【lwip】09-IPv4协议&超全源码实现分析

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前言

默认主讲ipv4。

概念性的内容简单过一遍即可，主要还是在源码实现方面。

原文：李柱明博客：https://www.cnblogs.com/lizhuming/p/16859723.html

9.1 IP协议简述

IP 协议（Internet Protocol），又称之为网际协议，IP 协议处于 IP 层工作，它是整个 TCP/IP 协议栈的核心协议，上层协议都要依赖 IP 协议提供的服务，IP 协议负责将数据报从源主机发送到目标主机，通过 IP 地址作为唯一识别码。

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。

IP地址是协议地址，MAC地址是硬件地址，所处的层级不一样。

常见的广域网路由器就工作在IP层。

在本次笔记lwip源码实现分析内容概述：

  • IP地址及其分类、特殊IP地址；
  • 子网划分、子网掩码、NAT等概念；
  • IP层数据包结构一级数据报输入处理；
  • IP层数据包的发送及分片操作；
  • IP层分片数据重装过程。

9.2 IP地址分类

A类地址：1.0.0.1—126.155.255.254

B类地址：128.0.0.1—191.255.255.254

C类地址：192.0.0.1—223.255.255.254

D类地址：224.0.0.1—239.255.255.254

E类地址：240.0.0.1—255.255.255.254

具体更加细致的地址作用，自行百度。

9.2.1 私有地址

A类的：10.x.x.x 是私有地址。

B类的：172.16.0.0—172.31.255.255 是私有地址。

C类的：全都是。192.0.0.1—223.255.255.254 是私有地址。

9.2.2 受限广播地址

受限广播地址是网络号与主机号都为 1 的地址：255.255.255.255

为了避免这个广播地址往整个互联网里发送广播包，在任何情况下，路由器都会禁止转发目的地址为 255.255.255.255 的广播数据包，要不然会给整个互联网带来网络性灾难。

9.2.3 直接广播地址

直接广播地址是主机号全为 1 而得到的地址，广播地址代表本网络内的所有主机，使用该地址可以向网络内的所有主机发送数据。

A 类地址的广播地址为：XXX.255.255.255

B 类地址的广播地址为：XXX.XXX.255.255

C 类地址的广播地址为：XXX.XXX.XXX.255

9.2.4 多播地址

多播地址属于分类编址中的 D 类地址，D 类地址只能用作目的地址，而不能作为主机中的源地址。

多播地址用在一对多的通信。

9.2.5 环回地址

127.x.x.x 是保留地址，用作循环测试用（127.0.0.1 为保留地址，一般用于环回地址）

9.2.6 本地链路地址

169.254.x.x 是本地链路地址。

AUTOIP协议使用。

即是如果 IP 地址是自动获取 IP 地址，而在网络上又没有找到可用的 DHCP 服务器，就会得到其中一个 IP。

9.2.7 本网络本主机地址

IP 地址 32bit 全为 0 的地址（0.0.0.0）表示的是本网络本主机，只能做源IP地址。

在当设备启动时但又不知道自己的 IP 地址情况下常见。

9.2.8 子网

子网掩码 & 判断是否在同一子网：
IP 与 子网掩码 做 按位与 ，就可以得出该 IP 的子网网段。
如：

  • 子网掩码：255.255.255.0
  • IP-1: 192.168.1.2 & 255.255.255.0 = 192.168.1.0
  • IP-2: 192.168.1.123 & 255.255.255.0 = 192.168.1.0
  • IP-3: 192.168.2.123 & 255.255.255.0 = 192.168.2.0
  • 因为 192.168.1.0 = 192.168.1.0，所以IP-1与IP-2处于同一子网。
  • 因为 192.168.1.0 != 192.168.2.0，所以IP-1与IP-3不在同一子网。

在发数据包时，子网的作用：

  • 若源IP和目标IP在同一子网：直接获取目标IP主机的MAC，然后把数据包丢出去。
  • 若源IP和目标IP不在同一子网：获取默认网关的 MAC ，然后把数据包丢给默认网关那边。

9.2.9 NAT 概念

在计算机网络中，网络地址转换(Network Address Translation，缩写为 NAT)，也叫做网络掩蔽或者 IP 掩蔽(IP masquerading)。

当前只需要知道NAT就是网络地址转换的作用即可，详细技术细节自行百度。

9.3 IP数据报

9.3.1 版本号字段

占用4 bit。

这个字段规定了数据报的 IP 协议版本。

如：

  • IPv4：值为4。
  • IPv6：值为6。

9.3.2 首部长度字段

占用4 bit。

用于记录 IP 首部的数据的长度。

单位，字。最大可以表示15*4=60字节。

IP首部的长度默认是20 byte，但是如果有选项字段，就不止20 byte了。

9.3.3 服务类型（TOS：type of service）字段

占用8 bit。

该字段用于描述当前IP数据报急需的服务类型，如：

  • 最小延时；
  • 最大吞吐量；
  • 最高可靠性；
  • 最小费用等。

路由器在转发数据报时，可以根据该字段的值来为数据报选择最合理的路由路径。

9.3.4 总长度字段

占用16 bit。

是 IP 数据报的总长度（IP首部+数据区）。

单位，字节。最大能表示65535字节。

数据报很少有超过1500字节的，因为以太网数据帧的数据最大长度为1500字节。

如果一个IP数据报过大时，需要进行分片处理。

9.3.5 标识字段

标识字段、标志字段和13位偏移字段常在IP数据报分片时使用。

占用16 bit。

用于标识IP层发出去的每一份IP数据报，每发送一份，该值+1。

如果IP数据报被分片，该字段在每个分片的IP数据报上是一致的，表示属于同一个IP数据报。

在接收端会根据该字段识别同一个IP数据报进行重装。

9.3.6 标志字段

占用3 bit。

第一个bit保留未用。

第二个bit是不分片标志位：

  • 0：则表示 IP 层在必要的时候可以对其进行分片处理。
  • 1：则表示 IP 数据报在发送的过程中不允许进行分片，如果这个 IP 数据报的大小超过链路层能承载的大小，这个 IP 数据报将被丢弃。

第三个bit是更多分片标志位：

  • 0：后续没有更多分片。即是当前分片的IP数据报是最后一个分片。
  • 1：表示后续还有分片。即是当前分片的IP数据报不是最后一个分片。

9.3.7 分片偏移量字段

占用13 bit。

表示当前分片所携带的数据在整个 IP 数据报中的相对偏移位置。

单位，8字节（2个字）。

目标主机要接收到从0分片偏移量到最高分片偏移量的所有分片才能进行组装出完整的IP数据报。

9.3.8 生存时间（Time-To-Live，TTL）字段

占用8 bit。

该字段用来确保数据报不会永远在网络中循环。

IP数据报没经过一台路由器处理，该值-1。

如果TTL字段下降到0，则路由器会丢弃该数据报，且会返回一个 ICMP 差错报文给源主机。

9.3.9 协议字段

占用8 bit。

表示上层协议类型。即是表示数据区的数据是哪个协议的数据报。如：

  • 6：表示TCP协议。
  • 17：表示UDP协议。
  • 其它值可以自行度娘。

9.3.10 首部校验和字段

占用16 bit。

只针对IP首部做校验，并不关系数据区在传输过程中是否出错，所以对于数据区的校验需要由上层协议负责。

路由器要对每个收到的 IP 数据报计算其首部检验和，如果数据报首部中携带的检验和与计算得到的检验和不一致，则表示出现错误，路由器一般会丢弃检测出错误的 IP 数据报。

需要注意的是，由于IP数据报首部的TTL字段每结果应该路由器都会-1，所以IP数据报首部检验和字段每经过一个路由器都要重新计算赋值。

参考：关于wireshark的Header checksum出问题解决方案：https://www.it610.com/article/1290714377560858624.htm

检验和计算可能由网络网络驱动，协议驱动，甚至是硬件完成。

高层校验通常是由协议执行，并将完成后的包转交给硬件。

比较新的网络硬件可以执行一些高级功能，如IP检验和计算，这被成为checksum offloading。网络驱动不会计算校验和，只是简单将校验和字段留空或填入无效信息，交给硬件计算。

发送数据时，首部校验和计算：二进制反码求和。

  • 把IP数据包的校验和字段置为全0。
  • 将首部中的每 2 个字节当作一个数，依次求和。
  • 把结果取反码。
  • 把得到的结果存入校验和字段中。

接收数据时，首部校验和验证过程：

  • 首部中的每 2 个字节当作一个数，依次进行求和，包括校验和字段。
  • 检查计算出的校验和的结果是否全为1（反码应为16个0）。
  • 如果等于零，说明被整除，校验和正确。否则，校验和就是错误的，协议栈要抛弃这个数据包。

为什么计算出的校验和结果全为1？

因为如果校验依时次求和，不包含校验和字段的话，得出的值就是校验和字段的反码。

校验和的反码和校验和求和，当然是全1啦。

9.3.11 二进制反码求和

IP/ICMP/IGMP/TCP/UDP等协议的校验和算法都是相同的。

二进制反码求和：（求和再反码，结果一致）

  • 对两个二进制数进行加法运算。
  • 加法规则：0+0=0，0+1=1，1+1=10（进位1加到下一bit）。
  • 若最高两位相加仍然有进位，则在最后的结果中+1即可。
  • 对最终结果取反码。

相关源码参考LwIP\core\inet_chksum.c中的lwip_standard_chksum()。

这里提取版本3分析：

  • 前期先确保4字节对齐，如果不是4字节对齐，就补到4字节对齐。

  • 后面采用32 bit累加。溢出后，在低位+1。

    • 为什么？：这里读者可能会有个疑问，IP数据包的校验和不是要求16 bit求和的吗？这里为什么能用32 bit求和？
    • 答：起始要求是16 bit，但是实际计算时只要大于16 bit即可，因为到最后，可以把高位折叠加到低位。
    • 例子：按32bit累加，溢出就在低位+1。其实就是两组两个（高、低）16 bit对应累加，低16 bit累加的进位给高16 bit里加回1了。而高16 bit累加的进位在底16 bit里加回1了（手动）。这样，累加到最后剩下32bit。把高16bit和低16bit进行累加，进位再加1即可快速得到16bit的校验和。

  • 数据后部分可能不是8字节对齐，所以剩余的字节也需要16bit校验和处理。

思路图：

由于目的是16 bit的校验和。其实可以看成两组2个8bit对应相加，低8bit组进位给高8bit组，高8bit组进位给低8bit组。所以相加值是对应高、低8bit相互独立的。

而下面函数就是利用这个特性，如果首字节为奇地址，先单独取出来放到t的高地址，因为后续的统计字节顺序是返的。等待全部统计完毕后，再把两个字节顺序调换即可。

如果是偶地址开始，那符合校验和规则，最后不需要调换字节顺序。

#if (LWIP_CHKSUM_ALGORITHM == 3) /* Alternative version #3 */
/**
 * An optimized checksum routine. Basically, it uses loop-unrolling on
 * the checksum loop, treating the head and tail bytes specially, whereas
 * the inner loop acts on 8 bytes at a time.
 *
 * @arg start of buffer to be checksummed. May be an odd byte address.
 * @len number of bytes in the buffer to be checksummed.
 * @return host order (!) lwip checksum (non-inverted Internet sum)
 *
 * by Curt McDowell, Broadcom Corp. December 8th, 2005
 */
u16_t
lwip_standard_chksum(const void *dataptr, int len)
{
  const u8_t *pb = (const u8_t *)dataptr; /* 取数据的地址 */
  const u16_t *ps;
  u16_t t = 0;
  const u32_t *pl;
  u32_t sum = 0, tmp;

  int odd = ((mem_ptr_t)pb & 1); /* 判断是否为奇地址 */

  if (odd && len > 0) { /* 如果不是2直接对齐 */
    /* 缓存奇地址上的字节，存于 t 的高位。数据地址偏移为偶，2字节对齐。 */
    /* 存到高位是为了和后面字节序保持一致，方便在最后一次性更正。 */
    ((u8_t *)&t)[1] = *pb++;
    len--; /* 字节数-1 */
  }

  /* 2字节对齐的数据起始地址 */
  ps = (const u16_t *)(const void *)pb;

  if (((mem_ptr_t)ps & 3) && len > 1) {/* 如果不是4字节对齐 */
    /* 把多出来的两字节保存到sum */
    sum += *ps++;
    len -= 2;
  }

  /* 4字节对齐的数据起始地址 */
  pl = (const u32_t *)(const void *)ps;

  while (len > 7)  {
    tmp = sum + *pl++;          /* ping */
    if (tmp < sum) {
      tmp++;                    /* 溢出，手动+1 */
    }

    sum = tmp + *pl++;          /* pong */
    if (sum < tmp) {
      sum++;                    /* 溢出，手动+1 */
    }

    len -= 8;
  }

  /* 折叠高、低16bit */
  sum = FOLD_U32T(sum);

  /* 处理剩余的字节 */
  ps = (const u16_t *)pl;

  /* 2字节处理 */
  while (len > 1) {
    sum += *ps++;
    len -= 2;
  }

  /* 剩余单字节 */
  if (len > 0) {                /* 补到前面t的低位 */
    ((u8_t *)&t)[0] = *(const u8_t *)ps;
  }

  sum += t;                     /* 把t也一起16bit校验和 */

  /* 两次折叠高、低16bit */
  sum = FOLD_U32T(sum);
  sum = FOLD_U32T(sum);

  if (odd) { /* 因为前面是从第二个字节和第三个字节开始进行统计的，字节序反了，这里在结果更正。 */
    sum = SWAP_BYTES_IN_WORD(sum);
  }

  return (u16_t)sum; /* 返回校验和 */
}
#endif

9.3.12 源IP字段

占用32 bit。

为源主机的IP地址。

9.3.13 目标IP字段

占用32 bit。

为目标主机的IP地址。

9.3.14 选项字段

0到40字节。

对于IP数据报首部来说，其大小必须为4字节的整数倍。

如果选项字段长度不为4的倍数，则需要用0进行填充。

在 LwIP 中只识别选项字段，不会处理选项字段的内容。

该字段在IPv6报文中已经被移除了。

9.3.15 数据区字段

IP 数据报的最后的一个字段，装载着当前IP数据报的数据，是上层协议的数据报。

9.3.16 对应wireshark包分析

9.4 IP首部数据结构

注意：网络字节序是大端的。

ipv4的IP首部数据结构：对应IP首部报文图。

/* The IPv4 header */
struct ip_hdr {
  /* version / header length */
  PACK_STRUCT_FLD_8(u8_t _v_hl); /* 版本号字段（4）+首部长度字段（4）单位字 */
  /* type of service */
  PACK_STRUCT_FLD_8(u8_t _tos); /* 服务类型TOS字段（8） */
  /* total length */
  PACK_STRUCT_FIELD(u16_t _len); /* 总长度字段（16）单位字节 */
  /* identification */
  PACK_STRUCT_FIELD(u16_t _id); /* 标识字段字段（16） */
  /* fragment offset field */
  PACK_STRUCT_FIELD(u16_t _offset); /* 标志字段（3）+分片偏移量字段（13）单位两字 */
#define IP_RF 0x8000U        /* 标志字段第一位：字段保留 */
#define IP_DF 0x4000U        /* 标志字段第二位：不发片掩码 */
#define IP_MF 0x2000U        /* 标志字段第三位：更多分片掩码 */
#define IP_OFFMASK 0x1fffU   /* 分片偏移量字段的掩码 */
  /* time to live */
  PACK_STRUCT_FLD_8(u8_t _ttl); /* TTL字段（8） */
  /* protocol*/
  PACK_STRUCT_FLD_8(u8_t _proto); /* 上层协议类型字段（8） */
  /* checksum */
  PACK_STRUCT_FIELD(u16_t _chksum); /* 首部校验和字段（16） */
  /* source and destination IP addresses */
  PACK_STRUCT_FLD_S(ip4_addr_p_t src); /* 源IP字段（32） */
  PACK_STRUCT_FLD_S(ip4_addr_p_t dest); /* 目的IP字段（32） */
} PACK_STRUCT_STRUCT;

