t ttl,u8_t tos,u8_t proto,struct netif *netif,void*ip_options,

10. u16_t optlen)

11. {

12. #endif /* IP_OPTIONS_SEND */

13. constip4_addr_t*src_used = src;

14. if(dest != LWIP_IP_HDRINCL){

15. if(ip4_addr_isany(src)){

16. src_used = netif_ip4_addr(netif);

17. }

18. }

19. 
    

20. #if IP_OPTIONS_SEND

21. return ip4_output_if_opt_src(p, src_used, dest, ttl, tos, proto, netif,

22. ip_options, optlen);

23. #else/* IP_OPTIONS_SEND */

24. return ip4_output_if_src(p, src_used, dest, ttl, tos, proto, netif);

25. #endif /* IP_OPTIONS_SEND */

26. }

ip4_output_if_opt_src

首先看看這個函數到底做了什么吧：在上層協議遞交數據包后，通過層層調用，最終到 ip4_output_if_opt_src()函數中處理，它的處理如下：代碼的實現如下：注釋非常豐富。主要過程就是：

1. 判斷是否填寫好IP數據報首部？若目標IP地址為LWIPIPHDRINCL表示已經填寫好IP數據報首部，且payload指針也指向了IP數據報首部。
2. 如果沒有填寫IP數據報首部，調用 pbuf_add_header()函數調整數據區域指針以指向IP數據報首部。
3. 填寫IP數據報中的生存時間、服務類型、上層協議、目標IP地址、版本號與首部長度、數據報總長度、標志位和分片偏移量、標識、源IP地址等內容，總之就是將IP數據報首部的內容該填的都填上。
4. 如果目標IP地址是自己的網卡IP地址，調用環回輸入函數 netif_loop_output()發送IP數據報給自己，這種處理一般是用于測試代碼。
5. 如果IP數據報太大，數據報總長度大于網卡的MTU，則需要進行分片處理，調用 ip4_frag()函數進行發送。
6. 直接調用注冊的 netif->output接口傳遞給ARP，實際上就是調用 etharp_output()函數，在這里它會將IP地址解析成對應的 MAC地址，并且調用網卡發送函數進行發送。

1. /**

2. * 與ip4_output_if_opt()相同，當源地址是'IP4_ADDR_ANY'時，'src'地址不會被netif地址替換

3. */

4. err_t

5. ip4_output_if_opt_src(struct pbuf *p,constip4_addr_t*src,constip4_addr_t*dest,

6. u8_t ttl,u8_t tos,u8_t proto,struct netif *netif,void*ip_options,

7. u16_t optlen)

8. {

9. #endif /* IP_OPTIONS_SEND */

10. struct ip_hdr *iphdr;

11. ip4_addr_t dest_addr;

12. #if CHECKSUM_GEN_IP_INLINE

13. u32_t chk_sum =0;

14. #endif /* CHECKSUM_GEN_IP_INLINE */

15. 
    

16. LWIP_ASSERT_CORE_LOCKED();

17. LWIP_IP_CHECK_PBUF_REF_COUNT_FOR_TX(p);

18. 
    

19. MIB2_STATS_INC(mib2.ipoutrequests);

20. 
    

21. /* 應該要構建IP首部還是已經包含在pbuf中了？如果是要構建IP數據報首部 */

22. if(dest != LWIP_IP_HDRINCL){

23. u16_t ip_hlen = IP_HLEN;

24. #if IP_OPTIONS_SEND

25. u16_t optlen_aligned =0;

26. if(optlen !=0){

27. #if CHECKSUM_GEN_IP_INLINE

28. int i;

29. #endif /* CHECKSUM_GEN_IP_INLINE */

30. if(optlen >(IP_HLEN_MAX - IP_HLEN)){

31. /* 選項字段太長 */

32. LWIP_DEBUGF(IP_DEBUG | LWIP_DBG_LEVEL_SERIOUS,("ip4_output_if_opt: optlen too long\\n"));

33. IP_STATS_INC(ip.err);

34. MIB2_STATS_INC(mib2.ipoutdiscards);

35. return ERR_VAL;

