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前言
默认主讲ipv4。
概念性的内容简单过一遍即可，主要还是在源码实现方面。
原文：李柱明博客：https://www.cnblogs.com/lizhuming/p/16859723.html
9.1 IP协议简述
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，通过 IP 地址作为唯一识别码。
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。
IP地址是协议地址，MAC地址是硬件地址，所处的层级不一样。
常见的广域网路由器就工作在IP层。
在本次笔记lwip源码实现分析内容概述：
- IP地址及其分类、特殊IP地址；
- 子网划分、子网掩码、NAT等概念；
- IP层数据包结构一级数据报输入处理；
- IP层数据包的发送及分片操作；
- IP层分片数据重装过程。
9.2 IP地址分类
A类地址：1.0.0.1—126.155.255.254
B类地址：128.0.0.1—191.255.255.254
C类地址：192.0.0.1—223.255.255.254
D类地址：224.0.0.1—239.255.255.254
E类地址：240.0.0.1—255.255.255.254
具体更加细致的地址作用，自行百度。
9.2.1 私有地址
A类的：10.x.x.x 是私有地址。
B类的：172.16.0.0—172.31.255.255 是私有地址。
C类的：全都是。192.0.0.1—223.255.255.254 是私有地址。
9.2.2 受限广播地址
受限广播地址是网络号与主机号都为 1 的地址：255.255.255.255
为了避免这个广播地址往整个互联网里发送广播包，在任何情况下，路由器都会禁止转发目的地址为 255.255.255.255 的广播数据包，要不然会给整个互联网带来网络性灾难。
9.2.3 直接广播地址
直接广播地址是主机号全为 1 而得到的地址，广播地址代表本网络内的所有主机，使用该地址可以向网络内的所有主机发送数据。
A 类地址的广播地址为：XXX.255.255.255
B 类地址的广播地址为：XXX.XXX.255.255
C 类地址的广播地址为：XXX.XXX.XXX.255
9.2.4 多播地址
多播地址属于分类编址中的 D 类地址，D 类地址只能用作目的地址，而不能作为主机中的源地址。
多播地址用在一对多的通信。
9.2.5 环回地址
127.x.x.x 是保留地址，用作循环测试用（127.0.0.1 为保留地址，一般用于环回地址）
9.2.6 本地链路地址
169.254.x.x 是本地链路地址。
AUTOIP协议使用。
即是如果 IP 地址是自动获取 IP 地址，而在网络上又没有找到可用的 DHCP 服务器，就会得到其中一个 IP。
9.2.7 本网络本主机地址
IP 地址 32bit 全为 0 的地址（0.0.0.0）表示的是本网络本主机，只能做源IP地址。
在当设备启动时但又不知道自己的 IP 地址情况下常见。
9.2.8 子网
子网掩码 & 判断是否在同一子网：
IP 与 子网掩码 做 按位与 ，就可以得出该 IP 的子网网段。
如：
- 子网掩码：255.255.255.0
- IP-1: 192.168.1.2 & 255.255.255.0 = 192.168.1.0
- IP-2: 192.168.1.123 & 255.255.255.0 = 192.168.1.0
- IP-3: 192.168.2.123 & 255.255.255.0 = 192.168.2.0
- 因为 192.168.1.0 = 192.168.1.0，所以IP-1与IP-2处于同一子网。
- 因为 192.168.1.0 != 192.168.2.0，所以IP-1与IP-3不在同一子网。
在发数据包时，子网的作用：
- 若源IP和目标IP在同一子网：直接获取目标IP主机的MAC，然后把数据包丢出去。
- 若源IP和目标IP不在同一子网：获取默认网关的 MAC ，然后把数据包丢给默认网关那边。
9.2.9 NAT 概念
在计算机网络中，网络地址转换(Network Address Translation，缩写为 NAT)，也叫做网络掩蔽或者 IP 掩蔽(IP masquerading)。
当前只需要知道NAT就是网络地址转换的作用即可，详细技术细节自行百度。
9.3 IP数据报
9.3.1 版本号字段
占用4 bit。
这个字段规定了数据报的 IP 协议版本。
如：
- IPv4：值为4。
- IPv6：值为6。
9.3.2 首部长度字段