由于IP首部部分字段的操作涉及到bit，所以lwip也封装出对应的宏操作。

/* 均为网络字节序 */
/* Macros to get struct ip_hdr fields: */
#define IPH_V(hdr)  ((hdr)->_v_hl >> 4) /* 获取版本号 */
#define IPH_HL(hdr) ((hdr)->_v_hl & 0x0f) /* 获取首部长度字段值 */
#define IPH_HL_BYTES(hdr) ((u8_t)(IPH_HL(hdr) * 4)) /* 获取首部长度，单位字节 */
#define IPH_TOS(hdr) ((hdr)->_tos) /* 获取服务类型TOS */
#define IPH_LEN(hdr) ((hdr)->_len) /* 获取IP数据报总长度 */
#define IPH_ID(hdr) ((hdr)->_id) /* 获取标识字段 */
#define IPH_OFFSET(hdr) ((hdr)->_offset) /* 获取标志字段+分片偏移量字段 */
#define IPH_OFFSET_BYTES(hdr) ((u16_t)((lwip_ntohs(IPH_OFFSET(hdr)) & IP_OFFMASK) * 8U)) /* 获取分片偏移量，单位字节 */
#define IPH_TTL(hdr) ((hdr)->_ttl) /* 获取TTL */
#define IPH_PROTO(hdr) ((hdr)->_proto) /* 获取协议类型 */
#define IPH_CHKSUM(hdr) ((hdr)->_chksum) /* 获取首部校验和字段 */

/* Macros to set struct ip_hdr fields: */
#define IPH_VHL_SET(hdr, v, hl) (hdr)->_v_hl = (u8_t)((((v) << 4) | (hl))) /* 设置版本号 */
#define IPH_TOS_SET(hdr, tos) (hdr)->_tos = (tos) /* 设置服务类型TOS */
#define IPH_LEN_SET(hdr, len) (hdr)->_len = (len) /* 设置总长度字段值 */
#define IPH_ID_SET(hdr, id) (hdr)->_id = (id) /* 设置标识 */
#define IPH_OFFSET_SET(hdr, off) (hdr)->_offset = (off) /* 设置标志字段+分片偏移量字段 */
#define IPH_TTL_SET(hdr, ttl) (hdr)->_ttl = (u8_t)(ttl) /* 设置TTL */
#define IPH_PROTO_SET(hdr, proto) (hdr)->_proto = (u8_t)(proto) /* 设置协议类型 */
#define IPH_CHKSUM_SET(hdr, chksum) (hdr)->_chksum = (chksum) /* 设置首部校验和 */

9.5 网卡路由

9.5.1 路由网卡匹配

从官方源码看，匹配网卡的流程：

ip4_route_src()：

  • 先函数LWIP_HOOK_IP4_ROUTE_SRC()匹配。
  • 然后到ip4_route()基函数匹配。

9.5.2 路由网卡匹配基函数

ip4_route()：

  • 多播IP优先匹配多播专用网卡ip4_default_multicast_netif。

  • 遍历网卡：

    • 有效网卡先匹配子网；
    • 子网匹配失败就匹配网关，网卡不能有广播能力。

  • 环回IP：如果开启了各个网卡的环回功能，且没有创建环回网卡：

    • 说明：因为创建了环回网卡，在遍历链表时，就会把环回IP 127.x.x.x都会匹配到环回网卡。
    • 对于环回IP，优先匹配默认网卡netif_default。
    • 再遍历网卡，第一个协议栈有效的网卡即可。

  • 钩子匹配：（由用户实现）

    • 先LWIP_HOOK_IP4_ROUTE_SRC(src, dest);
    • 再LWIP_HOOK_IP4_ROUTE(dest);

  • 以上都没有匹配成功，则使用netif_default，必须条件：

    • 默认网卡netif_default存在；
    • 默认网卡协议栈有效；
    • 默认网卡数据链路有效；
    • 默认网卡IP有效。
    • 匹配的目的IP不能为环回IP（因为如果是环回IP，前面已经匹配过了，除非没有开启该功能）
/**
 * Finds the appropriate network interface for a given IP address. It
 * searches the list of network interfaces linearly. A match is found
 * if the masked IP address of the network interface equals the masked
 * IP address given to the function.
 *
 * @param dest the destination IP address for which to find the route
 * @return the netif on which to send to reach dest
 */
struct netif *
ip4_route(const ip4_addr_t *dest)
{
#if !LWIP_SINGLE_NETIF
  struct netif *netif;

  /* 确保在tcpip内核锁内 */
  LWIP_ASSERT_CORE_LOCKED();

#if LWIP_MULTICAST_TX_OPTIONS /* 开启了组播TX功能 */
  /* 如果目的IP是一个组播地址，且协议栈内创建了组播专用网卡，则选用组播专用网卡接口 */
  if (ip4_addr_ismulticast(dest) && ip4_default_multicast_netif) {
    return ip4_default_multicast_netif;
  }
#endif /* LWIP_MULTICAST_TX_OPTIONS */

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

  /* 遍历网卡链表 */
  NETIF_FOREACH(netif) {
    /* 网卡协议栈有效，网卡链路层也有效，网卡的IP地址不为全0 */
    if (netif_is_up(netif) && netif_is_link_up(netif) && !ip4_addr_isany_val(*netif_ip4_addr(netif))) {
      /* 匹配传入的目的IP和网卡是否处于同一个子网 */
      if (ip4_addr_net_eq(dest, netif_ip4_addr(netif), netif_ip4_netmask(netif))) {
        /* 匹配成功。返回netif，以转发IP数据包 */
        return netif;
      }
      /* 当前网卡子网匹配不成功 */
      /* 那就匹配下网关，匹配规则：网卡没有广播功能，目的IP和网关IP一致。也算匹配成功，因为上层的目的是到网关。当前网卡能把数据传达到网卡。 */
      if (((netif->flags & NETIF_FLAG_BROADCAST) == 0) && ip4_addr_eq(dest, netif_ip4_gw(netif))) {
        /* 匹配成功。返回netif，以转发IP数据包 */
        return netif;
      }
    }
  }

  /* 到这，遍历网卡，匹配失败 */

/* 开启了环回功能，但是没有创建环回网卡。（因为如果创建了环回网卡，在遍历网卡链表时就已经处理过了，这里不需要再处理） */
#if LWIP_NETIF_LOOPBACK && !LWIP_HAVE_LOOPIF
  /* 如果目的IP是一个环回IP地址，则优先返回默认网卡，否则返回网卡链表中第一个协议栈使能了的网卡作为当前环回网卡 */
  if (ip4_addr_isloopback(dest)) { /* 目的IP是一个环回IP */
    if ((netif_default != NULL) && netif_is_up(netif_default)) {
      /* 优先考虑默认网卡。如果有默认网卡，且默认网卡协议栈使能了，则以此网卡作为本次环回网卡 */
      return netif_default;
    }
    /* 默认网卡没有匹配成功，则从网卡链表中找一个协议栈已使能的网卡作为本次环回网卡 */
    NETIF_FOREACH(netif) {
      if (netif_is_up(netif)) {
        return netif;
      }
    }
    return NULL; /* 都没找到，那就匹配失败 */
  }
#endif /* LWIP_NETIF_LOOPBACK && !LWIP_HAVE_LOOPIF */

#ifdef LWIP_HOOK_IP4_ROUTE_SRC /* 如果开启了匹配网卡的钩子宏函数 */
  netif = LWIP_HOOK_IP4_ROUTE_SRC(NULL, dest); /* 使用宏钩子匹配 */
  if (netif != NULL) {
    return netif;
  }
#elif defined(LWIP_HOOK_IP4_ROUTE) /* 网卡匹配钩子 */
  netif = LWIP_HOOK_IP4_ROUTE(dest); /* 使用宏钩子匹配 */
  if (netif != NULL) {
    return netif;
  }
#endif
#endif /* !LWIP_SINGLE_NETIF */

  /* 上述方案都无法匹配到网卡，就检查网卡网卡是否正常，正常则就返回默认网卡 */

  if ((netif_default == NULL) || !netif_is_up(netif_default) || !netif_is_link_up(netif_default) ||
      ip4_addr_isany_val(*netif_ip4_addr(netif_default)) || ip4_addr_isloopback(dest)) {
    LWIP_DEBUGF(IP_DEBUG | LWIP_DBG_LEVEL_SERIOUS, ("ip4_route: No route to %"U16_F".%"U16_F".%"U16_F".%"U16_F"\n",
                ip4_addr1_16(dest), ip4_addr2_16(dest), ip4_addr3_16(dest), ip4_addr4_16(dest)));
    IP_STATS_INC(ip.rterr);
    MIB2_STATS_INC(mib2.ipoutnoroutes);
    return NULL;
  }

  return netif_default; /* 返回默认网络接口 */
}

9.5.3 路由网卡匹配支持源IP和目的IP网卡匹配的接口

匹配网卡，一般是按照目的IP来匹配，但是可以通过LWIP_HOOK_IP4_ROUTE_SRC()钩子宏函数来实现源IP地址和目的IP地址匹配。

ip4_route_src()：

  • 如果源IP地址不为空，则会先传入LWIP_HOOK_IP4_ROUTE_SRC()钩子函数来匹配网卡。
  • 钩子函数匹配失败或者源IP地址为空，则由ip4_route()只根据目的IP地址匹配。
#ifdef LWIP_HOOK_IP4_ROUTE_SRC
/**
 * Source based IPv4 routing must be fully implemented in
 * LWIP_HOOK_IP4_ROUTE_SRC(). This function only provides the parameters.
 */
struct netif *
ip4_route_src(const ip4_addr_t *src, const ip4_addr_t *dest)
{
  if (src != NULL) {
    /* 当src==NULL时，钩子会从ip4_route(dest)调用 */
    struct netif *netif = LWIP_HOOK_IP4_ROUTE_SRC(src, dest);
    if (netif != NULL) {
      return netif;
    }
  }
  return ip4_route(dest);
}
#endif /* LWIP_HOOK_IP4_ROUTE_SRC */

9.5.4 路由网卡匹配的钩子函数

通过分析前面的基函数和接口函数，可发现其实现是支持宏钩子函数，即是支持用户自己实现网卡匹配的逻辑的。

有两个宏钩子：

  • LWIP_HOOK_IP4_ROUTE_SRC(src, dest)：钩子入口参数有源IP和目的IP。
  • LWIP_HOOK_IP4_ROUTE(dest)：钩子入口参数只有目的IP。

9.5.5 收包网卡匹配

当IP层收到一个IP报文时，也要收包网卡匹配。

而且IP包的输入和输出的网卡匹配是不一样的，比如普通的IP单播包，输出时，只需要找到目的IP和网卡处于同一个子网或者是该网卡的网关即可匹配。而输入时，需要明确目的IP就是该网卡IP。

收包的网卡匹配除了ip4_input_accept()这个主要函数外，还有很多独立的匹配条件，具体看IP层输入章节。

这里只分析ip4_input_accept()：

  • 在调用该API前，应该先配置全局IP数据结构成员值：struct ip_globals ip_data;

  • 需要被匹配的网卡必须在协议栈方向使能了，且IP地址为有效地址。

    • 单播包，目的地址和网卡地址一致，网卡匹配成功。
    • 广播包，IP地址bit全1，必定是广播地址。如果网卡就被广播能力，且IP地址的主机号bit全1，也是子网广播地址。都匹配成功。
    • 环回，没有环回网卡，且目的IP地址为环回IP IPADDR_LOOPBACK。匹配成功。
/** Return true if the current input packet should be accepted on this netif */
static int
ip4_input_accept(struct netif *netif)
{
  LWIP_DEBUGF(IP_DEBUG, ("ip_input: iphdr->dest 0x%"X32_F" netif->ip_addr 0x%"X32_F" (0x%"X32_F", 0x%"X32_F", 0x%"X32_F")\n",
                         ip4_addr_get_u32(ip4_current_dest_addr()), ip4_addr_get_u32(netif_ip4_addr(netif)),
                         ip4_addr_get_u32(ip4_current_dest_addr()) & ip4_addr_get_u32(netif_ip4_netmask(netif)),
                         ip4_addr_get_u32(netif_ip4_addr(netif)) & ip4_addr_get_u32(netif_ip4_netmask(netif)),
                         ip4_addr_get_u32(ip4_current_dest_addr()) & ~ip4_addr_get_u32(netif_ip4_netmask(netif))));

  /* 网卡是否在协议栈中使能且网卡地址有效？ */
  if ((netif_is_up(netif)) && (!ip4_addr_isany_val(*netif_ip4_addr(netif)))) {
    /* 是否是单播到这个接口地址? */
    if (ip4_addr_eq(ip4_current_dest_addr(), netif_ip4_addr(netif)) ||
        /* 或者广播这个接口的网络地址? */
        ip4_addr_isbroadcast(ip4_current_dest_addr(), netif)
#if LWIP_NETIF_LOOPBACK && !LWIP_HAVE_LOOPIF /* 如果开启环回功能，但是没有创建环回网卡 */
        /* 目的IP是一个环回的IP地址，也就是给当前网卡的，能匹配成功 */
        || (ip4_addr_get_u32(ip4_current_dest_addr()) == PP_HTONL(IPADDR_LOOPBACK))
#endif /* LWIP_NETIF_LOOPBACK && !LWIP_HAVE_LOOPIF */
       ) {
      LWIP_DEBUGF(IP_DEBUG, ("ip4_input: packet accepted on interface %c%c\n",
                             netif->name[0], netif->name[1]));
      /* accept on this netif */
      return 1;
    }
#if LWIP_AUTOIP
    /* 更改netif地址后，链路本地地址的连接必须保持(RFC3927 ch. 1.9) */
    /* 即是netif网卡地址更新为可路由地址了，原本本地链路地址的连接必须保持，所以数据包能得到当前网卡。匹配成功 */
    if (autoip_accept_packet(netif, ip4_current_dest_addr())) {
      LWIP_DEBUGF(IP_DEBUG, ("ip4_input: LLA packet accepted on interface %c%c\n",
                             netif->name[0], netif->name[1]));
      /* accept on this netif */
      return 1;
    }
#endif /* LWIP_AUTOIP */
  }
  return 0;
}

9.6 IP层数据流图

9.7 IP层输出

ipv4。

当上层需要发送数据时，会先将自己的数据包组装在一个pbuf中。并将payload指针指向对应协议首部。

然后调用ip_output()发送数据，需要给ip_output()函数提供源IP、目的IP、协议类型、TTL等重要信息让其组IP包。

该函数直接或者间接调用ip4_route_src()根据目的IP选出一个匹配的网卡作为本次IP数据包传输网卡。

选出后调用ip4_output_if()进行IP数据包组包，并调用netif->output()发送出去。或者调用netif_loop_output()环回到本网卡。

9.7.1 发送数据报

上层调用ip_output()把数据转交给IP层处理，lwip支持ipv4和ipv6，这里默认分析ipv4，因为ipv6也是一大块，后面有时间再完整分析下。

/**
 * @ingroup ip
 * Output IP packet, netif is selected by source address
 */
#define ip_output(p, src, dest, ttl, tos, proto) \
        (IP_IS_V6(dest) ? \
        ip6_output(p, ip_2_ip6(src), ip_2_ip6(dest), ttl, tos, proto) : \
        ip4_output(p, ip_2_ip4(src), ip_2_ip4(dest), ttl, tos, proto))

9.7.2 ip层前期处理：ip4_output()

ipv4发包：

  • 检查pbuf的引用ref是否为1。为1才能说明当前pbuf没有被其它地方引用，因为IP层处理可能会改变这个pbuf的部分指针值，如payload。
  • 调用ip4_route_src()匹配网卡。
  • 调用ip4_output_if()把数据包传入IP层处理。
/**
 * Simple interface to ip_output_if. It finds the outgoing network
 * interface and calls upon ip_output_if to do the actual work.
 *
 * @param p the packet to send (p->payload points to the data, e.g. next
            protocol header; if dest == LWIP_IP_HDRINCL, p already includes an
            IP header and p->payload points to that IP header)
 * @param src the source IP address to send from (if src == IP4_ADDR_ANY, the
 *         IP  address of the netif used to send is used as source address)
 * @param dest the destination IP address to send the packet to
 * @param ttl the TTL value to be set in the IP header
 * @param tos the TOS value to be set in the IP header
 * @param proto the PROTOCOL to be set in the IP header
 *
 * @return ERR_RTE if no route is found
 *         see ip_output_if() for more return values
 */
err_t
ip4_output(struct pbuf *p, const ip4_addr_t *src, const ip4_addr_t *dest,
           u8_t ttl, u8_t tos, u8_t proto)
{
  struct netif *netif;
  
