目录
主要分析网络接口概念、网卡数据结构、网络接口、环回接口实现等等。
参考:
网络接口(以太网接口)是硬件接口(网络接口又可以称之为网卡)。
LWIP 是软件那么而怎样让硬件和软件无缝连接起来呢?
而且网卡又多种多样,怎样才能让 LWIP 使用同样的软件兼容不同的硬件平台?
LWIP 中使用了一个netif
结构体来描述网卡但是网卡是直接和硬件平台打交道的:
用户提供最底层接口函数。
LWIP 提供统一的 API。
举例:
LWIP 中的 etherneif.c 文件的函数通常为硬件打交道的底层函数,当有数据需要通过网卡接收或者发送数据的时候就会被调用,通过 LWIP 的协议栈的内部进行处理后,从应用层就能得到数据或者可以发送数据。
小总结:
简单来说,netif 是 LWIP 抽象出来的网卡,LWIP 协议栈可以使用多种不同接口,而 etherneif.c 文件则提供了以太网网卡 netif 的抽象,每个网卡有不同的实现方式,每户只需要修改 ethernetif.c 文件即可。
小笔记:
网卡就是一个水管接口,把上层tcpip协议栈和底层数据链路对接起来,使其数据流通。
网卡底层自由:
ethnet_input()
和ethnet_output()
。
图源自李柱明
图源自李柱明
/** Generic data structure used for all lwIP network interfaces.
* The following fields should be filled in by the initialization
* function for the device driver: hwaddr_len, hwaddr[], mtu, flags */
struct netif {
#if !LWIP_SINGLE_NETIF
/** pointer to next in linked list */
struct netif *next;
#endif
#if LWIP_IPV4
/** IP address configuration in network byte order */
ip_addr_t ip_addr;
ip_addr_t netmask;
ip_addr_t gw;
#endif /* LWIP_IPV4 */
#if LWIP_IPV6
/** Array of IPv6 addresses for this netif. */
ip_addr_t ip6_addr[LWIP_IPV6_NUM_ADDRESSES];
/** The state of each IPv6 address (Tentative, Preferred, etc).
* @see ip6_addr.h */
u8_t ip6_addr_state[LWIP_IPV6_NUM_ADDRESSES];
#if LWIP_IPV6_ADDRESS_LIFETIMES
/** Remaining valid and preferred lifetime of each IPv6 address, in seconds.
* For valid lifetimes, the special value of IP6_ADDR_LIFE_STATIC (0)
* indicates the address is static and has no lifetimes. */
u32_t ip6_addr_valid_life[LWIP_IPV6_NUM_ADDRESSES];
u32_t ip6_addr_pref_life[LWIP_IPV6_NUM_ADDRESSES];
#endif /* LWIP_IPV6_ADDRESS_LIFETIMES */
#endif /* LWIP_IPV6 */
/** This function is called by the network device driver
* to pass a packet up the TCP/IP stack. */
netif_input_fn input;
#if LWIP_IPV4
/** This function is called by the IP module when it wants
* to send a packet on the interface. This function typically
* first resolves the hardware address, then sends the packet.
* For ethernet physical layer, this is usually etharp_output() */
netif_output_fn output;
#endif /* LWIP_IPV4 */
/** This function is called by ethernet_output() when it wants
* to send a packet on the interface. This function outputs
* the pbuf as-is on the link medium. */
netif_linkoutput_fn linkoutput;
#if LWIP_IPV6
/** This function is called by the IPv6 module when it wants
* to send a packet on the interface. This function typically
* first resolves the hardware address, then sends the packet.
* For ethernet physical layer, this is usually ethip6_output() */
netif_output_ip6_fn output_ip6;
#endif /* LWIP_IPV6 */
#if LWIP_NETIF_STATUS_CALLBACK
/** This function is called when the netif state is set to up or down
*/
netif_status_callback_fn status_callback;
#endif /* LWIP_NETIF_STATUS_CALLBACK */
#if LWIP_NETIF_LINK_CALLBACK
/** This function is called when the netif link is set to up or down
*/
netif_status_callback_fn link_callback;
#endif /* LWIP_NETIF_LINK_CALLBACK */
#if LWIP_NETIF_REMOVE_CALLBACK
/** This function is called when the netif has been removed */
netif_status_callback_fn remove_callback;
#endif /* LWIP_NETIF_REMOVE_CALLBACK */
/** This field can be set by the device driver and could point
* to state information for the device. */
void *state;
#ifdef netif_get_client_data
void* client_data[LWIP_NETIF_CLIENT_DATA_INDEX_MAX + LWIP_NUM_NETIF_CLIENT_DATA];
#endif
#if LWIP_NETIF_HOSTNAME
/* the hostname for this netif, NULL is a valid value */
const char* hostname;
#endif /* LWIP_NETIF_HOSTNAME */
#if LWIP_CHECKSUM_CTRL_PER_NETIF
u16_t chksum_flags;
#endif /* LWIP_CHECKSUM_CTRL_PER_NETIF*/
/** maximum transfer unit (in bytes) */
u16_t mtu;
#if LWIP_IPV6 && LWIP_ND6_ALLOW_RA_UPDATES
/** maximum transfer unit (in bytes), updated by RA */
u16_t mtu6;
#endif /* LWIP_IPV6 && LWIP_ND6_ALLOW_RA_UPDATES */
/** link level hardware address of this interface */
u8_t hwaddr[NETIF_MAX_HWADDR_LEN];
/** number of bytes used in hwaddr */
u8_t hwaddr_len;
