LWIP的IP 協議棧

IP 協議棧

下面的分析把上文對 IPv4 概念的說明與 lwIP 中的具體實現代碼對應起來，便于將理論與實現對照理解。分析覆蓋：輸入處理、路由與轉發、輸出與報文構建、分片/重組、校驗和與各種配置點（hook、選項、統計等）。

目錄（快速導航）

ip4_input：接收與分發流程
ip4_route / ip4_forward：路由與轉發決策
ip4_output_if / ip4_output：報文構建與發送
校驗和（inet_chksum、CHECKSUM_GEN_IP_INLINE）
分片（ip4_frag）與重組（ip4_reass）
輔助邏輯：廣播/組播、DHCP 鏈路層地址接收、HOOKs、統計計數器

1. 接收流程（ip4_input）

對應代碼函數：ip4_input(struct pbuf *p, struct netif *inp)

主要步驟：

基本驗證：
- 檢查版本 IPH_V(iphdr) == 4，否則丟棄（并記錄錯誤）。
- 計算首部長度 iphdr_hlen = IPH_HL_BYTES(iphdr)，總長度 iphdr_len = lwip_ntohs(IPH_LEN(iphdr))，并用 pbuf_realloc/檢查 p->tot_len，防止長度不一致。
校驗和：
- 在 CHECKSUM_CHECK_IP 啟用且 netif 支持時，調用 inet_chksum(iphdr, iphdr_hlen) 檢查 IP 首部。
地址拷貝與 netif 匹配：
- 將 src/dest 拷貝到 ip_data.current_iphdr_*，調用 ip4_input_accept() 判斷本接口是否接受（檢查網卡是否 up、是否和本機 IP 匹配、廣播/回環等）。
- 對組播，若啟用 IGMP，會查 igmp_lookfor_group() 決定是否接受。
- 若 netif==NULL，且 IP_ACCEPT_LINK_LAYER_ADDRESSING 條件下，若目標為 DHCP 客戶端端口，也會接受（允許鏈路層尋址的 DHCP 報文）。
源地址合法性檢查：
- 拒絕源地址為廣播或組播的包（RFC 1122 要求）。
非本機包處理：
- 如果 netif == NULL（不是給本機），在啟用 IP_FORWARD 時調用 ip4_forward()，否則丟棄。
分片處理：
- 檢測 IP_MF 或偏移不為 0，即是分片，調用 ip4_reass()（若啟用 IP_REASSEMBLY）進行重組；若不啟用，直接丟棄。
IP 選項：
- 若 IP_OPTIONS_ALLOWED == 0 且存在選項（除 IGMP router-alert 的特殊允許），則丟棄。
分發到傳輸層：
- pbuf_remove_header(p, iphdr_hlen) 將 payload 調到傳輸層頭部。
- 根據 IP_PROTO 調用 udp_input/tcp_input/icmp_input/igmp_input 或 raw_input/返回 ICMP 不可達。
清理與統計：
- 使用 IP_STATS/MIB2 增加相應統計。

要點：

lwIP 在 ip 層只檢查 IP 首部檢驗和（傳輸層有自己的校驗），并在每個路由器處重新計算首部校驗和（因為 TTL 會被減 1）。
pbuf 是 lwIP 的緩沖結構，ip4_input 會對 pbuf 做裁剪（pbuf_realloc）和頭部移動（pbuf_remove_header）。