  /* 下传到IP层的pbuf的ref必须为1，即是没有被其它地方引用，因为pbuf下传到IP层后，pbuf的payload指针会被更改。
    如果这个pbuf被其它地方引用了，可能会导致数据混乱。 */
  LWIP_IP_CHECK_PBUF_REF_COUNT_FOR_TX(p);

  /* 根据目的IP地址为数据报寻找一个合适的网络接口（匹配网卡） */
  if ((netif = ip4_route_src(src, dest)) == NULL) { /* 没找到，记录信息，返回错误 */
    LWIP_DEBUGF(IP_DEBUG, ("ip4_output: No route to %"U16_F".%"U16_F".%"U16_F".%"U16_F"\n",
                           ip4_addr1_16(dest), ip4_addr2_16(dest), ip4_addr3_16(dest), ip4_addr4_16(dest)));
    IP_STATS_INC(ip.rterr);
    return ERR_RTE;
  }

  /* 匹配到网卡，传入IP层处理：组包、发送 */
  return ip4_output_if(p, src, dest, ttl, tos, proto, netif);
}

9.7.3 发包前的网卡匹配

IP层收到上层的数据包后，需要匹配到网络接口，才能组IP包发出去。

这里调用ip4_route_src()进行网卡匹配。具体分析参考前面。

9.7.4 组建、发送IP包

注意几个函数的区别：

  • ip4_output_if()：这个函数封装了底层IP层组包、发送的实现函数。
  • ip4_output_if_src()：这个函数就是IP层组包、发送的实现函数。不支持IP首部的选项字段。
  • ip4_output_if_opt()：这也是IP层组包、发送的实现函数，会用选中的网卡IP地址覆盖传入的源IP地址。支持IP首部的选项字段。
  • ip4_output_if_opt_src()：这也是IP层组包、发送的实现函数，不会用选中的网卡IP地址覆盖传入的源IP地址。支持IP首部的选项字段。

相关宏：

IP_OPTIONS_SEND：

  • IP首报文首部选项字段宏开关。
  • 如果开启了该宏，则会调用上述带_opt字样的函数，操作IP首部报文的选项字段。

LWIP_IP_HDRINCL：缺省为NULL

  • 如果把这个宏当目的IP地址传入IP层组包、发送的相关函数ip4_output_if()或其底层函数时，表示当前这个pbuf已经组好IP首部了。
  • 一般用于TCP重传。

LWIP_CHECKSUM_CTRL_PER_NETIF：

  • 允许每个网卡配置checksum功能。

相关变量：

  • ip_id：IP首部标识，全局值。

我们就分析ip4_output_if_opt_src()函数，比较全。

ip4_output_if_opt_src()：

  • 先处理选项字段，在处理IP首部其它字段。
  • struct pbuf *p：传输层协议需要发送的数据包pbuf，payload指针已指向传输层协议首部。
  • const ip4_addr_t *src：源IP地址。
  • const ip4_addr_t *dest：目的IP地址。
  • u8_t ttl：IP首部TTL字段。
  • u8_t tos：IP首部TOS字段。
  • u8_t proto：IP首部上层协议字段。
  • struct netif *netif：发送IP数据报的网卡。
  • void *ip_options：IP首部选项字段值。
  • u16_t optlen：IP首部选项字段的长度。

概要内容：

  • 通过目的IP判断当前pbuf是否已经组好IP报文首部。如果组好了，就不需要继续重组了。如tcp重传。

  • 如果传入的pbuf报文还没组好IP报文首部，则根据传入的相关数据和IP报文内容进行组包。

  • 组好包后检查目的IP是否是环回IP（如环回IP、当前网卡的IP），如果是就调用netif_loop_output()进行环回处理。

  • 如果不是环回数据包，就需要发到数据链路。

    • IP分片：如果IP报文总长大于网卡MTU，则需要调用ip4_frag()进行IP分片。
    • 如果不需要IP分片，直接调用netif->output()将IP报文发出。
err_t
ip4_output_if_opt_src(struct pbuf *p, const ip4_addr_t *src, const ip4_addr_t *dest,
                      u8_t ttl, u8_t tos, u8_t proto, struct netif *netif, void *ip_options,
                      u16_t optlen)
{
#endif /* IP_OPTIONS_SEND */
  struct ip_hdr *iphdr;
  ip4_addr_t dest_addr;
#if CHECKSUM_GEN_IP_INLINE
  u32_t chk_sum = 0;
#endif /* CHECKSUM_GEN_IP_INLINE */

  LWIP_ASSERT_CORE_LOCKED(); /* 确保在tcpip内核锁内 */
  LWIP_IP_CHECK_PBUF_REF_COUNT_FOR_TX(p); /* pbuf没有被其它地方引用 */

  MIB2_STATS_INC(mib2.ipoutrequests); /* 流量统计 */

  /* IP首部是否已经组建好 */
  if (dest != LWIP_IP_HDRINCL) { /* IP首部未组建好 */
    u16_t ip_hlen = IP_HLEN; /* 默认IP首部长度 */
#if IP_OPTIONS_SEND /* 开启了IP首部选项字段操作 */
    u16_t optlen_aligned = 0;
    if (optlen != 0) {
#if CHECKSUM_GEN_IP_INLINE
      int i;
#endif /* CHECKSUM_GEN_IP_INLINE */
      if (optlen > (IP_HLEN_MAX - IP_HLEN)) { /* 判断IP首部字段是否超限 */
        /* optlen 过长，导致IP首部超出限制 */
        LWIP_DEBUGF(IP_DEBUG | LWIP_DBG_LEVEL_SERIOUS, ("ip4_output_if_opt: optlen too long\n"));
        /* 状态信息统计 */
        IP_STATS_INC(ip.err);
        MIB2_STATS_INC(mib2.ipoutdiscards);
        return ERR_VAL;
      }
      /* 根据协议要求，IP首部选项字段长度要求是4字节的整数倍 */
      optlen_aligned = (u16_t)((optlen + 3) & ~3); /* 4字节往大对齐 */
      ip_hlen = (u16_t)(ip_hlen + optlen_aligned); /* 总长度字段 */
      /* 先处理选项字段 */
      /* pbuf payload偏移到IP首部选项字段位置 */
      if (pbuf_add_header(p, optlen_aligned)) {
        LWIP_DEBUGF(IP_DEBUG | LWIP_DBG_LEVEL_SERIOUS, ("ip4_output_if_opt: not enough room for IP options in pbuf\n"));
        /* payload偏移失败，统计信息返回错误 */
        IP_STATS_INC(ip.err);
        MIB2_STATS_INC(mib2.ipoutdiscards);
        return ERR_BUF;
      }
      /* 先处理选项字段，拷贝选项字段值到IP首部中 */
      MEMCPY(p->payload, ip_options, optlen);
      if (optlen < optlen_aligned) {
        /* 多余字节补0 */
        memset(((char *)p->payload) + optlen, 0, (size_t)(optlen_aligned - optlen));
      }
#if CHECKSUM_GEN_IP_INLINE
      /* 先统计这部分的首部校验和 */
      for (i = 0; i < optlen_aligned / 2; i++) {
        chk_sum += ((u16_t *)p->payload)[i];
      }
#endif /* CHECKSUM_GEN_IP_INLINE */
    }
#endif /* IP_OPTIONS_SEND */
    /* 常见IP首部处理 */
    /* pbuf payload指针偏移 */
    if (pbuf_add_header(p, IP_HLEN)) {
      LWIP_DEBUGF(IP_DEBUG | LWIP_DBG_LEVEL_SERIOUS, ("ip4_output: not enough room for IP header in pbuf\n"));
      /* payload偏移失败，统计信息返回错误 */
      IP_STATS_INC(ip.err);
      MIB2_STATS_INC(mib2.ipoutdiscards);
      return ERR_BUF;
    }

    iphdr = (struct ip_hdr *)p->payload;
    LWIP_ASSERT("check that first pbuf can hold struct ip_hdr",
                (p->len >= sizeof(struct ip_hdr)));

    IPH_TTL_SET(iphdr, ttl); /* 填写TTL字段 */
    IPH_PROTO_SET(iphdr, proto); /* 填写上层协议字段 */
#if CHECKSUM_GEN_IP_INLINE
    chk_sum += PP_NTOHS(proto | (ttl << 8)); /* 首部校验和统计 */
#endif /* CHECKSUM_GEN_IP_INLINE */

    ip4_addr_copy(iphdr->dest, *dest); /* 填写目的IP字段 */
#if CHECKSUM_GEN_IP_INLINE
    /* 首部校验和统计 */
    chk_sum += ip4_addr_get_u32(&iphdr->dest) & 0xFFFF;
    chk_sum += ip4_addr_get_u32(&iphdr->dest) >> 16;
#endif /* CHECKSUM_GEN_IP_INLINE */

    IPH_VHL_SET(iphdr, 4, ip_hlen / 4); /* 填写IP版本号+IP首部长度 */
    IPH_TOS_SET(iphdr, tos); /* 填写TOS服务字段 */
#if CHECKSUM_GEN_IP_INLINE
    /* 首部校验和统计 */
    chk_sum += PP_NTOHS(tos | (iphdr->_v_hl << 8));
#endif /* CHECKSUM_GEN_IP_INLINE */
    IPH_LEN_SET(iphdr, lwip_htons(p->tot_len)); /* 填写总长度字段 */
#if CHECKSUM_GEN_IP_INLINE
    /* 首部校验和统计 */
    chk_sum += iphdr->_len;
#endif /* CHECKSUM_GEN_IP_INLINE */
    IPH_OFFSET_SET(iphdr, 0); /* 填写标志字段+分片偏移量字段 */
    IPH_ID_SET(iphdr, lwip_htons(ip_id)); /* 填写标识字段 */
#if CHECKSUM_GEN_IP_INLINE
    /* 首部校验和统计 */
    chk_sum += iphdr->_id;
#endif /* CHECKSUM_GEN_IP_INLINE */
    ++ip_id; /* ip首部标识，全局值 */

    /* 填写源IP地址字段 */
    if (src == NULL) {
      ip4_addr_copy(iphdr->src, *IP4_ADDR_ANY4);
    } else {
      /* src cannot be NULL here */
      ip4_addr_copy(iphdr->src, *src);
    }

#if CHECKSUM_GEN_IP_INLINE
    /* 首部校验和统计 */
    chk_sum += ip4_addr_get_u32(&iphdr->src) & 0xFFFF;
    chk_sum += ip4_addr_get_u32(&iphdr->src) >> 16;
    /* 二次16bit折叠。因为一次可能会溢出。第二次是为了解决溢出。 */
    chk_sum = (chk_sum >> 16) + (chk_sum & 0xFFFF);
    chk_sum = (chk_sum >> 16) + chk_sum;
    chk_sum = ~chk_sum; /* 反码 */
    IF__NETIF_CHECKSUM_ENABLED(netif, NETIF_CHECKSUM_GEN_IP) { /* 当前网卡支持IP首部的checksum功能 */
      iphdr->_chksum = (u16_t)chk_sum; /* 填写首部校验和字段。网络字节序，因为统计的时候就以网络字节序统计，所以这里不必转换 */
    }
#if LWIP_CHECKSUM_CTRL_PER_NETIF
    else {/* 如果不支持checksum功能 */
      IPH_CHKSUM_SET(iphdr, 0); /* 填写首部校验和字段为0 */
    }
#endif /* LWIP_CHECKSUM_CTRL_PER_NETIF*/
#else /* CHECKSUM_GEN_IP_INLINE */
    IPH_CHKSUM_SET(iphdr, 0); /* 默认填写首部校验和字段为0 */
#if CHECKSUM_GEN_IP
    IF__NETIF_CHECKSUM_ENABLED(netif, NETIF_CHECKSUM_GEN_IP) {
      IPH_CHKSUM_SET(iphdr, inet_chksum(iphdr, ip_hlen)); /* IP首部校验和字段更新为实际值 */
    }
#endif /* CHECKSUM_GEN_IP */
#endif /* CHECKSUM_GEN_IP_INLINE */
  } else { /* IP头已经包含在p。如TCP重传 */
    if (p->len < IP_HLEN) { /* 长度校验 */
      LWIP_DEBUGF(IP_DEBUG | LWIP_DBG_LEVEL_SERIOUS, ("ip4_output: LWIP_IP_HDRINCL but pbuf is too short\n"));
      IP_STATS_INC(ip.err);
      MIB2_STATS_INC(mib2.ipoutdiscards);
      return ERR_BUF;
    }
    iphdr = (struct ip_hdr *)p->payload;
    ip4_addr_copy(dest_addr, iphdr->dest); /* 获取目的IP地址 */
    dest = &dest_addr;
  }
  /* 状态记录 */
  IP_STATS_INC(ip.xmit);

  LWIP_DEBUGF(IP_DEBUG, ("ip4_output_if: %c%c%"U16_F"\n", netif->name[0], netif->name[1], (u16_t)netif->num));
  ip4_debug_print(p);

#if ENABLE_LOOPBACK /* 环回功能 */
  if (ip4_addr_eq(dest, netif_ip4_addr(netif)) /* 目的IP为源网卡IP，则是环回 */
#if !LWIP_HAVE_LOOPIF
      || ip4_addr_isloopback(dest) /* 目的IP是环回IP字段，也是环回 */
#endif /* !LWIP_HAVE_LOOPIF */
     ) {
    /* 数据包环回，则不用通过数据链路层，直达对应网卡的环回链表即可 */
    LWIP_DEBUGF(IP_DEBUG, ("netif_loop_output()"));
    return netif_loop_output(netif, p);
  }
#if LWIP_MULTICAST_TX_OPTIONS
  if ((p->flags & PBUF_FLAG_MCASTLOOP) != 0) { /* 该pbuf是要环回的UDP组播 */
    netif_loop_output(netif, p); /* 环回到本网卡 */
  }
#endif /* LWIP_MULTICAST_TX_OPTIONS */
#endif /* ENABLE_LOOPBACK */
#if IP_FRAG
  /* 如果接口mtu设置为0，不用分片 */
  /* 分片检查 */
  if (netif->mtu && (p->tot_len > netif->mtu)) { /* IP报文超出网卡MTU，则需要分片处理 */
    return ip4_frag(p, netif, dest); /* 需要分片处理 */
  }
#endif /* IP_FRAG */

  /* 不需要分片处理 */
  LWIP_DEBUGF(IP_DEBUG, ("ip4_output_if: call netif->output()\n"));
  return netif->output(netif, p, dest); /* IP层发送数据包。至此，IP报文处理完毕，下一步交给ARP或者直接到数据链路处理。 */
}

9.7.5 IP数据报分片

注意：lwip分片偏移不支持IP首部带选项字段的。

从IP报文首部就可知，有分片概念。

不是每个底层网卡都能承载每个 IP 数据报长度的报文。如：

  • 以太网帧最大能承载 1500 个字节的数据。
  • 某些广域网链路的帧可承载不超过 576 字节的数据。

一个链路层帧能承载的最大数据量叫做最大传送单元（Maximum TransmissionUnit，MTU）。

IP 数据报的分片偏移量是用 8 的整数倍记录的，所以每个数据报中的分片数据大小也必须是 8 的整数倍。

IP数据报分片主要关注IP首部的标识字段、标志字段和分片偏移量字段。具体往前看。

参考图：

相关源码实现在ip4_frag.c。

相关宏：

  • LWIP_NETIF_TX_SINGLE_PBUF：分片是否支持新建一整个pbuf处理。

    • 1：分片时，直接申请各个IP分片包的pbuf即可（含IP首部+数据区）。
    • 0：分片时，申请各个分片的管理区，MEMP_FRAG_PBUF类型。其数据结构为pbuf_custom_ref。该数据结构包含本次IP分片包的原IP报文pbuf地址，释放引用的api，指向分片IP报文数据区的pbuf。然后将这个分片IP首部的pbuf和这个IP报文数据区的pbuf拼接起来即可。组成新的分片IP报文。

相关数据结构：

pbuf_custom数据结构：

/** A custom pbuf that holds a reference to another pbuf, which is freed
 * when this custom pbuf is freed. This is used to create a custom PBUF_REF
 * that points into the original pbuf. */
struct pbuf_custom_ref {
  /** 'base class' */
  struct pbuf_custom pc; /* 用户的控制区。包含一个pbuf和一个释放该pbuf的api */
  /* 指向被引用的原始pbuf的指针 */
  struct pbuf *original;
};

pbuf_custom_ref数据结构：

struct pbuf_custom {
  /* The actual pbuf */
  struct pbuf pbuf;
  /**This function is called when pbuf_free deallocates this pbuf(_custom) */
  pbuf_free_custom_fn custom_free_function;
};

