rt-thread网络组件之lwip IP协议
IP报文基础及其在Lwip的实现
- IP的背景
IP 协议是 TCP/IP 协议中最为核心的协议，所有的 TCP、UDP、ICMP 及 IGMP 数据都以 IP 数据报格式传输。IP协议在 TCP/IP 协议族的分层中属于网络层，不难理解，IP 的主要作用有两个：其一是对上层协议[^1^]( ## 4 参考资料)的数据进行封装（ 增加 IP 首部 ），然后交给链路层协议进行发送；其二是对链路层接收到的数据进行解析，并根据解析结果将数据交给对应的上层协议进行处理。
本文主要介绍 IP 数据报的格式，以及 IP 相关功能在 Lwip 中的实现方式，希望能对同样在学习 Lwip 的小伙伴们有所帮助。 2. IP基础知识介绍 2.1 IP数据报的格式
IP数据报的格式主要包含 IP 首部和数据，通常情况下，IP 首部的长度为 20 字节（含有选项字段的除外），具体如下图所示：
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2.1.1 版本
协议版本号，当前普遍应用的 IP 协议版本号是 4，因此也常称为 IPv4。
2.1.2 首部长度
首部长度即 IP 首部所占用的 32 bit 字的数目。因为首部长度是一个 4 bit 段，其最大值是 15，也就意味着 IP 首部的最大长度是 60 字节。
2.1.3 服务类型（TOS）
服务类型字段长 8 位，最初的 TOS 字段中最高 3 位表示优先权，随后的 4 位表示服务类型，最后一位保留，恒设置为 0。
当前的服务类型字段已经作为区分服务（Diffserv）架构的一部分被重新定义了，重定义的服务类型字段中前6位构成了区分代码点（DiffServ Code Point, DSCP），后 2 位用于显示拥塞通知（Explicit Congestion Notification, ECN）。这两个概念不是很易懂，在 Lwip 中，该字段由上层协议设定，经过在 windows系统下的随机抓包发现，该字段通常设置位 0x00，因此对该字段不再深究。
2.1.4 总长度
总长度即整个 IP 数据报的长度，单位是字节。因为总长度是一个 16 位字段，其最大值是 65535，所以 IP 数据报的最大长度位 65535 字节。利用总长度和首部长度两个字段就可以知道 IP 数据报中数据的起始位置和长度。
注意总长度和首部长度的单位不同，总长度的单位是字节，而首部长度的单位是 32 位字。
2.1.5 标识
标识字段唯一的标识发送的每一份数据报，通常每发送一份报文它的值就会加 1。在 Lwip 的源文件 "ip4.c" 中，定义了一个变量 static u16_t ip_id用于记录 IP 数据报的唯一标识，其初始值为 0，每次发送 IP 数据报时都将该变量的值填入 IP 首部的标识字段中，然后将该变量 +1。
2.1.6 标志
标志字段共有 3 位，其中第 1 位没有使用。第 2 位是不分段（DF）位，置 1 表示路由器不能对数据进行分段处理，如果数据包由于不能被分段而未能被转发，则路由器会丢弃该数据包并向源点发送错误消息。第三位是还有更多分段（MF）位，即表示数据还有其他的分段，当路由器对数据包进行分段时，除最后一个分段外，其他所有的分段 MF 位都应置 1，以便接收端直到接收到 MF 位为 0 的分段为止。
2.1.7 生存时间（TTL）
生存时间反应了从源 IP 到目的 IP 经过的路由器数量即跳数。在最初创建 IP 数据报时，TTL 被设置为一个特定的值，通常是 32 或者 64，数据报每经过一个路由器，该路由器就将 TTL 减 1，因此可以通过 TTL 的值推算 IP 数据报经过的跳数。
2.1.8 协议
协议字段给出了 IP 协议上层协议的协议号，当前已分配的协议号有 100 多个，下表列出了一些常见的协议号，更多的协议号可以自百度。 协议号 协议 1 Internet消息控制协议（ICMP） 2 Internet组管理协议（IGMP） 4 被IP协议封装的IP 6 传输控制协议（TCP） 17 用户数据报协议（UDP）
2.1.9 首部检验和
首部检验和是针对 IP 首部的纠错字段，检验和不计算被封装的数据。检验和的计算方法和验证方法将在后文的代码分析部分进行介绍。
2.1.10 源地址和目的地址
顾名思义，指 IP 数据报的来源和目的 IP 地址，我们平时常见的 IP 地址如 “192.168.0.1” 是 IP 地址的点分十进制表示方法，是方便人读写和记忆的，IP 地址对于电子设备来说是一个 32 位的二进制数。
2.1.11 可选项
首先，可选项不是所有 IP 数据报都有的，可选项可以包含源点产生的信息和路由器产生的信息；其次，可选项的长度必须是 32 位的整数倍，最长长度是 40 个字节，这一点从首部长度的定义也可以看得出来，如果长度不是 32 位的整数倍，可以在结尾补 0 以满足要求。
常用的可选项有安全和处理限制（常用于军事领域）、记录路径、时间戳、宽松的源站选路、严格的源站选路。因为使用频率很低而且并非所有的主机和路由器都支持这些可选项，此处不再详细叙述，感兴趣的小伙伴可以自行查阅资料进行了解。 2.2 IP地址基础知识