ip數據報格式。

在這里插入圖片描述

2. 路由與轉發（ip4_route / ip4_forward）

ip4_route(const ip4_addr_t *dest)
- 線性遍歷 netif 列表，檢查 netif 是否 up、link up 且有地址；用 ip4_addr_netcmp 與 netmask 比較判斷是否同網段。
- 對多播有 ip4_default_multicast_netif 的支持（LWIP_MULTICAST_TX_OPTIONS）。
- 若沒有找到合適的 netif，會嘗試 netif_default（并記錄 rterr）。
ip4_forward(struct pbuf *p, struct ip_hdr *iphdr, struct netif *inp)
- 首先用 ip4_canforward() 檢查地址是否允許轉發（不轉發廣播、多播、實驗地址、回環等）。
- 禁止轉發鏈路本地地址（RFC3927）。
- 查找下一跳 netif = ip4_route_src(src, dest)（可能有源地址路由 hook）。
- 防止在輸入 netif 上再次發出（可由 IP_FORWARD_ALLOW_TX_ON_RX_NETIF 控制）。
- TTL–，若變為 0 則丟棄并發送 ICMP Time Exceeded（不對 ICMP 報文回復 ICMP）。
- 增量更新首部校驗和（不必完全重算）。
- 處理分片：若 p->tot_len > netif->mtu：
  - 若允許分片（DF 未置位）且 IP_FRAG 啟用，則調用 ip4_frag()。
  - 否則發送 ICMP Destination Unreachable (Fragmentation Needed)。
- 最后調用 netif->output(netif, p, dest) 將數據放到鏈路層。

要點：

轉發功能可選（IP_FORWARD 宏）。嵌入式通常按需啟用。
增量校驗和更新是性能優化（僅因為 TTL 字段改變）。

3. 發送與報文構建（ip4_output_if / ip4_output）

對應函數：ip4_output_if_src / ip4_output_if / ip4_output

主要流程：

ip4_output()：高層入口，先通過 ip4_route_src 找到合適 netif，然后調用 ip4_output_if()。
ip4_output_if()：判斷是否需要生成 IP 首部（dest != LWIP_IP_HDRINCL）。
- 若需要生成：
  - 可能插入 IP 選項（IP_OPTIONS_SEND），并把 pbuf 前面擴展出選項區與 IP_HLEN（pbuf_add_header）。
  - 填寫 IP 字段：版本、頭長、TOS、長度（p->tot_len）、標識（ip_id++）、偏移（0）、TTL、協議、源/目的地址。
  - 計算并填寫首部校驗和（支持 inline 計算或 inet_chksum，受 CHECKSUM_GEN_IP_INLINE、CHECKSUM_GEN_IP、NETIF_CHECKSUM_GEN_IP 控制）。
- 若 dest == LWIP_IP_HDRINCL：p 已包含 IP 頭，直接使用 p->payload。
回環與多播處理：
- 若目標是本機地址或 loopback，則調用 netif_loop_output。
- 若 IP_FRAG 啟用且 p->tot_len > netif->mtu，則調用 ip4_frag() 分片發送。
最后調用 netif->output(netif, p, dest)。

要點：

ip_id 是靜態全局 u16_t，用于 IP 標識字段（RFC791 建議各實現可自有策略）。
LWIP 支持用戶提前構造 IP 頭（LWIP_IP_HDRINCL），或由棧自動構建。
netif->output 負責把 IP 包封裝到鏈路層（通常最終會調用 etharp_output 或底層驅動）。

4. 校驗和實現細節

IP 首部校驗和：
- 接收時：CHECKSUM_CHECK_IP 宏控制是否在 netif 啟用硬件/軟件校驗時檢查；使用 inet_chksum(iphdr, iphdr_hlen)。
- 發送時：CHECKSUM_GEN_IP 或 CHECKSUM_GEN_IP_INLINE 控制是否內聯計算校驗和或調用 inet_chksum。
- LWIP_CHECKSUM_CTRL_PER_NETIF 允許 per-netif 配置是否生成/檢查校驗和。
傳輸層校驗和（TCP/UDP）由各層自己計算/檢查。

要點：

每次路由器處理需要修改 TTL，會相應更新首部校驗和（代碼用增量方式更新，避免重算）。

5. 分片（ip4_frag）與重組（ip4_reass）

分片發送：ip4_frag(struct pbuf *p, struct netif *netif, const ip4_addr_t *dest)

