LwIP协议栈详解：关键部分深度解析

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"LwIP协议详解_老衲五木+目录" 本文档是老衲五木撰写的一份关于LwIP协议栈的详细解析，旨在帮助读者理解和掌握LwIP的核心功能和常见应用场景。LwIP（Lightweight IP）是一个开源的、轻量级的TCP/IP协议栈，常用于嵌入式系统中，因为它占用资源少，易于移植。文档首先介绍了作者写作的背景和动机，以及文档的覆盖范围。作者指出，虽然文章并未涵盖LwIP的所有组件，但重点讲解了在实际应用中最为关键的部分，如内存管理、网络接口管理、ARP、IP、TCP及API层等。对于不常用或不具有广泛使用性的部分，如UDP、DHCP、DNS、IGMP、SNMP、PPP等，文档没有进行深入探讨。接下来，文档的结构分为多个章节，包括： 1. **移植综述**：这部分会介绍如何将LwIP协议栈移植到不同的硬件平台，涉及到与操作系统、硬件中断和网络驱动的集成，以及配置LwIP的选项以适应特定需求。 2. **动态内存管理**：LwIP的内存管理机制是其高效运行的关键，这里会详细讲解如何分配和释放内存，以及如何优化内存使用以避免碎片。 3. **数据包pbuf**：pbuf是LwIP用来处理网络数据包的数据结构，这部分会解释pbuf的工作原理，如何创建、链接和操作pbuf，以及如何处理网络层的数据包。 4. **网络接口管理**：涵盖如何配置和管理网络接口，包括设置MAC地址、获取IP地址，以及处理物理层的收发数据。 5. **ARP层**：地址解析协议（ARP）用于将IP地址映射到物理地址，这部分会介绍ARP的工作流程和LwIP中的ARP实现。 6. **IP层**：IP层处理网络层的通信，包括IP包的封装、解封装，路由选择，以及IP选项的处理。 7. **TCP层**：TCP是面向连接的传输层协议，这部分将详细阐述TCP的状态机、拥塞控制、滑动窗口机制，以及LwIP中TCP连接的建立、维护和关闭。 8. **API层**：LwIP提供了一系列的应用编程接口，用于应用程序与协议栈交互，这部分会解释这些API的使用方法和注意事项。最后，作者鼓励读者通过电子邮件与其交流，共同探讨技术问题，以促进共同进步，并明确表示允许读者自由使用和分享文档，但需保留作者信息。通过这份文档，读者可以深入了解LwIP协议栈的运作机制，为在嵌入式系统中实现TCP/IP功能提供坚实的基础。

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5 网络接口结构

网络接口结构网络接口结构

网络接口结构

我只是不想，将这份心动付诸言语。前面还有一句：信任他人，并不意味着软弱。我只

是假装对万物一无所知，好借此获得你所有的温柔。谢谢你所做的一切，现在一切又将重新

开始。我只有将这份无法忘怀的思念送给你。

人们总说”黑夜会过去”，但那只是善意的谎言。我想就算一个人，应该也能生存下去，

因为你的笑容已经永远铭刻在我心中，还有那应该已经被我舍弃的信任别人的心。

以上内容系剽窃于某某美女的歌词。

今天我们来讨论 LWIP 是怎样来处理与底层硬件，即网卡芯片间的关系的。为什么要首

先讨论这个问题呢？与许多其他的 TCP／IP 实现一样，LWIP 也是以分层的协议为参照来设

计实现 TCP／IP 的。LWIP 从逻辑上看分为四层：链路层、网络层、传输层和应用层。注意，

虽然 LWIP 也采用了分层机制，但它没有在各层之间进行严格的划分，各层协议之间可以进

行或多或少的交叉存取，即上层可以意识到下层协议所使用的缓存处理机制。因此各层可以

更有效地重用缓冲区。而且，应用进程和协议栈代码可以使用相同的内存，应用可以直接读

写内部缓存，因此节省了执行拷贝的开销。我们将从 LWIP 的最底层链路层起步，开始整

个 LWIP 内部协议之旅。

在 LWIP 中，是通过一个叫做 netif 的网络结构体来描述一个硬件网络接口的。这个接

口结构比较简单，下面我们从源代码结构来分析分析这个结构：

struct netif {

struct netif *next; // 指向下一个 netif 结构的指针

struct ip_addr ip_addr; // IP 地址相关配置

struct ip_addr netmask;

struct ip_addr gw;

