【lwip】06-网络接口层分析


前言

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:

6.1 概念引入

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:

    • 收:如网卡的初始化和网卡的收发数据,当 LWIP 底层得到数据之后,才会传入到内核中去处理。
    • 发:LWIP 内核需要发送数据包的时候,也需要调用网卡的发送函数。
  • 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。

    • 收:底层数据链路的数据,经过网卡,网卡把这些数据解析好,然后格式化为上层协议栈需要的数据格式,再把这些数据交给上层协议栈。
    • 发:上层协议栈的数据,经过网卡,网卡把这些数据解析好,然后格式化为底层数据链路需要的数据格式,再把这些数据交给底层让其发出去。
  • 网卡底层自由

    • 由于网络接口需要对接的上层包含了链路层的以太网帧处理ethnet_input()ethnet_output()
    • 所以网络接口底层对接的可以直接是自由数据,包括UART、SPI、以太网设备、GPRS、其它线程接过来的数据等等任何数据流。

6.2 网络接口层数据概念流图

【lwip】06-网络接口层分析插图
图源自李柱明

6.3 网卡收包程序流图

【lwip】06-网络接口层分析插图1
图源自李柱明

6.4 网卡数据结构

6.4.1 struct netif源码

/** 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 */
};

6.4.2 字段分析

6.4.2.1 网卡链表

/** 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_liststruct 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。

6.4.2.2 网络 IP

#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。

6.4.2.3 接收数据函数input()

/** 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。

6.4.2.4 网络IP层发送数据函数output()

#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。

6.4.2.5 链路层发送函数linkoutput()

/** 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。

6.4.2.6 出口回调函数

#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。

6.4.2.7 用户私有数据

/** 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。

6.4.2.8 最大传输单位

/** maximum transfer unit (in bytes) */
  u16_t mtu;

6.4.2.9 链路硬件地址长度&地址

/** number of bytes used in hwaddr */
  u8_t hwaddr_len;
  /** link level hardware address of this interface */
  u8_t hwaddr[NETIF_MAX_HWADDR_LEN];

6.4.2.10 网卡信息状态标志

/** 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。

6.4.2.11 网卡名字

/** 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。

6.4.2.12 网卡标识

/** number of this interface */
  u8_t num;

标识使用同种驱动类型的不同网卡。

6.4.2.13 网卡提示

#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 

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。

6.5 netif 快速使用

6.5.1 简要步骤

  1. 定义一个 netif 作为网卡设备结构体。
  2. 挂载到 netif_list 链表中:netif_add();

    1. 需要提供网卡初始化函数和网卡协议栈入口函数作为netif_add()的参数传入。
  3. 使能网卡底层(链路层):netif_set_link_up()
  4. 使能网卡上层(协议栈):netif_set_up()

6.5.2 与 netif 相关的底层函数

low_level_output()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);

6.6 网卡信息状态标志

在网卡netif->flags;成员中体现。

  • NETIF_FLAG_UP

    • 网络接口上层是否被使能。
    • 属于一个软件(协议栈)就绪标志,表示lwip协议栈已经合法获取到该IP,lwip协议栈已经准备好接收处理这个网卡的数据了。
    • 相当于一个lwip协议栈内部与外部南向通信的开关阀。
  • NETIF_FLAG_BROADCAST:网络接口是否支持广播。
  • NETIF_FLAG_LINK_UP

    • 网络接口的底层链路是否被使能。
    • 属于一个硬件(链路层)就绪标志,表示当前网卡南向接口使用的数据链路硬件就绪。
  • 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。
/**
 * @defgroup netif_flags Flags
 * @ingroup netif
 * @{
 */