只在發送端且 netif->mtu 小于 p->tot_len 時觸發（并受 IP_FRAG 宏控制）。
要點：
- 不支持 IP options（IPH_HL_BYTES 必須等于 IP_HLEN）。
- 以 8 字節為單位分片（nfb = (mtu - IP_HLEN)/8）。
- 使用 pbuf_alloc / pbuf_alloced_custom 等機制，創建每個片的 pbuf 鏈（有的配置使用 PBUF_REF 避免復制）。
- 每個片設置偏移量（IP_OFFMASK + IP_MF），設置長度、首部校驗和，并調用 netif->output 發送。
- 若內存不足返回 ERR_MEM。

分片重組：ip4_reass(struct pbuf *p)

僅在 IP_REASSEMBLY 啟用時存在。
使用 struct ip_reassdata 鏈表保存正在重組的報文，每個報文鏈由多個 pbuf（頭部被替換為 ip_reass_helper 結構）串聯。
關鍵點：
- ip_reass_enqueue_new_datagram：為新報文分配 ip_reassdata。
- ip_reass_chain_frag_into_datagram_and_validate：插入并檢測重疊、缺片、排序；計算是否已全部接收。
- ip_reass_pbufcount 控制系統內排隊 pbuf 總量（避免資源耗盡）。
- 超時機制 ip_reass_tmr（每 IP_TMR_INTERVAL 調用一次，過期則清理并可能發送 ICMP Time Exceeded）。
- 成功重組時把 pbuf 鏈拼接、恢復 IP 頭并返回完整 pbuf。

