二LWIP學習筆記之網絡接口管理

一、引言

　　LWIP分為四個層次：鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層。運行LWIP的嵌入式設備可以有多個網絡接口：以太網接口、串行鏈路接口、環回接口等。為了實現對所有網絡接口的有效管理，協議棧內部使用了一個名為netif的網絡接口結構來描述各種網絡設備。本章討論的內容包括：

　　網絡接口管理的作用；

　　網絡接口結構netif；

二、網絡接口管理

1、數據結構　　

　　源文件中 netif.c 和 netif.h 文件實現了與網絡接口結構管理相關的所有數據結構和函數。來看看結構 netif 是怎樣被定義的，如下代碼所示。 

————netif.h————————————————
//網絡接口最大物理地址長度，這里定義為以太網網卡 MAC 地址的長度 6
#define NETIF_MAX_HWADDR_LEN 6U
//下面幾個宏為網絡接口屬性、狀態相關的宏，主要用於描述 netif 中 flags 字段的各位
#define NETIF_FLAG_UP 0x01U //網絡接口是否已被上層使能
#define NETIF_FLAG_BROADCAST 0x02U //網絡接口是否支持廣播
#define NETIF_FLAG_POINTTOPOINT 0x04U //網絡接口是否屬於點到點連接
#define NETIF_FLAG_DHCP 0x08U //網絡接口是否支持 DHCP 功能
#define NETIF_FLAG_LINK_UP 0x10U //網絡接口的底層鏈路是否已經使能
#define NETIF_FLAG_ETHARP 0x20U //網絡接口是否支持 ARP 功能
#define NETIF_FLAG_IGMP 0x40U //網絡接口是否支持 IGMP 功能
//下面是結構 netif 的定義
struct netif 
{
　　struct netif *next; //指向下一個 netif 結構，在構成鏈表 netif_list 時使用
　　struct ip_addr ip_addr; //網絡接口的 IP 地址
　　struct ip_addr netmask; //子網掩碼
　　struct ip_addr gw; //網關地址
　　//下面為三個函數指針，調用它們指向的函數就可以完成數據包的發送或接收
　　err_t (* input)(struct pbuf *p, struct netif *inp); //該函數向 IP 層輸入數據包
　　err_t (* output)(struct netif *netif, struct pbuf *p,struct ip_addr *ipaddr); //該函數發送 IP 包
　　err_t (* linkoutput)(struct netif *netif, struct pbuf *p); //該函數實現底層數據包發送
　　void *state; //該字段用戶可以自由設置，例如用於指向一些底層設備相關的信息
　　u16_t mtu; //該接口允許的最大數據包長度
　　u8_t hwaddr_len; //該接口物理地址長度
　　u8_t hwaddr[NETIF_MAX_HWADDR_LEN]; //該接口的物理地址
　　u8_t flags; //該接口的狀態、屬性字段
　　char name[2]; //該接口的名字
　　u8_t num; //接口的編號
　　//在接口自輸入使能或者有環回接口的情況下，下面的字段
　　//用於描述接口發送給自己的數據包
　　struct pbuf *loop_first; //指向發送給自己的數據包的第一個 pbuf
　　struct pbuf *loop_last; //指向發送給自己的數據包的最后一個 pbuf
};

　　next 字段是指向下一個 netif 結構的指針，前面也說過，一個設備可能會有多個網絡接口（例如路由器），LwIP 會把所有網絡接口的 netif 結構組成一個鏈表進行管理，有一個名為 netif_list 的全局變量指向該鏈表的首部。next 字段就是用於組成鏈表時用。 　　

　　ip_addr、netmask、gw 三個字段用於描述該網絡接口的網絡地址屬性，依次稱它們為接口 IP地址、子網掩碼和網關地址。IP 地址和網絡接口必須一一對應，即設備有幾個硬件網絡接口，它就得有幾個 IP 地址；子網掩碼可以用來判斷某個目的 IP 地址與當前網絡接口 IP 地址是否處於同一子網中，IP 層會選擇與目的 IP 處於同一子網的網絡接口來發送數據包。gw 字段在數據包的發送、轉發過程中也有重要作用，如果目的 IP 地址與所有網絡接口都不屬於同一子網，LwIP 將會把數據包發送到網關處，因為它認為網關設備會對該 IP 包進行正確的轉發，此外網關也為設備提供了許多高級服務，如 DHCP、DNS 等。 　　