err_t (* input)(struct pbuf *p, struct netif *inp); //调用这个函数可以从网卡上取得一个

// 数据包

err_t (* output)(struct netif *netif, struct pbuf *p, // IP 层调用这个函数可以向网卡发送

struct ip_addr *ipaddr); // 一个数据包

err_t (* linkoutput)(struct netif *netif, struct pbuf *p); // ARP 模块调用这个函数向网

// 卡发送一个数据包

void *state; // 用户可以独立发挥该指针，用于指向用户关心的网卡信息

u8_t hwaddr_len; // 硬件地址长度，对于以太网就是 MAC 地址长度，为 6 各字节

u8_t hwaddr[NETIF_MAX_HWADDR_LEN]; //MAC 地址

u16_t mtu; // 一次可以传送的最大字节数，对于以太网一般设为 1500

u8_t flags; // 网卡状态信息标志位

char name[2]; // 网络接口使用的设备驱动类型的种类

u8_t num; // 用来标示使用同种驱动类型的不同网络接口

};

next 字段是指向下一个 netif 结构的指针。我们的一个产品可能会有多个网卡芯片，LWIP

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会把所有网卡芯片的结构体链成一个链表进行管理，有一个 netif_list 的全局变量指向该链

表的头部。next 字段就是用于链表用。

ip_addr、netmask、gw 三个字段用于发送和处理数据包用，分别表示 IP 地址、子网掩

码和网关地址。前两个字段在数据包发送时有重要作用，第三个字段似乎没什么用。IP 地

址和网卡设备必须一一对应。如果你连什么叫 IP 地址、子网掩码和它们的作用都不晓得，

那你有必要去看看 TCP/IP 协议详解卷 1 第三章。

input 字段指向一个函数，这个函数将网卡设备接收到的数据包提交给 IP 层，使用时将

input 指针指向该函数即可，后面将详细讨论这个问题。该函数的两个参数是 pbuf 类型和 netif

类型的，返回参数是 err_t 类型。其中 pbuf 代表接收到的数据包。

output 字段向一个函数，这个函数和具体网络接口设备驱动密切相关，它用于 IP 层将

一个数据包发送到网络接口上。用户需要根据实际网卡编写该函数，并将 output 字段指向

该函数。该函数的三个参数是 pbuf 类型、netif 类型和 ip_addr 类型，返回参数是 err_t 类型。

其中 pbuf 代表要发送的数据包。ipaddr 代表网卡需要将该数据包发送到的地址，该地址应

该是接收实际的链路层帧的主机的 IP 地址，而不一定为数据包最终需要到达的 IP 地址。

例如，当要发送 IP 信息包到一个并不在本地网络里的主机上时，链路层帧会被发送到网络

里的一个路由器上。在这种情况下，给 output 函数的 IP 地址将是这个路由器的地址。

linkoutput 字段和上面的 output 基本上是起相同的作用，但是这个函数是在 ARP 模块中

被调用的，这里不赘述了。注意这个函数只有两个参数。实际上 output 字段函数的实现最

终还是调用 linkoutput 字段函数将数据包发送出去的。

state 字段可以指向用户关心的关于设备的一些信息，用户可以自由发挥，也可以不用。

hwaddr_len 和 hwaddr[]表示 MAC 地址长度和 MAC 地址，一般 MAC 地址长度为 6。

mtu 字段表示该网络一次可以传送的最大字节数，对于以太网一般设为 1500，不多说。

flags 字段是网卡状态信息标志位，是很重要的控制字段，它包括网卡功能使能、广播

使能、ARP 使能等等重要控制位。

name[]字段用于保存每一个网络网络接口的名字。用两个字符的名字来标识网络接口使

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络接口表示的硬件的种

类。比如蓝牙设备（bluetooth）的网络接口名字可以是 bt，而 IEEE 802.11b WLAN 设备的

名字就可以是 wl，当然设置什么名字用户是可以自由发挥的，这并不影响用户对网络接口

的使用。当然，如果两个网络接口具有相同的网络名字，我们就用 num 字段来区分相同类

别的不同网络接口。

到这里，你可能一头雾水，太抽象的东西太容易让人纠结。好吧，我们举个例子来看

看一个以太网网卡接口结构是这样被初始化，还有数据包是如何接收和发送的。先来看初始

化过程，源码：

static struct netif enc28j60; (1)

struct ip_addr ipaddr, netmask, gw; (2)

IP4_ADDR(&gw, 192,168,0,1); (3)

IP4_ADDR(&ipaddr, 192,168,0,60); (4)

IP4_ADDR(&netmask, 255,255,255,0); (5)

netif_init(); (6)

netif_add(&enc28j60, &ipaddr, &netmask, &gw, NULL, ethernetif_init, tcpip_input); (7)

netif_set_default(&enc28j60); (8)

netif_set_up(&enc28j60); (9)