/** flags (@see @ref netif_flags) */
u8_t flags;
/** descriptive abbreviation */
char name[2];
/** number of this interface. Used for @ref if_api and @ref netifapi_netif,
* as well as for IPv6 zones */
u8_t num;
#if LWIP_IPV6_AUTOCONFIG
/** is this netif enabled for IPv6 autoconfiguration */
u8_t ip6_autoconfig_enabled;
#endif /* LWIP_IPV6_AUTOCONFIG */
#if LWIP_IPV6_SEND_ROUTER_SOLICIT
/** Number of Router Solicitation messages that remain to be sent. */
u8_t rs_count;
#endif /* LWIP_IPV6_SEND_ROUTER_SOLICIT */
#if MIB2_STATS
/** link type (from "snmp_ifType" enum from snmp_mib2.h) */
u8_t link_type;
/** (estimate) link speed */
u32_t link_speed;
/** timestamp at last change made (up/down) */
u32_t ts;
/** counters */
struct stats_mib2_netif_ctrs mib2_counters;
#endif /* MIB2_STATS */
#if LWIP_IPV4 && LWIP_IGMP
/** This function could be called to add or delete an entry in the multicast
filter table of the ethernet MAC.*/
netif_igmp_mac_filter_fn igmp_mac_filter;
#endif /* LWIP_IPV4 && LWIP_IGMP */
#if LWIP_IPV6 && LWIP_IPV6_MLD
/** This function could be called to add or delete an entry in the IPv6 multicast
filter table of the ethernet MAC. */
netif_mld_mac_filter_fn mld_mac_filter;
#endif /* LWIP_IPV6 && LWIP_IPV6_MLD */
#if LWIP_ACD
struct acd *acd_list;
#endif /* LWIP_ACD */
#if LWIP_NETIF_USE_HINTS
struct netif_hint *hints;
#endif /* LWIP_NETIF_USE_HINTS */
#if ENABLE_LOOPBACK
/* List of packets to be queued for ourselves. */
struct pbuf *loop_first; /* 环回数据包缓存的首个pbuf地址 */
struct pbuf *loop_last; /* 环回数据包缓存的最后一个pbuf地址,用于后面继续有pbuf入队时,从尾部插入。(因为pbuf链表是单向非循环链表) */
#if LWIP_LOOPBACK_MAX_PBUFS
u16_t loop_cnt_current; /* 当前有多少个环回数据包未读 */
#endif /* LWIP_LOOPBACK_MAX_PBUFS */
#if LWIP_NETIF_LOOPBACK_MULTITHREADING
/* Used if the original scheduling failed. */
/* 是否需要把netif_poll()API重新转发到lwip内核线程去跑。在转发失败时,标记下次要重新转发 */
u8_t reschedule_poll;
#endif /* LWIP_NETIF_LOOPBACK_MULTITHREADING */
#endif /* ENABLE_LOOPBACK */
};
/** pointer to next in linked list */
struct netif *next;
LWIP 使用链表来统一管理同一设备的多个网卡。
netif.c 文件中定义两个全局指针 struct netif *netif_list
和 struct netif *netif_default
netif_list
就是网卡链表指针,指向网卡链表的首节点(第一个网卡)。netif_default
默认网卡。#if LWIP_IPV4
/** IP address configuration in network byte order */
ip_addr_t ip_addr;
ip_addr_t netmask;
ip_addr_t gw;
#endif /* LWIP_IPV4 */
ip_addr
:网络中的 IP 地址。
netmask
:子网掩码。
gw
:网关地址。
/** This function is called by the network device driver
* to pass a packet up the TCP/IP stack. */
netif_input_fn input;
该函数为网卡北向出口函数,是把底层数据包往协议栈送的,一般是ethernet_input()
,送入arp协议处理,再往上送。
#if LWIP_IPV4
/** This function is called by the IP module when it wants
* to send a packet on the interface. This function typically
* first resolves the hardware address, then sends the packet.
* For ethernet physical layer, this is usually etharp_output() */
netif_output_fn output;
#endif /* LWIP_IPV4 */
函数由 IP 层调用,在接口上发送数据包。用户需要编写该函数并使 output 指向它。
通这个函数的处理步骤是首先解析硬件地址,然后发送数据包。
对于以太网物理层,该函数通常是 etharp_output()
,参数是 pbuf
,netif
,和 ip_addr
类型。
注意:其中 ipaddr
代表要将数据包发送到的地址,但不一定数据包最终到达的 ip 地址。比如要发送 ip 数据报到一个并不在本网络的主机上,该数据包要被发送到一个路由器上,这里的 ipaddr 就是路由器的 ip 地址。
/** This function is called by ethernet_output() when it wants
* to send a packet on the interface. This function outputs
* the pbuf as-is on the link medium. */
netif_linkoutput_fn linkoutput;
该函数和 output
类似,也需要用户自己实现一个函数,但是只有两个参数,一般是自定义函数 low_level_output()
。
当需要在网卡上发送一个数据包时,该函数会被 ethernet_output()
函数调用,在底层发送数据。
#if LWIP_NETIF_REMOVE_CALLBACK
/** This function is called when the netif has been removed */
netif_status_callback_fn remove_callback;
#endif /* LWIP_NETIF_REMOVE_CALLBACK */
当 netif 被删除时调用此函数。
/** This field can be set by the device driver and could point
* to state information for the device. */
void *state;
#ifdef netif_get_client_data
void* client_data[LWIP_NETIF_CLIENT_DATA_INDEX_MAX + LWIP_NUM_NETIF_CLIENT_DATA];
#endif
#if LWIP_IPV6_AUTOCONFIG
/** is this netif enabled for IPv6 autoconfiguration */