相关数据结构图：

  • 没开启LWIP_NETIF_TX_SINGLE_PBUF宏的IP分片报文数据结构：

  • 开启LWIP_NETIF_TX_SINGLE_PBUF宏的分片IP报文数据结构（按简单的画）：

ip4_frag()：

  • 与分片重组ip4_reass()这个API对应。

  • 需要注意的是：需要检查本次分片处理传入的原IP报文struct pbuf *p是否也是一个分片包。如果是，那么它可能不是顶层原IP报文分片的最后一片，这样的话，在本次分片处理最后一片的分片IP报文首部标志字段的还有更多分片标志位不能置位0。因为在顶层未分片IP报文角度看来，这还不是真正意义上的最后一片。

  • 下面函数分析时，按LWIP_NETIF_TX_SINGLE_PBUF宏分支分析更加助于理解。

  • 处于非LWIP_NETIF_TX_SINGLE_PBUF宏分支：如果读者需要分析，然后看不懂这个分支，可以看下我的笔记：

    • 先申请一个保存分片IP首部的pbuf：rambuf。
    • 然后再申请一个pbuf_custom_ref数据结构的伪pbuf：pcr。
    • 然后把未分片的IP报文的pbuf对应分片的数据区地址给到pcr->pc->pbuf->payload，共享数据区内存嘛。
    • 然后把分片IP首部的pbuf和分片IP的数据pbuf拼接起来：pbuf_cat(rambuf, pcr->pc->pbuf->payload);，这样就组成了分片的IP报文了。
/**
 * Fragment an IP datagram if too large for the netif.
 *
 * Chop the datagram in MTU sized chunks and send them in order
 * by pointing PBUF_REFs into p.
 *
 * @param p ip packet to send
 * @param netif the netif on which to send
 * @param dest destination ip address to which to send
 *
 * @return ERR_OK if sent successfully, err_t otherwise
 */
err_t
ip4_frag(struct pbuf *p, struct netif *netif, const ip4_addr_t *dest)
{
  struct pbuf *rambuf; /* 分片的pbuf结构 */
#if !LWIP_NETIF_TX_SINGLE_PBUF
  /* 用于处理分片IP报文与原IP报文数据区pbuf内存共享使用 */
  struct pbuf *newpbuf;
  u16_t newpbuflen = 0;
  u16_t left_to_copy;
#endif
  struct ip_hdr *original_iphdr;
  struct ip_hdr *iphdr;
  const u16_t nfb = (u16_t)((netif->mtu - IP_HLEN) / 8); /* 分片中允许的最大数据量 */
  u16_t left, fragsize; /* 待发送数据长度和当前发送的分片的数据长度 */
  u16_t ofo; /* 当前分片偏移量 */
  int last; /* 是否为最后一个分片 */
  u16_t poff = IP_HLEN; /* 发送的数据在原始数据报pbuf中的偏移量 */
  u16_t tmp;
  int mf_set; /* 传入的pbuf是否是分片包，后续是否还有更多分片。 */

  original_iphdr = (struct ip_hdr *)p->payload;
  iphdr = original_iphdr;
  if (IPH_HL_BYTES(iphdr) != IP_HLEN) { /* IP首部长度字段 */
    /* ip4_frag() 不支持IP首部带选项字段的IP报文分片 */
    return ERR_VAL;
  }
  LWIP_ERROR("ip4_frag(): pbuf too short", p->len >= IP_HLEN, return ERR_VAL);

  /* 保存原始的分片偏移量字段 */
  tmp = lwip_ntohs(IPH_OFFSET(iphdr));
  ofo = tmp & IP_OFFMASK;
  /* 判断pbuf包是否已经被分片，被分片后后续是否还有更多分片。如果有，那么本次分片的最后一个分片不能标志后续没有更多分片。 */
  mf_set = tmp & IP_MF;
   
  /* 获取还剩多少数据还没分片处理 */
  left = (u16_t)(p->tot_len - IP_HLEN);

  while (left) { /* 循环分片处理 */
    /* 当前分片需要填充的数据size */
    fragsize = LWIP_MIN(left, (u16_t)(nfb * 8));

#if LWIP_NETIF_TX_SINGLE_PBUF /* 分片支持新建整个pbuf */
    /* 申请新的pbuf内存资源装载当前分片 */
    rambuf = pbuf_alloc(PBUF_IP, fragsize, PBUF_RAM);
    if (rambuf == NULL) {
      goto memerr;
    }
    LWIP_ASSERT("this needs a pbuf in one piece!",
                (rambuf->len == rambuf->tot_len) && (rambuf->next == NULL));
    /* 拷贝IP报文数据区的数据到分片IP包中 */
    poff += pbuf_copy_partial(p, rambuf->payload, fragsize, poff);
    /* pbuf腾出IP首部空间 */
    if (pbuf_add_header(rambuf, IP_HLEN)) {
      pbuf_free(rambuf);
      goto memerr;
    }
    /* 填充原IP报文首部到当前分片，后面再处理分片的IP首部 */
    SMEMCPY(rambuf->payload, original_iphdr, IP_HLEN);
    iphdr = (struct ip_hdr *)rambuf->payload;
#else /* LWIP_NETIF_TX_SINGLE_PBUF */ /* 分片支持数据区共享。这个宏分支，感兴趣的同学可以看下 */
    /* 先申请分片IP首部的pbuf */
    rambuf = pbuf_alloc(PBUF_LINK, IP_HLEN, PBUF_RAM);
    if (rambuf == NULL) {
      goto memerr;
    }
    LWIP_ASSERT("this needs a pbuf in one piece!",
                (rambuf->len >= (IP_HLEN)));
    /* 拷贝原IP报文首部到分片IP报文首部 */
    SMEMCPY(rambuf->payload, original_iphdr, IP_HLEN);
    iphdr = (struct ip_hdr *)rambuf->payload;

    /* 本次分片IP报文占用的size */
    left_to_copy = fragsize;
    while (left_to_copy) { /* 分片IP报文组装完毕为止 */
      struct pbuf_custom_ref *pcr; /* 引用原IP报文数据区pbuf的伪pbuf */
      u16_t plen = (u16_t)(p->len - poff); /* 原IP报文当前pbuf节点还剩多少数据没处理 */
      LWIP_ASSERT("p->len >= poff", p->len >= poff);
      newpbuflen = LWIP_MIN(left_to_copy, plen); /* 选出能处理的size */

      if (!newpbuflen) { /* 原IP报文当前pbuf所有数据已经分片处理完毕，可以处理下一个pbuf */
        poff = 0;
        p = p->next; /* 跳到下一个分片IP报文处理继续组装当前IP分片 */
        continue;
      }
      pcr = ip_frag_alloc_pbuf_custom_ref(); /* 为伪pbuf pcr申请资源 */
      if (pcr == NULL) {
        pbuf_free(rambuf);
        goto memerr;
      }
      /* 把原IP报文数据区当前分片的数据pbuf引用到pcr->pc->pbuf这个pbuf中 */
      newpbuf = pbuf_alloced_custom(PBUF_RAW, newpbuflen, PBUF_REF, &pcr->pc,
                                    (u8_t *)p->payload + poff, newpbuflen);
      if (newpbuf == NULL) {
        ip_frag_free_pbuf_custom_ref(pcr);
        pbuf_free(rambuf);
        goto memerr;
      }
  
      pbuf_ref(p); /* 当前pbuf引用值+1 */
      pcr->original = p; /* 保存当前pbuf地址到pcr */
      pcr->pc.custom_free_function = ipfrag_free_pbuf_custom; /* 专门的伪pbuf释放API */

      /* 拼接pbuf，把本次分片IP首部、数据区的各个pbuf都链在一起 */
      pbuf_cat(rambuf, newpbuf);
      left_to_copy = (u16_t)(left_to_copy - newpbuflen); /* 检查本次分片IP报文是否整理完毕 */
      if (left_to_copy) { /* 还没填充完毕，需要继续填充 */
        poff = 0;
        p = p->next;
      }
    }
    poff = (u16_t)(poff + newpbuflen); /* 分片在原IP报文中的偏移值更新 */
#endif /* LWIP_NETIF_TX_SINGLE_PBUF */

    /* 更正分片IP首部 */
    /* 本次分片是否为最后一次分片 */
    last = (left <= netif->mtu - IP_HLEN);

    /* 设置新的偏移量和MF标志 */
    tmp = (IP_OFFMASK & (ofo));
    if (!last || mf_set) { /* 本函数分片处理的最后一片 且 传入的原IP报文不是分片报文 */
      /* 标志位第三位更多分片标记为0，已经为顶层原IP报文的最后一片 */
      tmp = tmp | IP_MF;
    }
    IPH_OFFSET_SET(iphdr, lwip_htons(tmp)); /* 重写分片IP首部的标志位字段+分片偏移量字段 */
    IPH_LEN_SET(iphdr, lwip_htons((u16_t)(fragsize + IP_HLEN))); /* 重写分片IP报文总长度 */
    IPH_CHKSUM_SET(iphdr, 0); /* 设置分片IP报文首部校验字段，默认为0 */
#if CHECKSUM_GEN_IP
    IF__NETIF_CHECKSUM_ENABLED(netif, NETIF_CHECKSUM_GEN_IP) {
      IPH_CHKSUM_SET(iphdr, inet_chksum(iphdr, IP_HLEN)); /* 更新分片IP报文首部校验字段 */
    }
#endif /* CHECKSUM_GEN_IP */

    /* 发送分片IP报文 */
    netif->output(netif, rambuf, dest);
    /* 分片状态信息记录 */
    IPFRAG_STATS_INC(ip_frag.xmit);

    /* Unfortunately we can't reuse rambuf - the hardware may still be
     * using the buffer. Instead we free it (and the ensuing chain) and
     * recreate it next time round the loop. If we're lucky the hardware
     * will have already sent the packet, the free will really free, and
     * there will be zero memory penalty.
     */
    /* 释放分片空间。因为这rambuf只是分片函数内部处理创建的，所以调用netif->output()发送出去后要在这里释放掉。 */
    pbuf_free(rambuf);
    /* 需要处理的分片待发送数据减少 */
    left = (u16_t)(left - fragsize);
    /* 分片偏移量增加 */
    ofo = (u16_t)(ofo + nfb);
  }
  MIB2_STATS_INC(mib2.ipfragoks);
  return ERR_OK;
memerr:
  MIB2_STATS_INC(mib2.ipfragfails);
  return ERR_MEM;
}

9.8 IP层输入

9.8.1 接收数据报

翻看前面网络接口层章节应该知道底层接收数据流，在网卡驱动收到数据，调用netif->input()把对应API和pbuf转发到lwip内核线程执行。

以以太网为例，网卡接收数据线程通过把数据给到netif->input()，该函数内部外包以太网链路层ethernet_input()到lwip内核线程去跑，如果是ARP协议的以太网帧，则传到ARP模块etharp_input()处理。如果是IPv4的以太网帧，则传到ip4_input()处理。

相关宏：

LWIP_HOOK_IP4_INPUT(p, inp)：IPV4接收数据包钩子函数。

  • 接收数据时检查了IP报文的版本为IPV4，就会把这个IP报文传给这个钩子函数。
  • 如果钩子放回true，则表示由钩子处理，外部丢弃。

LWIP_IP_ACCEPT_UDP_PORT(dst_port)：在netif关闭时接受私人广播通信用。

ip4_input()：

  • IP报文校验。

  • 传入钩子LWIP_HOOK_IP4_INPUT(p, inp)。

  • 匹配目的网卡。就是判断当前IP报文是不是给我的。

    • 多播包：

      • 开启了IGMP：当前网卡在当前IP报文目的IP组播内，匹配成功。
      • 没有开启IGMP：当前网卡有效即可匹配成功。

    • 广播包和单播包：都调用ip4_input_accept()API匹配。前面有分析。

      • 先匹配收到该IP报文的网卡；
      • 再遍历网卡链表。注意：如果没有环回功能或者有环回网卡，且IP报文目的IP地址是环回字段的IP地址，不能遍历网卡链表。因为环回，需要用环回接口，在前面匹配网卡就应该配上了，不会跑到这里。

    • 开启了DHCP，且面前没有匹配上网卡：

      • 通过IP报文可以判断当前IP报文是否是UDP协议。
      • 通过UDP协议解析目的端口是否是DHCP客户端端口LWIP_IANA_PORT_DHCP_CLIENT（68）。
      • 是DHCP报文，直接收到当前网卡。不需要做目的IP校验。

  • 没有匹配到网卡，即是IP报文不是给我们的，但是开启了IP_FORWARD转发功能。如果目的IP不是广播地址，可以调用ip4_forward()进行转发。

  • 匹配到网卡，处理IP报文，如果IP报文被分片了，需要调用ip4_reass()重组。

  • 收到完整的IP报文后，根据IP报文的上层协议类型字段，给到对应的协议模块。lwip支持：

    • IP_PROTO_UDP：UDP协议。udp_input(p, inp);
    • IP_PROTO_TCP：TCP协议。tcp_input(p, inp);
    • IP_PROTO_ICMP：ICMP协议。icmp_input(p, inp);
    • IP_PROTO_IGMP：IGMP协议。igmp_input(p, inp, ip4_current_dest_addr());
    • LWIP_RAW：原报文上报。
/**
 * This function is called by the network interface device driver when
 * an IP packet is received. The function does the basic checks of the
 * IP header such as packet size being at least larger than the header
 * size etc. If the packet was not destined for us, the packet is
 * forwarded (using ip_forward). The IP checksum is always checked.
 *
 * Finally, the packet is sent to the upper layer protocol input function.
 *
 * @param p the received IP packet (p->payload points to IP header)
 * @param inp the netif on which this packet was received
 * @return ERR_OK if the packet was processed (could return ERR_* if it wasn't
 *         processed, but currently always returns ERR_OK)
 */
err_t
ip4_input(struct pbuf *p, struct netif *inp)
{
  const struct ip_hdr *iphdr;
  struct netif *netif;
  u16_t iphdr_hlen;
  u16_t iphdr_len;
#if IP_ACCEPT_LINK_LAYER_ADDRESSING || LWIP_IGMP
  int check_ip_src = 1;
#endif /* IP_ACCEPT_LINK_LAYER_ADDRESSING || LWIP_IGMP */
#if LWIP_RAW
  raw_input_state_t raw_status;
#endif /* LWIP_RAW */

  LWIP_ASSERT_CORE_LOCKED();

  IP_STATS_INC(ip.recv);
  MIB2_STATS_INC(mib2.ipinreceives);

  /* 识别IP头 */
  iphdr = (struct ip_hdr *)p->payload;
  if (IPH_V(iphdr) != 4) { /* 如果IP版本不是ipv4，丢弃该报文 */
    LWIP_DEBUGF(IP_DEBUG | LWIP_DBG_LEVEL_WARNING, ("IP packet dropped due to bad version number %"U16_F"\n", (u16_t)IPH_V(iphdr)));
    ip4_debug_print(p);
    pbuf_free(p);
    IP_STATS_INC(ip.err);
    IP_STATS_INC(ip.drop);
    MIB2_STATS_INC(mib2.ipinhdrerrors);
    return ERR_OK;
  }

#ifdef LWIP_HOOK_IP4_INPUT
  if (LWIP_HOOK_IP4_INPUT(p, inp)) { /* 传入IP接收数据包钩子函数处理 */
    /* IP报文也就被处理了 */
    return ERR_OK;
  }
#endif

  /* 获取IP首部长度(以字节为单位) */
  iphdr_hlen = IPH_HL_BYTES(iphdr);
  /* 获取IP报文长度(以字节为单位) */
  iphdr_len = lwip_ntohs(IPH_LEN(iphdr));

  /* 修剪pbuf。对于小于60字节的数据包尤其需要这样做 */
  if (iphdr_len < p->tot_len) {
    pbuf_realloc(p, iphdr_len);
  }