占用4 bit。
用于记录 IP 首部的数据的长度。
单位，字。最大可以表示15*4=60字节。
IP首部的长度默认是20 byte，但是如果有选项字段，就不止20 byte了。
9.3.3 服务类型（TOS：type of service）字段
占用8 bit。
该字段用于描述当前IP数据报急需的服务类型，如：
- 最小延时；
- 最大吞吐量；
- 最高可靠性；
- 最小费用等。
路由器在转发数据报时，可以根据该字段的值来为数据报选择最合理的路由路径。
9.3.4 总长度字段
占用16 bit。
是 IP 数据报的总长度（IP首部+数据区）。
单位，字节。最大能表示65535字节。
数据报很少有超过1500字节的，因为以太网数据帧的数据最大长度为1500字节。
如果一个IP数据报过大时，需要进行分片处理。
9.3.5 标识字段
标识字段、标志字段和13位偏移字段常在IP数据报分片时使用。
占用16 bit。
用于标识IP层发出去的每一份IP数据报，每发送一份，该值+1。
如果IP数据报被分片，该字段在每个分片的IP数据报上是一致的，表示属于同一个IP数据报。
在接收端会根据该字段识别同一个IP数据报进行重装。
9.3.6 标志字段
占用3 bit。
第一个bit保留未用。
第二个bit是不分片标志位：
- 0：则表示 IP 层在必要的时候可以对其进行分片处理。
- 1：则表示 IP 数据报在发送的过程中不允许进行分片，如果这个 IP 数据报的大小超过链路层能承载的大小，这个 IP 数据报将被丢弃。
第三个bit是更多分片标志位：
- 0：后续没有更多分片。即是当前分片的IP数据报是最后一个分片。
- 1：表示后续还有分片。即是当前分片的IP数据报不是最后一个分片。
9.3.7 分片偏移量字段
占用13 bit。
表示当前分片所携带的数据在整个 IP 数据报中的相对偏移位置。
单位，8字节（2个字）。
目标主机要接收到从0分片偏移量到最高分片偏移量的所有分片才能进行组装出完整的IP数据报。
9.3.8 生存时间（Time-To-Live，TTL）字段
占用8 bit。
该字段用来确保数据报不会永远在网络中循环。
IP数据报没经过一台路由器处理，该值-1。
如果TTL字段下降到0，则路由器会丢弃该数据报，且会返回一个 ICMP 差错报文给源主机。
9.3.9 协议字段
占用8 bit。
表示上层协议类型。即是表示数据区的数据是哪个协议的数据报。如：
- 6：表示TCP协议。
- 17：表示UDP协议。
- 其它值可以自行度娘。
9.3.10 首部校验和字段
占用16 bit。
只针对IP首部做校验，并不关系数据区在传输过程中是否出错，所以对于数据区的校验需要由上层协议负责。
路由器要对每个收到的 IP 数据报计算其首部检验和，如果数据报首部中携带的检验和与计算得到的检验和不一致，则表示出现错误，路由器一般会丢弃检测出错误的 IP 数据报。
需要注意的是，由于IP数据报首部的TTL字段每结果应该路由器都会-1，所以IP数据报首部检验和字段每经过一个路由器都要重新计算赋值。
参考：关于wireshark的Header checksum出问题解决方案：https://www.it610.com/article/1290714377560858624.htm
检验和计算可能由网络网络驱动，协议驱动，甚至是硬件完成。
高层校验通常是由协议执行，并将完成后的包转交给硬件。
比较新的网络硬件可以执行一些高级功能，如IP检验和计算，这被成为checksum offloading。网络驱动不会计算校验和，只是简单将校验和字段留空或填入无效信息，交给硬件计算。
发送数据时，首部校验和计算：二进制反码求和。
- 把IP数据包的校验和字段置为全0。
- 将首部中的每 2 个字节当作一个数，依次求和。
- 把结果取反码。
- 把得到的结果存入校验和字段中。
接收数据时，首部校验和验证过程：
- 首部中的每 2 个字节当作一个数，依次进行求和，包括校验和字段。
- 检查计算出的校验和的结果是否全为1（反码应为16个0）。
- 如果等于零，说明被整除，校验和正确。否则，校验和就是错误的，协议栈要抛弃这个数据包。
为什么计算出的校验和结果全为1？
因为如果校验依时次求和，不包含校验和字段的话，得出的值就是校验和字段的反码。
校验和的反码和校验和求和，当然是全1啦。
9.3.11 二进制反码求和
IP/ICMP/IGMP/TCP/UDP等协议的校验和算法都是相同的。
二进制反码求和：（求和再反码，结果一致）
- 对两个二进制数进行加法运算。
- 加法规则：0+0=0，0+1=1，1+1=10（进位1加到下一bit）。
- 若最高两位相加仍然有进位，则在最后的结果中+1即可。
- 对最终结果取反码。
相关源码参考LwIP\core\inet_chksum.c中的lwip_standard_chksum()。
