LWIP協議棧：IP協議

1. IP協議概述

IP 協議（Internet Protocol），又稱之為網際協議，屬於網絡層。IP協議以IP地址作為唯一識別碼，負責將數據從源主機發送到目標主機。

IP 協議是一種無連接的不可靠數據報交付協議，協議本身不提供任何的錯誤檢查與恢復機制。 

1.1 IP地址

在互聯網中，每一個主機都有一個唯一的IP地址作為身份識別標志。

（1）分類編址

IP地址可分為五類：A類、B類、C類、D類、E類，其組成如下圖。

   各類IP地址的特點，如下圖。

   （2）特殊IP地址

特殊IP地址用於特殊用途，不能分配給任何一個網絡的主機使用。

受限廣播地址	網絡號、主機號全為1的地址（255.255.255.255），表示整個互聯網內的主機。但是由於路由器禁止轉發IP地址為255.255.255.255的數據包，這樣的數據包只會在局域網內廣播。
直接廣播地址	主機號全為1的地址，表示局域網內的所有主機，
多播地址	D類地址屬於多播地址，一個發送者，多個接收者。D類地址只能作為目標IP地址，不能作為源IP地址。
環回地址	A類地址中，127網段的所有地址都是環回地址，用來測試網絡協議是否正常工作。譬如，ping 127.1.1.1可以測試本地TCP/IP協議是否正常工作。
本網絡本主機	IP地址全為0的地址（0.0.0.0），表示本網絡本主機。該地址只能作為源地址，用於本機IP地址不明確的情況。

 1.2 局域網、廣域網、互聯網

局域網（Local Area Network，縮寫為 LAN），又稱內網，覆蓋局部區域的計算機網絡。

廣域網（（Wide Area Network，縮寫為 WAN），又稱外網、公網，連接不同區域的計算機網絡進行通信。

互聯網，由無數個局域網，通過廣域網線路匯聚互聯形成。

局域網、廣域網、互聯網三者間關系如下圖所示。

• 無線路由器為手機、電腦分配局域網IP（LAN-IP）。路由器的IP地址，由運營商分配（運營商的局部IP地址），該地址將被轉換為廣域網IP地址（WAN-IP）。廣域網IP地址（WAN-IP）也需要轉換為互聯網公共IP地址（Global-IP），才能進入互聯網。
• 網絡通信的IP地址轉換過程：LAN-IP <—> WAN-IP <—> Global-IP。

1.3 網絡地址轉換

NAT（Network Address Translation），網絡地址轉換，其功能是實現局域網IP地址與廣域網IP地址之間的轉換，即完成LAN-IP <—> WAN-IP之間的轉換。

示例：

• 具有NAT功能的路由器擁有兩個IP地址，一個內部地址，用於進行局域網內部的通信；一個外部地址，用於與廣域網進行通信，由運營商分配。
• 具有 NAT 功能的路由器會在其內部維護一個 NAT 轉換表。當路由器收到局域網的IP數據報時，路由器會為該數據報分配一個它內部的 NAT 端口（譬如：port 6666），局域網主機IP地址（192.168.0.181：5555）與廣域網IP地址（223.166.166.66：6666）形成一個映射。從而，局域網主機能夠實現與廣域網進行通信。
• NAT轉換中，路由器會每個連接的局域網主機分配唯一的NAT端口號，並回收失效端口號。

2. IP報文

2.1 IP報文格式

•  版本：IP協議的版本號。IPv4的版本號為4，IPv6的版本號為6。
• 首部長度：記錄IP首部所占的空間，單位“字”。占4bit，因此IP首部的最大長度為15*4=60Byte。
• 服務類型（TOS）：用於區分不同的IP數據包。譬如，區分一些特別要求低時延、高吞吐量或可靠性的數據包；從而便於路由器為此類IP數據包提供更合理的路徑。
• 數據報長度：IP報文的總長度，IP首部+數據區域的長度，單位“字節”。該長度一般不超過以太網數據幀的最大長度（MTU_MAX=1500Byte），若超過，則需進行分片發送。若該長度小於MTU_MIN（46Byte），則需填充至MTU_MIN后再發送。
• 標識：用於判斷各個IP數據報分片是否屬於同一個數據報。每發送一個IP數據報，該字段的值+1；屬於同一個IP數據報的分片，該字段的值相等。
• 標志：占3bit。BIT(0)保留未用；BIT(1)為1表示該數據報允許進行分片處理，為0表示禁止分片處理（此時，若數據報長度超過MTU_MAX，則丟棄該數據報）；BIT(2)為0表示該分片是整個數據報的最后一個分片，反之則不是。
• 分片偏移量：表示當前分片所攜帶的數據在整個IP數據報中的偏移量，以8Byte為單位。
• 生存時間（TTL）：每當IP數據報被一個路由器處理后，該字段的值減1；當減為0時，丟棄該數據報。從而確保IP數據報不會永遠在網絡中循環（譬如由於長時間的路由選擇環路）。
• 上層協議：表示IP數據報的數據部分應該交由哪個傳輸協議（TCP、UDP、）處理。
• 首部校驗和：IP數據報首部的校驗和，用於幫助路由器檢測收到的IP數據報的首部是否正確。
• 源IP地址：源主機的IP地址。
• 目標IP地址：目標主機的IP地址。
• 選擇：該字段不是必須組成部分。LWIP協議棧只識別選項字段，但是不會處理它的內容。
• 數據區域：IP數據報所攜帶額數據。