　　input 字段指向一個函數，這個函數將網絡設備接收到的數據包提交給 IP 層（在以太網中，通常這個函數需要解析以太網數據幀，然后將從中得到的 IP 數據包遞交）。被指向的函數具有兩個參數：一個是 pbuf 類型，代表將要遞交的數據包；另一個為 netif 類型，代表遞交數據包的網絡設備，函數返回值是 err_t 類型。網絡設備初始化時應該向 input 字段注冊相應的輸入函數，后面將詳細討論這個問題。 　　　　

　　output 字段指向一個函數，這個函數和具體網絡接口設備驅動密切相關，它用於將 IP 層數據包發送到目的地址處。在 IP 層看來，每個網絡接口都會提供一個這樣的函數供它調用，當 IP 層發送數據包時，它會遍歷 netif_list 鏈表，找出最合適的網絡接口，並調用其注冊的 output 函數發送 數據包。不同的網絡接口需要根據實際接口特性來編寫相關的發送函數，並在初始化時將 output字段指向該函數。就以太網網卡的數據包發送而言，LwIP 在源代碼 etharp.c 文件中實現了一個名為 etharp_output 的函數，該函數就可以直接完成 IP 數據包在以太網中的發送，所以在初始化以太網卡結構時，可以直接將 output 字段指向函數 etharp_output。output 指向函數的三個參數分別是 pbuf類型、netif 類型和 ip_addr 類型，返回值是 err_t 類型。其中 pbuf 代表要發送的 IP 數據包，ipaddr代表數據包的目的 IP 地址

　　 linkoutput 字段和上面的 output 基本上是相似的功能，但是更底層一些，這個函數主要在以太網卡通信中被 ARP 模塊調用，用來完成以太網數據幀的發送，在其他類型的網絡接口中，這個字段的值就沒啥用處了。上面說的函數 etharp_output，它一方面接收 IP 層數據包，另一方面將該數據包封裝為以太網數據幀（填寫物理地址等字段），最后便調用 linkoutput 字段注冊的函數將以太網 數 據 幀 發 送 出 去 。 

　　為了實現對這些數據包的管理，在網絡接口結構 netif 中定義了兩個指針 loop_first 和loop_last，它們分別用於指向數據包 pbuf 鏈表的第一個 pbuf 和最后一個 pbuf。這里的 pbuf 鏈表比較特殊，因為所有數據包的 pbuf 都組織在同一條鏈表上，這就說明一條 pbuf 鏈表上可能存在多個 數據包，這時 pbuf 結構的 next 字段是否為空並不能成為判斷一個數據包結束與否的標志，那在這樣的一條 pbuf 鏈表中，怎樣去將各個數據包的 pbuf 划分開呢？答案在於 pbuf 結構中的 tot_len 字段和 len 字段值，當兩個字段的值相等時，就代表一個數據包的結束。 

