【lwip】03-网络接口

2023-11-14 18:16:10

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前言

李柱明博客：[https://www.cnblogs.com/lizhuming/p/15487068.html]（https://www.cnblogs.com/lizhuming/p/15487068.html）

3. 网络接口

3.1 概念引入

网络接口（以太网接口）是硬件接口（网络接口又可以称之为网卡）。

LWIP 是软件那么而怎样让硬件和软件无缝连接起来呢？

而且网卡又多种多样，怎样才能让 LWIP 使用同样的软件兼容不同的硬件平台？

LWIP 中使用了一个netif结构体来描述网卡但是网卡是直接和硬件平台打交道的：

  • 用户提供最底层接口函数。

  • LWIP 提供统一的 API。

  • 举例：

    • 收：如网卡的初始化和网卡的收发数据，当 LWIP 底层得到数据之后，才会传入到内核中去处理。
    • 发：LWIP 内核需要发送数据包的时候，也需要调用网卡的发送函数。

  • LWIP 中的 etherneif.c 文件的函数通常为硬件打交道的底层函数，当有数据需要通过网卡接收或者发送数据的时候就会被调用，通过 LWIP 的协议栈的内部进行处理后，从应用层就能得到数据或者可以发送数据。

小总结：

简单来说，netif 是 LWIP 抽象出来的网卡，LWIP 协议栈可以使用多种不同接口，而 etherneif.c 文件则提供了 netif 访问各种不同的网卡，每个网卡有不同的实方式，每户只需要修改 ethernetif.c 文件即可。

3.2 lwip netif 结构体

3.2.1 链接

源码：((20210727163318-nobqihq))

3.2.2 字段分析

3.2.3 网卡链表

/** pointer to next in linked list */
  struct netif *next;

LWIP 使用链表来统一管理同一设备的多个网卡。

netif.c 文件中定义两个全局指针 struct netif *netif_list 和 struct netif *netif_default

  • netif_list 就是网卡链表指针，指向网卡链表的首节点（第一个网卡）。
  • netif_default 默认网卡。

3.2.4 网络 IP

#if LWIP_IPV4
  /** IP address configuration in network byte order */
  ip_addr_t ip_addr;
  ip_addr_t netmask;
  ip_addr_t gw;
#endif /* LWIP_IPV4 */

ip_addr：网络中的 IP 地址。

netmask：子网掩码。

gw：网关地址。

3.2.5 接收数据函数

/** This function is called by the network device driver
   *  to pass a packet up the TCP/IP stack. */
  netif_input_fn input;

该函数由网络设备驱动程序调用，将数据包传递到 TCP/IP 协议栈（IP 层），这通常是 ethernet_input(),参数为 pbuf 和 netif 类型，其中 pbuf 为接收到的数据包。

3.2.6 发送数据函数

#if LWIP_IPV4
  /** This function is called by the IP module when it wants
   *  to send a packet on the interface. This function typically
   *  first resolves the hardware address, then sends the packet.
   *  For ethernet physical layer, this is usually etharp_output() */
  netif_output_fn output;
#endif /* LWIP_IPV4 */

函数由 IP 层调用，在接口上发送数据包。用户需要编写该函数并使 output 指向它。

通这个函数的处理步骤是首先解析硬件地址，然后发送数据包。

对于以太网物理层，该函数通常是 etharp_output(),参数是 pbuf,netif，和 ip_addr 类型。

注意：其中 ipaddr 代表要将数据包发送到的地址，但不一定数据包最终到达的 ip 地址。比如要发送 ip 数据报到一个并不在本网络的主机上，该数据包要被发送到一个路由器上，这里的 ipaddr 就是路由器的 ip 地址。

3.2.6 ARP 模块调用的发送函数

/** This function is called by ethernet_output() when it wants
   *  to send a packet on the interface. This function outputs
   *  the pbuf as-is on the link medium. */
  netif_linkoutput_fn linkoutput;

该函数和 output 类似，也需要用户自己实现一个函数，但是只有两个参数，它是由 ARP 模块调用的，一般是自定义函数 low_level_output()。

当需要在网卡上发送一个数据包时，该函数会被 ethernet_output() 函数调用。

3.2.7 出口回调函数

#if LWIP_NETIF_REMOVE_CALLBACK
  /** This function is called when the netif has been removed */
  netif_status_callback_fn remove_callback;
#endif /* LWIP_NETIF_REMOVE_CALLBACK */