u8_t ip6_autoconfig_enabled;
#endif /* LWIP_IPV6_AUTOCONFIG */
#if LWIP_IPV6_SEND_ROUTER_SOLICIT
/** Number of Router Solicitation messages that remain to be sent. */
u8_t rs_count;
#endif /* LWIP_IPV6_SEND_ROUTER_SOLICIT */
#if LWIP_NETIF_HOSTNAME
/* the hostname for this netif, NULL is a valid value */
const char* hostname;
#endif /* LWIP_NETIF_HOSTNAME */
#if LWIP_CHECKSUM_CTRL_PER_NETIF
u16_t chksum_flags;
#endif /* LWIP_CHECKSUM_CTRL_PER_NETIF*/
由设备驱动程序设置并指向设备的状态信息,主要将网卡的某些私有数据传递给上层。
/** maximum transfer unit (in bytes) */
u16_t mtu;
/** number of bytes used in hwaddr */
u8_t hwaddr_len;
/** link level hardware address of this interface */
u8_t hwaddr[NETIF_MAX_HWADDR_LEN];
/** flags (@see @ref netif_flags) */
u8_t flags;
网卡状态信息标志位,是很重要的控制字段,它包括网卡的功能使能,广播使能,ARP 使能等重要控制位。
/** descriptive abbreviation */
char name[2];
用于保存每一个网卡的名字,用两个字符的名字来标识。
网卡使用的设备驱动的种类,名字由设备驱动来设置并且应该反映通过网卡表示的硬件的种类。
如果两个网卡具有相同的网络名字,我们就用 num 字段来区分相同类别的不同网卡。
/** number of this interface */
u8_t num;
标识使用同种驱动类型的不同网卡。
#if LWIP_NETIF_USE_HINTS
struct netif_hint *hints;
#endif /* LWIP_NETIF_USE_HINTS */
网卡提示,有些网卡相关的数据保存空间。
其数据结构:
struct netif_hint {
#if LWIP_NETIF_HWADDRHINT
u8_t addr_hint;
#endif
#if LWIP_VLAN_PCP
/** VLAN hader is set if this is >= 0 (but must be <= 0xFFFF) */
s32_t tci;
#endif
};
比如addr_hint
在ARP协议中的用途就是,当当前网卡发送了一包数据时用到了ARP缓存表某条arp entry时,就会保存这个arp entry的索引到addr_hint
中,下次这个网卡发送数据时,通过addr_hint
获取索引后,直接从这条索引开始遍历ARP缓存表,加速组包时间。
tci
是用于VLAN组包中的字段值。
定义一个 netif
作为网卡设备结构体。
挂载到 netif_list
链表中:netif_add();
。
使能网卡底层(链路层):netif_set_link_up()
。
使能网卡上层(协议栈):netif_set_up()
。
low_level_output()
和low_level_input()
函数是网卡的南向直接操作函数,是对网卡设备的写、读处理。
相当于网卡设备的驱动范畴的函数。
主要 API:
/* 网卡初始化函数 */
static void low_level_init(struct netif *netif);
/* 网卡的发送函数,
* 将内核的数据包发送出去,数据包采用pbuf数据结构进行描述 */
static err_t low_level_output(struct netif *netif, struct pbuf *p);
/* 网卡的数据接收函数,
* 该函数必须将接收的数据封装成pbuf的形式 */
static struct pbuf * low_level_input(struct netif *netif);
相关 API:(如以太网)
/* 上层管理网卡netif的到时候会被调用的函数,
* 最终还是调用 low_level_init() 函数 */
err_t ethernetif_init(struct netif *netif);
/* 主要作用就是调用low_level_input()函数从网卡中读取一个数据包,
* 然后解析该数据包的类型是属于ARP数据包还是IP数据包,
* 再将包递交给上层。
* 无操作系统中使用:可以直接使用的函数,因为内核会周期性去处理该接收函数。
* 有操作系统中系统:一般会将其改写成一个线程的形式,可以周期性去调用low_level_input()网卡接收函数。*/
void ethernetif_input(void *pParams);
在网卡netif->flags;
成员中体现。
NETIF_FLAG_UP
:
NETIF_FLAG_BROADCAST
:网络接口是否支持广播。
NETIF_FLAG_LINK_UP
:
NETIF_FLAG_ETHARP
:网络接口是否支持ARP功能。
NETIF_FLAG_ETHERNET
:网络接口是否是以太网设备。
NETIF_FLAG_IGMP
:网络接口是否支持IGMP协议功能。
NETIF_FLAG_MLD6
:网络接口是否支持MLD6功能。
/**
/** Whether the network interface is 'up'. This is
主要内容是:
netif_list
。参数:
netif
:网卡数据结构资源。
ipaddr
:网卡IP地址。
netmask
:网卡子网掩码。
gw
:网卡网关。
state
:用户自定义的一些数据。
init
:网卡初始化函数。各种网卡的初始化不完全一样,所以又用户自己实现。
input
:网卡北方北向接口。是把数据传入TCPIP协议栈的接口。
/**
@ingroup netif
Add a network interface to the list of lwIP netifs.
*
@param netif a pre-allocated netif structure
@param ipaddr IP address for the new netif
@param netmask network mask for the new netif
@param gw default gateway IP address for the new netif
@param state opaque data passed to the new netif
@param init callback function that initializes the interface
@param input callback function that is called to pass
ingress packets up in the protocol layer stack.
It is recommended to use a function that passes the input directly
to the stack (netif_input(), NO_SYS=1 mode) or via sending a
message to TCPIP thread (tcpip_input(), NO_SYS=0 mode).
These functions use netif flags NETIF_FLAG_ETHARP and NETIF_FLAG_ETHERNET
to decide whether to forward to ethernet_input() or ip_input().
In other words, the functions only work when the netif
driver is implemented correctly!
Most members of struct netif should be be initialized by the
netif init function = netif driver (init parameter of this function).
IPv6: Don't forget to call netif_create_ip6_linklocal_address() after
setting the MAC address in struct netif.hwaddr
(IPv6 requires a link-local address).
*
@return netif, or NULL if failed.