  /* 报头长度超过第一个pbuf长度，或者IP长度超过总pbuf长度? */
  if ((iphdr_hlen > p->len) || (iphdr_len > p->tot_len) || (iphdr_hlen < IP_HLEN)) {
    if (iphdr_hlen < IP_HLEN) {
      LWIP_DEBUGF(IP_DEBUG | LWIP_DBG_LEVEL_SERIOUS,
                  ("ip4_input: short IP header (%"U16_F" bytes) received, IP packet dropped\n", iphdr_hlen));
    }
    if (iphdr_hlen > p->len) {
      LWIP_DEBUGF(IP_DEBUG | LWIP_DBG_LEVEL_SERIOUS,
                  ("IP header (len %"U16_F") does not fit in first pbuf (len %"U16_F"), IP packet dropped.\n",
                   iphdr_hlen, p->len));
    }
    if (iphdr_len > p->tot_len) {
      LWIP_DEBUGF(IP_DEBUG | LWIP_DBG_LEVEL_SERIOUS,
                  ("IP (len %"U16_F") is longer than pbuf (len %"U16_F"), IP packet dropped.\n",
                   iphdr_len, p->tot_len));
    }
    /* 校验错误，丢弃当前pbuf，并记录相关信息 */
    pbuf_free(p);
    IP_STATS_INC(ip.lenerr);
    IP_STATS_INC(ip.drop);
    MIB2_STATS_INC(mib2.ipindiscards);
    return ERR_OK;
  }

  /* 首部校验和字段校验 */
#if CHECKSUM_CHECK_IP
  IF__NETIF_CHECKSUM_ENABLED(inp, NETIF_CHECKSUM_CHECK_IP) {
    if (inet_chksum(iphdr, iphdr_hlen) != 0) {

      LWIP_DEBUGF(IP_DEBUG | LWIP_DBG_LEVEL_SERIOUS,
                  ("Checksum (0x%"X16_F") failed, IP packet dropped.\n", inet_chksum(iphdr, iphdr_hlen)));
      ip4_debug_print(p);
      pbuf_free(p);
      IP_STATS_INC(ip.chkerr);
      IP_STATS_INC(ip.drop);
      MIB2_STATS_INC(mib2.ipinhdrerrors);
      return ERR_OK;
    }
  }
#endif

  /* 拷贝IP地址到对齐的ip_addr_t。ip_data为全局变量 */
  ip_addr_copy_from_ip4(ip_data.current_iphdr_dest, iphdr->dest);
  ip_addr_copy_from_ip4(ip_data.current_iphdr_src, iphdr->src);

  /* 将报文与接口匹配，即这个报文是我们的吗? */
  if (ip4_addr_ismulticast(ip4_current_dest_addr())) { /* 多播包 */
#if LWIP_IGMP /* IGMP处理 */
    if ((inp->flags & NETIF_FLAG_IGMP) && (igmp_lookfor_group(inp, ip4_current_dest_addr()))) { /* 当前网卡在IP报文目的IP的组播组内 */
      /* IGMP snooping交换机需要允许源地址为0.0.0.0 (RFC 4541) */
      ip4_addr_t allsystems;
      IP4_ADDR(&allsystems, 224, 0, 0, 1);
      if (ip4_addr_eq(ip4_current_dest_addr(), &allsystems) &&
          ip4_addr_isany(ip4_current_src_addr())) {
        check_ip_src = 0; /* 标记后面忽略源IP地址 */
      }
      netif = inp; /* 组播匹配成功 */
    } else {
      netif = NULL; /* 组播匹配失败 */
    }
#else /* LWIP_IGMP */
    if ((netif_is_up(inp)) && (!ip4_addr_isany_val(*netif_ip4_addr(inp)))) {
      netif = inp; /* 如果不支持IGMP协议功能，但是当前网卡收到这个组播包，就直接匹配当前网卡即可 */
    } else {
      netif = NULL;
    }
#endif /* LWIP_IGMP */
  } else { /* 单播或广播IP包 */
    /* 优先匹配当前网卡 */
    if (ip4_input_accept(inp)) {
      netif = inp; /* 匹配成功 */
    } else { /* 当前网卡匹配失败，就遍历网卡链表进行匹配 */
      netif = NULL;
#if !LWIP_NETIF_LOOPBACK || LWIP_HAVE_LOOPIF
      /* 如果网卡没有环回功能，或者已经创建了环回网卡。如果当前IP报文的目的IP是环回类型的，则不会跑到这里，而是在对应网卡的环回数据队列中。 */
      if (!ip4_addr_isloopback(ip4_current_dest_addr())) /* IP报文的目的IP不能是环回类型 */
#endif /* !LWIP_NETIF_LOOPBACK || LWIP_HAVE_LOOPIF */
      {
#if !LWIP_SINGLE_NETIF
        NETIF_FOREACH(netif) { /* 遍历网卡链表 */
          if (netif == inp) { /* 跳过已经尝试匹配的网卡 */
            /* we checked that before already */
            continue;
          }
          if (ip4_input_accept(netif)) { /* 进行匹配 */
            break;
          }
        }
#endif /* !LWIP_SINGLE_NETIF */
      }
    }
  }

#if IP_ACCEPT_LINK_LAYER_ADDRESSING
  /* 通过DHCP报文时，不考虑目的地址。DHCP流量使用链路层寻址(如以太网MAC)，所以我们不能对IP进行过滤。
   * 参考RFC 1542章节3.1.1，参考RFC 2131)。
   * 
   * 如果想在netif关闭时接受私有广播通信，定义LWIP_IP_ACCEPT_UDP_PORT(dst_port)，例如:
   * #define LWIP_IP_ACCEPT_UDP_PORT(dst_port) ((dst_port) == PP_NTOHS(12345))
   */
  if (netif == NULL) {
    /* 远端端口是DHCP服务器? */
    if (IPH_PROTO(iphdr) == IP_PROTO_UDP) { /* UDP协议类型 */
      const struct udp_hdr *udphdr = (const struct udp_hdr *)((const u8_t *)iphdr + iphdr_hlen);
      LWIP_DEBUGF(IP_DEBUG | LWIP_DBG_TRACE, ("ip4_input: UDP packet to DHCP client port %"U16_F"\n",
                                              lwip_ntohs(udphdr->dest)));
      if (IP_ACCEPT_LINK_LAYER_ADDRESSED_PORT(udphdr->dest)) { /* 目的端口是DHCP客户端端口。能通过协议栈IP层 */
        LWIP_DEBUGF(IP_DEBUG | LWIP_DBG_TRACE, ("ip4_input: DHCP packet accepted.\n"));
        netif = inp; /* 匹配成功 */
        check_ip_src = 0; /* 标记后面忽略源IP地址 */
      }
    }
  }
#endif /* IP_ACCEPT_LINK_LAYER_ADDRESSING */

  /* 广播或多播包的源地址?兼容RFC 1122: 3.2.1.3 */
#if LWIP_IGMP || IP_ACCEPT_LINK_LAYER_ADDRESSING
  if (check_ip_src /* 忽略源IP地址的跳过：如IGMP和DHCP */
#if IP_ACCEPT_LINK_LAYER_ADDRESSING
      /* 允许DHCP服务器源地址为0.0.0.0 (RFC 1.1.2.2: 3.2.1.3/a) */
      && !ip4_addr_isany_val(*ip4_current_src_addr())
#endif /* IP_ACCEPT_LINK_LAYER_ADDRESSING */
     )
#endif /* LWIP_IGMP || IP_ACCEPT_LINK_LAYER_ADDRESSING */
  {
    if ((ip4_addr_isbroadcast(ip4_current_src_addr(), inp)) || /* 广播包 */
        (ip4_addr_ismulticast(ip4_current_src_addr()))) { /* 或者是多播包 */
      /* IP报文无效 */
      LWIP_DEBUGF(IP_DEBUG | LWIP_DBG_TRACE | LWIP_DBG_LEVEL_WARNING, ("ip4_input: packet source is not valid.\n"));
      /* 释放资源并记录相关信息 */
      pbuf_free(p);
      IP_STATS_INC(ip.drop);
      MIB2_STATS_INC(mib2.ipinaddrerrors);
      MIB2_STATS_INC(mib2.ipindiscards);
      return ERR_OK;
    }
  }

  /* 网卡匹配完毕 */

  if (netif == NULL) { /* 网卡匹配失败 */
    /* 不给我们包，路由或丢弃 */
    LWIP_DEBUGF(IP_DEBUG | LWIP_DBG_TRACE, ("ip4_input: packet not for us.\n"));
#if IP_FORWARD /* 支持路由转发 */
    if (!ip4_addr_isbroadcast(ip4_current_dest_addr(), inp)) { /* 广播包不能转发 */
      /* 尝试在(其他)接口转发IP报文 */
      ip4_forward(p, (struct ip_hdr *)p->payload, inp);
    } else
#endif /* IP_FORWARD */
    { /* 广播包不支持转发，丢弃 */
      IP_STATS_INC(ip.drop);
      MIB2_STATS_INC(mib2.ipinaddrerrors);
      MIB2_STATS_INC(mib2.ipindiscards);
    }
    pbuf_free(p);
    return ERR_OK;
  }

  /* 网卡匹配成功，数据包是给我们的 */

  /* 数据包由多个分片组成? */
  if ((IPH_OFFSET(iphdr) & PP_HTONS(IP_OFFMASK | IP_MF)) != 0) {
#if IP_REASSEMBLY /* 支持IP分片重组 */
    LWIP_DEBUGF(IP_DEBUG, ("IP packet is a fragment (id=0x%04"X16_F" tot_len=%"U16_F" len=%"U16_F" MF=%"U16_F" offset=%"U16_F"), calling ip4_reass()\n",
                           lwip_ntohs(IPH_ID(iphdr)), p->tot_len, lwip_ntohs(IPH_LEN(iphdr)), (u16_t)!!(IPH_OFFSET(iphdr) & PP_HTONS(IP_MF)), (u16_t)((lwip_ntohs(IPH_OFFSET(iphdr)) & IP_OFFMASK) * 8)));
    /* 重新组装包 */
    p = ip4_reass(p);
    if (p == NULL) { /* IP包还没组装好 */
      return ERR_OK;
    }
    /* IP报文重组好了，更新IP首部指针 */
    iphdr = (const struct ip_hdr *)p->payload;
#else /* IP_REASSEMBLY == 0, 不支持分片重组 */
    /* 不支持分片重组，遇到分片IP报文，直接丢弃 */
    pbuf_free(p);
    LWIP_DEBUGF(IP_DEBUG | LWIP_DBG_LEVEL_SERIOUS, ("IP packet dropped since it was fragmented (0x%"X16_F") (while IP_REASSEMBLY == 0).\n",
                lwip_ntohs(IPH_OFFSET(iphdr))));
    IP_STATS_INC(ip.opterr);
    IP_STATS_INC(ip.drop);
    /* unsupported protocol feature */
    MIB2_STATS_INC(mib2.ipinunknownprotos);
    return ERR_OK;
#endif /* IP_REASSEMBLY */
  }

#if IP_OPTIONS_ALLOWED == 0 /* no support for IP options in the IP header? */

#if LWIP_IGMP
  /* 在IGMP消息中有一个额外的“路由器警报”选项，我们允许但不监督 */
  /* 如果IP报文带选项字段，lwip只支持IGMP */
  if ((iphdr_hlen > IP_HLEN) &&  (IPH_PROTO(iphdr) != IP_PROTO_IGMP)) {
#else
  if (iphdr_hlen > IP_HLEN) { /* LWIP不支持接收处理带选项字段的IP报文。（IGMP协议除外） */
#endif /* LWIP_IGMP */
    LWIP_DEBUGF(IP_DEBUG | LWIP_DBG_LEVEL_SERIOUS, ("IP packet dropped since there were IP options (while IP_OPTIONS_ALLOWED == 0).\n"));
    pbuf_free(p);
    IP_STATS_INC(ip.opterr);
    IP_STATS_INC(ip.drop);
    /* unsupported protocol feature */
    MIB2_STATS_INC(mib2.ipinunknownprotos);
    return ERR_OK;
  }
#endif /* IP_OPTIONS_ALLOWED == 0 */

  /* 发送到上层 */
  LWIP_DEBUGF(IP_DEBUG, ("ip4_input: \n"));
  ip4_debug_print(p);
  LWIP_DEBUGF(IP_DEBUG, ("ip4_input: p->len %"U16_F" p->tot_len %"U16_F"\n", p->len, p->tot_len));

  /* 更新这个全局IP数据 */
  ip_data.current_netif = netif; /* 上层处理该数据包的网卡 */
  ip_data.current_input_netif = inp; /* 数据链路接收到该数据包的网卡 */
  ip_data.current_ip4_header = iphdr; /* IP报文首部 */
  ip_data.current_ip_header_tot_len = IPH_HL_BYTES(iphdr); /* IP首部长度（单位：字节） */

#if LWIP_RAW /* RAW */
  /* 传到RAW输入 */
  raw_status = raw_input(p, inp);
  if (raw_status != RAW_INPUT_EATEN) /* RAW传入失败，那就传给其它上层协议模块 */
#endif /* LWIP_RAW */
  {
    pbuf_remove_header(p, iphdr_hlen); /* 移到有效载荷，不需要检查 */

    switch (IPH_PROTO(iphdr)) { /* 根据IP报文协议字段传入对应协议模块 */
#if LWIP_UDP
      case IP_PROTO_UDP: /* UDP协议 */
#if LWIP_UDPLITE
      case IP_PROTO_UDPLITE: /* UDP-Lite协议 */
#endif /* LWIP_UDPLITE */
        MIB2_STATS_INC(mib2.ipindelivers);
        udp_input(p, inp); /* 传入UDP协议模块 */
        break;
#endif /* LWIP_UDP */
#if LWIP_TCP
      case IP_PROTO_TCP: /* TCP协议 */
        MIB2_STATS_INC(mib2.ipindelivers);
        tcp_input(p, inp); /* 传入TCP协议模块 */
        break;
#endif /* LWIP_TCP */
#if LWIP_ICMP
      case IP_PROTO_ICMP: /* ICMP协议 */
        MIB2_STATS_INC(mib2.ipindelivers);
        icmp_input(p, inp); /* 传入ICMP协议模块 */
        break;
#endif /* LWIP_ICMP */
#if LWIP_IGMP
      case IP_PROTO_IGMP: /* IGMP协议 */
        igmp_input(p, inp, ip4_current_dest_addr()); /* 传入IGMP协议模块 */
        break;
#endif /* LWIP_IGMP */
      default: /* 其它 */
#if LWIP_RAW
        if (raw_status == RAW_INPUT_DELIVERED) {
          MIB2_STATS_INC(mib2.ipindelivers);
        } else
#endif /* LWIP_RAW */
        {
#if LWIP_ICMP
          /* 不是广播包，也不是多播包，数据链路层给到我们网卡不支持的协议，发送ICMP目的协议不可达 */
          if (!ip4_addr_isbroadcast(ip4_current_dest_addr(), netif) &&
              !ip4_addr_ismulticast(ip4_current_dest_addr())) {
            pbuf_header_force(p, (s16_t)iphdr_hlen); /* 移动到ip头，不需要检查 */
            icmp_dest_unreach(p, ICMP_DUR_PROTO); /* 发送ICMP目的协议不可达 */
          }
#endif /* LWIP_ICMP */

          LWIP_DEBUGF(IP_DEBUG | LWIP_DBG_LEVEL_SERIOUS, ("Unsupported transport protocol %"U16_F"\n", (u16_t)IPH_PROTO(iphdr)));

          IP_STATS_INC(ip.proterr);
          IP_STATS_INC(ip.drop);
          MIB2_STATS_INC(mib2.ipinunknownprotos);
        }
        pbuf_free(p); /* 丢弃，释放pbuf */
        break;
    }
  }

  /* @todo: this is not really necessary... */
  ip_data.current_netif = NULL;
  ip_data.current_input_netif = NULL;
  ip_data.current_ip4_header = NULL;
  ip_data.current_ip_header_tot_len = 0;
  ip4_addr_set_any(ip4_current_src_addr());
  ip4_addr_set_any(ip4_current_dest_addr());

  return ERR_OK;
}

9.8.2 IP数据报转发

如果数据包给到我们网卡数据链路层了，但是目的IP不是给我们网卡IP层的，那可能是想通过我们网卡转发该包。

相关宏：

  • IP_FORWARD_ALLOW_TX_ON_RX_NETIF：

    • 允许ip_forward()在接收到数据包的netif上发送数据包。这应该只用于无线网络。
    • 为1时，请确保netif驱动程序正确标记传入的链路层广播/组播数据包等使用相应的pbuf标志!

