LWIP学习笔记之网络接口管理(二)

一、引言

　　LWIP分为四个层次：链路层、网络层、传输层和应用层。运行LWIP的嵌入式设备可以有多个网络接口：以太网接口、串行链路接口、环回接口等。为了实现对所有网络接口的有效管理，协议栈内部使用了一个名为netif的网络接口结构来描述各种网络设备。本章讨论的内容包括：

　　网络接口管理的作用；

　　网络接口结构netif；

二、网络接口管理

1、数据结构　　

　　源文件中 netif.c 和 netif.h 文件实现了与网络接口结构管理相关的所有数据结构和函数。来看看结构 netif 是怎样被定义的，如下代码所示。 

————netif.h————————————————
//网络接口最大物理地址长度，这里定义为以太网网卡 MAC 地址的长度 6
#define NETIF_MAX_HWADDR_LEN 6U
//下面几个宏为网络接口属性、状态相关的宏，主要用于描述 netif 中 flags 字段的各位
#define NETIF_FLAG_UP 0x01U //网络接口是否已被上层使能
#define NETIF_FLAG_BROADCAST 0x02U //网络接口是否支持广播
#define NETIF_FLAG_POINTTOPOINT 0x04U //网络接口是否属于点到点连接
#define NETIF_FLAG_DHCP 0x08U //网络接口是否支持 DHCP 功能
#define NETIF_FLAG_LINK_UP 0x10U //网络接口的底层链路是否已经使能
#define NETIF_FLAG_ETHARP 0x20U //网络接口是否支持 ARP 功能
#define NETIF_FLAG_IGMP 0x40U //网络接口是否支持 IGMP 功能
//下面是结构 netif 的定义
struct netif 
{
　　struct netif *next; //指向下一个 netif 结构，在构成链表 netif_list 时使用
　　struct ip_addr ip_addr; //网络接口的 IP 地址
　　struct ip_addr netmask; //子网掩码
　　struct ip_addr gw; //网关地址
　　//下面为三个函数指针，调用它们指向的函数就可以完成数据包的发送或接收
　　err_t (* input)(struct pbuf *p, struct netif *inp); //该函数向 IP 层输入数据包
　　err_t (* output)(struct netif *netif, struct pbuf *p,struct ip_addr *ipaddr); //该函数发送 IP 包
　　err_t (* linkoutput)(struct netif *netif, struct pbuf *p); //该函数实现底层数据包发送
　　void *state; //该字段用户可以自由设置，例如用于指向一些底层设备相关的信息
　　u16_t mtu; //该接口允许的最大数据包长度
　　u8_t hwaddr_len; //该接口物理地址长度
　　u8_t hwaddr[NETIF_MAX_HWADDR_LEN]; //该接口的物理地址
　　u8_t flags; //该接口的状态、属性字段
　　char name[2]; //该接口的名字
　　u8_t num; //接口的编号
　　//在接口自输入使能或者有环回接口的情况下，下面的字段
　　//用于描述接口发送给自己的数据包
　　struct pbuf *loop_first; //指向发送给自己的数据包的第一个 pbuf
　　struct pbuf *loop_last; //指向发送给自己的数据包的最后一个 pbuf
};

　　next 字段是指向下一个 netif 结构的指针，前面也说过，一个设备可能会有多个网络接口（例如路由器），LwIP 会把所有网络接口的 netif 结构组成一个链表进行管理，有一个名为 netif_list 的全局变量指向该链表的首部。next 字段就是用于组成链表时用。 　　

　　ip_addr、netmask、gw 三个字段用于描述该网络接口的网络地址属性，依次称它们为接口 IP地址、子网掩码和网关地址。IP 地址和网络接口必须一一对应，即设备有几个硬件网络接口，它就得有几个 IP 地址；子网掩码可以用来判断某个目的 IP 地址与当前网络接口 IP 地址是否处于同一子网中，IP 层会选择与目的 IP 处于同一子网的网络接口来发送数据包。gw 字段在数据包的发送、转发过程中也有重要作用，如果目的 IP 地址与所有网络接口都不属于同一子网，LwIP 将会把数据包发送到网关处，因为它认为网关设备会对该 IP 包进行正确的转发，此外网关也为设备提供了许多高级服务，如 DHCP、DNS 等。 　　

