使用LwIP协议栈浅析实战分析（i.MXRT）

谈思实验室 2023-04-30 18:00

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LWIP协议与网络分层

LwIP(Light weight IP)，是一种轻量化且开源的TCP/IP协议栈，它可以在有限的RAM和ROM条件下，实现一个完整的TCP/IP 协议栈。此外，LwIP既可以移植到操作系统上运行，也可以在无操作系统的情况下独立运行。

TCP/IP协议栈的模型结构如下图所示，由于TCP/IP协议栈的出现时间较早，所以没有按照传统的7层OSI网络模型进行设计，一共只分为了4层，分别为网络接口层，网络层，传输层以及应用层，LwIP协议栈的网络模型与之类似。

网络接口层主要通过双绞线，光纤，无线等方式进行网络上数据帧的发送和接收。网络接口层将网络层的数据组装成自己特定的帧进行发送，同时也会接收数据帧进行解析，并将解析过后的数据发送给网络层。

网络层负责在主机之间的通信过程之中选择数据包的传输路径，并且在接收到传入的数据报时会检验其有效性，并递交给上层。

传输层主要提供应用程序之间的通信服务，它会系统的管理两端数据之间的交互。

应用层简单来说就是利用传输层提供的功能发送自己的数据到对方。

LWIP协议栈初始化

在开始传输数据之前，首先要进行一系列的初始化操作，本文以i.MX RT1060 SDK中的Demo "evkmimxrt1060_lwip_udppecho_bm"为例，该代码可以通过MCUXpresso IDE进行导入。

netif_add函数用来挂载网络接口，并完成网络通信之前的大部分初始化工作，包括PHY芯片的初始化，i.MX RT1060上ENET外设初始化，以及一些通信过程中用到的相关数据结构的初始化。

PHY芯片的初始化是在ethernetif_phy_init之中完成，包括MDIO初始化，网口自动协商，网口连接等操作。

ENET外设的初始化在ENET_SetMacController之中完成，这里进行了ENET外设的一些配置，例如设置接口速率，以及接口类型(mii,Rmii)等等。

PHY初始化函数以及ENET初始化函数都在ethernetif0_init函数中被调用，并且该函数被作为一个实参传入netif_add之中并被在其中被调用，因此netif_add不仅完成了网络接口的挂载，还完成了接口相关的一系列初始化工作。

此外，在进行网络接口相关初始化的同时，也完成了对一系列数据结构的初始化，此处介绍一些在网络通信过程中用到的结构体。

enet_rx_bd_struct_t, 该结构体一般用来定义buffer descriptor，网络接口层接收到的数据一般就封装在buffer descriptor之中。
结构体定义如下图所示，其中length代表buffer descriptor之中数据的长度，control之中会存储一些与buffer descriptor相关的状态信息，并且支持enhanced buffer descriptor。

enet_rx_bd_ring_t结构体，如下图所示，每一条ring都是由buffer descriptor组成的。
Ring结构体中的rxBdBase成员就是第一个buffer descriptor的地址，rxGenIdx指的是当前buffer descriptor的序号，rxRingLen指的是这条Ring中共有几个buffer descriptor。
pbuf结构体，pbuf结构体是用来描述lwip协议栈中数据包的结构体。它是以链表的形式存在的，pbuf之中会存在指针指向下一个pubf 。

由于在case之中，使用的是UDP通信，因此还需要进行一些UDP相关的初始化设置。例如调用udp_bind函数，对UDP控制块中的local_port,local_ip等参数进行绑定，以及调用udp_recv在udp控制块上进行一些回调函数的绑定等等，至于什么是UDP控制块，在后面会进行介绍。

LWIP网络接口层

网络接口层数据接收

在udpecho demo之中是通过轮询的方法来实现数据接收，使用的是raw/callback api, 除了这种api之外lwip还提供socket api等，不过需要操作系统的支持。

在while循环中首先会去调用ethernetif_input函数，该函数中会调用ethernetif_linkinput函数，在ethernetif_linkinput之中又会去调用ENET_GetRxFrame和ethernetif_rx_frame_to_pbufs函数。