调用ip4_forward()将数据包转发：

  • 先判断IP包是否能转发。主要调用ip4_canforward()判断。

    • 钩子函数：LWIP_HOOK_IP4_CANFORWARD(src, dest)。现有用户实现钩子裁定能否转发当前IP包。
    • 链路层的广播包。不能转发。
    • 链路层的多播包。不能转发。
    • 目的IP为255.x.x.x的IP包。不能转发。
    • 目的IP为127.x.x.x（环回）的IP包。不能转发。
    • 目的IP为169.254.x.x（本地链路IP）的IP包，不能转发。

  • 匹配新网卡。调用ip4_route_src(src, dest)路由匹配网卡，进行转发该IP包。

  • 检查路由匹配成功的网卡。

    • 一般情况下，是不能转发回原链路的。
    • 如果需要转发回原链路，一般只能用于无线网卡。

  • IP报文TTL字段值减1。如果TTL值为0，则，丢弃该IP包，并通过ICMP icmp_dest_unreach(struct pbuf *p, enum icmp_dur_type t)告知源端路由不可达。（如果当前报文也是ICMP报文，则不用回复ICMP路由不可达）

  • TTL字段值更新后，IP报文的首部校验和字段也要更新。

    • 技巧：由于IP报文首部只是TTL字段减1，所以首部校验和字段只需要加1即可。

  • 使用新路由匹配的网卡把当前IP包转发出去。

    • 需要分片：调用ip4_frag()转发出去。
    • 不需要分片：调用网卡IP接口netif->output()转发出去。

ip4_canforward()：

/**
 * Determine whether an IP address is in a reserved set of addresses
 * that may not be forwarded, or whether datagrams to that destination
 * may be forwarded.
 * @param p the packet to forward
 * @return 1: can forward 0: discard
 */
static int
ip4_canforward(struct pbuf *p)
{
  u32_t addr = lwip_htonl(ip4_addr_get_u32(ip4_current_dest_addr()));

#ifdef LWIP_HOOK_IP4_CANFORWARD
  /* 先钩子函数裁定 */
  int ret = LWIP_HOOK_IP4_CANFORWARD(p, addr);
  if (ret >= 0) {
    return ret;
  }
#endif /* LWIP_HOOK_IP4_CANFORWARD */

  if (p->flags & PBUF_FLAG_LLBCAST) {
    /* don't route link-layer broadcasts */
    return 0;
  }
  if ((p->flags & PBUF_FLAG_LLMCAST) || IP_MULTICAST(addr)) {
    /* don't route link-layer multicasts (use LWIP_HOOK_IP4_CANFORWARD instead) */
    return 0;
  }
  if (IP_EXPERIMENTAL(addr)) {
    return 0;
  }
  if (IP_CLASSA(addr)) {
    u32_t net = addr & IP_CLASSA_NET;
    if ((net == 0) || (net == ((u32_t)IP_LOOPBACKNET << IP_CLASSA_NSHIFT))) {
      /* don't route loopback packets */
      return 0;
    }
  }
  return 1;
}

ip4_forward()：

/**
 * Forwards an IP packet. It finds an appropriate route for the
 * packet, decrements the TTL value of the packet, adjusts the
 * checksum and outputs the packet on the appropriate interface.
 *
 * @param p the packet to forward (p->payload points to IP header)
 * @param iphdr the IP header of the input packet
 * @param inp the netif on which this packet was received
 */
static void
ip4_forward(struct pbuf *p, struct ip_hdr *iphdr, struct netif *inp)
{
  struct netif *netif;

  PERF_START;
  LWIP_UNUSED_ARG(inp);

  if (!ip4_canforward(p)) {
    goto return_noroute;
  }

  /* RFC3927 2.7:不转发链路本地地址 */
  if (ip4_addr_islinklocal(ip4_current_dest_addr())) {
    LWIP_DEBUGF(IP_DEBUG, ("ip4_forward: not forwarding LLA %"U16_F".%"U16_F".%"U16_F".%"U16_F"\n",
                           ip4_addr1_16(ip4_current_dest_addr()), ip4_addr2_16(ip4_current_dest_addr()),
                           ip4_addr3_16(ip4_current_dest_addr()), ip4_addr4_16(ip4_current_dest_addr())));
    goto return_noroute;
  }

  /* 路由匹配网卡，找到将此IP包转发到的网卡 */
  netif = ip4_route_src(ip4_current_src_addr(), ip4_current_dest_addr());
  if (netif == NULL) {
    LWIP_DEBUGF(IP_DEBUG, ("ip4_forward: no forwarding route for %"U16_F".%"U16_F".%"U16_F".%"U16_F" found\n",
                           ip4_addr1_16(ip4_current_dest_addr()), ip4_addr2_16(ip4_current_dest_addr()),
                           ip4_addr3_16(ip4_current_dest_addr()), ip4_addr4_16(ip4_current_dest_addr())));
    /* @todo: send ICMP_DUR_NET? */
    goto return_noroute;
  }
#if !IP_FORWARD_ALLOW_TX_ON_RX_NETIF /* 不允许转发到原链路（无线网卡可以） */
  /* 不要将数据包转发到到达的同一个网络接口上 */
  if (netif == inp) {
    LWIP_DEBUGF(IP_DEBUG, ("ip4_forward: not bouncing packets back on incoming interface.\n"));
    goto return_noroute;
  }
#endif /* IP_FORWARD_ALLOW_TX_ON_RX_NETIF */

  /* 已经路由匹配到能转发当前IP包的网卡了 */

  /* TTL减1 */
  IPH_TTL_SET(iphdr, IPH_TTL(iphdr) - 1);

  if (IPH_TTL(iphdr) == 0) { /* TTL值已经到达0了 */
    MIB2_STATS_INC(mib2.ipinhdrerrors);
#if LWIP_ICMP
    /* 不要发送ICMP报文来响应ICMP报文 */
    if (IPH_PROTO(iphdr) != IP_PROTO_ICMP) {
      icmp_time_exceeded(p, ICMP_TE_TTL);
    }
#endif /* LWIP_ICMP */
    return;
  }

  /* 更新IP报文首部校验和。技巧：首部校验和加1即可。注意网络字节序。 */
  if (IPH_CHKSUM(iphdr) >= PP_HTONS(0xffffU - 0x100)) {
    IPH_CHKSUM_SET(iphdr, (u16_t)(IPH_CHKSUM(iphdr) + PP_HTONS(0x100) + 1));
  } else {
    IPH_CHKSUM_SET(iphdr, (u16_t)(IPH_CHKSUM(iphdr) + PP_HTONS(0x100)));
  }

  /* 当我们有多个netifs，其中至少有一个具有校验和卸载功能时，IP转发需要将各个校验和字段设置为0，以防止HW硬件算法计算无效的校验和 */
  /* https://github.com/lwip-tcpip/lwip/commit/61c67fc2295e522c7a12175581d6928c3951c0bf */
  /* http://savannah.nongnu.org/bugs/?func=detailitem&item_id=56288 */
  /* 这里有点没看明白：如果网卡没有硬件校验和卸载功能，lwip协议栈网卡开启CHECKSUM_GEN_IP宏使用软件校验和功能，那在这里转发IP包时，岂不是把数据包校验和字段都清空了？ */
  if (CHECKSUM_GEN_IP || NETIF_CHECKSUM_ENABLED(inp, NETIF_CHECKSUM_GEN_IP)) { /* 如果使用软件生成了校验和，这里需要清空 */
    IPH_CHKSUM_SET(iphdr, 0);
  }
  switch (IPH_PROTO(iphdr)) { /* 上层协议的校验和也清空 */
#if LWIP_UDP
#if LWIP_UDPLITE
  case IP_PROTO_UDPLITE:
#endif
  case IP_PROTO_UDP:
    if (CHECKSUM_GEN_UDP || NETIF_CHECKSUM_ENABLED(inp, NETIF_CHECKSUM_GEN_UDP)) {
      ((struct udp_hdr *)((u8_t *)iphdr + IPH_HL_BYTES(iphdr)))->chksum = 0;
    }
    break;
#endif
#if LWIP_TCP
  case IP_PROTO_TCP:
    if (CHECKSUM_GEN_TCP || NETIF_CHECKSUM_ENABLED(inp, NETIF_CHECKSUM_GEN_TCP)) {
      ((struct tcp_hdr *)((u8_t *)iphdr + IPH_HL_BYTES(iphdr)))->chksum = 0;
    }
    break;
#endif
#if LWIP_ICMP
  case IP_PROTO_ICMP:
    if (CHECKSUM_GEN_ICMP || NETIF_CHECKSUM_ENABLED(inp, NETIF_CHECKSUM_GEN_ICMP)) {
      ((struct icmp_hdr *)((u8_t *)iphdr + IPH_HL_BYTES(iphdr)))->chksum = 0;
    }
    break;
#endif
  default:
    /* there's really nothing to do here other than satisfying 'switch-default' */
    break;
  }

  LWIP_DEBUGF(IP_DEBUG, ("ip4_forward: forwarding packet to %"U16_F".%"U16_F".%"U16_F".%"U16_F"\n",
                         ip4_addr1_16(ip4_current_dest_addr()), ip4_addr2_16(ip4_current_dest_addr()),
                         ip4_addr3_16(ip4_current_dest_addr()), ip4_addr4_16(ip4_current_dest_addr())));

  IP_STATS_INC(ip.fw);
  MIB2_STATS_INC(mib2.ipforwdatagrams);
  IP_STATS_INC(ip.xmit);

  PERF_STOP("ip4_forward");
  /* 分片检查&处理 */
  /* mtu为0，表示该网卡不支持分片 */
  if (netif->mtu && (p->tot_len > netif->mtu)) { /* 需要分片 */
    if ((IPH_OFFSET(iphdr) & PP_NTOHS(IP_DF)) == 0) {
#if IP_FRAG
      /* 分片发包 */
      ip4_frag(p, netif, ip4_current_dest_addr());
#else /* IP_FRAG */
      /* @todo: send ICMP Destination Unreachable code 13 "Communication administratively prohibited"? */
#endif /* IP_FRAG */
    } else {
#if LWIP_ICMP
      /* 发送ICMP目的不可达代码4: "Fragmentation Needed and DF Set" */
      icmp_dest_unreach(p, ICMP_DUR_FRAG);
#endif /* LWIP_ICMP */
    }
    return;
  }
  /* 不需要分片就直接发出IP层 */
  netif->output(netif, p, ip4_current_dest_addr());
  return;
return_noroute:
  MIB2_STATS_INC(mib2.ipoutnoroutes);
}

9.8.3 IP数据报重组

如果IP层收到一个IP报文，目的IP是给我们网卡IP层的，且检查当前IP包的首部是是一个分片包，则需要IP报文重组。

重组IP报文的源码实现比较复杂，所以需要耐心分析。

重装IP报文比分片IP报文要难，就是因为，重装IP报文的每个IP包到达的时间不是按顺序的，会出现后发的IP分片包比先发的IP分片包早到达（网络路由问题），这需要我们按序重组好。

注意：lwip当前不支持IP首部带选项字段的IP报文进行分片和重组。

9.8.3.1 相关数据结构

代码的数据结构是非常重要的，通过对数据结构的逻辑处理能封装出各种功能的API。

一个完整IP报文由多个IP分片包组成。

这个IP报文用struct ip_reassdata数据结构管理；

而每个IP分片包用struct ip_reass_helper数据结构管理。

  • 为了节省空间，这个数据结构和IP包pbuf的空间共用。把收到的分片pbuf的IP包首部重置为这个数据结构。因为最终的IP报文只需要一个IP首部即可，每个分片的IP首部空间可以利用起来。

lwip协议栈用全局变量struct ip_reassdata *reassdatagrams;管理整个协议栈的各个在重组中的IP报文，为单向链表。

重组中的IP报文数据结构struct ip_reassdata：

/** IP reassembly helper struct.
 * This is exported because memp needs to know the size.
 */
struct ip_reassdata {
  struct ip_reassdata *next; /* 单向链表节点 */
  struct pbuf *p; /* pbuf链表。是当前IP分片包的pbuf，各个分片的链，是由struct ip_reass_helper数据结构管理。 */
  struct ip_hdr iphdr; /* 当前IP报文的IP首部 */
  u16_t datagram_len; /* 已经收到的IP报长度或IP报文总长度。如果收到最后一个分片，则当前值为IP报文总长度。 */
  u8_t flags; /* 是否收到最后一个分片 */
  u8_t timer; /* 设置超时间隔 */
};

各个IP分片包的数据结构struct ip_reass_helper：

struct ip_reass_helper {
  PACK_STRUCT_FIELD(struct pbuf *next_pbuf); /* 下一个IP分片 */
  PACK_STRUCT_FIELD(u16_t start); /* 分片中数据在IP报文的起始位置 */
  PACK_STRUCT_FIELD(u16_t end); /* 分片中数据在IP报文的结束位置 */
} PACK_STRUCT_STRUCT;

9.8.3.2 相关宏

IP_REASS_MAXAGE：默认15。为每个重组IP报文有效期。超时还没重组好就需要删除重组IP报文。

IP_REASS_MAX_PBUFS：系统重组IP报文所有pbuf节点上限值。

IP_REASS_FREE_OLDEST：若开启，遇到系统重组IP报文所有pbuf节点达到系统上限值IP_REASS_MAX_PBUFS后，允许释放旧的重组IP报文所有IP分片。

9.8.3.3 相关函数

ip4_reass(struct pbuf *p)：

  • IPv4分片报文重组函数。
  • 供给lwip内核接收IP包时使用的API。
  • 不支持待选项字段的IP报文进行重组。

ip_reass_enqueue_new_datagram(struct ip_hdr *fraghdr, int clen)：新建一个重组IP报文条目并插入reassdatagrams链表中。

ip_reass_dequeue_datagram(struct ip_reassdata *ipr, struct ip_reassdata *prev)：释放一个重组IP报文条目。

ip_reass_free_complete_datagram(struct ip_reassdata *ipr, struct ip_reassdata *prev)：释放一个重组IP报文条目及其所有pbuf。

ip_reass_remove_oldest_datagram(struct ip_hdr *fraghdr, int pbufs_needed)：删除老的重组IP报文。

ip_reass_chain_frag_into_datagram_and_validate(struct ip_reassdata *ipr, struct pbuf *new_p, int is_last)：插入IP分片到对应重组IP报文。

9.8.3.4 ip4_reass()

源码参考：ip4_frag.c

IP报文重组调用ip4_reass()先分析该函数的总体框架，后面再分析各个函数的细节：

  • 检查IP分片包。

    • 收到一个IP分片后，检查IP分片的合法性。IP首部长度是否符合要求。目前LWIP不支持带选项的IP包分片和重组。
    • IP首部长度不能大于IP包长度。
    • 确保重组中的IP报文所有pbuf节点不能超过系统上限值IP_REASS_MAX_PBUFS。如果预判超出了，需要调用ip_reass_remove_oldest_datagram()删除最老的重组中的IP报文，直至够空间记录当前IP分片包的pbuf节点数为止。

  • 记录IP分片包到reassdatagrams链表中对应IP报文。

    • 找到当前IP分片的重组IP报文：检索reassdatagrams链表，是否有当前IP分片的IP报文。如果没有，需要调用ip_reass_enqueue_new_datagram()创建一个新的重组IP报文数据结构，并插入到reassdatagrams链表中。如果有，还需要检查当前IP分片是否是IP报文中的第一个IP分片包，如果是，需要把这个IP分片包的IP首部更新到重组IP报文数据结构的IP报文首部字段ip_reassdata->iphdr。

      • 匹配重组IP报文条件：源IP、目的IP、IP标识这三个字段一致即可。

    • 预判IP报文是否溢出：如果当前IP分片包是最后一个，可以通过IP分片偏移量加上当前IP分片包的长度可以计算出完整的IP报文长度，如果这个长度溢出IP报文的长度字段，则丢弃，并删除重组中的IP报文。

    • 当前IP分片插入重组IP报文的IP分片链表中。调用ip_reass_chain_frag_into_datagram_and_validate()将其插入。返回值由以下三个：

      • IP_REASS_VALIDATE_TELEGRAM_FINISHED：所有IP分片已经接收完毕，可以完成IP报文重组工作。
      • IP_REASS_VALIDATE_PBUF_QUEUED：当前IP分片正常插入，但是当前IP报文还没有接收完所有IP分片。
      • IP_REASS_VALIDATE_PBUF_DROPPED：当前IP分片插入失败，即是丢弃当前IP分片。

    • 更新reassdatagrams链表中所有pbuf节点的数量值ip_reass_pbufcount（全局）。因为系统设置有上限IP_REASS_MAX_PBUFS，所以要动态记录。