要點：

重組在接收端進行（端系統處理），路由器不重組。
若發生重疊或資源不足，會丟棄分片/報文并統計相應錯誤。
支持策略：IP_REASS_FREE_OLDEST 在隊滿時釋放最舊報文以給新報文空間。
何時發生分片
- 當要發送的 IP 數據報（包括 IP 首部）比下一跳鏈路的 MTU 大時，源主機或轉發主機必須將數據報分片以適應 MTU。
- 如果 IP 頭部的 DF（Don’t Fragment）位被置位，則不能分片，若超過 MTU 則應產生 ICMP Destination Unreachable（Fragmentation Needed）。
分片的單位與偏移量
- IPv4 分片偏移量（Fragment Offset）單位是 8 字節（64 位）。因此，除首/尾片外每個分片的數據長度必須是8的整數倍（除非是最后一個分片）。
- lwIP 中計算每片數據塊數： nfb = (netif->mtu - IP_HLEN) / 8；實際每片數據字節數 = nfb * 8。
發送端（ip4_frag）的關鍵步驟（對應源碼要點）
- 不支持帶 IP option 的數據報（在 lwIP ip4_frag 中要求 IPH_HL_BYTES == IP_HLEN）。
- 計算要分的片數并循環：
  - 為每片準備 pbuf：在不同配置下使用 PBUF_RAM（復制數據）或用 PBUF_REF / pbuf_alloced_custom 來引用原始 pbuf 的數據以避免拷貝（節省內存/CPU）。
  - 設置每片的 IP 首部字段：
    - 將原始首部復制到每個片的首部位置（除某些字段外保持一致）。
    - 設置長度（片的總長度 = IP_HLEN + 片數據長度）。
    - 計算并設置分片偏移量（以 8 字節為單位）和 MF（更多片）位：除最后一片外 MF=1，最后一片 MF=0。
    - 計算 IP 首部校驗和（受 CHECKSUM_GEN_IP / CHECKSUM_GEN_IP_INLINE / NETIF_CHECKSUM_GEN_IP 控制）。
  - 調用 netif->output(netif, rambuf, dest) 逐片發送，然后釋放 rambuf（注意硬件可能異步使用）。
- 返回 ERR_OK 或在內存不足時返回 ERR_MEM。
接收端重組（ip4_reass）的關鍵步驟（對應源碼要點）
- 入口：當接收到分片（IPH_OFFSET 中含有 MF 或 offset != 0）時，ip4_input 調用 ip4_reass。
- 結構與隊列：
  - 用 struct ip_reassdata 鏈表保存待重組的報文（每個 ip_reassdata 保留原始第一個片的 IP 頭副本、timer、pbuf 鏈等）。
  - 為每個已接片在 pbuf 的 IP 首部處放置一個小的 helper 結構（ip_reass_helper），記錄該片在整體報文中的 start/end 偏移以及指向下一個片的指針。
- 入隊與插入驗證（ip_reass_chain_frag_into_datagram_and_validate）：
  - 將新片按 start 偏移排序插入鏈表（在正確位置插入或追加）。
  - 檢查重疊（可選，受 IP_REASS_CHECK_OVERLAP 控制）：若重疊或重復片可選擇丟棄。
  - 檢查“洞”（missing fragments）：若鏈中有間隙則標記為未完成（valid = 0）。
  - 若見到最后一片（MF==0），并且鏈上沒有洞，則認為重組已完成。
- 資源與防護
  - 使用 ip_reass_pbufcount 跟蹤已占用 pbuf 數量，并限制最大排隊 pbuf（IP_REASS_MAX_PBUFS）。
  - 當達到上限時，可通過 IP_REASS_FREE_OLDEST 策略釋放最舊報文以騰出空間（實現中有此可選行為）。
  - 超時機制：ip_reass_tmr 每 IP_TMR_INTERVAL（一般 1s）遞減重組項 timer，超時后釋放并（如果已接到第一個片）發送 ICMP Time Exceeded。
- 成功重組
  - 將所有片的 pbuf 鏈按順序拼接：對于除第一片外每個片調用 pbuf_remove_header(r, IP_HLEN) 隱藏其 IP 首部，然后用 pbuf_cat 把它們追加到第一個 pbuf。
  - 恢復第一個 pbuf 的原始 IP 首部（從 ipr->iphdr 拷貝），設置總長度、將偏移設為 0，校驗和重算（若需要）。
  - 從重組隊列中移除并釋放 ip_reassdata，更新 ip_reass_pbufcount，返回完整的 pbuf 鏈給上層處理。
- 失敗情形
  - 如果出現重疊（并被配置為拒絕）、內存不足、或超時，丟棄分片并相應更新統計；在某些情形會發送 ICMP（例如超時發送 Time Exceeded，或 DF 導致分片失敗則轉發端會觸發 ICMP）。
路由器與終端的區別
- 路由器不應（且在 lwIP 默認實現中不）對通過它的分片進行重組：重組工作放在目的主機（端系統）上。路由器只轉發分片（除非路由器自身就是目的主機）。
- 因此分片可以在路徑上的不同鏈路被再次分片（分片的再分片），最終端系統負責按偏移裝配回原始數據報。
安全與性能注意事項
- 分片可被濫用用于逃避檢測或觸發 DoS（大量未完成的重組會耗盡內存）。建議：
  - 限制 IP_REASS_MAX_PBUFS（或直接禁用 IP_REASSEMBLY，當能保證上層不依賴分片時）。
  - 啟用 IP_REASS_FREE_OLDEST 或短重組超時以減少資源占用窗口。
  - 嚴格處理重疊片（拒絕或按策略合并）。
- 分片/重組會增加延遲并消耗內存與 CPU，能避免時盡量通過 Path MTU Discovery（PMTUD）或盡量發送小包減少分片需求。
示例
- 原始 IP 數據段：3980 字節（不含 20 字節 IP 頭），通過 MTU=1500 的鏈路。
- 每片能承載的數據 = 1500 - 20 = 1480 字節（且為8字節倍數）。
- 分片方案：
  - 分片 1：數據長度 1480，偏移 0，MF = 1，總長 1500（含 20 字節頭）。
  - 分片 2：數據長度 1480，偏移 1480/8 = 185，MF = 1，總長 1500。
  - 分片 3（最后片）：數據長度 = 3980 - 1480 - 1480 = 1020，偏移 = 185 + 185 = 370，MF = 0，總長 = 1020 + 20 = 1040。
- 目的主機收到三片后根據偏移（0, 185, 370）拼接成完整 3980 字節數據并交給傳輸層。
實踐建議（對 lwIP 配置）
- 如果內存充足且需要接收任意分片：啟用 IP_REASSEMBLY，合理增大 IP_REASS_MAX_PBUFS 并啟用 IP_REASS_FREE_OLDEST（以減輕洪泛）。
- 對于路由器/網關：通常關閉重組（路由器不必重組）并啟用轉發（IP_FORWARD），確保 DF/MTU/ICMP Path MTU 策略正確。
- 若鏈路 MTU 可變或緊張：優先使用 PMTUD 或在上層限制 MSS/MTU，減少 IP 分片發生。