P.S.:IPv4和IPv6的報文格式不同，此處記錄的為IPv4報文格式。

2.2 IP報文數據結構定義

LWIP定義了ip_hdr結構體來描述IP報文的首部，同時定義了獲取IP報文首部信息的宏定義、設置IP報文首部信息的宏定義。源碼位置：lwip_2_1_2/src/core/ipv4/ip4_frag.c

定義ip_hdr結構體時要禁止編譯器進行對齊操作，因為該結構體的很多字段都是按位進行操作的。

PACK_STRUCT_BEGIN
struct ip_hdr
{
    /* 版本 / 首部長度 */
    PACK_STRUCT_FLD_8(u8_t _v_hl);
    /* 服務類型 */
    PACK_STRUCT_FLD_8(u8_t _tos);
    /* 數據報總長度 */
    PACK_STRUCT_FIELD(u16_t _len);
    /* 標識字段 */
    PACK_STRUCT_FIELD(u16_t _id);
    /* 標志與偏移 */
    PACK_STRUCT_FIELD(u16_t _offset);
#define IP_RF 0x8000U /* 保留的標志位 */
#define IP_DF 0x4000U /* 不分片標志位 */
#define IP_MF 0x2000U /* 更多分片標志 */
#define IP_OFFMASK 0x1fffU /* 用於分段的掩碼 */
    /* 生存時間 */
    PACK_STRUCT_FLD_8(u8_t _ttl);
    /* 上層協議*/
    PACK_STRUCT_FLD_8(u8_t _proto);
    /* 校驗和 */
    PACK_STRUCT_FIELD(u16_t _chksum);
    /* 源 IP 地址與目標 IP 地址 */
    PACK_STRUCT_FLD_S(ip4_addr_p_t src);
    PACK_STRUCT_FLD_S(ip4_addr_p_t dest);
} PACK_STRUCT_STRUCT;
PACK_STRUCT_END


/* 獲取 IP 數據報首部各個字段信息的宏 */

//獲取協議版本
#define IPH_V(hdr) ((hdr)->_v_hl >> 4)
//獲取首部長度（字）
#define IPH_HL(hdr) ((hdr)->_v_hl & 0x0f)
//獲取獲取首部長度字節
#define IPH_HL_BYTES(hdr) ((u8_t)(IPH_HL(hdr) * 4))
//獲取服務類型
#define IPH_TOS(hdr) ((hdr)->_tos)
//獲取數據報長度
#define IPH_LEN(hdr) ((hdr)->_len)
//獲取數據報標識
#define IPH_ID(hdr) ((hdr)->_id)
//獲取分片標志位+偏移量
#define IPH_OFFSET(hdr) ((hdr)->_offset)
//獲取偏移量大小(字節)
#define IPH_OFFSET_BYTES(hdr) \
((u16_t)((lwip_ntohs(IPH_OFFSET(hdr)) & IP_OFFMASK) * 8U))
//獲取生存時間
#define IPH_TTL(hdr) ((hdr)->_ttl)
//獲取上層協議
#define IPH_PROTO(hdr) ((hdr)->_proto)
//獲取校驗和
#define IPH_CHKSUM(hdr) ((hdr)->_chksum)


