lwip ip层处理逻辑梳理

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lwip ip层处理逻辑梳理（IPV4）

ip4_input 核心处理流程如下图所示：

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flowchart TD
A["ip4_input(pbuf p, netif inp)"] --> B["初始检查<br>版本号、长度、校验和"];
B --> C{"目的地址是<br>本机地址?"};
C -- Yes --> D[标记netif为本机];
C -- No --> E{"启用IP_FORWARD<br>且是单播包?"};
E -- Yes --> F["ip4_forward()<br>转发包"];
E -- No --> G[丢弃包];

subgraph C[目的地址判断逻辑]
    C1["多播地址?"] -- Yes --> C2["IGMP Snooping或<br>接口已启动?"];
    C1 -- No --> C3["单播地址?"] -- Yes --> C4["ip4_input_accept(inp)<br>检查接口IP匹配?"];
    C4 -- No --> C5["遍历所有netif<br>寻找匹配接口"];
    C2 -- Yes --> D;
    C2 -- No --> Z[丢弃包];
    C4 -- Yes --> D;
    C5 -- Found --> D;
    C5 -- Not Found --> E;
end

D --> H{"包有分片标志?"};
H -- Yes --> I["ip4_reass()<br>尝试重组"];
I -- 重组未完成 --> Z["释放pbuf, return"];
I -- 重组成功 --> J;
H -- No --> J["检查是否有IP选项(如果宏打开了禁止IP选项)"];

J --> K["剥离IP头部<br>pbuf_remove_header()"];
K --> L["根据IP头协议字段<br>分发给上层协议"];
L --> M["UDP?"] --> N["udp_input()"];
L --> O["TCP?"] --> P["tcp_input()"];
L --> Q["ICMP?"] --> R["icmp_input()"];
L --> S["其他协议"] --> T["发送ICMP不可达或丢弃"];

N & P & R --> U["清理全局变量"];
U --> V["return ERR_OK"];
Z --> V;

IPV4帧头结构：

阶段 1: 初始检查和完整性验证 (Validation)

统计与断言:

  • IP_STATS_INC(ip.recv): 增加IP包接收统计计数器。
  • LWIP_ASSERT_CORE_LOCKED(): 确保核心锁已持有，保证多线程安全。
  • MIB2_STATS_INC(mib2.ipinreceives): 增加MIB2标准统计信息。

版本号检查:

  • if (IPH_V(iphdr) != 4): 检查IP版本号是否为4。如果不是，打印调试信息、释放包并增加错误计数。

长度检查:

  • 获取首部长度: iphdr_hlen = IPH_HL_BYTES(iphdr) （IHL字段 x 4）。
  • 获取总长度: iphdr_len = lwip_ntohs(IPH_LEN(iphdr))。
  • 修剪 pbuf: pbuf_realloc(p, iphdr_len) 确保 p->tot_len 不大于IP包总长度，处理可能存在的链路层填充 (半双工以太网链路层最小帧长64字节)。

全面长度校验: 检查是否满足：

  • (iphdr_hlen >= IP_HLEN) （首部长度至少20字节）
  • (iphdr_hlen <= p->len) （处理逻辑中直接将第一个pbuf的数据强转为ip帧头struct ip_hdr，因此首部必须完全在第一个pbuf内）
  • (iphdr_len <= p->tot_len) （IP包总长度不能大于pbuf总长度）
  • 任何一项失败都意味着包损坏，会被丢弃。

校验和验证:
#if CHECKSUM_CHECK_IP: 如果使能了IP校验和检查，则计算首部校验和并与包中的值对比。如果校验失败，包被丢弃。（许多现代硬件在网卡中完成此操作，软件校验可能被禁用。）

复制地址:
ip_addr_copy_from_ip4(…)：将IP头中的源和目的地址（可能是非对齐的）复制到对齐的全局变量 ip_data.current_iphdr_src/dest 中，便于后续访问。

  • LWIP通过使用特殊的类型定义和编译器指令（packed）来确保即使IP头中的地址非对齐，也能通过多次字节访问（而不是一次32位访问）来安全地读取它。
  • 当编译器遇到一个打包结构体时，它知道访问其成员可能会遇到非对齐地址。因此，编译器会自动生成能够安全处理非对齐内存访问的代码。
  • 这个拷贝是一次性的开销，目的是为了将数据从“需要特殊方式访问”的非对齐位置，移动到一个“可以常规快速访问”的对齐位置。
  • 将IP地址从可能被后续处理（如分片重组）修改或释放的 pbuf 中提取出来，存入稳定的全局上下文 ip_data 中，确保其在整个处理流程中可以被高效使用。

阶段 2: 包的目的地判断 (Destination Decision)