36. }

37. /* 選項字段按照4字節對齊 */

38. optlen_aligned =(u16_t)((optlen +3)&~3);

39. ip_hlen =(u16_t)(ip_hlen + optlen_aligned);

40. /* 首先寫入IP選項字段 */

41. if(pbuf_add_header(p, optlen_aligned)){

42. LWIP_DEBUGF(IP_DEBUG | LWIP_DBG_LEVEL_SERIOUS,("ip4_output_if_opt: not enough room for IP options in pbuf\\n"));

43. IP_STATS_INC(ip.err);

44. MIB2_STATS_INC(mib2.ipoutdiscards);

45. return ERR_BUF;

46. }

47. MEMCPY(p->payload, ip_options, optlen);

48. if(optlen < optlen_aligned){

49. /* 剩余字節清零 */

50. memset(((char*)p->payload)+ optlen,0,(size_t)(optlen_aligned - optlen));

51. }

52. #if CHECKSUM_GEN_IP_INLINE

53. for(i =0; i < optlen_aligned /2; i++){

54. chk_sum +=((u16_t*)p->payload)[i];

55. }

56. #endif /* CHECKSUM_GEN_IP_INLINE */

57. }

58. #endif /* IP_OPTIONS_SEND */

59. /* 生成IP頭 */

60. if(pbuf_add_header(p, IP_HLEN)){

61. LWIP_DEBUGF(IP_DEBUG | LWIP_DBG_LEVEL_SERIOUS,("ip4_output: not enough room for IP header in pbuf\\n"));

62. 
    

63. IP_STATS_INC(ip.err);

64. MIB2_STATS_INC(mib2.ipoutdiscards);

65. return ERR_BUF;

66. }

67. 
    

68. iphdr =(struct ip_hdr *)p->payload;

69. LWIP_ASSERT("check that first pbuf can hold struct ip_hdr",

70. (p->len >=sizeof(struct ip_hdr)));

71. 
    

72. IPH_TTL_SET(iphdr, ttl);

73. IPH_PROTO_SET(iphdr, proto);

74. #if CHECKSUM_GEN_IP_INLINE

75. chk_sum += PP_NTOHS(proto |(ttl <<8));

76. #endif /* CHECKSUM_GEN_IP_INLINE */

77. 
    

78. /* 構建目的IP地址，此處的目的IP地址不能為NULL */

79. ip4_addr_copy(iphdr->dest,*dest);

80. #if CHECKSUM_GEN_IP_INLINE

81. chk_sum += ip4_addr_get_u32(&iphdr->dest)&0xFFFF;

82. chk_sum += ip4_addr_get_u32(&iphdr->dest)>>16;

83. #endif /* CHECKSUM_GEN_IP_INLINE */

84. 
    

85. IPH_VHL_SET(iphdr,4, ip_hlen /4);

86. IPH_TOS_SET(iphdr, tos);

87. #if CHECKSUM_GEN_IP_INLINE

88. chk_sum += PP_NTOHS(tos |(iphdr->_v_hl <<8));

89. #endif /* CHECKSUM_GEN_IP_INLINE */

90. IPH_LEN_SET(iphdr, lwip_htons(p->tot_len));

91. #if CHECKSUM_GEN_IP_INLINE

92. chk_sum += iphdr->_len;

93. #endif /* CHECKSUM_GEN_IP_INLINE */

94. IPH_OFFSET_SET(iphdr,0);

95. IPH_ID_SET(iphdr, lwip_htons(ip_id));

96. #if CHECKSUM_GEN_IP_INLINE

97. chk_sum += iphdr->_id;

98. #endif /* CHECKSUM_GEN_IP_INLINE */

99. ++ip_id;

100. 
     

101. if(src == NULL){

102. ip4_addr_copy(iphdr->src,*IP4_ADDR_ANY4);/** 構建源IP地址 */

103. }else{

104. /* 此處的源IP地址不能為NULL */

105. ip4_addr_copy(iphdr->src,*src);

106. }

107. 
     