  • 当前IP分片是否为最后一个分片。

    • 如果是最后一个分片，则更新重组IP报文数据结构中的长度值为总长度值ip_reassdata->datagram_len，标记重组IP报文收到最后一个IP分片ip_reassdata->flags |= IP_REASS_FLAG_LASTFRAG。

  • IP报文的所有IP分片包是否已经接收完毕。

    • 如果所有IP分片都收到了，则可进行重组。

  • 重组完整IP报文。遍历所有IP分片，并合并。节省空间。

    • 统计IP报文的总长度。首部+数据=IP_HLEN+ip_reassdata->datagram_len。
    • 把重组IP报文数据结构中的IP首部字段拷贝到第一个分片的IP首部作为完整IP报文的首部。
    • 遍历重组IP报文中所有IP分片，将其合并，除了首个IP分片的IP首部作为完整IP报文的首部外，其它IP分片的IP首部都移除。
    • 至此，完整的IP报文pbuf重组完成。
/**
 * Reassembles incoming IP fragments into an IP datagram.
 *
 * @param p points to a pbuf chain of the fragment
 * @return NULL if reassembly is incomplete, ? otherwise
 */
struct pbuf *
ip4_reass(struct pbuf *p)
{
  struct pbuf *r; /* pbuf指针 */
  struct ip_hdr *fraghdr; /* IP首部指针 */
  struct ip_reassdata *ipr; /* 重组IP报文指针 */
  struct ip_reass_helper *iprh; /* IP分片节点管理数据结构指针 */
  u16_t offset, len, clen; /* 分片偏移量，分片长度，分片pbuf节点数 */
  u8_t hlen; /* IP分片首部长度 */
  int valid; /* 插入IP分片后的结果 */
  int is_last; /* 最后一个分片标志 */

  IPFRAG_STATS_INC(ip_frag.recv);
  MIB2_STATS_INC(mib2.ipreasmreqds);

  fraghdr = (struct ip_hdr *)p->payload; /* 获取IP分片首部 */

  if (IPH_HL_BYTES(fraghdr) != IP_HLEN) { /* 不支持带选项字段的IP报文重组 */
    LWIP_DEBUGF(IP_REASS_DEBUG, ("ip4_reass: IP options currently not supported!\n"));
    IPFRAG_STATS_INC(ip_frag.err);
    goto nullreturn;
  }

  offset = IPH_OFFSET_BYTES(fraghdr); /* 获取分片偏移量 */
  len = lwip_ntohs(IPH_LEN(fraghdr)); /* 获取分片包长度 */
  hlen = IPH_HL_BYTES(fraghdr); /* 获取分片首部长度 */
  if (hlen > len) { /* 校验 */
    /* invalid datagram */
    goto nullreturn;
  }
  len = (u16_t)(len - hlen); /* 获取IP分片数据字段长度 */

  /* 检查是否允许我们排队更多的数据报 */
  clen = pbuf_clen(p); /* 获取当前IP分片包含多少个pbuf节点 */
  /* 预测当前分片插入重组IP报文后，整个系统的重组IP报文的所有pbuf节点是否超过系统上限值IP_REASS_MAX_PBUFS。
     若超过，需要释放老的重组IP报文来腾出空间 */
  if ((ip_reass_pbufcount + clen) > IP_REASS_MAX_PBUFS) { /* 预测的结果超过系统上限值 */
#if IP_REASS_FREE_OLDEST /* 允许释放老的重组IP报文 */
    if (!ip_reass_remove_oldest_datagram(fraghdr, clen) || /* 释放失败 */
        ((ip_reass_pbufcount + clen) > IP_REASS_MAX_PBUFS)) /* 或者尽可能释放了，但是还是不能满足当前IP分片的插入 */
#endif /* IP_REASS_FREE_OLDEST */
    { /* 需要丢弃当前IP分片 */
      /* 没有数据报被释放，仍然有太多的pbuf进入队列 */
      LWIP_DEBUGF(IP_REASS_DEBUG, ("ip4_reass: Overflow condition: pbufct=%d, clen=%d, MAX=%d\n",
                                   ip_reass_pbufcount, clen, IP_REASS_MAX_PBUFS));
      IPFRAG_STATS_INC(ip_frag.memerr);
      /* @todo: 发送ICMP时间超过这里? */
      /* 丢弃当前IP分片 */
      goto nullreturn;
    }
  }

  /* 在当前数据报队列中查找分片所属的重组IP报文，记住队列中的前一个，以便以后退出队列 */
  for (ipr = reassdatagrams; ipr != NULL; ipr = ipr->next) {
    /* 检查传入的片段是否与当前出现在重组缓冲区中的片段相匹配。如果是这样，我们继续将这个片段复制到缓冲区中 */
    if (IP_ADDRESSES_AND_ID_MATCH(&ipr->iphdr, fraghdr)) { /* 匹配成功。根据源IP、目的IP和IP标识这三个字段进行匹配。 */
      LWIP_DEBUGF(IP_REASS_DEBUG, ("ip4_reass: matching previous fragment ID=%"X16_F"\n",
                                   lwip_ntohs(IPH_ID(fraghdr))));
      IPFRAG_STATS_INC(ip_frag.cachehit);
      break; /* 跳出 */
    }
  }

  if (ipr == NULL) { /* 还没有当前IP分片的重组IP报文呢，需要新建 */
    /* 创建新的重组IP报文，并插入到全局链表reassdatagrams */
    ipr = ip_reass_enqueue_new_datagram(fraghdr, clen);
    if (ipr == NULL) { /* 创建或插入失败，丢弃当前IP分片 */
      goto nullreturn;
    }
  } else { /* 已经存在 */
    if (((lwip_ntohs(IPH_OFFSET(fraghdr)) & IP_OFFMASK) == 0) && /* IP报文的第一个IP分片 */
        ((lwip_ntohs(IPH_OFFSET(&ipr->iphdr)) & IP_OFFMASK) != 0)) { /* 还没有记录过第一个分片的IP首部 */
      /* 最先收到的IP分片不一定是IP报文的第一个IP分片。这里需要第一个IP分片的首部是因为对于超过ICMP时间和之后，为了复制所有选项 */
      SMEMCPY(&ipr->iphdr, fraghdr, IP_HLEN); /* IP报文的第一个IP分片的IP首部作为整个IP报文首部的基础 */
    }
  }

  /* 此时，我们已经创建了一个新重组IP报文，或者指向一个现有重组IP报文 */

  /* 检查整个IP报文的长度字段是否合法 */
  /* 可以通过最后一个IP分片的偏移量和分片数据区长度可以计算出完整的IP报文的数据区总长度 */
  is_last = (IPH_OFFSET(fraghdr) & PP_NTOHS(IP_MF)) == 0;
  if (is_last) {
    u16_t datagram_len = (u16_t)(offset + len);
    if ((datagram_len < offset) || (datagram_len > (0xFFFF - IP_HLEN))) {
      /* u16_t 溢出，无法处理此操作 */
      goto nullreturn_ipr;
    }
  }
  /* 找到插入这个pbuf的正确位置 */
  /* @todo: 如果片段重叠，则修剪pbufs */
  valid = ip_reass_chain_frag_into_datagram_and_validate(ipr, p, is_last);
  if (valid == IP_REASS_VALIDATE_PBUF_DROPPED) { /* 插入失败，丢弃当前IP分片 */
    goto nullreturn_ipr;
  }
  /* 如果我们来到这里，pbuf已经被加入队列 */

  /* 更新重组IP报文数据结构相关字段 */

  ip_reass_pbufcount = (u16_t)(ip_reass_pbufcount + clen); /* 更新全局当前所有重组IP报文的pbuf节点数，用于判断是否踩上限线 */
  if (is_last) { /* 如果是最后一个分片，则可以知道整个IP报文的长度 */
    u16_t datagram_len = (u16_t)(offset + len); /* 偏移量+当前分片IP包数据区长度就是IP报文数据区总长度 */
    ipr->datagram_len = datagram_len; /* 转为记录IP报文数据区总长度 */
    ipr->flags |= IP_REASS_FLAG_LASTFRAG; /* 标记已经收到最后一个IP分片，且上面长度值改为记录IP报文数据区总长度 */
    LWIP_DEBUGF(IP_REASS_DEBUG,
                ("ip4_reass: last fragment seen, total len %"S16_F"\n",
                 ipr->datagram_len));
  }

  if (valid == IP_REASS_VALIDATE_TELEGRAM_FINISHED) { /* 全部IP分片接收完毕，可以进行重组 */
    struct ip_reassdata *ipr_prev;
    u16_t datagram_len = (u16_t)(ipr->datagram_len + IP_HLEN); /* IP报文总长度 */

    r = ((struct ip_reass_helper *)ipr->p->payload)->next_pbuf; /* r指向第二个分片 */

    /* 将原始IP头复制回第一个pbuf，作为完整IP报文的IP首部 */
    fraghdr = (struct ip_hdr *)(ipr->p->payload);
    SMEMCPY(fraghdr, &ipr->iphdr, IP_HLEN);
    IPH_LEN_SET(fraghdr, lwip_htons(datagram_len));
    IPH_OFFSET_SET(fraghdr, 0); /* 清空偏移量和标志字段 */
    IPH_CHKSUM_SET(fraghdr, 0); /* 清空首部校验和 */
    /* @todo: do we need to set/calculate the correct checksum? */
#if CHECKSUM_GEN_IP
    IF__NETIF_CHECKSUM_ENABLED(ip_current_input_netif(), NETIF_CHECKSUM_GEN_IP) {
      IPH_CHKSUM_SET(fraghdr, inet_chksum(fraghdr, IP_HLEN)); /* 重置IP首部校验和 */
    }
#endif /* CHECKSUM_GEN_IP */

    p = ipr->p; /* p指向第一个分片 */

    /* 遍历所有分片将其合并到第一个分片的pbuf中 */
    while (r != NULL) {
      iprh = (struct ip_reass_helper *)r->payload; /* 获取IP分片管理区 */

      pbuf_remove_header(r, IP_HLEN); /* 隐藏每个后续片段的IP头 */
      pbuf_cat(p, r); /* 合并分片 */
      r = iprh->next_pbuf; /* 指向下一个分片。遍历 */
    }
  
    /* 重组完毕，需要移除重组IP报文相关资源 */

    if (ipr == reassdatagrams) { /* reassdatagrams链表是一个没有哨兵的单向非循环链表。如果移除的是首节点，则不需要记录前一个节点 */
      ipr_prev = NULL;
    } else { /* 如果不是首个节点，则需要知道这个节点的前一个节点，才能把当前节点从单向链表中正常删除 */
      for (ipr_prev = reassdatagrams; ipr_prev != NULL; ipr_prev = ipr_prev->next) {
        if (ipr_prev->next == ipr) {
          break; /* 找到了 */
        }
      }
    }

    /* 释放重组IP报文的节点 */
    ip_reass_dequeue_datagram(ipr, ipr_prev);

    /* 并调整当前排队等待重组的pbuf的数量 */
    clen = pbuf_clen(p);
    LWIP_ASSERT("ip_reass_pbufcount >= clen", ip_reass_pbufcount >= clen);
    ip_reass_pbufcount = (u16_t)(ip_reass_pbufcount - clen);

    MIB2_STATS_INC(mib2.ipreasmoks);

    /* 返回重组后的IP报文pbuf */
    return p;
  }
  /* 还没收到所有IP分片 */
  LWIP_DEBUGF(IP_REASS_DEBUG, ("ip_reass_pbufcount: %d out\n", ip_reass_pbufcount));
  return NULL;

nullreturn_ipr: /* 丢弃当前IP分片 */
  LWIP_ASSERT("ipr != NULL", ipr != NULL);
  if (ipr->p == NULL) {
    /* 在创建新的数据报条目后删除pbuf:也删除该条目 */
    LWIP_ASSERT("not firstalthough just enqueued", ipr == reassdatagrams);
    ip_reass_dequeue_datagram(ipr, NULL);
  }

nullreturn:
  LWIP_DEBUGF(IP_REASS_DEBUG, ("ip4_reass: nullreturn\n"));
  IPFRAG_STATS_INC(ip_frag.drop);
  pbuf_free(p); /* 丢弃当前IP分片，释放pbuf资源 */
  return NULL;
}

9.8.3.5 ip_reass_enqueue_new_datagram()

ip_reass_enqueue_new_datagram()：

  • 申请重组IP报文节点ip_reassdata数据结构的空间。
  • 如果MEMP_REASSDATA内存池空间不足，则可以释放老的重组IP报文节点。
  • 初始化该结构体。
  • 有效期配置为IP_REASS_MAXAGE。
  • 插入reassdatagrams链表。
  • 保存IP分片包首部。
/**
 * Enqueues a new fragment into the fragment queue
 * @param fraghdr points to the new fragments IP hdr
 * @param clen number of pbufs needed to enqueue (used for freeing other datagrams if not enough space)
 * @return A pointer to the queue location into which the fragment was enqueued
 */
static struct ip_reassdata *
ip_reass_enqueue_new_datagram(struct ip_hdr *fraghdr, int clen)
{
  struct ip_reassdata *ipr;
#if ! IP_REASS_FREE_OLDEST
  LWIP_UNUSED_ARG(clen);
#endif

  /* 申请一个新的reassdata结构体 */
  ipr = (struct ip_reassdata *)memp_malloc(MEMP_REASSDATA);
  if (ipr == NULL) {
#if IP_REASS_FREE_OLDEST
    /* 空间不足就释放老的重组IP报文条目 */
    if (ip_reass_remove_oldest_datagram(fraghdr, clen) >= clen) {
      ipr = (struct ip_reassdata *)memp_malloc(MEMP_REASSDATA);
    }
    if (ipr == NULL)
#endif /* IP_REASS_FREE_OLDEST */
    {
      IPFRAG_STATS_INC(ip_frag.memerr);
      LWIP_DEBUGF(IP_REASS_DEBUG, ("Failed to alloc reassdata struct\n"));
      return NULL; /* 申请资源失败 */
    }
  }
  memset(ipr, 0, sizeof(struct ip_reassdata));
  ipr->timer = IP_REASS_MAXAGE;/* 有效期赋值 */

  /* 插入单向链表头 */
  ipr->next = reassdatagrams;
  reassdatagrams = ipr;
  /* 复制IP头，以便稍后进行测试和输入 */
  /* @todo: no ip options supported? */
  SMEMCPY(&(ipr->iphdr), fraghdr, IP_HLEN);
  return ipr;
}

9.8.3.6 ip_reass_dequeue_datagram()

ip_reass_dequeue_datagram()：

  • 释放重组IP报文条目资源。
  • 在过期还没重组好，或者已经重组好，或者需要为新的重组IP报文腾空间，都需要把不需要的重组IP报文删除，并从链表中移除。
  • ipr：需要删除的重组IP报文节点。
  • prev：被删除节点的前一个节点。由调用者提供。“奇怪的设计”
/**
 * Dequeues a datagram from the datagram queue. Doesn't deallocate the pbufs.
 * @param ipr points to the queue entry to dequeue
 */
static void
ip_reass_dequeue_datagram(struct ip_reassdata *ipr, struct ip_reassdata *prev)
{
  if (reassdatagrams == ipr) { /* 如果删除的是链表头，需要更新链表头 */
    /* 更新链表头 */
    reassdatagrams = ipr->next;
  } else {
    /* 它不是第一个，所以它必须有一个有效的'prev' */
    LWIP_ASSERT("sanity check linked list", prev != NULL);
    prev->next = ipr->next; /* 从链表中移除当前重组IP报文条目 */
  }

  /* 释放资源 */
  memp_free(MEMP_REASSDATA, ipr);
}

9.8.3.7 ip_reass_free_complete_datagram()

ip_reass_free_complete_datagram()：

  • 释放重组IP报文节点及其所有pbuf。
  • ICMP：如果收到了第一个IP分片，在重组删除时，需要返回一个ICMP超时。
  • 释放重组IP报文的所有pbuf。
  • 释放重组IP报文。
/**
 * Free a datagram (struct ip_reassdata) and all its pbufs.
 * Updates the total count of enqueued pbufs (ip_reass_pbufcount),
 * SNMP counters and sends an ICMP time exceeded packet.
 *
 * @param ipr datagram to free
 * @param prev the previous datagram in the linked list
 * @return the number of pbufs freed
 */
static int
ip_reass_free_complete_datagram(struct ip_reassdata *ipr, struct ip_reassdata *prev)
{
  u16_t pbufs_freed = 0;
  u16_t clen;
  struct pbuf *p;
  struct ip_reass_helper *iprh;