*/
struct netif *
netif_add(struct netif *netif,
#if LWIP_IPV4
const ip4_addr_t *ipaddr, const ip4_addr_t *netmask, const ip4_addr_t *gw,
#endif /* LWIP_IPV4 */
void *state, netif_init_fn init, netif_input_fn input)
{
#if LWIP_IPV6
s8_t i;
#endif
LWIP_ASSERT_CORE_LOCKED();
#if LWIP_SINGLE_NETIF
if (netif_default != NULL) { /* 单网卡功能监测 */
LWIP_ASSERT("single netif already set", 0);
return NULL;
}
#endif
/* 网卡数据结构内存资源检验 /
LWIP_ERROR("netif_add: invalid netif", netif != NULL, return NULL);
/ 网卡初始化钩子函数校验 */
LWIP_ERROR("netif_add: No init function given", init != NULL, return NULL);
#if LWIP_IPV4
if (ipaddr == NULL) {
ipaddr = ip_2_ip4(IP4_ADDR_ANY); /* 获取IPV4地址 /
}
if (netmask == NULL) {
netmask = ip_2_ip4(IP4_ADDR_ANY); / 获取子网掩码 /
}
if (gw == NULL) {
gw = ip_2_ip4(IP4_ADDR_ANY); / 获取网关 */
}
/* 重置网卡配置状态 / ip_addr_set_zero_ip4(&netif->ip_addr); ip_addr_set_zero_ip4(&netif->netmask); ip_addr_set_zero_ip4(&netif->gw); netif->output = netif_null_output_ip4; #endif / LWIP_IPV4 / #if LWIP_IPV6 for (i = 0; i < LWIP_IPV6_NUM_ADDRESSES; i++) { / 遍历当前网卡的各个IPV6地址空间 / ip_addr_set_zero_ip6(&netif->ip6_addr[i]); / 重置这个IPV6 / netif->ip6_addr_state[i] = IP6_ADDR_INVALID; / 标记为无效态 / #if LWIP_IPV6_ADDRESS_LIFETIMES / ipv6生存期字段 / netif->ip6_addr_valid_life[i] = IP6_ADDR_LIFE_STATIC; / 静态地址,没有生存期 / netif->ip6_addr_pref_life[i] = IP6_ADDR_LIFE_STATIC; / 静态地址,没有生存期 / #endif / LWIP_IPV6_ADDRESS_LIFETIMES / } netif->output_ip6 = netif_null_output_ip6; / 初始化北方南向接口为一个虚拟接口 / #endif / LWIP_IPV6 / NETIF_SET_CHECKSUM_CTRL(netif, NETIF_CHECKSUM_ENABLE_ALL); netif->mtu = 0; / 重置MTU / netif->flags = 0; / 重置网卡状态 / #ifdef netif_get_client_data memset(netif->client_data, 0, sizeof(netif->client_data)); / 清空网卡数据结构用户数据空间 / #endif / LWIP_NUM_NETIF_CLIENT_DATA / #if LWIP_IPV6 #if LWIP_IPV6_AUTOCONFIG / 缺省情况下,IPv6地址自动配置功能处于开启状态 / netif->ip6_autoconfig_enabled = 1; #endif / LWIP_IPV6_AUTOCONFIG / nd6_restart_netif(netif); / 使能ipv6网卡,配置路由请求RS次数 / #endif / LWIP_IPV6 / #if LWIP_NETIF_STATUS_CALLBACK netif->status_callback = NULL; / 重置网卡上层(协议栈)状态回调 / #endif / LWIP_NETIF_STATUS_CALLBACK / #if LWIP_NETIF_LINK_CALLBACK netif->link_callback = NULL; / 重置底层(数据链路)状态回调 / #endif / LWIP_NETIF_LINK_CALLBACK / #if LWIP_IGMP netif->igmp_mac_filter = NULL; / 重置(ipv4)IGMP协议以太网MAC过滤表函数 / #endif / LWIP_IGMP / #if LWIP_IPV6 && LWIP_IPV6_MLD netif->mld_mac_filter = NULL; / 重置(ipv6)MLD协议以太网MAC过滤表函数 / #endif / LWIP_IPV6 && LWIP_IPV6_MLD */
netif->state = state; /* 配置网卡状态 / netif->num = netif_num; / 配置网卡标识 / netif->input = input; / 配置网卡数据到TCPIP协议栈入口函数 */
#if LWIP_ACD
netif->acd_list = NULL; /* 重置ACD模块链表 /
#endif / LWIP_ACD /
NETIF_RESET_HINTS(netif); / 重置网卡hints字段 /
#if ENABLE_LOOPBACK
netif->loop_first = NULL; / 重置发送给自己的第一个数据包指针 /
netif->loop_last = NULL; / 重置发送给自己的最后一个数据包指针 /
#if LWIP_LOOPBACK_MAX_PBUFS
netif->loop_cnt_current = 0; / 重置发送给自己的pbuf最大缓存包数限制 /
#endif / LWIP_LOOPBACK_MAX_PBUFS /
#if LWIP_NETIF_LOOPBACK_MULTITHREADING
netif->reschedule_poll = 0; / 是否在多线程环境下 /
#endif / LWIP_NETIF_LOOPBACK_MULTITHREADING /
#endif / ENABLE_LOOPBACK */
#if LWIP_IPV4
netif_set_addr(netif, ipaddr, netmask, gw); /* 设置网卡IP、子网掩码、网关 /
#endif / LWIP_IPV4 */
/* 为netif调用用户指定的初始化函数 / if (init(netif) != ERR_OK) { / 不同的网卡有不同的初始化,所以又用户提供 / return NULL; } #if LWIP_IPV6 && LWIP_ND6_ALLOW_RA_UPDATES / 初始化IPv6的MTU为netif驱动设置的MTU。这可以稍后由RA进行更新。 / netif->mtu6 = netif->mtu; #endif / LWIP_IPV6 && LWIP_ND6_ALLOW_RA_UPDATES */
#if !LWIP_SINGLE_NETIF
/* 网卡标识唯一性校验。其算法先在历史累加获得,溢出再复位。 */
{
struct netif *netif2;
int num_netifs;
do {
if (netif->num == 255) {
netif->num = 0;
}
num_netifs = 0;
for (netif2 = netif_list; netif2 != NULL; netif2 = netif2->next) {
LWIP_ASSERT("netif already added", netif2 != netif);
num_netifs++;
LWIP_ASSERT("too many netifs, max. supported number is 255", num_netifs <= 255);
if (netif2->num == netif->num) { /* 已经溢出过了,标识+1直接用 /
netif->num++;
break;
}
}
} while (netif2 != NULL);
}
if (netif->num == 254) { / 网卡标识溢出,归零 /
netif_num = 0;
} else { / /
netif_num = (u8_t)(netif->num + 1); / 更新网卡标识全局记录值 */
}
/* 添加网卡到网卡链表头部 /
netif->next = netif_list;
netif_list = netif;
#endif / "LWIP_SINGLE_NETIF */
mib2_netif_added(netif);
#if LWIP_IGMP
if (netif->flags & NETIF_FLAG_IGMP) { /* 如果网卡支持IGMP功能 /
igmp_start(netif); / 开始IGMP处理 /
}
#endif / LWIP_IGMP */
LWIP_DEBUGF(NETIF_DEBUG, ("netif: added interface %c%c IP",
netif->name[0], netif->name[1]));
#if LWIP_IPV4
LWIP_DEBUGF(NETIF_DEBUG, (" addr "));
ip4_addr_debug_print(NETIF_DEBUG, ipaddr);
LWIP_DEBUGF(NETIF_DEBUG, (" netmask "));
ip4_addr_debug_print(NETIF_DEBUG, netmask);
LWIP_DEBUGF(NETIF_DEBUG, (" gw "));
ip4_addr_debug_print(NETIF_DEBUG, gw);
#endif /* LWIP_IPV4 */
LWIP_DEBUGF(NETIF_DEBUG, ("\n"));
/* 网卡添加完毕,把这个网卡数据结构地址及状态通过回调链表ext_callback,通知到各个地方 */
netif_invoke_ext_callback(netif, LWIP_NSC_NETIF_ADDED, NULL);
return netif;
}
netif_set_up()
函数用于使能网卡上层协议栈。
相当于打开网卡北向接口的开关阀,让网卡和协议栈的数据能够流通。
对应标志位:NETIF_FLAG_UP
。表示上层协议栈准备好了,也打通了网卡与协议栈的通道。
/**
* @ingroup netif
* Bring an interface up, available for processing
* traffic.
