LWIP协议栈：IP协议

1. IP协议概述

IP 协议（Internet Protocol），又称之为网际协议，属于网络层。IP协议以IP地址作为唯一识别码，负责将数据从源主机发送到目标主机。

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。 

1.1 IP地址

在互联网中，每一个主机都有一个唯一的IP地址作为身份识别标志。

（1）分类编址

IP地址可分为五类：A类、B类、C类、D类、E类，其组成如下图。

   各类IP地址的特点，如下图。

   （2）特殊IP地址

特殊IP地址用于特殊用途，不能分配给任何一个网络的主机使用。

受限广播地址	网络号、主机号全为1的地址（255.255.255.255），表示整个互联网内的主机。但是由于路由器禁止转发IP地址为255.255.255.255的数据包，这样的数据包只会在局域网内广播。
直接广播地址	主机号全为1的地址，表示局域网内的所有主机，
多播地址	D类地址属于多播地址，一个发送者，多个接收者。D类地址只能作为目标IP地址，不能作为源IP地址。
环回地址	A类地址中，127网段的所有地址都是环回地址，用来测试网络协议是否正常工作。譬如，ping 127.1.1.1可以测试本地TCP/IP协议是否正常工作。
本网络本主机	IP地址全为0的地址（0.0.0.0），表示本网络本主机。该地址只能作为源地址，用于本机IP地址不明确的情况。

 1.2 局域网、广域网、互联网

局域网（Local Area Network，缩写为 LAN），又称内网，覆盖局部区域的计算机网络。

广域网（（Wide Area Network，缩写为 WAN），又称外网、公网，连接不同区域的计算机网络进行通信。

互联网，由无数个局域网，通过广域网线路汇聚互联形成。

局域网、广域网、互联网三者间关系如下图所示。

• 无线路由器为手机、电脑分配局域网IP（LAN-IP）。路由器的IP地址，由运营商分配（运营商的局部IP地址），该地址将被转换为广域网IP地址（WAN-IP）。广域网IP地址（WAN-IP）也需要转换为互联网公共IP地址（Global-IP），才能进入互联网。
• 网络通信的IP地址转换过程：LAN-IP <—> WAN-IP <—> Global-IP。

1.3 网络地址转换

NAT（Network Address Translation），网络地址转换，其功能是实现局域网IP地址与广域网IP地址之间的转换，即完成LAN-IP <—> WAN-IP之间的转换。

示例：

• 具有NAT功能的路由器拥有两个IP地址，一个内部地址，用于进行局域网内部的通信；一个外部地址，用于与广域网进行通信，由运营商分配。
• 具有 NAT 功能的路由器会在其内部维护一个 NAT 转换表。当路由器收到局域网的IP数据报时，路由器会为该数据报分配一个它内部的 NAT 端口（譬如：port 6666），局域网主机IP地址（192.168.0.181：5555）与广域网IP地址（223.166.166.66：6666）形成一个映射。从而，局域网主机能够实现与广域网进行通信。
• NAT转换中，路由器会每个连接的局域网主机分配唯一的NAT端口号，并回收失效端口号。

2. IP报文

2.1 IP报文格式

•  版本：IP协议的版本号。IPv4的版本号为4，IPv6的版本号为6。
• 首部长度：记录IP首部所占的空间，单位“字”。占4bit，因此IP首部的最大长度为15*4=60Byte。
• 服务类型（TOS）：用于区分不同的IP数据包。譬如，区分一些特别要求低时延、高吞吐量或可靠性的数据包；从而便于路由器为此类IP数据包提供更合理的路径。
• 数据报长度：IP报文的总长度，IP首部+数据区域的长度，单位“字节”。该长度一般不超过以太网数据帧的最大长度（MTU_MAX=1500Byte），若超过，则需进行分片发送。若该长度小于MTU_MIN（46Byte），则需填充至MTU_MIN后再发送。
• 标识：用于判断各个IP数据报分片是否属于同一个数据报。每发送一个IP数据报，该字段的值+1；属于同一个IP数据报的分片，该字段的值相等。
• 标志：占3bit。BIT(0)保留未用；BIT(1)为1表示该数据报允许进行分片处理，为0表示禁止分片处理（此时，若数据报长度超过MTU_MAX，则丢弃该数据报）；BIT(2)为0表示该分片是整个数据报的最后一个分片，反之则不是。
• 分片偏移量：表示当前分片所携带的数据在整个IP数据报中的偏移量，以8Byte为单位。
• 生存时间（TTL）：每当IP数据报被一个路由器处理后，该字段的值减1；当减为0时，丢弃该数据报。从而确保IP数据报不会永远在网络中循环（譬如由于长时间的路由选择环路）。
• 上层协议：表示IP数据报的数据部分应该交由哪个传输协议（TCP、UDP、）处理。
• 首部校验和：IP数据报首部的校验和，用于帮助路由器检测收到的IP数据报的首部是否正确。
• 源IP地址：源主机的IP地址。
• 目标IP地址：目标主机的IP地址。
• 选择：该字段不是必须组成部分。LWIP协议栈只识别选项字段，但是不会处理它的内容。
• 数据区域：IP数据报所携带额数据。