/** Whether the network interface is 'up'. This is
 * a software flag used to control whether this network
 * interface is enabled and processes traffic.
 * It must be set by the startup code before this netif can be used
 * (also for dhcp/autoip).
 */
#define NETIF_FLAG_UP           0x01U
/** If set, the netif has broadcast capability.
 * Set by the netif driver in its init function. */
#define NETIF_FLAG_BROADCAST    0x02U
/** If set, the interface has an active link
 *  (set by the network interface driver).
 * Either set by the netif driver in its init function (if the link
 * is up at that time) or at a later point once the link comes up
 * (if link detection is supported by the hardware). */
#define NETIF_FLAG_LINK_UP      0x04U
/** If set, the netif is an ethernet device using ARP.
 * Set by the netif driver in its init function.
 * Used to check input packet types and use of DHCP. */
#define NETIF_FLAG_ETHARP       0x08U
/** If set, the netif is an ethernet device. It might not use
 * ARP or TCP/IP if it is used for PPPoE only.
 */
#define NETIF_FLAG_ETHERNET     0x10U
/** If set, the netif has IGMP capability.
 * Set by the netif driver in its init function. */
#define NETIF_FLAG_IGMP         0x20U
/** If set, the netif has MLD6 capability.
 * Set by the netif driver in its init function. */
#define NETIF_FLAG_MLD6         0x40U

6.7 添加网卡netif_add()

主要内容是:

  • 网卡数据结构内容配置;
  • 把这个网卡插入到网卡链表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 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 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; }

6.8 网卡上层协议栈使能netif_set_up()

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
  }
}

6.10 以太网网卡伪代码分析

参考lwip官方提供的ethernetif.c文件。

6.10.1 相关API说明

用户需要封装单个网卡底层数据链路相关的函数:

  • low_level_init()

    • 该函数用于初始化底层数据链路硬件设备,使其具备底层通信能力。
  • low_level_output()

    • 该函数用于底层数据链路发送数据,网卡的南向出口。
    • 收到的上层数据包时pbuf类型的。
  • low_level_input()

    • 该函数用于底层数据链路接收数据,网卡的南向入口。
    • 需要组装为pbuf类型再转交给上层。

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()

6.10.2 ethernetif_init()

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 memoryn"));
    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;
}

6.10.3 ethernetif_input()

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 errorn"));
      pbuf_free(p); /* 上传失败,丢弃该数据包 */
      p = NULL;
    }
  }
}

6.10.4 low_level_init()

/**
 * 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。 */
}

6.11环回接口

6.11.1 环回地址

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。

6.11.2 环回数据包流图

【lwip】06-网络接口层分析插图2
图源自李柱明

6.11.3 相关宏及API

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。

  • 相当于以太网网卡的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。

    • 所以如果目标IP和环回网卡一致,则直接调用netif_loop_output()
    • 如果不一致,则调用netif->output(),其实也是netif_loop_output()

netif_poll():环回处理接口。

  • 单线程环境下:在应用程序中循环调用。
  • 多线程环境下:内部会通过消息,把netif_poll()转交给wlip内核线程去跑。
  • 目的是把环回数据包环回发到对应网卡的IP层处理。netif_loop_output()输入的数据传到netif->input()

6.11.4 环回网卡初始化

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 */

6.11.5 环回输出接口netif_loop_output()

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,
   * 如果不是,则调整为'netif'。 */
#if MIB2_STATS
#if LWIP_HAVE_LOOPIF
  struct netif *stats_if = &loop_netif; /* 相关状态信息记录到loop_netif(不管数据包的目标是否是该网卡) */
#else /* LWIP_HAVE_LOOPIF */
  struct netif *stats_if = netif; /* 相关状态信息记录到对应网卡 */
#endif /* LWIP_HAVE_LOOPIF */
#endif /* MIB2_STATS */
#if LWIP_NETIF_LOOPBACK_MULTITHREADING
  u8_t schedule_poll = 0; /* 是否需要转发netif_poll()到lwip内核线程执行 */
#endif /* LWIP_NETIF_LOOPBACK_MULTITHREADING */
  SYS_ARCH_DECL_PROTECT(lev);

  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) 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;
}

6.11.6 环回处理接口netif_poll()

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,
   * 如果不是,则调整为'netif'。 */
#if MIB2_STATS
#if LWIP_HAVE_LOOPIF
  struct netif *stats_if = &loop_netif; /* 相关状态信息记录到loop_netif(不管数据包的目标是否是该网卡) */
#else /* LWIP_HAVE_LOOPIF */
  struct netif *stats_if = netif; /* 相关状态信息记录到对应网卡 */
#endif /* LWIP_HAVE_LOOPIF */
#endif /* MIB2_STATS */
  SYS_ARCH_DECL_PROTECT(lev);

  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) 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);
}

文章来源于互联网:【lwip】06-网络接口层分析

THE END
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