*/
void
netif_set_up(struct netif *netif)
{
LWIP_ASSERT_CORE_LOCKED();
LWIP_ERROR("netif_set_up: invalid netif", netif != NULL, return);
if (!(netif->flags & NETIF_FLAG_UP)) { /* 协议栈还没使能 */
netif_set_flags(netif, NETIF_FLAG_UP); /* 标记使能协议栈 */
/* 记录网卡协议栈使能时间 */
MIB2_COPY_SYSUPTIME_TO(&netif->ts);
/* 网卡状态回调 */
NETIF_STATUS_CALLBACK(netif);
#if LWIP_NETIF_EXT_STATUS_CALLBACK
{
netif_ext_callback_args_t args;
args.status_changed.state = 1;
/* 网卡状态静态回调 */
netif_invoke_ext_callback(netif, LWIP_NSC_STATUS_CHANGED, &args);
}
#endif
/* 发送ARP/IGMP/MLD/RS事件,例如:linup / netifup或addr-change */
/* 协议栈和数据链路都使能了才生效 */
netif_issue_reports(netif, NETIF_REPORT_TYPE_IPV4 | NETIF_REPORT_TYPE_IPV6);
#if LWIP_IPV6
/* 重置ipv6网卡,设置路由请求RS次数(see RFC 4861, ch. 6.3.7) */
nd6_restart_netif(netif);
#endif /* LWIP_IPV6 */
}
}
netif_set_link_up()
函数用于使能网卡底层数据链路。
相当于打开网卡南向接口的开关阀,让网卡和底层数据链路的数据能够流通。
对应标志位:NETIF_FLAG_LINK_UP
。表示底层数据链路准备好了,也打通了网卡与底层数据链路的通道。
因为在数据链路层新增了一个设备节点,所以需要在链路层做一些处理,通告下。
比如发起ARP请求,宣告当前IP被我使用,给为同僚ARP缓存表有空间就存一下吧。
链路层使能后,还需要通过回调通知其它业务,表明当前网卡状态更新了。
/**
* @ingroup netif
* Called by a driver when its link goes up
*/
void
netif_set_link_up(struct netif *netif)
{
LWIP_ASSERT_CORE_LOCKED();
LWIP_ERROR("netif_set_link_up: invalid netif", netif != NULL, return);
if (!(netif->flags & NETIF_FLAG_LINK_UP)) { /* 数据链路还没使能 */
netif_set_flags(netif, NETIF_FLAG_LINK_UP); /* 标记使能数据链路 */
/* 链路层新增了一个设备节点,需要在链路层通告处理下 */
#if LWIP_DHCP /* dhcp协议相关 */
dhcp_network_changed_link_up(netif);
#endif /* LWIP_DHCP */
#if LWIP_AUTOIP /* AUTOIP相关 */
autoip_network_changed_link_up(netif);
#endif /* LWIP_AUTOIP */
/* 发送ARP/IGMP/MLD/RS事件,例如:linup / netifup或addr-change */
/* 协议栈和数据链路都使能了才生效 */
netif_issue_reports(netif, NETIF_REPORT_TYPE_IPV4 | NETIF_REPORT_TYPE_IPV6);
#if LWIP_IPV6
/* 重置ipv6网卡,设置路由请求RS次数(see RFC 4861, ch. 6.3.7) */
nd6_restart_netif(netif);
#endif /* LWIP_IPV6 */
/* 数据链路状态回调 */
NETIF_LINK_CALLBACK(netif);
#if LWIP_NETIF_EXT_STATUS_CALLBACK
{
netif_ext_callback_args_t args;
args.link_changed.state = 1;
/* 网卡状态静态回调 */
netif_invoke_ext_callback(netif, LWIP_NSC_LINK_CHANGED, &args);
}
#endif
}
}
参考lwip官方提供的ethernetif.c
文件。
用户需要封装单个网卡底层数据链路相关的函数:
low_level_init()
:
low_level_output()
:
low_level_input()
:
ethernetif_init()
:网卡初始化函数。封装这个接口是给netif_add()
添加网卡时初始化当前网卡的。
ethernetif_input()
:数据链路接收数据并传入TCPIP协议栈。
发送的数据是由上层一层一层传下来的,相关接口也是层层调用即可。
但是接收数据不一样,我们代码不知道数据什么时候来,所以需要创建一条线程,专门用于检索接收到的数据包,然后传入网卡,让网卡一层一层上传处理。
lwip提供的参考,这个线程就是ethernetif_input()
。
伪代码参考:
/**
* Should be called at the beginning of the program to set up the
* network interface. It calls the function low_level_init() to do the
* actual setup of the hardware.
*
* This function should be passed as a parameter to netif_add().