P.S.:IPv4和IPv6的报文格式不同，此处记录的为IPv4报文格式。

2.2 IP报文数据结构定义

LWIP定义了ip_hdr结构体来描述IP报文的首部，同时定义了获取IP报文首部信息的宏定义、设置IP报文首部信息的宏定义。源码位置：lwip_2_1_2/src/core/ipv4/ip4_frag.c

定义ip_hdr结构体时要禁止编译器进行对齐操作，因为该结构体的很多字段都是按位进行操作的。

PACK_STRUCT_BEGIN
struct ip_hdr
{
    /* 版本 / 首部长度 */
    PACK_STRUCT_FLD_8(u8_t _v_hl);
    /* 服务类型 */
    PACK_STRUCT_FLD_8(u8_t _tos);
    /* 数据报总长度 */
    PACK_STRUCT_FIELD(u16_t _len);
    /* 标识字段 */
    PACK_STRUCT_FIELD(u16_t _id);
    /* 标志与偏移 */
    PACK_STRUCT_FIELD(u16_t _offset);
#define IP_RF 0x8000U /* 保留的标志位 */
#define IP_DF 0x4000U /* 不分片标志位 */
#define IP_MF 0x2000U /* 更多分片标志 */
#define IP_OFFMASK 0x1fffU /* 用于分段的掩码 */
    /* 生存时间 */
    PACK_STRUCT_FLD_8(u8_t _ttl);
    /* 上层协议*/
    PACK_STRUCT_FLD_8(u8_t _proto);
    /* 校验和 */
    PACK_STRUCT_FIELD(u16_t _chksum);
    /* 源 IP 地址与目标 IP 地址 */
    PACK_STRUCT_FLD_S(ip4_addr_p_t src);
    PACK_STRUCT_FLD_S(ip4_addr_p_t dest);
} PACK_STRUCT_STRUCT;
PACK_STRUCT_END


/* 获取 IP 数据报首部各个字段信息的宏 */

//获取协议版本
#define IPH_V(hdr) ((hdr)->_v_hl >> 4)
//获取首部长度（字）
#define IPH_HL(hdr) ((hdr)->_v_hl & 0x0f)
//获取获取首部长度字节
#define IPH_HL_BYTES(hdr) ((u8_t)(IPH_HL(hdr) * 4))
//获取服务类型
#define IPH_TOS(hdr) ((hdr)->_tos)
//获取数据报长度
#define IPH_LEN(hdr) ((hdr)->_len)
//获取数据报标识
#define IPH_ID(hdr) ((hdr)->_id)
//获取分片标志位+偏移量
#define IPH_OFFSET(hdr) ((hdr)->_offset)
//获取偏移量大小(字节)
#define IPH_OFFSET_BYTES(hdr) \
((u16_t)((lwip_ntohs(IPH_OFFSET(hdr)) & IP_OFFMASK) * 8U))
//获取生存时间
#define IPH_TTL(hdr) ((hdr)->_ttl)
//获取上层协议
#define IPH_PROTO(hdr) ((hdr)->_proto)
//获取校验和
#define IPH_CHKSUM(hdr) ((hdr)->_chksum)


/* 用于填写 IP 数据报首部的宏*/

//设置版本号跟首部长度
#define IPH_VHL_SET(hdr, v, hl) \
(hdr)->_v_hl = (u8_t)((((v) << 4) | (hl)))
//设置服务类型
#define IPH_TOS_SET(hdr, tos) (hdr)->_tos = (tos)
//设置数据报总长度
#define IPH_LEN_SET(hdr, len) (hdr)->_len = (len)
//设置标识
#define IPH_ID_SET(hdr, id) (hdr)->_id = (id)
//设置分片标志与偏移量
#define IPH_OFFSET_SET(hdr, off) (hdr)->_offset = (off)
//设置生存时间
#define IPH_TTL_SET(hdr, ttl) (hdr)->_ttl = (u8_t)(ttl)
//设置上层协议
#define IPH_PROTO_SET(hdr, proto) (hdr)->_proto = (u8_t)(proto)
//设置校验和
#define IPH_CHKSUM_SET(hdr, chksum) (hdr)->_chksum = (chksum)