这里提取版本3分析：
-
前期先确保4字节对齐，如果不是4字节对齐，就补到4字节对齐。
-
后面采用32 bit累加。溢出后，在低位+1。
- 为什么？：这里读者可能会有个疑问，IP数据包的校验和不是要求16 bit求和的吗？这里为什么能用32 bit求和？
- 答：起始要求是16 bit，但是实际计算时只要大于16 bit即可，因为到最后，可以把高位折叠加到低位。
- 例子：按32bit累加，溢出就在低位+1。其实就是两组两个（高、低）16 bit对应累加，低16 bit累加的进位给高16 bit里加回1了。而高16 bit累加的进位在底16 bit里加回1了（手动）。这样，累加到最后剩下32bit。把高16bit和低16bit进行累加，进位再加1即可快速得到16bit的校验和。
-
数据后部分可能不是8字节对齐，所以剩余的字节也需要16bit校验和处理。
思路图：
由于目的是16 bit的校验和。其实可以看成两组2个8bit对应相加，低8bit组进位给高8bit组，高8bit组进位给低8bit组。所以相加值是对应高、低8bit相互独立的。
而下面函数就是利用这个特性，如果首字节为奇地址，先单独取出来放到t的高地址，因为后续的统计字节顺序是返的。等待全部统计完毕后，再把两个字节顺序调换即可。
如果是偶地址开始，那符合校验和规则，最后不需要调换字节顺序。
9.3.12 源IP字段
占用32 bit。
为源主机的IP地址。
9.3.13 目标IP字段
占用32 bit。
为目标主机的IP地址。
9.3.14 选项字段
0到40字节。
对于IP数据报首部来说，其大小必须为4字节的整数倍。
如果选项字段长度不为4的倍数，则需要用0进行填充。
在 LwIP 中只识别选项字段，不会处理选项字段的内容。
该字段在IPv6报文中已经被移除了。
9.3.15 数据区字段
IP 数据报的最后的一个字段，装载着当前IP数据报的数据，是上层协议的数据报。
9.3.16 对应wireshark包分析
9.4 IP首部数据结构
注意：网络字节序是大端的。
ipv4的IP首部数据结构：对应IP首部报文图。
由于IP首部部分字段的操作涉及到bit，所以lwip也封装出对应的宏操作。
9.5 网卡路由
9.5.1 路由网卡匹配
从官方源码看，匹配网卡的流程：
ip4_route_src()：
- 先函数
LWIP_HOOK_IP4_ROUTE_SRC()匹配。 - 然后到
ip4_route()基函数匹配。
9.5.2 路由网卡匹配基函数
ip4_route()：
-
多播IP优先匹配多播专用网卡
ip4_default_multicast_netif。 -
遍历网卡：
- 有效网卡先匹配子网；
- 子网匹配失败就匹配网关，网卡不能有广播能力。
-
环回IP：如果开启了各个网卡的环回功能，且没有创建环回网卡：
- 说明：因为创建了环回网卡，在遍历链表时，就会把环回IP 127.x.x.x都会匹配到环回网卡。
- 对于环回IP，优先匹配默认网卡
netif_default。 - 再遍历网卡，第一个协议栈有效的网卡即可。
-
钩子匹配：（由用户实现）
- 先
LWIP_HOOK_IP4_ROUTE_SRC(src, dest); - 再
LWIP_HOOK_IP4_ROUTE(dest);
- 先
-
以上都没有匹配成功，则使用
netif_default，必须条件：- 默认网卡
netif_default存在； - 默认网卡协议栈有效；
- 默认网卡数据链路有效；
- 默认网卡IP有效。
- 匹配的目的IP不能为环回IP（因为如果是环回IP，前面已经匹配过了，除非没有开启该功能）
- 默认网卡
9.5.3 路由网卡匹配支持源IP和目的IP网卡匹配的接口
匹配网卡，一般是按照目的IP来匹配，但是可以通过LWIP_HOOK_IP4_ROUTE_SRC()钩子宏函数来实现源IP地址和目的IP地址匹配。
ip4_route_src()：
- 如果源IP地址不为空，则会先传入
LWIP_HOOK_IP4_ROUTE_SRC()钩子函数来匹配网卡。 - 钩子函数匹配失败或者源IP地址为空，则由
ip4_route()只根据目的IP地址匹配。
9.5.4 路由网卡匹配的钩子函数
通过分析前面的基函数和接口函数，可发现其实现是支持宏钩子函数，即是支持用户自己实现网卡匹配的逻辑的。
有两个宏钩子：
LWIP_HOOK_IP4_ROUTE_SRC(src, dest)：钩子入口参数有源IP和目的IP。LWIP_HOOK_IP4_ROUTE(dest)：钩子入口参数只有目的IP。
9.5.5 收包网卡匹配
当IP层收到一个IP报文时，也要收包网卡匹配。