*
* @param netif the lwip network interface structure for this ethernetif
* @return ERR_OK if the loopif is initialized
* ERR_MEM if private data couldn't be allocated
* any other err_t on error
*/
err_t
ethernetif_init(struct netif *netif)
{
struct ethernetif *ethernetif;
LWIP_ASSERT("netif != NULL", (netif != NULL));
ethernetif = mem_malloc(sizeof(struct ethernetif));
if (ethernetif == NULL) {
LWIP_DEBUGF(NETIF_DEBUG, ("ethernetif_init: out of memory\n"));
return ERR_MEM;
}
#if LWIP_NETIF_HOSTNAME
/* Initialize interface hostname */
netif->hostname = "lwip";
#endif /* LWIP_NETIF_HOSTNAME */
/* 在结构netif中初始化snmp变量和计数器。最后一个参数应该替换为链接速度,单位为比特/秒 */
MIB2_INIT_NETIF(netif, snmp_ifType_ethernet_csmacd, LINK_SPEED_OF_YOUR_NETIF_IN_BPS);
/* 网卡信息配置 */
netif->state = ethernetif;
netif->name[0] = IFNAME0;
netif->name[1] = IFNAME1;
/* 我们在这里直接使用etharp_output()来保存函数调用。
如果你必须在发送之前做一些检查(例如,如果链接可用…),你可以声明自己的函数为调用etharp_output()。 */
#if LWIP_IPV4
netif->output = etharp_output; /* ARP协议的北向入口,用户可以二次封装这个接口。收到的数据时网络层的IP数据 */
#endif /* LWIP_IPV4 */
#if LWIP_IPV6
netif->output_ip6 = ethip6_output;
#endif /* LWIP_IPV6 */
netif->linkoutput = low_level_output; /* 网卡南向出口。把数据发往底层数据链路。 */
ethernetif->ethaddr = (struct eth_addr *) & (netif->hwaddr[0]); /* 配置硬件地址,MAC */
/* 初始化网卡硬件设备 */
low_level_init(netif);
return ERR_OK;
}
该函数为应该独立线程,用于检测和接收底层数据链路数据,打包好发往TCPIP协议栈。
/**
* This function should be called when a packet is ready to be read
* from the interface. It uses the function low_level_input() that
* should handle the actual reception of bytes from the network
* interface. Then the type of the received packet is determined and
* the appropriate input function is called.
*
* @param netif the lwip network interface structure for this ethernetif
*/
static void
ethernetif_input(struct netif *netif)
{
struct ethernetif *ethernetif;
struct eth_hdr *ethhdr;
struct pbuf *p;
ethernetif = netif->state; /* 用户私人信息拿出来 */
/* 接收一个数据包,并封装成pbuf类型 */
p = low_level_input(netif);
/* 如果无法读取数据包,则静默地忽略它 */
if (p != NULL) {
/* 将所有数据包传递给ethernet_input,由ethernet_input决定支持哪些数据包 */
if (netif->input(p, netif) != ERR_OK) {
LWIP_DEBUGF(NETIF_DEBUG, ("ethernetif_input: IP input error\n"));
pbuf_free(p); /* 上传失败,丢弃该数据包 */
p = NULL;
}
}
}
/**
* In this function, the hardware should be initialized.
* Called from ethernetif_init().
*
* @param netif the already initialized lwip network interface structure
* for this ethernetif
*/
static void
low_level_init(struct netif *netif)
{
struct ethernetif *ethernetif = netif->state; /* 获取用户私人信息 */
/* 设置MAC硬件地址长度 */
netif->hwaddr_len = ETHARP_HWADDR_LEN;
/* 设置MAC地址 */
netif->hwaddr[0] = ;
/* ... */
netif->hwaddr[5] = ;
/* 设置MTU */
netif->mtu = 1500;
/* 设备性能标记 */
/* 根据实际设备性能而配置 */
netif->flags = NETIF_FLAG_BROADCAST | NETIF_FLAG_ETHARP | NETIF_FLAG_LINK_UP;
#if LWIP_IPV6 && LWIP_IPV6_MLD
/*
* 用于实现MAC过滤的硬件/网络。
* 默认情况下,所有节点的链路本地是被处理的,因此我们必须让硬件知道允许多播包进入。
* 应该在前面设置mld_mac_filter。 */
if (netif->mld_mac_filter != NULL) {
ip6_addr_t ip6_allnodes_ll;
ip6_addr_set_allnodes_linklocal(&ip6_allnodes_ll);
netif->mld_mac_filter(netif, &ip6_allnodes_ll, NETIF_ADD_MAC_FILTER);
}
#endif /* LWIP_IPV6 && LWIP_IPV6_MLD */
/* 执行初始化接口所需的其他操作。 */
}
ipv4的127 网段的所有地址都称为环回地址,主要用来测试网络协议是否工作正常的作用。
常用:
IPv4:127.0.0.1
IPv6:::1
默认记录IPv4。
环回地址表示“我自己”的意思。
图源自李柱明
ENABLE_LOOPBACK
:开启环回功能。
LWIP_NETIF_LOOPBACK
:每个网卡都有环回功能。
LWIP_HAVE_LOOPIF
:可创建独立的环回网卡。
netif_init()
:lwip网卡模块初始化。如果开启了LWIP_NETIF_LOOPBACK
,则会在该函数里面添加一个环回网卡loop_netif
。
netif_loopif_init()
:环回网卡初始化。
low_level_init()
。netif_loop_output()
:环回输出接口。
如果数据包的目标IP和当前网卡的IP一致,则调用内部会调用该函数,而不是netif->output()
。
如果是环回网卡,netif->output()
也是该函数。
netif_loop_output()
。netif->output()
,其实也是netif_loop_output()
。netif_poll()
:环回处理接口。
netif_poll()
转交给wlip内核线程去跑。netif_loop_output()
输入的数据传到netif->input()
。lwip网卡模块初始化调用netif_init()
函数,只是在lwip协议栈初始化是调用,如果开启了环回LWIP_HAVE_LOOPIF
功能,才会有操作,就是创建一个环回IP的网卡,仅此而已。
对应到每一个实际网卡的初始化,在netif_add()