108. #if CHECKSUM_GEN_IP_INLINE

109. chk_sum += ip4_addr_get_u32(&iphdr->src)&0xFFFF;

110. chk_sum += ip4_addr_get_u32(&iphdr->src)>>16;

111. chk_sum =(chk_sum >>16)+(chk_sum &0xFFFF);

112. chk_sum =(chk_sum >>16)+ chk_sum;

113. chk_sum =~chk_sum;

114. IF__NETIF_CHECKSUM_ENABLED(netif, NETIF_CHECKSUM_GEN_IP){

115. iphdr->_chksum =(u16_t)chk_sum;/* network order */

116. }

117. #if LWIP_CHECKSUM_CTRL_PER_NETIF

118. else{

119. IPH_CHKSUM_SET(iphdr,0);

120. }

121. #endif /* LWIP_CHECKSUM_CTRL_PER_NETIF*/

122. #else/* CHECKSUM_GEN_IP_INLINE */

123. IPH_CHKSUM_SET(iphdr,0);

124. #if CHECKSUM_GEN_IP

125. IF__NETIF_CHECKSUM_ENABLED(netif, NETIF_CHECKSUM_GEN_IP){

126. IPH_CHKSUM_SET(iphdr, inet_chksum(iphdr, ip_hlen));

127. }

128. #endif /* CHECKSUM_GEN_IP */

129. #endif /* CHECKSUM_GEN_IP_INLINE */

130. }else{

131. /* IP頭已包含在pbuf中 */

132. if(p->len < IP_HLEN){

133. /** pbuf的長度小于IP數據報首部長度(20字節) */

134. LWIP_DEBUGF(IP_DEBUG | LWIP_DBG_LEVEL_SERIOUS,("ip4_output: LWIP_IP_HDRINCL but pbuf is too short\\n"));

135. IP_STATS_INC(ip.err);

136. MIB2_STATS_INC(mib2.ipoutdiscards);

137. return ERR_BUF;

138. }

139. iphdr =(struct ip_hdr *)p->payload;/** 直接從數據區域獲取IP數據報首部 */

140. ip4_addr_copy(dest_addr, iphdr->dest);/** 獲取目的IP地址 */

141. dest =&dest_addr;

142. }

143. 
     

144. IP_STATS_INC(ip.xmit);

145. 
     

146. LWIP_DEBUGF(IP_DEBUG,("ip4_output_if: %c%c%"U16_F"\\n", netif->name[0], netif->name[1],(u16_t)netif->num));

147. ip4_debug_print(p);

148. 
     

149. #if ENABLE_LOOPBACK /** 換回接口 */

150. if(ip4_addr_cmp(dest, netif_ip4_addr(netif))

151. #if!LWIP_HAVE_LOOPIF

152. || ip4_addr_isloopback(dest)

153. #endif /* !LWIP_HAVE_LOOPIF */

154. ){

155. /* 數據包是給自己的，將其放入環回接口 */

156. LWIP_DEBUGF(IP_DEBUG,("netif_loop_output()"));

157. return netif_loop_output(netif, p);

158. }

159. #if LWIP_MULTICAST_TX_OPTIONS

160. if((p->flags & PBUF_FLAG_MCASTLOOP)!=0){

161. netif_loop_output(netif, p);

162. }

163. #endif /* LWIP_MULTICAST_TX_OPTIONS */

164. #endif /* ENABLE_LOOPBACK */

165. #if IP_FRAG

166. /** 要發送的數據報大于mtu，需要分片，此處的前提是使能了IP_FRAG (IP分片) */

167. if(netif->mtu &&(p->tot_len > netif->mtu)){

168. return ip4_frag(p, netif, dest);/** 調用IP數據報分片函數將數據報分片發送出去 */

169. }

170. #endif /* IP_FRAG */

171. 
     

172. LWIP_DEBUGF(IP_DEBUG,("ip4_output_if: call netif->output()\\n"));

173. return netif->output(netif, p, dest);/** 如果不需要分片就直接通過網卡發送出去，netif->output() */

174. }

最后提個醒

此外：上層協議是不會直接調用 ip4_output()函數的，lwip是通過宏定義將 ip4_output()函數進行重新定義：

1. #define ip_output(p, src, dest, ttl, tos, proto) ip4_output(p, src, dest, ttl, tos, proto