  LWIP_ASSERT("prev != ipr", prev != ipr);
  if (prev != NULL) {
    LWIP_ASSERT("prev->next == ipr", prev->next == ipr);
  }

  MIB2_STATS_INC(mib2.ipreasmfails);
#if LWIP_ICMP
  iprh = (struct ip_reass_helper *)ipr->p->payload;
  if (iprh->start == 0) {
    /* 收到了第一个分片报文，发送ICMP超时 */
    /* 首先，从r->p中取出第一个pbuf. */
    p = ipr->p;
    ipr->p = iprh->next_pbuf;
    /* 然后，将原始头部复制过去 */
    SMEMCPY(p->payload, &ipr->iphdr, IP_HLEN);
    icmp_time_exceeded(p, ICMP_TE_FRAG);
    clen = pbuf_clen(p);
    LWIP_ASSERT("pbufs_freed + clen <= 0xffff", pbufs_freed + clen <= 0xffff);
    pbufs_freed = (u16_t)(pbufs_freed + clen);
    pbuf_free(p); /* 释放pbuf */
  }
#endif /* LWIP_ICMP */

  /* 首先，free接收的所有pbufs。需要分别释放各个pbuf，因为它们还没有被链接 */
  p = ipr->p;
  while (p != NULL) {
    struct pbuf *pcur;
    iprh = (struct ip_reass_helper *)p->payload;
    pcur = p;
    /* 在释放之前获取下一个指针 */
    p = iprh->next_pbuf;
    clen = pbuf_clen(pcur);
    LWIP_ASSERT("pbufs_freed + clen <= 0xffff", pbufs_freed + clen <= 0xffff);
    pbufs_freed = (u16_t)(pbufs_freed + clen);
    pbuf_free(pcur);
  }
  /* 然后，从列表中解耦结构ip_reassdata并释放它 */
  ip_reass_dequeue_datagram(ipr, prev);
  LWIP_ASSERT("ip_reass_pbufcount >= pbufs_freed", ip_reass_pbufcount >= pbufs_freed);
  ip_reass_pbufcount = (u16_t)(ip_reass_pbufcount - pbufs_freed);

  return pbufs_freed;
}

9.8.3.8 ip_reass_remove_oldest_datagram()

ip_reass_remove_oldest_datagram()：

  • 删除老的重组IP报文。
  • 受IP_REASS_FREE_OLDEST宏控制。
  • fraghdr：当前IP分片。传入该参数是因为防止在遍历链表删除老的IP重组IP报文时，跳过这个重组IP报文，因为我们的目的就是为这个重组IP报文新来的IP分片腾空间。
  • pbufs_needed：需要腾出的pbuf数。
  • 逻辑简单：遍历、找到最老的非当前重组IP报文的重组IP报文节点、删除。一直遍历删除到够空闲pbuf数或者没有其它重组IP报文节点为止。
#if IP_REASS_FREE_OLDEST
/**
 * Free the oldest datagram to make room for enqueueing new fragments.
 * The datagram 'fraghdr' belongs to is not freed!
 *
 * @param fraghdr IP header of the current fragment
 * @param pbufs_needed number of pbufs needed to enqueue
 *        (used for freeing other datagrams if not enough space)
 * @return the number of pbufs freed
 */
static int
ip_reass_remove_oldest_datagram(struct ip_hdr *fraghdr, int pbufs_needed)
{
  /* @todo Can't we simply remove the last datagram in the linked list behind reassdatagrams? */
  struct ip_reassdata *r, *oldest, *prev, *oldest_prev;
  int pbufs_freed = 0, pbufs_freed_current;
  int other_datagrams;

  /* 释放数据报，直到允许进入'pbufs_needed' pbufs队列，但不要释放'fraghdr'所属的数据报! */
  do { /* 外循环：每次循环最多释放一个重组IP报文，但是不一定释放够pbuf节点数。 */
    oldest = NULL;
    prev = NULL;
    oldest_prev = NULL; /* 被删除的节点的前一个节点。单向链表删除节点的逻辑需要。 */
    other_datagrams = 0;
    r = reassdatagrams;
    while (r != NULL) { /* 内循环：遍历reassdatagrams，找出其它最老的重组IP报文 */
      if (!IP_ADDRESSES_AND_ID_MATCH(&r->iphdr, fraghdr)) { /* 和fraghdr不是同一个数据报，都需要被检索 */
        /* 记录和fraghdr不是同一个数据报个数 */
        other_datagrams++;
        if (oldest == NULL) {
          oldest = r;
          oldest_prev = prev;
        } else if (r->timer <= oldest->timer) {
          /* 比之前最老的还要老 */
          oldest = r;
          oldest_prev = prev;
        }
      }
      if (r->next != NULL) {
        prev = r;
      }
      r = r->next;
    }
    if (oldest != NULL) {
      /* 释放资源 */
      pbufs_freed_current = ip_reass_free_complete_datagram(oldest, oldest_prev);
      pbufs_freed += pbufs_freed_current; /* 记录已经释放了多少个pbuf节点 */
    }
  } while ((pbufs_freed < pbufs_needed) && (other_datagrams > 1)); /* 如果释放的pbuf节点满足要求，或者没有其它pbuf节点可以释放了，就退出循环 */
  return pbufs_freed; /* 返回释放pbuf节点的个数 */
}
#endif /* IP_REASS_FREE_OLDEST */

9.8.3.9 ip_reass_chain_frag_into_datagram_and_validate()

ip_reass_chain_frag_into_datagram_and_validate()：

  • 检查和插入一个分片到重组数据报中。

  • ipr：重组IP数据报。

  • new_p：新的分片。

  • is_last：是否是最后一个分片。

  • 返回：

    • IP_REASS_VALIDATE_TELEGRAM_FINISHED：当前重组IP数据报已经收到所有分片。
    • IP_REASS_VALIDATE_PBUF_QUEUED：分片成功插入重组IP数据报中，但是该重组IP数据报还没有接收到所有IP分片。
    • IP_REASS_VALIDATE_PBUF_DROPPED：插入分片失败。

  • 获取分片IP首部信息统计到重组IP数据报管理中。

  • 插入分片到重组IP数据报的分片链表中。

  • 如果最后一个IP分片收到了，就检查下所有分片是否都收到。

/**
 * Chain a new pbuf into the pbuf list that composes the datagram.  The pbuf list
 * will grow over time as  new pbufs are rx.
 * Also checks that the datagram passes basic continuity checks (if the last
 * fragment was received at least once).
 * @param ipr points to the reassembly state
 * @param new_p points to the pbuf for the current fragment
 * @param is_last is 1 if this pbuf has MF==0 (ipr->flags not updated yet)
 * @return see IP_REASS_VALIDATE_* defines
 */
static int
ip_reass_chain_frag_into_datagram_and_validate(struct ip_reassdata *ipr, struct pbuf *new_p, int is_last)
{
  struct ip_reass_helper *iprh, *iprh_tmp, *iprh_prev = NULL;
  struct pbuf *q;
  u16_t offset, len;
  u8_t hlen;
  struct ip_hdr *fraghdr;
  int valid = 1;

  /* 从当前分片中提取IP长度和IP分片偏移量 */
  fraghdr = (struct ip_hdr *)new_p->payload;
  len = lwip_ntohs(IPH_LEN(fraghdr));
  hlen = IPH_HL_BYTES(fraghdr);
  if (hlen > len) {
    /* 无效的数据报 */
    return IP_REASS_VALIDATE_PBUF_DROPPED;
  }
  len = (u16_t)(len - hlen); /* 获取IP分片数据区长度 */
  offset = IPH_OFFSET_BYTES(fraghdr); /* 获取偏移量 */

  /* IP分片的首部有用的信息已经统计到重组IP报文节点首部了，
     即是IP分片的首部中的数据可以丢弃，该空间可以利用起来，
     当前用于分片连接节点，指向下一个分片。
     即是把IP分片的首部部分空间重置为struct ip_reass_helper数据结构。 */
  LWIP_ASSERT("sizeof(struct ip_reass_helper) <= IP_HLEN",
              sizeof(struct ip_reass_helper) <= IP_HLEN);
  iprh = (struct ip_reass_helper *)new_p->payload; /* 提前分片IP首部重置为struct ip_reass_helper */
  iprh->next_pbuf = NULL;
  iprh->start = offset; /* 偏移量起始 */
  iprh->end = (u16_t)(offset + len);  /* 偏移量尾部 */
  if (iprh->end < offset) {
    /* u16_t 溢出，无法处理此操作 */
    return IP_REASS_VALIDATE_PBUF_DROPPED;
  }

  /* 插入分片链表。按分片偏移量升序插入 */
  for (q = ipr->p; q != NULL;) { /* 遍历分片链表 */
    iprh_tmp = (struct ip_reass_helper *)q->payload; /* 分片节点 */
    if (iprh->start < iprh_tmp->start) { /* 找到位置 */
      iprh->next_pbuf = q; /* 插入操作（链表） */
      if (iprh_prev != NULL) { /* 插入位置前面也有IP分片 */
        /* 而不是具有最低偏移量的分片 */
#if IP_REASS_CHECK_OVERLAP
        if ((iprh->start < iprh_prev->end) || (iprh->end > iprh_tmp->start)) {
          /* 插入分片与前一分片或后一分片重叠，丢弃 */
          return IP_REASS_VALIDATE_PBUF_DROPPED;
        }
#endif /* IP_REASS_CHECK_OVERLAP */
        iprh_prev->next_pbuf = new_p; /* 插入操作（链表） */
        if (iprh_prev->end != iprh->start) {
          /* 前一个分片与当前分片不连续，中间还缺数据，所以可以标记还没有接收到所有IP分片 */
          valid = 0;
        }
      } else { /* 当前分片插入的位置在接收到的所有分片之前 */
#if IP_REASS_CHECK_OVERLAP
        if (iprh->end > iprh_tmp->start) {
          /* 分片与下一个分片重叠，丢弃 */
          return IP_REASS_VALIDATE_PBUF_DROPPED;
        }
#endif /* IP_REASS_CHECK_OVERLAP */
        /* 更新链表头 */
        ipr->p = new_p;
      }
      break;
    } else if (iprh->start == iprh_tmp->start) { /* 收到重叠IP分片，丢弃 */
      return IP_REASS_VALIDATE_PBUF_DROPPED;
#if IP_REASS_CHECK_OVERLAP
    } else if (iprh->start < iprh_tmp->end) { /* 重叠:直接丢弃，不需要保留新数据报 */
      return IP_REASS_VALIDATE_PBUF_DROPPED;
#endif /* IP_REASS_CHECK_OVERLAP */
    } else { /* 插入分片偏移量比所有分片都要大，即是要插到链表最后 */
      /* 检查到目前为止收到的碎片是否没有洞 */
      if (iprh_prev != NULL) {
        if (iprh_prev->end != iprh_tmp->start) {
          /* 数据不连续，当前分片和前一个分片之间缺少分片，标记下未接收完所有IP分片 */
          valid = 0;
        }
      }
    }
    q = iprh_tmp->next_pbuf; /* 遍历下一个分片 */
    iprh_prev = iprh_tmp; /* 保存前一个分片 */
  }

  /* 如果q为空，即是到达链表尾了 */
  if (q == NULL) {
    if (iprh_prev != NULL) { /* 如果 */
      /* 这是(目前)，偏移量最大的分片:插入链表尾 */
#if IP_REASS_CHECK_OVERLAP
      LWIP_ASSERT("check fragments don't overlap", iprh_prev->end <= iprh->start);
#endif /* IP_REASS_CHECK_OVERLAP */
      iprh_prev->next_pbuf = new_p; /* 插入 */
      if (iprh_prev->end != iprh->start) { /* 还缺少IP分片 */
        valid = 0; /* 标记还没接收到所有IP分片 */
      }
    } else { /* 当前重组IP报文中还没有IP分片 */
#if IP_REASS_CHECK_OVERLAP
      LWIP_ASSERT("no previous fragment, this must be the first fragment!",
                  ipr->p == NULL);
#endif /* IP_REASS_CHECK_OVERLAP */
      /* 这是我们收到的这个IP数据报的第一个分片 */
      ipr->p = new_p;
    }
  }

  /* 至此，插入完毕，检查是否已经收到所有IP分片 */

  /* 如果我们已经收到了最后一个碎片 */
  if (is_last || ((ipr->flags & IP_REASS_FLAG_LASTFRAG) != 0)) { /* 最后一个分片收到了 */
    if (valid) { /* 前面遍历插入分片前面的所有分片时也没有发现有数据不连续 */
      /* 继续检查后面没有被遍历过的IP分片 */
      if ((ipr->p == NULL) || (((struct ip_reass_helper *)ipr->p->payload)->start != 0)) { /* 还没收到第一个分片 */
        valid = 0; /* 标记还没接收到所有IP分片 */
      } else { /* 首尾IP分片都收到了，需要遍历剩余的 */
        /* 并且检查这个数据报之后是否没有漏洞 */
        iprh_prev = iprh;
        q = iprh->next_pbuf;
        while (q != NULL) { /* 遍历 */
          iprh = (struct ip_reass_helper *)q->payload;
          if (iprh_prev->end != iprh->start) { /* 发现漏洞 */
            valid = 0; /* 标记还没有接收到所有IP分片 */
            break; /* 退出遍历 */
          }
          iprh_prev = iprh;
          q = iprh->next_pbuf;
        }
        if (valid) { /* 至此，说明当前IP报文的所有IP分片已到达，打个log庆祝下 */
          LWIP_ASSERT("sanity check", ipr->p != NULL);
          LWIP_ASSERT("sanity check",
                      ((struct ip_reass_helper *)ipr->p->payload) != iprh);
          LWIP_ASSERT("validate_datagram:next_pbuf!=NULL",
                      iprh->next_pbuf == NULL);
        }
      }
    }
    /* 按需返回 */
    return valid ? IP_REASS_VALIDATE_TELEGRAM_FINISHED : IP_REASS_VALIDATE_PBUF_QUEUED;
  }
  /* 至此，IP分片插入正常，但是还没有收到所有IP分片 */
  return IP_REASS_VALIDATE_PBUF_QUEUED;
}

9.8.3.10 重组IP数据报的超时机制

每个重组的IP数据报都有生命周期，超时都还没接收完所有IP分片包，则需要放弃等待剩余分片，并释放该重组IP数据报所有资源。

决定删除重组的IP数据报时，需要返回ICMP超时到网络中告知对端放弃本次IP报文接收。

节拍由IP_TMR_INTERVAL决定，默认1000，即是1秒跑一次。

每个重组IP报文最大时间为IP_REASS_MAXAGE，默认15。即是系统收到第一个得到的分片IP开始计时，在15秒内没有接收完所有IP报文，便要放弃本次重组。

ip_reass_tmr()：

  • 概述的目的就是遍历重组IP报文链表，检查每个正在重组的IP报文有效期，过期的删除，未过期的减少有效期。
/**
 * Reassembly timer base function
 * for both NO_SYS == 0 and 1 (!).
 *
 * Should be called every 1000 msec (defined by IP_TMR_INTERVAL).
 */
void
ip_reass_tmr(void)
{
  struct ip_reassdata *r, *prev = NULL;

  r = reassdatagrams;
  while (r != NULL) {
    /* 减量计时器，一旦它达到0，清理不完整的分片 */
    if (r->timer > 0) {
      r->timer--; /* 有效期减少 */
      LWIP_DEBUGF(IP_REASS_DEBUG, ("ip_reass_tmr: timer dec %"U16_F"\n", (u16_t)r->timer));
      prev = r;
      r = r->next; /* 遍历下一个 */
    } else { /* 当前重组IP条目已经过期了 */
      struct ip_reassdata *tmp; /* 过渡变量 */
      LWIP_DEBUGF(IP_REASS_DEBUG, ("ip_reass_tmr: timer timed out\n"));
      tmp = r;
      /* 在释放之前获取下一个重组IP报文指针 */
      r = r->next;
      /* 删除过期的重组IP报文：删除重组IP报文节点资源及其所有的IP分片pbuf */
      ip_reass_free_complete_datagram(tmp, prev);
    }
  }
}
posted @ 2022-11-05 13:37  李柱明  阅读(2982)  评论(0)  编辑  收藏  举报