而且IP包的输入和输出的网卡匹配是不一样的，比如普通的IP单播包，输出时，只需要找到目的IP和网卡处于同一个子网或者是该网卡的网关即可匹配。而输入时，需要明确目的IP就是该网卡IP。
收包的网卡匹配除了ip4_input_accept()这个主要函数外，还有很多独立的匹配条件，具体看IP层输入章节。
这里只分析ip4_input_accept()：
-
在调用该API前，应该先配置全局IP数据结构成员值：
struct ip_globals ip_data; -
需要被匹配的网卡必须在协议栈方向使能了，且IP地址为有效地址。
- 单播包，目的地址和网卡地址一致，网卡匹配成功。
- 广播包，IP地址bit全1，必定是广播地址。如果网卡就被广播能力，且IP地址的主机号bit全1，也是子网广播地址。都匹配成功。
- 环回，没有环回网卡，且目的IP地址为环回IP
IPADDR_LOOPBACK。匹配成功。
9.6 IP层数据流图
9.7 IP层输出
ipv4。
当上层需要发送数据时，会先将自己的数据包组装在一个pbuf中。并将payload指针指向对应协议首部。
然后调用ip_output()发送数据，需要给ip_output()函数提供源IP、目的IP、协议类型、TTL等重要信息让其组IP包。
该函数直接或者间接调用ip4_route_src()根据目的IP选出一个匹配的网卡作为本次IP数据包传输网卡。
选出后调用ip4_output_if()进行IP数据包组包，并调用netif->output()发送出去。或者调用netif_loop_output()环回到本网卡。
9.7.1 发送数据报
上层调用ip_output()把数据转交给IP层处理，lwip支持ipv4和ipv6，这里默认分析ipv4，因为ipv6也是一大块，后面有时间再完整分析下。
9.7.2 ip层前期处理：ip4_output()
ipv4发包：
- 检查pbuf的引用ref是否为1。为1才能说明当前pbuf没有被其它地方引用，因为IP层处理可能会改变这个pbuf的部分指针值，如payload。
- 调用
ip4_route_src()匹配网卡。 - 调用
ip4_output_if()把数据包传入IP层处理。
9.7.3 发包前的网卡匹配
IP层收到上层的数据包后，需要匹配到网络接口，才能组IP包发出去。
这里调用ip4_route_src()进行网卡匹配。具体分析参考前面。
9.7.4 组建、发送IP包
注意几个函数的区别：
ip4_output_if()：这个函数封装了底层IP层组包、发送的实现函数。ip4_output_if_src()：这个函数就是IP层组包、发送的实现函数。不支持IP首部的选项字段。ip4_output_if_opt()：这也是IP层组包、发送的实现函数，会用选中的网卡IP地址覆盖传入的源IP地址。支持IP首部的选项字段。ip4_output_if_opt_src()：这也是IP层组包、发送的实现函数，不会用选中的网卡IP地址覆盖传入的源IP地址。支持IP首部的选项字段。
相关宏：
IP_OPTIONS_SEND：
- IP首报文首部选项字段宏开关。
- 如果开启了该宏，则会调用上述带
_opt字样的函数，操作IP首部报文的选项字段。
LWIP_IP_HDRINCL：缺省为NULL
- 如果把这个宏当目的IP地址传入IP层组包、发送的相关函数
ip4_output_if()或其底层函数时，表示当前这个pbuf已经组好IP首部了。 - 一般用于TCP重传。
LWIP_CHECKSUM_CTRL_PER_NETIF：
- 允许每个网卡配置checksum功能。
相关变量：
ip_id：IP首部标识，全局值。
我们就分析ip4_output_if_opt_src()函数，比较全。
ip4_output_if_opt_src()：
- 先处理选项字段，在处理IP首部其它字段。
struct pbuf *p：传输层协议需要发送的数据包pbuf，payload指针已指向传输层协议首部。const ip4_addr_t *src：源IP地址。const ip4_addr_t *dest：目的IP地址。u8_t ttl：IP首部TTL字段。u8_t tos：IP首部TOS字段。u8_t proto：IP首部上层协议字段。struct netif *netif：发送IP数据报的网卡。void *ip_options：IP首部选项字段值。u16_t optlen：IP首部选项字段的长度。
概要内容：
-
通过目的IP判断当前pbuf是否已经组好IP报文首部。如果组好了，就不需要继续重组了。如tcp重传。
-
如果传入的pbuf报文还没组好IP报文首部，则根据传入的相关数据和IP报文内容进行组包。
-
组好包后检查目的IP是否是环回IP（如环回IP、当前网卡的IP），如果是就调用