当 netif 被删除时调用此函数。

3.2.8 用户私有数据

/** This field can be set by the device driver and could point
   *  to state information for the device. */
  void *state;
#ifdef netif_get_client_data
  void* client_data[LWIP_NETIF_CLIENT_DATA_INDEX_MAX + LWIP_NUM_NETIF_CLIENT_DATA];
#endif
#if LWIP_IPV6_AUTOCONFIG
  /** is this netif enabled for IPv6 autoconfiguration */
  u8_t ip6_autoconfig_enabled;
#endif /* LWIP_IPV6_AUTOCONFIG */
#if LWIP_IPV6_SEND_ROUTER_SOLICIT
  /** Number of Router Solicitation messages that remain to be sent. */
  u8_t rs_count;
#endif /* LWIP_IPV6_SEND_ROUTER_SOLICIT */
#if LWIP_NETIF_HOSTNAME
  /* the hostname for this netif, NULL is a valid value */
  const char*  hostname;
#endif /* LWIP_NETIF_HOSTNAME */
#if LWIP_CHECKSUM_CTRL_PER_NETIF
  u16_t chksum_flags;
#endif /* LWIP_CHECKSUM_CTRL_PER_NETIF*/

由设备驱动程序设置并指向设备的状态信息，主要将网卡的某些私有数据传递给上层。

3.2.9 最大传输单位

/** maximum transfer unit (in bytes) */
  u16_t mtu;

3.2.10 链路硬件地址长度&地址

/** number of bytes used in hwaddr */
  u8_t hwaddr_len;
  /** link level hardware address of this interface */
  u8_t hwaddr[NETIF_MAX_HWADDR_LEN];

3.2.11 网卡信息状态标志

/** flags (@see @ref netif_flags) */
  u8_t flags;

网卡状态信息标志位，是很重要的控制字段，它包括网卡的功能使能，广播使能，ARP 使能等重要控制位。

3.2.12 网卡名字

/** descriptive abbreviation */
  char name[2];

用于保存每一个网卡的名字，用两个字符的名字来标识。

网卡使用的设备驱动的种类，名字由设备驱动来设置并且应该反映通过网卡表示的硬件的种类。

如果两个网卡具有相同的网络名字，我们就用 num 字段来区分相同类别的不同网卡。

3.2.13 网卡标识

/** number of this interface */
  u8_t num;

标识使用同种驱动类型的不同网卡。

3.3 netif 使用

简要步骤：

  1. 定义一个 netif 作为网卡设备结构体。

  2. 挂载到 netif_list 链表中。

    1. 使用函数：netif_add();
    2. 建议参考该函数源码。

3.4 与 netif 相关的底层函数

主要 API：

/* 网卡初始化函数 */
static void low_level_init(struct netif *netif);

/* 网卡的发送函数，
 * 将内核的数据包发送出去，数据包采用pbuf数据结构进行描述 */
static err_t low_level_output(struct netif *netif, struct pbuf *p);

/* 网卡的数据接收函数，
 * 该函数必须将接收的数据封装成pbuf的形式 */
static struct pbuf * low_level_input(struct netif *netif);

相关 API：

/* 上层管理网卡netif的到时候会被调用的函数，
 * 最终还是调用 low_level_init() 函数 */
err_t ethernetif_init(struct netif *netif);

/* 主要作用就是调用low_level_input()函数从网卡中读取一个数据包，
 * 然后解析该数据包的类型是属于ARP数据包还是IP数据包，
 * 再将包递交给上层。
 * 无操作系统中使用：可以直接使用的函数，因为内核会周期性去处理该接收函数。
 * 有操作系统中系统：一般会将其改写成一个线程的形式，可以周期性去调用low_level_input()网卡接收函数。*/
void ethernetif_input(void *pParams);

附件-源码

struct netif

/** Generic data structure used for all lwIP network interfaces.
 *  The following fields should be filled in by the initialization
 *  function for the device driver: hwaddr_len, hwaddr[], mtu, flags */
struct netif {
  /** pointer to next in linked list */
  struct netif *next;