这是路由决策的核心环节，用于确定这个包是否是发给本机的。

处理多播包 (ip4_addr_ismulticast)：如果目的地址是多播地址：

  • 如果使能了IGMP (LWIP_IGMP)：

    • 如果接口属于该多播组 (igmp_lookfor_group)，且目的地址为224.0.0.1，源地址为0.0.0.0，授予豁免权（check_ip_src=0），后续的检查会允许这个“非法”源地址的包通过。（这里特殊处理 224.0.0.1目的地址和 0.0.0.0 源地址。是为了兼容实现了 RFC 4541 标准的 IGMP Snooping 交换机，特许接收那些由交换机生成的、源地址为 0.0.0.0 且发往“所有系统”地址 (224.0.0.1) 的 IGMP 成员报告报文。如果没有这段代码，根据常规的源地址检查规则，这种报文会被视为非法而丢弃。这会导致 IGMP Snooping 交换机无法正常学习组播成员关系，进而破坏整个网络的多播流量优化。）

  • 如果未使能IGMP：只要接口已启动且配置了IP地址，就接受该多播包。

处理单播/广播包:

第一步: 检查接收接口 inp 是否应该接受此包 (ip4_input_accept(inp))。这个函数检查：

  • 接口是否启动 (netif_is_up)。
  • 接口是否配置了IP地址 (!ip4_addr_isany)。
  • 包的目的IP是否与接口的IP地址或广播地址或子网广播地址匹配。

第二步: 如果 inp 不匹配，则遍历所有网络接口 (NETIF_FOREACH)，寻找一个匹配的接口。

特殊处理 (链路层寻址，IP_ACCEPT_LINK_LAYER_ADDRESSING):DHCP 处理，即使目的IP不是本机（例如客户端尚未获取IP，目的可能是 255.255.255.255），如果包是发往DHCP客户端端口（67/68）的UDP包，则仍然接受它，豁免ip源地址检查。这是符合RFC标准的。

源地址合法性检查:检查源IP地址不能是广播或多播地址，防止IP欺骗。DHCP服务器发来的包（源地址为 0.0.0.0）是特例。

最终决定:经过以上所有步骤

  • 如果 netif == NULL，说明没有接口认领这个包，即它不是发给我们的。该条件下，如果使能了转发 (IP_FORWARD) 且不是广播包：调用 ip4_forward(p, iphdr, inp) 尝试将包转发到其他网络。否则：直接丢弃包，更新统计信息。
  • 否则，继续执行下面流程

阶段 3: 预处理与分片重组 (Preprocessing & Reassembly)

检查分片标志: if ((IPH_OFFSET(iphdr) & PP_HTONS(IP_OFFMASK | IP_MF)) != 0)

如果使能了重组 (IP_REASSEMBLY)：调用 p = ip4_reass(p) 尝试将所有分片重组为一个完整的IP数据包。

  • 如果重组未完成（返回 NULL），则直接返回。
  • 如果重组成功，需要重新获取 iphdr 指针。

如果未使能重组：直接丢弃分片包，并增加错误统计。

IP选项检查:

  • 如果禁止了IP选项 (IP_OPTIONS_ALLOWED == 0)：检查首部长度是否大于20字节。如果是，且不是IGMP报文（IGMP包含合法的“路由器警告”选项），则丢弃包。这是一个简化处理，用于资源极度受限的系统。

阶段 4: 向上层协议分发 (Demultiplexing to Transport Layer)

设置全局上下文:
ip_data.current_netif = netif;
ip_data.current_input_netif = inp;
ip_data.current_ip4_header = iphdr;
ip_data.current_ip_header_tot_len = IPH_HL_BYTES(iphdr);
将当前处理的网络接口、IP头等信息设置到 ip_data 全局结构中，供上层协议输入函数使用。

Raw PCB 处理: #if LWIP_RAW：首先调用 raw_input(p, inp)。

  • 如果任何原始套接字“吃掉”了这个包 (RAW_INPUT_EATEN)，则跳过后续处理。
  • 否则，继续后续处理流程

移除IP首部:pbuf_remove_header(p, iphdr_hlen): 调整 pbuf 的 payload 指针，使其指向 传输层首部（如TCP头、UDP头），为上层处理做准备。

协议分发 (switch (IPH_PROTO(iphdr)))，根据IP头中的 Protocol 字段，将包分发给相应的上层协议输入函数：

  • UDP (IP_PROTO_UDP) -> udp_input(p, inp)
  • TCP (IP_PROTO_TCP) -> tcp_input(p, inp)
  • ICMP (IP_PROTO_ICMP) -> icmp_input(p, inp)
  • IGMP (IP_PROTO_IGMP) -> igmp_input(p, inp, …)

对于不支持的协议：如果不是广播/多播包，则发送一个 ICMP 目的地不可达（协议不可达） 报文给源主机。

丢弃包并更新统计信息。

清理:清理全局变量 ip_data 中的当前状态，避免后续处理产生混淆。