netif_loop_output()进行环回处理。 -
如果不是环回数据包，就需要发到数据链路。
- IP分片：如果IP报文总长大于网卡MTU，则需要调用
ip4_frag()进行IP分片。 - 如果不需要IP分片，直接调用
netif->output()将IP报文发出。
- IP分片：如果IP报文总长大于网卡MTU，则需要调用
9.7.5 IP数据报分片
注意：lwip分片偏移不支持IP首部带选项字段的。
从IP报文首部就可知，有分片概念。
不是每个底层网卡都能承载每个 IP 数据报长度的报文。如：
- 以太网帧最大能承载 1500 个字节的数据。
- 某些广域网链路的帧可承载不超过 576 字节的数据。
一个链路层帧能承载的最大数据量叫做最大传送单元（Maximum TransmissionUnit，MTU）。
IP 数据报的分片偏移量是用 8 的整数倍记录的，所以每个数据报中的分片数据大小也必须是 8 的整数倍。
IP数据报分片主要关注IP首部的标识字段、标志字段和分片偏移量字段。具体往前看。
参考图：
相关源码实现在ip4_frag.c。
相关宏：
-
LWIP_NETIF_TX_SINGLE_PBUF：分片是否支持新建一整个pbuf处理。- 1：分片时，直接申请各个IP分片包的pbuf即可（含IP首部+数据区）。
- 0：分片时，申请各个分片的管理区，
MEMP_FRAG_PBUF类型。其数据结构为pbuf_custom_ref。该数据结构包含本次IP分片包的原IP报文pbuf地址，释放引用的api，指向分片IP报文数据区的pbuf。然后将这个分片IP首部的pbuf和这个IP报文数据区的pbuf拼接起来即可。组成新的分片IP报文。
相关数据结构：
pbuf_custom数据结构：
pbuf_custom_ref数据结构：
相关数据结构图：
- 没开启
LWIP_NETIF_TX_SINGLE_PBUF宏的IP分片报文数据结构：
- 开启
LWIP_NETIF_TX_SINGLE_PBUF宏的分片IP报文数据结构（按简单的画）：
ip4_frag()：
-
与分片重组
ip4_reass()这个API对应。 -
需要注意的是：需要检查本次分片处理传入的原IP报文
struct pbuf *p是否也是一个分片包。如果是，那么它可能不是顶层原IP报文分片的最后一片，这样的话，在本次分片处理最后一片的分片IP报文首部标志字段的还有更多分片标志位不能置位0。因为在顶层未分片IP报文角度看来，这还不是真正意义上的最后一片。 -
下面函数分析时，按
LWIP_NETIF_TX_SINGLE_PBUF宏分支分析更加助于理解。 -
处于非
LWIP_NETIF_TX_SINGLE_PBUF宏分支：如果读者需要分析，然后看不懂这个分支，可以看下我的笔记：- 先申请一个保存分片IP首部的pbuf：
rambuf。 - 然后再申请一个
pbuf_custom_ref数据结构的伪pbuf：pcr。 - 然后把未分片的IP报文的pbuf对应分片的数据区地址给到
pcr->pc->pbuf->payload，共享数据区内存嘛。 - 然后把分片IP首部的pbuf和分片IP的数据pbuf拼接起来：
pbuf_cat(rambuf, pcr->pc->pbuf->payload);，这样就组成了分片的IP报文了。
- 先申请一个保存分片IP首部的pbuf：
9.8 IP层输入
9.8.1 接收数据报
翻看前面网络接口层章节应该知道底层接收数据流，在网卡驱动收到数据，调用netif->input()把对应API和pbuf转发到lwip内核线程执行。
以以太网为例，网卡接收数据线程通过把数据给到netif->input()，该函数内部外包以太网链路层ethernet_input()到lwip内核线程去跑，如果是ARP协议的以太网帧，则传到ARP模块etharp_input()处理。如果是IPv4的以太网帧，则传到ip4_input()处理。
相关宏：
LWIP_HOOK_IP4_INPUT(p, inp)：IPV4接收数据包钩子函数。
- 接收数据时检查了IP报文的版本为IPV4，就会把这个IP报文传给这个钩子函数。
- 如果钩子放回true，则表示由钩子处理，外部丢弃。
LWIP_IP_ACCEPT_UDP_PORT(dst_port)：在netif关闭时接受私人广播通信用。
ip4_input()：
-
IP报文校验。
-
传入钩子
LWIP_HOOK_IP4_INPUT(p, inp)。 -
匹配目的网卡。就是判断当前IP报文是不是给我的。
-
多播包：
- 开启了IGMP：当前网卡在当前IP报文目的IP组播内，匹配成功。
- 没有开启IGMP：当前网卡有效即可匹配成功。
-
广播包和单播包：都调用
ip4_input_accept()API匹配。前面有分析。- 先匹配收到该IP报文的网卡；