（上述流程直接映射至 lwIP 源碼中的 ip4_frag、ip4_reass、ip_reass_tmr、ip_reass_chain_frag_into_datagram_and_validate、ip4_input 等函數）

6. 組播、廣播與 DHCP（鏈路層尋址）

代碼中對組播做了專門處理：
- ip4_input 在 dest 為 multicast 時會對 IGMP 做額外檢查（igmp_lookfor_group）。
- ip4_route 支持 ip4_default_multicast_netif（LWIP_MULTICAST_TX_OPTIONS）。
將鏈路層尋址包（例如 DHCP Server->Client reply）在 netif down 時仍能接收：
- IP_ACCEPT_LINK_LAYER_ADDRESSING 宏及 IP_ACCEPT_LINK_LAYER_ADDRESSED_PORT 的擴展允許接受目的 IP 不匹配的 UDP 包（通常用于 DHCP）。
- 當 netif==NULL 并檢測到 UDP 且目標端口為 DHCP 客戶端端口時，強制接受。

7. Hook 與可配置項（可擴展點）

代碼中暴露多個 hook / macro 以便定制：

LWIP_HOOK_IP4_INPUT：在 ip4_input 開始時可「吃掉」包（返回非 0 則視為已處理）。
LWIP_HOOK_IP4_ROUTE_SRC / LWIP_HOOK_IP4_ROUTE：可自定義路由選擇（包括基于源地址的路由）。
LWIP_HOOK_IP4_CANFORWARD：自定義能否轉發判斷。
LWIP_NETIF_LOOPBACK / NETIF_FLAG_BROADCAST / NETIF_CHECKSUM_* 等編譯時選項影響行為。

8. 統計與調試

大量 IP_STATS_*、MIB2_STATS_INC 用于統計收發、錯誤、轉發、碎片、重組等信息，便于監控與調試。
IP_DEBUG / IP_REASS_DEBUG 等宏用于運行時打印調試信息（lwIP 的 LWIP_DEBUGF）。

9. 關聯要點匯總

IP 地址與路由選擇：理論上 IP 地址指定主機身份；實現上由 ip4_route() 根據 netif 和 netmask 找到發送接口。
TTL 防止循環：在 ip4_forward 中 TTL 每跳減 1，TTL 歸 0 時發 ICMP 超時（icmp_time_exceeded）。
分片單位與重組：
- 理論：分片以 8 字節為單位；實現：nfb = (mtu - IP_HLEN) / 8，偏移以 8 字節單位設置。
- 重組僅在接收端完成：ip4_reass 使用鏈表與 helper 結構保存片段。
NAT：用戶文中描述 NAT 工作方式（修改源 IP:port 并維護轉換表）屬于應用/路由器層，lwIP core 沒有內置完整 NAT 實現，這種功能通常由路由器軟件/OS 層實現（lwIP 可以作為設備上的 IP 層基礎）。
校驗和策略：IP 首部在每跳必須驗證，發包時根據配置選擇內聯或函數計算；傳輸層還會做更廣泛的校驗（TCP/UDP 校驗和）。

10. 常見調整建議

若設備作路由器：打開 IP_FORWARD、IP_FRAG、IP_REASSEMBLY；注意內存（IP_REASS_MAX_PBUFS）與安全（不要盲目接受鏈路層包）。
若網卡有硬件校驗：啟用 LWIP_CHECKSUM_CTRL_PER_NETIF 并為 netif 配置 NETIF_CHECKSUM_*，可節約 CPU。
對內存敏感：禁用 IP_REASSEMBLY 或啟用 IP_REASS_FREE_OLDEST，慎重設置 IP_REASS_MAX_PBUFS。
若需要高性能：啟用 CHECKSUM_GEN_IP_INLINE，避免重復拷貝（使用 PBUF_REF / custom pbufs）。