2、函數實現　　

　　向系統注冊一個網絡接口設備的函數 netif_add：

————netif.c————————————————
//定義兩個全局型的 netif 指針
struct netif *netif_list; //系統的全局型 netif 鏈表
struct netif *netif_default; //記錄系統缺省（默認）網絡接口
//函數功能：向 LwIP 內核注冊一個網絡接口結構
//參數 netif：指向一個已分配好的 netif 結構體
//參數 ipaddr：網絡接口的 IP 地址
//參數 netmask：網絡接口子網掩碼
//參數 gw：網關地址
//參數 state：用戶自定義的一些數據信息
//參數 init：網絡接口的初始化函數
//參數 input：網絡接口向 IP 層提交數據包的函數
//返回值：成功注冊的網絡接口結構指針
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; //定義靜態變量 netifnum，它記錄網絡接口的編號
　　//清空 netif 結構的各個字段值
　　netif­>ip_addr.addr = 0;
　　netif­>netmask.addr = 0;
　　netif­>gw.addr = 0;
　　netif­>flags = 0;
　　netif­>loop_first = NULL;
　　netif­>loop_last = NULL;
　　//填寫結構體各個字段值
　　netif­>state = state;
　　netif­>num = netifnum++; //網絡接口編號
　　netif­>input = input; //注冊 input 函數
　　//調用函數 netif_set_addr 設置網絡接口的三個地址字段值
　　netif_set_addr(netif, ipaddr, netmask, gw);
　　//調用網絡接口的初始化函數，初始化網絡接口
　　if (init(netif) != ERR_OK)
　　{ 
　　　　//初始化失敗，則返回空
　　　　return NULL;
　　}
　　//將初始化成功的 netif 結構加入 netif_list 鏈表
　　netif­>next = netif_list;
　　netif_list = netif;
　　//返回 netif 結構指針
　　return netif;
}

　　netif_add 函數只是簡單的初始化了 netif 結構的幾個字段，然后回調網絡接口定義的初始化函數 init 來完成網絡接口的初始化工作。 

IP4_ADDR(&gw, 192,168,1,1); //初始化三個地址
IP4_ADDR(&ipaddr, 192,168,1,37);
IP4_ADDR(&netmask, 255,255,255,0);
//調用 netif_add 函數
netif_add(&rtl8019_netif, &ipaddr, &netmask, &gw, NULL, ethernetif_init,ethernet_input);
netif_set_default(&rtl8019_netif); //設置系統的默認網絡接口為 rtl8019_netif
netif_set_up(&rtl8019_netif); //使能網絡接口 rtl8019_netif

　　在上面這段代碼中，調用 netif_add 函數時，傳遞給它的兩個函數參數是 ethernetif_init 和ethernet_input，其中前者就是網卡初始化函數 ethernetif_init，這是源碼提供者為以太網網卡驅動程序編寫的默認初始化函數，這個函數在第 5 章中也有所提及，這里來看看它的具體實現，源代碼如下所示。ethernet_input 是 ARP 層的一個函數，它的功能是提取以太網幀中的 ARP 地址數據，並將幀中的 IP 數據遞交給 IP 層，關於這個函數在下一章中會講解。 

#define IFNAME0 'e' //定義以太網網卡的名字字符
#define IFNAME1 'n'
//定義描述網卡用戶信息的結構，該結構無實際用處，源碼作者旨在用該結構來示意
//netif 結構中的 state 字段的用法，該字段可以指向任何用戶關心的信息
struct ethernetif 
{ //該結構只包含一個簡單的指針
　　struct eth_addr *ethaddr;
};
//函數參數 netif：網絡接口結構的指針
err_t ethernetif_init(struct netif *netif)
{
　　struct ethernetif *ethernetif;
　　ethernetif = mem_malloc(sizeof(struct ethernetif)); //為用戶信息結構申請一個內存堆空間
　　if (ethernetif == NULL) { //申請失敗，返回內存錯誤
　　　　return ERR_MEM;
　　　}
　　netif­>state = ethernetif; //將 state 字段指向 ethernetif
　　netif­>name[0] = IFNAME0; //設置名字字段
　　netif­>name[1] = IFNAME1;
　　netif­>output = etharp_output; //注冊 IP 數據包輸出函數，這里使用 ARP 的相關函數
　　netif­>linkoutput = low_level_output; //注冊以太網數據幀輸出函數
　　//將 ethernetif 結構賦一個用戶關心的值，這里無具體意義
　　ethernetif­>ethaddr = (struct eth_addr *)&(netif­>hwaddr[0]); //指向網卡的地址信息
　　low_level_init(netif); //調用網卡底層初始化函數，這個函數已經講過了
　　return ERR_OK; //返回成功
}