#if LWIP_IPV4
  /** IP address configuration in network byte order */
  ip_addr_t ip_addr;
  ip_addr_t netmask;
  ip_addr_t gw;
#endif /* LWIP_IPV4 */
#if LWIP_IPV6
  /** Array of IPv6 addresses for this netif. */
  ip_addr_t ip6_addr[LWIP_IPV6_NUM_ADDRESSES];
  /** The state of each IPv6 address (Tentative, Preferred, etc).
   * @see ip6_addr.h */
  u8_t ip6_addr_state[LWIP_IPV6_NUM_ADDRESSES];
#endif /* LWIP_IPV6 */
  /** This function is called by the network device driver
   *  to pass a packet up the TCP/IP stack. */
  netif_input_fn input;
#if LWIP_IPV4
  /** This function is called by the IP module when it wants
   *  to send a packet on the interface. This function typically
   *  first resolves the hardware address, then sends the packet.
   *  For ethernet physical layer, this is usually etharp_output() */
  netif_output_fn output;
#endif /* LWIP_IPV4 */
  /** This function is called by ethernet_output() when it wants
   *  to send a packet on the interface. This function outputs
   *  the pbuf as-is on the link medium. */
  netif_linkoutput_fn linkoutput;
#if LWIP_IPV6
  /** This function is called by the IPv6 module when it wants
   *  to send a packet on the interface. This function typically
   *  first resolves the hardware address, then sends the packet.
   *  For ethernet physical layer, this is usually ethip6_output() */
  netif_output_ip6_fn output_ip6;
#endif /* LWIP_IPV6 */
#if LWIP_NETIF_STATUS_CALLBACK
  /** This function is called when the netif state is set to up or down
   */
  netif_status_callback_fn status_callback;
#endif /* LWIP_NETIF_STATUS_CALLBACK */
#if LWIP_NETIF_LINK_CALLBACK
  /** This function is called when the netif link is set to up or down
   */
  netif_status_callback_fn link_callback;
#endif /* LWIP_NETIF_LINK_CALLBACK */
#if LWIP_NETIF_REMOVE_CALLBACK
  /** This function is called when the netif has been removed */
  netif_status_callback_fn remove_callback;
#endif /* LWIP_NETIF_REMOVE_CALLBACK */
  /** This field can be set by the device driver and could point
   *  to state information for the device. */
  void *state;
#ifdef netif_get_client_data
  void* client_data[LWIP_NETIF_CLIENT_DATA_INDEX_MAX + LWIP_NUM_NETIF_CLIENT_DATA];
#endif
#if LWIP_IPV6_AUTOCONFIG
  /** is this netif enabled for IPv6 autoconfiguration */
  u8_t ip6_autoconfig_enabled;
#endif /* LWIP_IPV6_AUTOCONFIG */
#if LWIP_IPV6_SEND_ROUTER_SOLICIT
  /** Number of Router Solicitation messages that remain to be sent. */
  u8_t rs_count;
#endif /* LWIP_IPV6_SEND_ROUTER_SOLICIT */
#if LWIP_NETIF_HOSTNAME
  /* the hostname for this netif, NULL is a valid value */
  const char*  hostname;
#endif /* LWIP_NETIF_HOSTNAME */
#if LWIP_CHECKSUM_CTRL_PER_NETIF
  u16_t chksum_flags;
#endif /* LWIP_CHECKSUM_CTRL_PER_NETIF*/
  /** maximum transfer unit (in bytes) */
  u16_t mtu;
  /** number of bytes used in hwaddr */
  u8_t hwaddr_len;
  /** link level hardware address of this interface */
  u8_t hwaddr[NETIF_MAX_HWADDR_LEN];
  /** flags (@see @ref netif_flags) */
  u8_t flags;
  /** descriptive abbreviation */
  char name[2];
  /** number of this interface */
  u8_t num;
#if MIB2_STATS
  /** link type (from "snmp_ifType" enum from snmp_mib2.h) */
  u8_t link_type;
  /** (estimate) link speed */
  u32_t link_speed;
  /** timestamp at last change made (up/down) */
  u32_t ts;
  /** counters */
  struct stats_mib2_netif_ctrs mib2_counters;
#endif /* MIB2_STATS */
#if LWIP_IPV4 && LWIP_IGMP
  /** This function could be called to add or delete an entry in the multicast
      filter table of the ethernet MAC.*/
  netif_igmp_mac_filter_fn igmp_mac_filter;
#endif /* LWIP_IPV4 && LWIP_IGMP */
#if LWIP_IPV6 && LWIP_IPV6_MLD
  /** This function could be called to add or delete an entry in the IPv6 multicast
      filter table of the ethernet MAC. */
  netif_mld_mac_filter_fn mld_mac_filter;
#endif /* LWIP_IPV6 && LWIP_IPV6_MLD */
#if LWIP_NETIF_HWADDRHINT
  u8_t *addr_hint;
#endif /* LWIP_NETIF_HWADDRHINT */
#if ENABLE_LOOPBACK
  /* List of packets to be queued for ourselves. */
  struct pbuf *loop_first;
  struct pbuf *loop_last;
#if LWIP_LOOPBACK_MAX_PBUFS
  u16_t loop_cnt_current;
#endif /* LWIP_LOOPBACK_MAX_PBUFS */
#endif /* ENABLE_LOOPBACK */
};
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