 3. IP数据报分片

（1）分片处理的原因

IP数据报被传送至链路层，链路层将IP数据报封装成链路层帧，网卡硬件将链路层帧发送至目标主机。一个链路层帧能携带的最大数据量称为最大传送单元（MTU），不同网卡硬件的MTU可能不一样。当IP数据报的长度超过MTU，则需对其进行分片处理后，再发送。

（2）分片处理的原理

IP数据报的分片处理，是将IP数据报中的数据区域切割为若干个较小的IP数据报，并封装成单独的链路层帧后进行发送。

• 每个分片的IP首部，除“标志”、“分片偏移量”这两个字段，其余都一样。
• “分片偏移量”字段的单位是8Byte，因此分片的数据区域的长度也必须是8的整数倍。
• 最后一个分片的标志位的BIT(2)为0，表示该分片为最后一个分片。
• 所有分片在到达目标主机的IP层后，进行重装，形成一个完整的IP数据包。

（3）分片处理示例

主机发送一个4000Byte的IP数据报，链路层MTU = 1500Byte，需要对原始IP数据报进行分片处理。

原始IP数据报（4000Byte）= IP首部（20Byte）+ 数据区域（3980Byte），对数据区域进行切割，并填写每个分片IP首部的“标志”、“分片偏移量”字段。

第一个分片：“标志”字段BIT(2) = 1，分片偏移量为0，分片数据报长度（1500Byte）=  IP首部（20Byte）+ 数据区域（1480Byte）；

第二个分片：“标志”字段BIT(2) = 1，分片偏移量为185（1480/8），分片数据报长度（1500Byte）=  IP首部（20Byte）+ 数据区域（1480Byte）；

第三个分片：“标志”字段BIT(2) = 0，分片偏移量为370（185+185），分片数据报长度（1040Byte）=  IP首部（20Byte）+ 数据区域（1020Byte）。

 （4）分片处理的源码

分片处理的源码位于“lwip_2_1_2/src/core/ipv4/ip4_frag.c”，调用“ip4_frag()”函数对IP数据报进行分片处理并发送至目标主机。

4. IP数据报的发送与接收

IP数据报的发送与接收，源码位于：lwip_2_1_2/src/core/ipv4/ip4.c

4.1 IP数据报的发送

•  传输层需要发送数据时，将需要发送的数据传递到网络层的IP协议，IP层调用“ip4_output()”函数发送IP数据报。
• “ip4_output()”函数调用“ip4_route_src()”函数根据目标IP地址在网卡列表中选择一个合适的网卡，匹配条件：目标IP地址与网卡地址在一个子网内，或者目标IP地址等于网卡的网关地址。再调用“ip4_output_if()”函数发送IP数据报。
• “ip4_output_if_src()”函数调整payload指针至IP数据报首部的起始地址，填写IP首部信息，并对IP数据报进行分类处理。若目标IP地址等于源主机的IP地址，则调用“netif_loop_output()”函数进行环回输入；若IP数据报长度超过MTU，则调用“ip4_frag()”函数进行分片发送；否则直接调用“netif->output ”接口将IP数据报传递给ARP协议进行发送。

4.2 IP数据报的接收

• 链路层接收到一个IP数据报，通过“ethernet_input()”函数再传递到“ip4_input()”函数进行处理。
• “ip4_input()”函数首先检查IP数据报首部的协议版本是否为IPv4，然后根据目标IP地址在本地网卡列表中寻找有效的目标网卡。若目标IP地址不等于主机地址，则通过“ip4_addr_isloopback()”函数判断目标IP地址是否为环回地址。若匹配到目标网卡，对于分片则调用“ip4_reass()”函数进行重装，然后将数据传递至指定的传输层协议。若没有找到目标网卡，对于广播包则直接删除该数据报，对于非广播包则可以通过“ip4_forward()”函数进行转发。

5. 参考资料

[1] 野火《LwIP应用开发实战指南》。