会讲解。
void
netif_init(void)
{
#if LWIP_HAVE_LOOPIF
#if LWIP_IPV4
#define LOOPIF_ADDRINIT &loop_ipaddr, &loop_netmask, &loop_gw,
ip4_addr_t loop_ipaddr, loop_netmask, loop_gw;
IP4_ADDR(&loop_gw, 127, 0, 0, 1); /* 设置回环网卡的网关 */
IP4_ADDR(&loop_ipaddr, 127, 0, 0, 1); /* 设置回环网卡的IP地址 */
IP4_ADDR(&loop_netmask, 255, 0, 0, 0); /* 设置回环网卡的子网掩码 */
#else /* LWIP_IPV4 */
#define LOOPIF_ADDRINIT
#endif /* LWIP_IPV4 */
#if NO_SYS
netif_add(&loop_netif, LOOPIF_ADDRINIT NULL, netif_loopif_init, ip_input);
#else /* NO_SYS */
netif_add(&loop_netif, LOOPIF_ADDRINIT NULL, netif_loopif_init, tcpip_input); /* 添加网卡 */
#endif /* NO_SYS */
#if LWIP_IPV6
IP_ADDR6_HOST(loop_netif.ip6_addr, 0, 0, 0, 0x00000001UL); /* ipv6的回环地址为::1 */
loop_netif.ip6_addr_state[0] = IP6_ADDR_VALID; /* 标记地址有效 */
#endif /* LWIP_IPV6 */
netif_set_link_up(&loop_netif); /* 添加新网卡,告知链路层,如ARP宣告使用次IP,都让回环的没有。 */
netif_set_up(&loop_netif); /* 协议栈启用此网卡 */
#endif /* LWIP_HAVE_LOOPIF */
}
回环网卡初始化:netif_loopif_init()
/**
* Initialize a lwip network interface structure for a loopback interface
*
* @param netif the lwip network interface structure for this loopif
* @return ERR_OK if the loopif is initialized
* ERR_MEM if private data couldn't be allocated
*/
static err_t
netif_loopif_init(struct netif *netif)
{
LWIP_ASSERT("netif_loopif_init: invalid netif", netif != NULL);
/* 初始化结构netif中的SNMP变量和计数器
* ifSpeed:不能做任何假设!
*/
MIB2_INIT_NETIF(netif, snmp_ifType_softwareLoopback, 0);
/* 网卡名字 */
netif->name[0] = 'l';
netif->name[1] = 'o';
#if LWIP_IPV4
netif->output = netif_loop_output_ipv4; /* 回环输出接口 */
#endif
#if LWIP_IPV6
netif->output_ip6 = netif_loop_output_ipv6; /* 回环输出接口 */
#endif
#if LWIP_LOOPIF_MULTICAST
netif_set_flags(netif, NETIF_FLAG_IGMP); /* 支持IGMP协议 */
#endif
NETIF_SET_CHECKSUM_CTRL(netif, NETIF_CHECKSUM_DISABLE_ALL); /* checksum校验功能相关 */
return ERR_OK;
}
#endif /* LWIP_HAVE_LOOPIF */
传入的pbuf是被以复制的显示缓存到对应网卡的loop_first
链表中:
先申请新的pbuf r,用于存储拷贝传入的pbuf p的数据。
预测检查pbuf节点数是否超出限制LWIP_LOOPBACK_MAX_PBUFS
。
拷贝pbuf数据。
拼接到对应网卡的环回pbuf链表netif->loop_first
中。
如果网卡的环回pbuf链表还有数据,说明上次已经触发过netif_poll()
,正常按理是不用再触发的。但是如果上次触发失败,这次还是要触发。
如果网卡大的环回链表没有数据,说明当前netif_poll()
没有在跑。需要触发netif_poll()
。
如果netif_poll()
触发失败,需要标记下,下次再发环回数据时补回触发。
/**
@ingroup netif
Send an IP packet to be received on the same netif (loopif-like).
The pbuf is copied and added to an internal queue which is fed to
netif->input by netif_poll().
In multithreaded mode, the call to netif_poll() is queued to be done on the
TCP/IP thread.
In callback mode, the user has the responsibility to call netif_poll() in
the main loop of their application.
*
@param netif the lwip network interface structure
@param p the (IP) packet to 'send'
@return ERR_OK if the packet has been sent
ERR_MEM if the pbuf used to copy the packet couldn't be allocated
*/
err_t
netif_loop_output(struct netif *netif, struct pbuf *p)
{
struct pbuf *r;
err_t err;
struct pbuf last;
#if LWIP_LOOPBACK_MAX_PBUFS
u16_t clen = 0;
#endif / LWIP_LOOPBACK_MAX_PBUFS /
/ 如果我们有一个loop, SNMP计数器会为此进行调整,
LWIP_ASSERT("netif_loop_output: invalid netif", netif != NULL);
LWIP_ASSERT("netif_loop_output: invalid pbuf", p != NULL);
/* 申请新的pbuf资源 / r = pbuf_alloc(PBUF_LINK, p->tot_len, PBUF_RAM); if (r == NULL) { / 申请失败。状态信息记录。 / LINK_STATS_INC(link.memerr); LINK_STATS_INC(link.drop); MIB2_STATS_NETIF_INC(stats_if, ifoutdiscards); return ERR_MEM; } #if LWIP_LOOPBACK_MAX_PBUFS clen = pbuf_clen(r); / 查看申请到的pbuf有多长(查看多少个pbuf节点组成,如果MEM基于POOL时才有意义) / / 检查队列上是否有溢出或太多的pbuf / if (((netif->loop_cnt_current + clen) < netif->loop_cnt_current) || ((netif->loop_cnt_current + clen) > LWIP_MIN(LWIP_LOOPBACK_MAX_PBUFS, 0xFFFF))) { pbuf_free(r); / 过多,全部丢弃 / / 输出失败。记录状态信息。 / LINK_STATS_INC(link.memerr); LINK_STATS_INC(link.drop); MIB2_STATS_NETIF_INC(stats_if, ifoutdiscards); return ERR_MEM; } / 资源申请成功,需要记录pbuf链表有是由多少个节点组成的,用于出队检查和包数限制。 / / 笔者认为,在这里就更新,未免太早了。如果pbuf拷贝失败,会导致这个值虚大。 / netif->loop_cnt_current = (u16_t)(netif->loop_cnt_current + clen); #endif / LWIP_LOOPBACK_MAX_PBUFS */