11. 參考源碼位置

輸入/輸出主入口：ip4_input、ip4_output、ip4_output_if、ip4_output_if_src
轉發/路由：ip4_route、ip4_forward、ip4_canforward
分片/重組：ip4_frag、ip4_reass、ip_reass_tmr、ip_reass_chain_frag_into_datagram_and_validate
輔助：ip4_addr_isbroadcast_u32、ip4addr_aton、ip4addr_ntoa_r 等地址工具

12. 小結

將理論與lwIP實現對照可以看出：IP 協議棧在嵌入式實現中需要在功能完備與資源受限之間做折中。lwIP 提供了豐富的編譯時配置點（碎片、重組、校驗和、路由 hook 等），可以根據設備角色（終端/路由器/網關）調整。理解 ip4_input/ip4_output/ip4_frag/ip4_reass 這幾個核心函數，能幫助定位大多數網絡問題（丟包、碎片、路由錯誤、校驗失敗、DHCP/組播交互等）。

在這里插入圖片描述
核心思路：驗證 → 匹配本機/多播/廣播 → 是否需轉發 → 是否為分片 → 重組或直接分發到上層協議（UDP/TCP/ICMP/IGMP）或丟棄/回復 ICMP。

關鍵處理步驟（按圖自下而上）
1. ethernet_input() 把以太網幀交給 ip4_input()（若是 IPv4）。
  關聯源碼：ethernet_input、netif 層。
2. ip4_input() 首部驗證（版本、首部長度、校驗和、總長度）和源/目的地址基本檢查。
  失敗：丟棄并更新統計／可能發送 ICMP。
3. 判斷是否 IPv4（圖中 “IPv4?”）。不是則由上層其它處理或丟棄。
4. 檢查目的地址是否為本機（ip4_addr_isloopback / 本機 IP / 多播 / 廣播）。
  - 是本機：繼續處理（進入分片重組或上層協議）。
  - 否且 netif==NULL：不是給本機——進入轉發邏輯或丟棄（取決于 IP_FORWARD）。
5. netif==NULL 分支：對于非廣播/多播目標且啟用轉發，調用 ip4_forward() 轉發；對廣播通常不轉發（直接丟棄或本地處理視實現）。
6. 分片檢測：若 IP 標志或偏移表明為分片（MF 或 offset!=0），調用 ip4_reass() 做重組。
  - 重組成功：交給上層協議處理。
  - 重組失敗或超時：釋放并可能發送 ICMP（Time Exceeded 等）。
7. 分發到上層：根據 IP 協議字段發到 udp_input、tcp_input、icmp_input、igmp_input 或 raw_input；未知協議通常丟棄或統計錯誤。
特別注意點
- 分片在目的端重組：路由器不重組（轉發即可），重組邏輯在 ip4_reass。
- 多播與 IGMP：多播包可能需要額外的 IGMP 檢查（igmp_lookfor_group）。
- 廣播處理：通常不轉發到其它網段；交給本機所有接口的廣播機制或丟棄。
- netif==NULL 表示該包在本機沒有匹配的接口（即目標不是本機地址），需要考慮是否轉發。
- 未知上層協議會被丟棄（或由 raw/pcap/probe 鉤子捕獲）。
常見后續動作（實現/調試相關）
- 出錯會更新 IP_STATS/MIB2 并在啟用的情況下打印調試信息。
- 轉發時若需分片且 DF=1，會觸發 ICMP Destination Unreachable (Fragmentation Needed)。
- 重組資源受限會導致丟棄，應檢查 IP_REASS_MAX_PBUFS、重組超時策略等。
源碼映射（快速索引）
- 入口/驗證/分發：ip4_input
- 重組：ip4_reass、ip_reass_tmr
- 轉發/路由：ip4_forward、ip4_route、ip4_canforward
- 發送到上層：udp_input / tcp_input / icmp_input / igmp_input