- 再遍历网卡链表。注意：如果没有环回功能或者有环回网卡，且IP报文目的IP地址是环回字段的IP地址，不能遍历网卡链表。因为环回，需要用环回接口，在前面匹配网卡就应该配上了，不会跑到这里。
-
开启了DHCP，且面前没有匹配上网卡：
- 通过IP报文可以判断当前IP报文是否是UDP协议。
- 通过UDP协议解析目的端口是否是DHCP客户端端口
LWIP_IANA_PORT_DHCP_CLIENT（68）。 - 是DHCP报文，直接收到当前网卡。不需要做目的IP校验。
-
-
没有匹配到网卡，即是IP报文不是给我们的，但是开启了
IP_FORWARD转发功能。如果目的IP不是广播地址，可以调用ip4_forward()进行转发。 -
匹配到网卡，处理IP报文，如果IP报文被分片了，需要调用
ip4_reass()重组。 -
收到完整的IP报文后，根据IP报文的上层协议类型字段，给到对应的协议模块。lwip支持：
IP_PROTO_UDP：UDP协议。udp_input(p, inp);IP_PROTO_TCP：TCP协议。tcp_input(p, inp);IP_PROTO_ICMP：ICMP协议。icmp_input(p, inp);IP_PROTO_IGMP：IGMP协议。igmp_input(p, inp, ip4_current_dest_addr());LWIP_RAW：原报文上报。
9.8.2 IP数据报转发
如果数据包给到我们网卡数据链路层了，但是目的IP不是给我们网卡IP层的，那可能是想通过我们网卡转发该包。
相关宏：
-
IP_FORWARD_ALLOW_TX_ON_RX_NETIF：- 允许
ip_forward()在接收到数据包的netif上发送数据包。这应该只用于无线网络。 - 为1时，请确保netif驱动程序正确标记传入的链路层广播/组播数据包等使用相应的pbuf标志!
- 允许
调用ip4_forward()将数据包转发：
-
先判断IP包是否能转发。主要调用
ip4_canforward()判断。- 钩子函数：
LWIP_HOOK_IP4_CANFORWARD(src, dest)。现有用户实现钩子裁定能否转发当前IP包。 - 链路层的广播包。不能转发。
- 链路层的多播包。不能转发。
- 目的IP为255.x.x.x的IP包。不能转发。
- 目的IP为127.x.x.x（环回）的IP包。不能转发。
- 目的IP为169.254.x.x（本地链路IP）的IP包，不能转发。
- 钩子函数：
-
匹配新网卡。调用
ip4_route_src(src, dest)路由匹配网卡，进行转发该IP包。 -
检查路由匹配成功的网卡。
- 一般情况下，是不能转发回原链路的。
- 如果需要转发回原链路，一般只能用于无线网卡。
-
IP报文TTL字段值减1。如果TTL值为0，则，丢弃该IP包，并通过ICMP
icmp_dest_unreach(struct pbuf *p, enum icmp_dur_type t)告知源端路由不可达。（如果当前报文也是ICMP报文，则不用回复ICMP路由不可达） -
TTL字段值更新后，IP报文的首部校验和字段也要更新。
- 技巧：由于IP报文首部只是TTL字段减1，所以首部校验和字段只需要加1即可。
-
使用新路由匹配的网卡把当前IP包转发出去。
- 需要分片：调用
ip4_frag()转发出去。 - 不需要分片：调用网卡IP接口
netif->output()转发出去。
- 需要分片：调用
ip4_canforward()：
ip4_forward()：
9.8.3 IP数据报重组
如果IP层收到一个IP报文，目的IP是给我们网卡IP层的，且检查当前IP包的首部是是一个分片包，则需要IP报文重组。
重组IP报文的源码实现比较复杂，所以需要耐心分析。
重装IP报文比分片IP报文要难，就是因为，重装IP报文的每个IP包到达的时间不是按顺序的，会出现后发的IP分片包比先发的IP分片包早到达（网络路由问题），这需要我们按序重组好。
注意：lwip当前不支持IP首部带选项字段的IP报文进行分片和重组。
9.8.3.1 相关数据结构
代码的数据结构是非常重要的，通过对数据结构的逻辑处理能封装出各种功能的API。
一个完整IP报文由多个IP分片包组成。
这个IP报文用struct ip_reassdata数据结构管理；
而每个IP分片包用struct ip_reass_helper数据结构管理。
- 为了节省空间，这个数据结构和IP包pbuf的空间共用。把收到的分片pbuf的IP包首部重置为这个数据结构。因为最终的IP报文只需要一个IP首部即可，每个分片的IP首部空间可以利用起来。