/* 用於填寫 IP 數據報首部的宏*/

//設置版本號跟首部長度
#define IPH_VHL_SET(hdr, v, hl) \
(hdr)->_v_hl = (u8_t)((((v) << 4) | (hl)))
//設置服務類型
#define IPH_TOS_SET(hdr, tos) (hdr)->_tos = (tos)
//設置數據報總長度
#define IPH_LEN_SET(hdr, len) (hdr)->_len = (len)
//設置標識
#define IPH_ID_SET(hdr, id) (hdr)->_id = (id)
//設置分片標志與偏移量
#define IPH_OFFSET_SET(hdr, off) (hdr)->_offset = (off)
//設置生存時間
#define IPH_TTL_SET(hdr, ttl) (hdr)->_ttl = (u8_t)(ttl)
//設置上層協議
#define IPH_PROTO_SET(hdr, proto) (hdr)->_proto = (u8_t)(proto)
//設置校驗和
#define IPH_CHKSUM_SET(hdr, chksum) (hdr)->_chksum = (chksum)

 3. IP數據報分片

（1）分片處理的原因

IP數據報被傳送至鏈路層，鏈路層將IP數據報封裝成鏈路層幀，網卡硬件將鏈路層幀發送至目標主機。一個鏈路層幀能攜帶的最大數據量稱為最大傳送單元（MTU），不同網卡硬件的MTU可能不一樣。當IP數據報的長度超過MTU，則需對其進行分片處理后，再發送。

（2）分片處理的原理

IP數據報的分片處理，是將IP數據報中的數據區域切割為若干個較小的IP數據報，並封裝成單獨的鏈路層幀后進行發送。

• 每個分片的IP首部，除“標志”、“分片偏移量”這兩個字段，其余都一樣。
• “分片偏移量”字段的單位是8Byte，因此分片的數據區域的長度也必須是8的整數倍。
• 最后一個分片的標志位的BIT(2)為0，表示該分片為最后一個分片。
• 所有分片在到達目標主機的IP層后，進行重裝，形成一個完整的IP數據包。

（3）分片處理示例

主機發送一個4000Byte的IP數據報，鏈路層MTU = 1500Byte，需要對原始IP數據報進行分片處理。

原始IP數據報（4000Byte）= IP首部（20Byte）+ 數據區域（3980Byte），對數據區域進行切割，並填寫每個分片IP首部的“標志”、“分片偏移量”字段。

第一個分片：“標志”字段BIT(2) = 1，分片偏移量為0，分片數據報長度（1500Byte）=  IP首部（20Byte）+ 數據區域（1480Byte）；

第二個分片：“標志”字段BIT(2) = 1，分片偏移量為185（1480/8），分片數據報長度（1500Byte）=  IP首部（20Byte）+ 數據區域（1480Byte）；

第三個分片：“標志”字段BIT(2) = 0，分片偏移量為370（185+185），分片數據報長度（1040Byte）=  IP首部（20Byte）+ 數據區域（1020Byte）。

 （4）分片處理的源碼

分片處理的源碼位於“lwip_2_1_2/src/core/ipv4/ip4_frag.c”，調用“ip4_frag()”函數對IP數據報進行分片處理並發送至目標主機。

4. IP數據報的發送與接收

IP數據報的發送與接收，源碼位於：lwip_2_1_2/src/core/ipv4/ip4.c

4.1 IP數據報的發送

•  傳輸層需要發送數據時，將需要發送的數據傳遞到網絡層的IP協議，IP層調用“ip4_output()”函數發送IP數據報。
• “ip4_output()”函數調用“ip4_route_src()”函數根據目標IP地址在網卡列表中選擇一個合適的網卡，匹配條件：目標IP地址與網卡地址在一個子網內，或者目標IP地址等於網卡的網關地址。再調用“ip4_output_if()”函數發送IP數據報。
• “ip4_output_if_src()”函數調整payload指針至IP數據報首部的起始地址，填寫IP首部信息，並對IP數據報進行分類處理。若目標IP地址等於源主機的IP地址，則調用“netif_loop_output()”函數進行環回輸入；若IP數據報長度超過MTU，則調用“ip4_frag()”函數進行分片發送；否則直接調用“netif->output ”接口將IP數據報傳遞給ARP協議進行發送。

4.2 IP數據報的接收

• 鏈路層接收到一個IP數據報，通過“ethernet_input()”函數再傳遞到“ip4_input()”函數進行處理。
• “ip4_input()”函數首先檢查IP數據報首部的協議版本是否為IPv4，然后根據目標IP地址在本地網卡列表中尋找有效的目標網卡。若目標IP地址不等於主機地址，則通過“ip4_addr_isloopback()”函數判斷目標IP地址是否為環回地址。若匹配到目標網卡，對於分片則調用“ip4_reass()”函數進行重裝，然后將數據傳遞至指定的傳輸層協議。若沒有找到目標網卡，對於廣播包則直接刪除該數據報，對於非廣播包則可以通過“ip4_forward()”函數進行轉發。

5. 參考資料

[1] 野火《LwIP應用開發實戰指南》。