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上面的(1)声明了一个 netif 结构的变量 enc28j60，由于在我的板子上使用的是网卡芯片

enc28j60，所以我选择使用了这个名字。(2)声明了三个分别用于暂存 IP 地址、子网掩码和

网关地址的变量，它们是 32 位长度的。(3)~ (5)分别是对上述三个地址值的初始化，该过程

简单。

(6)很简单，它只需初始化上面所述的全局变量 netif_list 即可：netif_list = NULL。

(7)调用 netif_add 函数初始化变量 enc28j60，其中比较重要的两个参数是 ethernetif_init

和 tcpip_input，前者是用户自己定义的底层接口初始化函数，tcpip_input 函数是向 IP 层递交

数据包的函数，从前面的讲述中可以很明显的看出，该值会被传递给 enc28j60 的 input 字段。

再来看看源码：

struct netif *

netif_add(struct netif *netif, struct ip_addr *ipaddr, struct ip_addr *netmask,

struct ip_addr *gw,

void *state,

err_t (* init)(struct netif *netif),

err_t (* input)(struct pbuf *p, struct netif *netif))

{

static u8_t netifnum = 0;

netif->ip_addr.addr = 0; //复位变量 enc28j60 中各字段的值

netif->netmask.addr = 0;

netif->gw.addr = 0;

netif->flags = 0; //该网卡不允许任何功能使能

netif->state = state; //指向用户关心的信息，这里为 NULL

netif->num = netifnum++; //设置 num 字段，

netif->input = input; //如前所诉，input 函数被赋值

netif_set_addr(netif, ipaddr, netmask, gw); //设置变量 enc28j60 的三个地址

if (init(netif) != ERR_OK) { //用户自己的底层接口初始化函数

return NULL;

}

netif->next = netif_list; //将初始化后的节点插入链表 netif_list

netif_list = netif; // netif_list 指向链表头

return netif;

}

上面的初始化函数调用了用户自己定义的底层接口初始化函数，这里为 ethernetif_init，再来

看看它的源代码：

err_t ethernetif_init(struct netif *netif)

{

netif->name[0] = IFNAME0; //初始化变量 enc28j60 的 name 字段

netif->name[1] = IFNAME1; // IFNAME 在文件外定义的，这里不必关心它的具体值

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6 以太网数据接收

以太网数据接收以太网数据接收

以太网数据接收

少壮不努力，长大写程序。悲剧！

昨天说到 low_level_init 函数是与我们使用的与硬件密切相关初始化函数，看看：

static void low_level_init(struct netif *netif)

{

netif->hwaddr_len = ETHARP_HWADDR_LEN; //设置变量 enc28j60 的 hwaddr_len 字段

netif->hwaddr[0] = 'F'; //初始化变量 enc28j60 的 MAC 地址

netif->hwaddr[1] = 'O'; //设什么地址用户自由发挥吧，但是不要与其他

netif->hwaddr[2] = 'R'; //网络设备的 MAC 地址重复。

netif->hwaddr[3] = 'E';

netif->hwaddr[4] = 'S';

netif->hwaddr[5] = 'T';

netif->mtu = 1500; //最大允许传输单元

//允许该网卡广播和 ARP 功能，并且该网卡允许有硬件链路连接

netif->flags = NETIF_FLAG_BROADCAST | \

NETIF_FLAG_ETHARP | NETIF_FLAG_LINK_UP;

enc28j60_init(netif->hwaddr); //与底层驱动硬件驱动程序密切相关的硬件初始化函数

}

至此，终于变量 enc28j60 被初始化好了，而且它描述的网卡芯片 enc28j60 也被初始化好了，

而且变量 enc28j60 也被链入链表 netif_list。

接着上上上上面的语句(8)调用 netif_set_default 函数初始化缺省网络接口。协议栈除了

有个 netif_list 全局变量指向 netif 网络接口结构的链表，还有个全局变量 netif_default 全局变

量指向缺省的网络接口结构。当 IP 层有数据发送时，它首先会以 netif_list 为索引选择满足

某个条件的网络接口发送数据包，但是，当找不到这样的接口时，协议栈就会调用缺省的网

络接口直接发送数据包，所以(8)中的意思是把变量 enc28j60 描述的网络接口设置为缺省的

网络接口。

(9) 调用函数 netif_set_up 使能网络接口，这通过一个简单语句来实现：

netif->flags |= NETIF_FLAG_UP;

至此，网卡初始化完成，能正常接收和发送数据包了。下面我们来讨论讨论关于网卡数

据包的接收和发送。

LWIP 中实现了接收一个数据包和发送一个数据包函数的框架，这两个函数分别是

low_level_input 和 low_level_output，用户需要使用实际网卡驱动程序完成这两个函数。在第

一篇中讲过，一个典型的 LWIP 应用系统包括这样的三个进程：首先是上层应用程序进程，

然后是 LWIP 协议栈进程，最后是底层硬件数据包接收进程。这里我们就来讲讲第三个进程，

看看数据包是怎样被接收并往上层传递的。但在这之前，有必要说说以太网网卡所收到的数

据包的格式。如下图，

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lwip_pkt_handle();

ethernetif_input( void * pvParameters )如何在LwIP_Pkt_Handle中调用

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