前面的已经提到，IP 地址的是一个 32 位的二进制数，为了方便记忆和读写，常用点分十进制的方法来表示 IP 地址。IP 地址中包含了网络号和主机号，可能还包含有子网号，为了能正确的从 IP 地址中获取网络号、主机号、子网号，还需要有子网掩码的辅助。本小结简要介绍IP的点分十进制表示方法，网络号、主机号、子网号和子网掩码的含义。
2.2.1 IP地址的点分十进制表示方法
为了方便记忆和表述，将 32 位的 IP 地址分为 4 个字节，将每个字节都以十进制表示，在四个字节转换得到的十进制数中间分别加一个点用以区分，这就是我们常见的 IP 地址的形式。
比如面这个 IP 地址 (11000000101010000000000100000001) 2，直接用二进制表示显得很长，也很难记忆，直接写成 10 进制数是（3,232,235,777）10，写成 16 进制数是（0xC0A8 0101），都比较难以记忆，而用点分十进制表示方法则可以写成 “192.160.1.1”，显然是一个我们经常会接触到的一个 IP 地址。由此可见，点分十进制表示方法，在日常使用中是非常方便的。
2.2.2 网络号、主机号和子网号
简单的讲，互联网是把一个个小的网络链接起来组成一个庞大的网络，因此要找到一个 IP 地址，首先要找到这个 IP 地址处于哪个小的网络中，然后再找到这个IP对应于这个网络中的哪一台主机。因此 IP 地址就分成了网络号和主机号两个部分。实际上，根据网络号找到一个网络后，这个网络可能会划分成几个更小的网络组成的，也就是说我们还需要再找到该 IP 属于这个网络的哪一个子网，然后才能找到这台主机。而要找到 IP 属于哪一个子网，自然也就需要一个子网号。因为不是所有的网络都会划分子网，因此并不是所有的IP地址都包含子网号的。
2.2.3 IP地址的分类
前文提到了 IP 地址包含了网络号、主机号，可能还有子网号，那么如果我们已知一个 IP 地址，如何确定这个 IP 是否含有子网号，它的网络号、子网号（如果有）、主机号分别是什么呢？
要解决这个问题，首先要了解IP地址的分类：A 类地址、B 类地址和 C 类地址。A类地址的前 8 位表示网络号，并且其最高位恒位 0，因此其高 8 位转换成十进制的范围是 1 ~ 126[^2^](## 4 参考资料)，如果用点分十进制的方式表示 IP 地址，那么 A 类 IP 地址的第一段应该在 1 到 126 中间；B 类地址的前 16 位表示网络号，其最高两位恒为 (10)2，其高8位转换成 10 进制的范围是 128191；C类地址的前 24 位表示网络号，其最高三位恒为（110）2，高8位转换位10进制的范围是192223。
根据上述规则，就可以确定一个给定IP地址的网络号。
2.2.4 子网掩码
确定一个 IP 地址的网络号后，还需要确定其子网号和主机号。前文叙述中，有时会把子网号放在主机号之后，这是因为子网号并不总是存在，但在IP地址中的顺序实际上是网络号、子网号（如果有）、主机号。确定网络号后，必须先确定该IP是否含有子网号，子网号是多少（如果有），然后才能获取主机号。
要确定 IP 中的子网号，就需要子网掩码的辅助了。子网掩码也是一个 32 位的二进制数，并且通常也以点分十进制的方式表示，这一点与 IP 地址类似。其作用是告诉主机 IP 地址中有多少位是用来表示子网号的（实际上是告诉主机IP地址中网络号和子网号加起来有多少位），子网掩码中值位 1 的比特留给网络号和子网号，值为 0 的比特留给主机号。由于已知网络号的位数，通过子网掩码可以知道网络号和子网号的总位数，自然也就能区分出 IP 地址中的网络号、子网号和主机号了。
以上文提到的 IP 地址 “192.168.1.1” 为例，假设其子网掩码为 “255.255.255.0”。首先根据第一段的值 “192” 可以确定该 IP 地址属于 C 类 IP，有 24 位表示网络号，其网络号位 “192.168.1”。子网掩码的高 24 位为 1，低 8 位为 0，说明网络号和子网号加起来共计 24 位，也就是说这里没有进行子网划分，那么其主机号就是 “1”。
因为 IP 地址总是按网络号、子网号、主机号排列的，不难理解子网掩码的一个特征：高位是连续的 1，低位是连续的 0。在 Lwip 的实现中，“ip4_aaddr.c” 中有一个检验子网掩码合法性的函数 ip4_addr_netmask_valid，就是利用这个特征，对于一个待检验的数，从最高位起，找到第一个 0，然后再检查第一个 0 后面还有没有 1，如果没有，说明待检验数是一个合法的子网掩码。 3. IP相关功能在 Lwip 中的实现 3.1 ip_hdr 结构体简介
ip_hdr 结构体就是 IP 首部的结构体，其定义如下：
struct ip_hdr {
PACK_STRUCT_FLD_8(u8_t _v_hl);
PACK_STRUCT_FLD_8(u8_t _tos);
PACK_STRUCT_FIELD(u16_t _len);
PACK_STRUCT_FIELD(u16_t _id);
PACK_STRUCT_FIELD(u16_t _offset);