　　input 字段指向一个函数，这个函数将网络设备接收到的数据包提交给 IP 层（在以太网中，通常这个函数需要解析以太网数据帧，然后将从中得到的 IP 数据包递交）。被指向的函数具有两个参数：一个是 pbuf 类型，代表将要递交的数据包；另一个为 netif 类型，代表递交数据包的网络设备，函数返回值是 err_t 类型。网络设备初始化时应该向 input 字段注册相应的输入函数，后面将详细讨论这个问题。 　　　　

　　output 字段指向一个函数，这个函数和具体网络接口设备驱动密切相关，它用于将 IP 层数据包发送到目的地址处。在 IP 层看来，每个网络接口都会提供一个这样的函数供它调用，当 IP 层发送数据包时，它会遍历 netif_list 链表，找出最合适的网络接口，并调用其注册的 output 函数发送 数据包。不同的网络接口需要根据实际接口特性来编写相关的发送函数，并在初始化时将 output字段指向该函数。就以太网网卡的数据包发送而言，LwIP 在源代码 etharp.c 文件中实现了一个名为 etharp_output 的函数，该函数就可以直接完成 IP 数据包在以太网中的发送，所以在初始化以太网卡结构时，可以直接将 output 字段指向函数 etharp_output。output 指向函数的三个参数分别是 pbuf类型、netif 类型和 ip_addr 类型，返回值是 err_t 类型。其中 pbuf 代表要发送的 IP 数据包，ipaddr代表数据包的目的 IP 地址

　　 linkoutput 字段和上面的 output 基本上是相似的功能，但是更底层一些，这个函数主要在以太网卡通信中被 ARP 模块调用，用来完成以太网数据帧的发送，在其他类型的网络接口中，这个字段的值就没啥用处了。上面说的函数 etharp_output，它一方面接收 IP 层数据包，另一方面将该数据包封装为以太网数据帧（填写物理地址等字段），最后便调用 linkoutput 字段注册的函数将以太网 数 据 帧 发 送 出 去 。 

　　为了实现对这些数据包的管理，在网络接口结构 netif 中定义了两个指针 loop_first 和loop_last，它们分别用于指向数据包 pbuf 链表的第一个 pbuf 和最后一个 pbuf。这里的 pbuf 链表比较特殊，因为所有数据包的 pbuf 都组织在同一条链表上，这就说明一条 pbuf 链表上可能存在多个 数据包，这时 pbuf 结构的 next 字段是否为空并不能成为判断一个数据包结束与否的标志，那在这样的一条 pbuf 链表中，怎样去将各个数据包的 pbuf 划分开呢？答案在于 pbuf 结构中的 tot_len 字段和 len 字段值，当两个字段的值相等时，就代表一个数据包的结束。 