lwip协议栈用全局变量struct ip_reassdata *reassdatagrams;管理整个协议栈的各个在重组中的IP报文，为单向链表。
重组中的IP报文数据结构struct ip_reassdata：
各个IP分片包的数据结构struct ip_reass_helper：
9.8.3.2 相关宏
IP_REASS_MAXAGE：默认15。为每个重组IP报文有效期。超时还没重组好就需要删除重组IP报文。
IP_REASS_MAX_PBUFS：系统重组IP报文所有pbuf节点上限值。
IP_REASS_FREE_OLDEST：若开启，遇到系统重组IP报文所有pbuf节点达到系统上限值IP_REASS_MAX_PBUFS后，允许释放旧的重组IP报文所有IP分片。
9.8.3.3 相关函数
ip4_reass(struct pbuf *p)：
- IPv4分片报文重组函数。
- 供给lwip内核接收IP包时使用的API。
- 不支持待选项字段的IP报文进行重组。
ip_reass_enqueue_new_datagram(struct ip_hdr *fraghdr, int clen)：新建一个重组IP报文条目并插入reassdatagrams链表中。
ip_reass_dequeue_datagram(struct ip_reassdata *ipr, struct ip_reassdata *prev)：释放一个重组IP报文条目。
ip_reass_free_complete_datagram(struct ip_reassdata *ipr, struct ip_reassdata *prev)：释放一个重组IP报文条目及其所有pbuf。
ip_reass_remove_oldest_datagram(struct ip_hdr *fraghdr, int pbufs_needed)：删除老的重组IP报文。
ip_reass_chain_frag_into_datagram_and_validate(struct ip_reassdata *ipr, struct pbuf *new_p, int is_last)：插入IP分片到对应重组IP报文。
9.8.3.4 ip4_reass()
源码参考：ip4_frag.c
IP报文重组调用ip4_reass()先分析该函数的总体框架，后面再分析各个函数的细节：
-
检查IP分片包。
- 收到一个IP分片后，检查IP分片的合法性。IP首部长度是否符合要求。目前LWIP不支持带选项的IP包分片和重组。
- IP首部长度不能大于IP包长度。
- 确保重组中的IP报文所有pbuf节点不能超过系统上限值
IP_REASS_MAX_PBUFS。如果预判超出了，需要调用ip_reass_remove_oldest_datagram()删除最老的重组中的IP报文，直至够空间记录当前IP分片包的pbuf节点数为止。
-
记录IP分片包到
reassdatagrams链表中对应IP报文。-
找到当前IP分片的重组IP报文：检索
reassdatagrams链表，是否有当前IP分片的IP报文。如果没有，需要调用ip_reass_enqueue_new_datagram()创建一个新的重组IP报文数据结构，并插入到reassdatagrams链表中。如果有，还需要检查当前IP分片是否是IP报文中的第一个IP分片包，如果是，需要把这个IP分片包的IP首部更新到重组IP报文数据结构的IP报文首部字段ip_reassdata->iphdr。- 匹配重组IP报文条件：源IP、目的IP、IP标识这三个字段一致即可。
-
预判IP报文是否溢出：如果当前IP分片包是最后一个，可以通过IP分片偏移量加上当前IP分片包的长度可以计算出完整的IP报文长度，如果这个长度溢出IP报文的长度字段，则丢弃，并删除重组中的IP报文。
-
当前IP分片插入重组IP报文的IP分片链表中。调用
ip_reass_chain_frag_into_datagram_and_validate()将其插入。返回值由以下三个：IP_REASS_VALIDATE_TELEGRAM_FINISHED：所有IP分片已经接收完毕，可以完成IP报文重组工作。IP_REASS_VALIDATE_PBUF_QUEUED：当前IP分片正常插入，但是当前IP报文还没有接收完所有IP分片。IP_REASS_VALIDATE_PBUF_DROPPED：当前IP分片插入失败，即是丢弃当前IP分片。
-
更新
reassdatagrams链表中所有pbuf节点的数量值ip_reass_pbufcount（全局）。因为系统设置有上限IP_REASS_MAX_PBUFS，所以要动态记录。
-
-
当前IP分片是否为最后一个分片。
- 如果是最后一个分片，则更新重组IP报文数据结构中的长度值为总长度值