PACK_STRUCT_FLD_8(u8_t _ttl);
PACK_STRUCT_FLD_8(u8_t _proto);
PACK_STRUCT_FIELD(u16_t _chksum);
PACK_STRUCT_FLD_S(ip4_addr_p_t src);
PACK_STRUCT_FLD_S(ip4_addr_p_t dest);
} PACK_STRUCT_STRUCT;
在源代码中包含了对每个元素的注释，结合注释和 IP 首部的格式，不难理解各元素所代表的的意义。需要注意的一点是，IP 首部并不都是按字节定义数据的含义的，但是在 ip_hdr 结构体中，对部分字段进行了合并，方便了结构体定义。IP 首部的版本和首部长度两个字段，其长度都是 4 位，并且位置相邻，因此在 ip_hdr 结构体总将这两个字段合并在一起，定义了一个 8 位的变量 _v_hl，其中的 "v" 便是 version，"hl" 即 head lenth。IP 首部的 3 位标志字段和 13 位的片偏移字段则合并成一个 16 位的变量 _offset。剩余变量则都与 IP 首部的字段一一对应，小伙伴们可自行翻阅源码，并对照 IP 数据报格式自行理解。
从结构体定义来看，结构体中并没有可选项相关的元素，但这并不意味着 Lwip 没有支持可选项的能力。 3.2 Lwip 中 IP 层数据发送流程简介
Lwip中，IP层对发送数据的处理依次经过了 ip4_output、ip4_output_if、ip4_output_if_opt、ip4_output_if_opt_src 四个函数。ip4_output 函数中，根据目的 IP 地址确定了该 IP 数据报的发送路径（即通过哪个网卡发送该数据报），并将传入的数据和网卡信息传递给函数 ip4_output_if。在当前定义中，函数 ip4_output_if 没有做任何操作，直接将数据传送给函数 ip4_output_if_opt，ip4_output_if_opt 比 ip4_output_if 多出的两个形参 void *ip_options 和 u16_t optlen 分别传入了实参空指针和 0。函数 ip4_output_if_opt 中根据选定的网卡确定了源地址，然后再次将所有数据传递给函数 ip4_output_if_opt_src 。函数 ip4_output_if_opt_src 根据传入的信息，完成 IP 报文首部的填充，然后调用网卡的发送函数，将 IP 数据报交由链路层处理。每个函数的具体实现，请小伙伴们自行阅读源码。
接下来讨论下 Lwip 对 IP 首部可选项的处理。首先可以确定的是，Lwip 是有处理可选项的能力的，前面提到 ip4_output_if_opt 比 ip4_output_if 多出两个形参，这连个形参实际上就是指可选项的内容和长度，在传入实参时直接传入了空指针和 0，也就是说所有以函数 ip4_output 为处理起点的 IP 数据报，都是没有可选项的。如果想要发送一个首部含有可选项的 IP 数据报，则上层协议需要调用函数 ip4_output_if_opt，而以该函数位处理起点的 IP 数据报，就跳过了查找发送路径这一功能。在源码 "ip4.h" 中，有一句注释 “Currently, the function ip_output_if_opt() is only used with IGMP ”，据此推测，只有 IGMP 协议在发送IP数据报时调用的是函数 ip4_output_if_opt，而其他协议则调用 ip4_output 函数，至于该推测是否准确，需要分析上层协议的源码，本文不再进一步扩展。
首部检验和的计算方法。关于首部检验和的计算方法，不同的参考资料中描述有所不同。也许是因为协议发展过程中有所改变，也许是有些书籍中出现了谬误，也许是这些不同的描述本质上是一样的（这设计到比较深奥的数学知识，已经超出了我的能力范畴），因此吧检验的介绍放到源码分析的部分来讲解，结合代码中的实际操作，确保给小伙伴们呈现除一个正确的计算方法。首部检验和的计算，属于 IP 首部填充的一部分，其源码实现包含在 ip4_output_if_opt_src 中。计算的方法是，定义一个 32 位的变量 chk_sum 并初始化为 0，然后将 IP 首部的内容按 16 位字相加，注意此处 IP 首部的检验和字段本身无需参与运算，然后将得到的结果进行如下处理：
chk_sum = (chk_sum >> 16) + (chk_sum & 0xFFFF);
chk_sum = (chk_sum >> 16) + chk_sum;
chk_sum = ~chk_sum;
最终得到的结果即为检验和，将其填入检验和字段即可。 3.3 Lwip 中接收数据处理简介
Lwip 中 IP 层处理接收数据的函数是 ip4_input。该函数首先对 IP 数据报的合法性进行检查，包括 IP 版本、检验和、长度等信息的检查，然后判断 IP 数据报是否确实是却要本机接收的，如果满足以上条件，则根据 IP 首部中的协议字段，将 IP 数据报转发给对应的上层协议进行处理。