/* 将整个pbuf队列p复制到单个pbuf r中 /
if ((err = pbuf_copy(r, p)) != ERR_OK) {
pbuf_free(r);
/ 拷贝失败。记录状态信息。 /
LINK_STATS_INC(link.memerr);
LINK_STATS_INC(link.drop);
MIB2_STATS_NETIF_INC(stats_if, ifoutdiscards);
/ 笔者添加:netif->loop_cnt_current = (u16_t)(netif->loop_cnt_current - clen); */
return err;
}
/* 把包放在一个链表上,通过调用netif_poll()进行出队. */
/* last指向链r中的最后一个pbuf /
for (last = r; last->next != NULL; last = last->next) {
/ nothing to do here, just get to the last pbuf */
}
SYS_ARCH_PROTECT(lev); /* 进入临界 / if (netif->loop_first != NULL) { / 环回链表中已有缓存数据 / LWIP_ASSERT("if first != NULL, last must also be != NULL", netif->loop_last != NULL); netif->loop_last->next = r; / 拼接pbuf链表 / netif->loop_last = last; / 保存最后一个pbuf的指针。用于还没其它pbuf插入时,直接从尾部插入。 / #if LWIP_NETIF_LOOPBACK_MULTITHREADING if (netif->reschedule_poll) { / 需要重新把netif_pool()转发到lwip内核线程执行(因为上次转发失败) / schedule_poll = 1; / 标记需要外包 / netif->reschedule_poll = 0; / 恢复标志位 / } #endif / LWIP_NETIF_LOOPBACK_MULTITHREADING / } else { / 环回链表中没有缓存数据 / netif->loop_first = r; / 首个pbuf / netif->loop_last = last; / 保存最后一个pbuf的指针 / #if LWIP_NETIF_LOOPBACK_MULTITHREADING / 环回队列中没有数据,说明netif_poll()已经处理完毕,需要重新外包netif_poll() / schedule_poll = 1; #endif / LWIP_NETIF_LOOPBACK_MULTITHREADING / } SYS_ARCH_UNPROTECT(lev); / 退出临界 */
/* 记录状态信息。 */
LINK_STATS_INC(link.xmit);
MIB2_STATS_NETIF_ADD(stats_if, ifoutoctets, p->tot_len);
MIB2_STATS_NETIF_INC(stats_if, ifoutucastpkts);
#if LWIP_NETIF_LOOPBACK_MULTITHREADING
/* 多线程环境下 /
if (schedule_poll) {
/ 打包消息,转发netif_poll()函数到lwip内核线程去跑 /
if (tcpip_try_callback((tcpip_callback_fn)netif_poll, netif) != ERR_OK) {
SYS_ARCH_PROTECT(lev);
netif->reschedule_poll = 1;
SYS_ARCH_UNPROTECT(lev);
}
}
#endif / LWIP_NETIF_LOOPBACK_MULTITHREADING */
return ERR_OK;
}
非可重入函数。
pbuf数据从网卡环回pbuf链表netif->loop_first
中出队,把数据转交给IP模块入口ip_input()
处理。
/**
Call netif_poll() in the main loop of your application. This is to prevent
reentering non-reentrant functions like tcp_input(). Packets passed to
netif_loop_output() are put on a list that is passed to netif->input() by
netif_poll().
*/
void
netif_poll(struct netif *netif)
{
/* 如果我们有一个loop, SNMP计数器会为此进行调整,
LWIP_ASSERT("netif_poll: invalid netif", netif != NULL);
SYS_ARCH_PROTECT(lev); /* 进入临界 /
while (netif->loop_first != NULL) { / 直到环回链表都处理完毕 */
struct pbuf *in, in_end;
#if LWIP_LOOPBACK_MAX_PBUFS
u8_t clen = 1;
#endif / LWIP_LOOPBACK_MAX_PBUFS */
in = in_end = netif->loop_first;
while (in_end->len != in_end->tot_len) { /* 遍历当前pbuf链表数据包最后一个有效的pbuf /
LWIP_ASSERT("bogus pbuf: len != tot_len but next == NULL!", in_end->next != NULL);
in_end = in_end->next; / 遍历下一个 /
#if LWIP_LOOPBACK_MAX_PBUFS
clen++; / 记录当前pbuf链表的pbuf成员个数 /
#endif / LWIP_LOOPBACK_MAX_PBUFS /
}
#if LWIP_LOOPBACK_MAX_PBUFS
/ 调整队列上的pbuf数量 /
LWIP_ASSERT("netif->loop_cnt_current underflow",
((netif->loop_cnt_current - clen) < netif->loop_cnt_current));
netif->loop_cnt_current = (u16_t)(netif->loop_cnt_current - clen);
#endif / LWIP_LOOPBACK_MAX_PBUFS */
/* 'in_end'现在指向'in'的最后一个pbuf /
if (in_end == netif->loop_last) {
/ 队列上的pbuf已经遍历完毕了,后续没有其它pbuf。更新相关字段 /
netif->loop_first = netif->loop_last = NULL;
} else { / 环回队列还要其它pbuf /
/ 从列表中弹出pbuf /
netif->loop_first = in_end->next;
LWIP_ASSERT("should not be null since first != last!", netif->loop_first != NULL);
}
/ 弹出队列 /
in_end->next = NULL;
SYS_ARCH_UNPROTECT(lev);
/ 获取这个环回pbuf数据包的源网卡,也是目标网卡 /
in->if_idx = netif_get_index(netif);
/ 状态信息记录。 /
LINK_STATS_INC(link.recv);
MIB2_STATS_NETIF_ADD(stats_if, ifinoctets, in->tot_len);
MIB2_STATS_NETIF_INC(stats_if, ifinucastpkts);
/ loopback报文始终是IP报文! /
if (ip_input(in, netif) != ERR_OK) { / 转入对应网卡的IP模块 /
pbuf_free(in); / 转入失败后需要释放这个pbuf数据包内存资源 */
}
SYS_ARCH_PROTECT(lev);
}
SYS_ARCH_UNPROTECT(lev);
}
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