ip_reassdata->datagram_len，标记重组IP报文收到最后一个IP分片ip_reassdata->flags |= IP_REASS_FLAG_LASTFRAG。
- 如果是最后一个分片，则更新重组IP报文数据结构中的长度值为总长度值
-
IP报文的所有IP分片包是否已经接收完毕。
- 如果所有IP分片都收到了，则可进行重组。
-
重组完整IP报文。遍历所有IP分片，并合并。节省空间。
- 统计IP报文的总长度。首部+数据=
IP_HLEN+ip_reassdata->datagram_len。 - 把重组IP报文数据结构中的IP首部字段拷贝到第一个分片的IP首部作为完整IP报文的首部。
- 遍历重组IP报文中所有IP分片，将其合并，除了首个IP分片的IP首部作为完整IP报文的首部外，其它IP分片的IP首部都移除。
- 至此，完整的IP报文pbuf重组完成。
- 统计IP报文的总长度。首部+数据=
9.8.3.5 ip_reass_enqueue_new_datagram()
ip_reass_enqueue_new_datagram()：
- 申请重组IP报文节点
ip_reassdata数据结构的空间。 - 如果
MEMP_REASSDATA内存池空间不足，则可以释放老的重组IP报文节点。 - 初始化该结构体。
- 有效期配置为
IP_REASS_MAXAGE。 - 插入
reassdatagrams链表。 - 保存IP分片包首部。
9.8.3.6 ip_reass_dequeue_datagram()
ip_reass_dequeue_datagram()：
- 释放重组IP报文条目资源。
- 在过期还没重组好，或者已经重组好，或者需要为新的重组IP报文腾空间，都需要把不需要的重组IP报文删除，并从链表中移除。
ipr：需要删除的重组IP报文节点。prev：被删除节点的前一个节点。由调用者提供。“奇怪的设计”
9.8.3.7 ip_reass_free_complete_datagram()
ip_reass_free_complete_datagram()：
- 释放重组IP报文节点及其所有pbuf。
- ICMP：如果收到了第一个IP分片，在重组删除时，需要返回一个ICMP超时。
- 释放重组IP报文的所有pbuf。
- 释放重组IP报文。
9.8.3.8 ip_reass_remove_oldest_datagram()
ip_reass_remove_oldest_datagram()：
- 删除老的重组IP报文。
- 受
IP_REASS_FREE_OLDEST宏控制。 fraghdr：当前IP分片。传入该参数是因为防止在遍历链表删除老的IP重组IP报文时，跳过这个重组IP报文，因为我们的目的就是为这个重组IP报文新来的IP分片腾空间。pbufs_needed：需要腾出的pbuf数。- 逻辑简单：遍历、找到最老的非当前重组IP报文的重组IP报文节点、删除。一直遍历删除到够空闲pbuf数或者没有其它重组IP报文节点为止。
9.8.3.9 ip_reass_chain_frag_into_datagram_and_validate()
ip_reass_chain_frag_into_datagram_and_validate()：
-
检查和插入一个分片到重组数据报中。
-
ipr：重组IP数据报。 -
new_p：新的分片。 -
is_last：是否是最后一个分片。 -
返回：
IP_REASS_VALIDATE_TELEGRAM_FINISHED：当前重组IP数据报已经收到所有分片。IP_REASS_VALIDATE_PBUF_QUEUED：分片成功插入重组IP数据报中，但是该重组IP数据报还没有接收到所有IP分片。IP_REASS_VALIDATE_PBUF_DROPPED：插入分片失败。
-
获取分片IP首部信息统计到重组IP数据报管理中。
-
插入分片到重组IP数据报的分片链表中。
-
如果最后一个IP分片收到了，就检查下所有分片是否都收到。
9.8.3.10 重组IP数据报的超时机制
每个重组的IP数据报都有生命周期，超时都还没接收完所有IP分片包，则需要放弃等待剩余分片，并释放该重组IP数据报所有资源。
决定删除重组的IP数据报时，需要返回ICMP超时到网络中告知对端放弃本次IP报文接收。
节拍由IP_TMR_INTERVAL决定，默认1000，即是1秒跑一次。
每个重组IP报文最大时间为IP_REASS_MAXAGE，默认15。即是系统收到第一个得到的分片IP开始计时，在15秒内没有接收完所有IP报文，便要放弃本次重组。
ip_reass_tmr()：
- 概述的目的就是遍历重组IP报文链表，检查每个正在重组的IP报文有效期，过期的删除，未过期的减少有效期。
__EOF__