在ENET_GetRxFrame函数中会把网络接口中接收到的数据搬运到RxFrame之中，然后ethernetif_rx_frame_to_pbufs函数又会把RxFrame之中的数据搬运到pbufs之中，接下来就会调用ethernet_input函数，在lwip源码之中的ethernet.c文件中被定义，主要用于无操作系统时候网络层去处理接收到的数据帧，然后往上层递交，对于不同的数据包进行不同的处理，如果是 ARP包，则调用etharp_input函数；如果是 IP 包，则调用 ip4_input函数，通过这些函数将数据包递交给 IP 层处理。

网络接口层数据发送

在网络层发送数据时，会调用网络接口层的ethernet_output函数，ethernet_output函数之中又会去调用ethernetif_linkoutput函数,当数据较大需要用多个pbuf进行存储的时候，pbuf以链表的形式存在，所以需要将这些链表中的数据进行合并，如下图所示。

操作完成后通过ENET_SendFrame函数来完成数据的发送；最后数据会通过网络接口传输出去。

LWIP网络层

IP协议

IP协议是一种经典的网络层协议，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，并通过IP地址作为唯一识别码。简单来说，不同主机之间的IP地址是不一样的，在发送数据报的过程中，IP协议还可能对数据报进行分片处理，同时在接收数据报的时候，还可能需要对分片的数据报进行重装等等。

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，需要传输层协议来完成这些功能。

IP地址

在TCP/IP设计过程中，设计人员为每一台主机分配一个32bit的IP地址，只有具有有效的IP地址的主机才能接入互联网中与其他主机进行通信。

IP数据报

IP数据包一般由IP首部和数据组成，首部一般有20-60字节，其中有40字节是可选的，一般首部仅由20字节组成，IP数据报结构如下图所示。

为了方便对IP首部进行读取或写入操作，在lwip源码之中定义了ip_hdr结构体来表示ip数据报首部。

IP层数据接收

在上文提到，对于不同的数据包进行不同的处理，如果是ARP包，则调用etharp_input函数去处理；如果是IP包，则交给IP相关函数去处理。

在udpecho demo中使用的是IPV4协议，因此，会调用ip4_input函数。

在ip4_input函数中会对ip数据报的相关字段进行检验，例如长度，校验和，版本号等等，也会判断该数据包是否是发送给本地的，如果不是发送给本地的数据包，可能还要对其进行转发或者丢弃，如果数据报没有问题，IP层就会根据传输层的协议类型将数据包传送到不同的入口函数之中，例如udp_input, tcp_input函数等。

IP层数据发送

在传输层协议需要通过IP层来发送数据时，在上层函数之中会调用ip4_output_if_src函数，在该函数中，又会去调用ip4_output_if_opt_src函数，它会将传输数据封装到ip数据报之中，填写数据报之中的目标IP地址，源IP地址，协议类型等相关信息。然后再去调用etharp_output()，它会解析MAC地址，组装以太网帧并并发送。在etharp_output()函数之中，最终会去调用网络接口层的相关发送函数。

LWIP传输层与应用层

网络层已经通过IP协议等完成了数据报在各台主机之间传输的的功能，但是数据还没有到达最终目的地—主机上的某个特定应用程序。

IP层通过传输层的协议将数据包递交给应用程序，常用的传输层协议有UDP协议，TCP协议等。

此处以UDP协议为例，它是一种较为简单的传输层协议，经常应用于局域网环境以及视频播放领域，以UDP为例结合SDK代码讲解一下传输层是如何实现数据交互的。

UDP报文

在使用UDP传输数据时，它会将数据封装在UDP报文之中，在IP层又会将数据包封装在IP报文之中，在物理层又会将IP数据包封装在物理数据帧之中。

一份用户数据在被发送时共经历了三次封装。

UDP相关数据结构

在LWIP源码的udp.h之中，定义了报文首部数据结构以及UDP控制块。

LwIP报文首部数据结构为udp_hdr, 定义了 UDP 报文首部的各个字段, 分别为16位源端口号src, 16位目标端口号dest, 16位用户数据报总长度, 以及16位的校验和。

LwIP还定义了UDP控制块，记录与UDP通信的所有相关信息，如源端口号、目标端口号、源IP地址、目标IP地址以及收到数据时的回调函数等等，系统会为每一个基于UDP协议的进程创建一个UDP控制块，并且将其与对应的端口绑定，并将所有的UDP控制块用一个链表连接起来。当UDP接收到一个报文的时候，会去遍历链表上的所有控制块，通过端口号来找到匹配的控制块，并将数据通过回调函数传递到上层应用。