2、函数实现　　

　　向系统注册一个网络接口设备的函数 netif_add：

————netif.c————————————————
//定义两个全局型的 netif 指针
struct netif *netif_list; //系统的全局型 netif 链表
struct netif *netif_default; //记录系统缺省（默认）网络接口
//函数功能：向 LwIP 内核注册一个网络接口结构
//参数 netif：指向一个已分配好的 netif 结构体
//参数 ipaddr：网络接口的 IP 地址
//参数 netmask：网络接口子网掩码
//参数 gw：网关地址
//参数 state：用户自定义的一些数据信息
//参数 init：网络接口的初始化函数
//参数 input：网络接口向 IP 层提交数据包的函数
//返回值：成功注册的网络接口结构指针
struct netif *netif_add(struct netif *netif, struct ip_addr *ipaddr, struct ip_addr *netmask,
struct ip_addr *gw,
void *state,
err_t (* init)(struct netif *netif),
err_t (* input)(struct pbuf *p, struct netif *netif))
{
　　static u8_t netifnum = 0; //定义静态变量 netifnum，它记录网络接口的编号
　　//清空 netif 结构的各个字段值
　　netif­->ip_addr.addr = 0;
　　netif­->netmask.addr = 0;
　　netif­->gw.addr = 0;
　　netif­->flags = 0;
　　netif-­>loop_first = NULL;
　　netif­->loop_last = NULL;
　　//填写结构体各个字段值
　　netif­->state = state;
　　netif-­>num = netifnum++; //网络接口编号
　　netif­->input = input; //注册 input 函数
　　//调用函数 netif_set_addr 设置网络接口的三个地址字段值
　　netif_set_addr(netif, ipaddr, netmask, gw);
　　//调用网络接口的初始化函数，初始化网络接口
　　if (init(netif) != ERR_OK)
　　{ 
　　　　//初始化失败，则返回空
　　　　return NULL;
　　}
　　//将初始化成功的 netif 结构加入 netif_list 链表
　　netif-­>next = netif_list;
　　netif_list = netif;
　　//返回 netif 结构指针
　　return netif;
}

　　netif_add 函数只是简单的初始化了 netif 结构的几个字段，然后回调网络接口定义的初始化函数 init 来完成网络接口的初始化工作。 

IP4_ADDR(&gw, 192,168,1,1); //初始化三个地址
IP4_ADDR(&ipaddr, 192,168,1,37);
IP4_ADDR(&netmask, 255,255,255,0);
//调用 netif_add 函数
netif_add(&rtl8019_netif, &ipaddr, &netmask, &gw, NULL, ethernetif_init,ethernet_input);
netif_set_default(&rtl8019_netif); //设置系统的默认网络接口为 rtl8019_netif
netif_set_up(&rtl8019_netif); //使能网络接口 rtl8019_netif

　　在上面这段代码中，调用 netif_add 函数时，传递给它的两个函数参数是 ethernetif_init 和ethernet_input，其中前者就是网卡初始化函数 ethernetif_init，这是源码提供者为以太网网卡驱动程序编写的默认初始化函数，这个函数在第 5 章中也有所提及，这里来看看它的具体实现，源代码如下所示。ethernet_input 是 ARP 层的一个函数，它的功能是提取以太网帧中的 ARP 地址数据，并将帧中的 IP 数据递交给 IP 层，关于这个函数在下一章中会讲解。 

#define IFNAME0 'e' //定义以太网网卡的名字字符
#define IFNAME1 'n'
//定义描述网卡用户信息的结构，该结构无实际用处，源码作者旨在用该结构来示意
//netif 结构中的 state 字段的用法，该字段可以指向任何用户关心的信息
struct ethernetif 
{ //该结构只包含一个简单的指针
　　struct eth_addr *ethaddr;
};
//函数参数 netif：网络接口结构的指针
err_t ethernetif_init(struct netif *netif)
{
　　struct ethernetif *ethernetif;
　　ethernetif = mem_malloc(sizeof(struct ethernetif)); //为用户信息结构申请一个内存堆空间
　　if (ethernetif == NULL) { //申请失败，返回内存错误
　　　　return ERR_MEM;
　　　}
　　netif­->state = ethernetif; //将 state 字段指向 ethernetif
　　netif-­>name[0] = IFNAME0; //设置名字字段
　　netif­->name[1] = IFNAME1;
　　netif­->output = etharp_output; //注册 IP 数据包输出函数，这里使用 ARP 的相关函数
　　netif­->linkoutput = low_level_output; //注册以太网数据帧输出函数
　　//将 ethernetif 结构赋一个用户关心的值，这里无具体意义
　　ethernetif-­>ethaddr = (struct eth_addr *)&(netif-­>hwaddr[0]); //指向网卡的地址信息
　　low_level_init(netif); //调用网卡底层初始化函数，这个函数已经讲过了
　　return ERR_OK; //返回成功
}