Lwip IP包分片重组

Posted 2020-09-23

1. 开发环境

操作系统：SylixOS

编程环境：RealEvo-IDE3.1

硬件平台：AT9x25开发板

2. 技术实现

SylixOS系统使用的网络协议栈是Lwip协议栈。Lwip是Light Weight (轻型)IP协议，有无操作系统的支持都可以运行。Lwip实现的重点是在保持TCP协议主要功能的基础上减少对RAM 的占用，它只需十几KB的RAM和40K左右的ROM就可以运行，这使Lwip协议栈适合在低端的嵌入式系统中使用。

Lwip协议栈主要关注的是怎么样减少内存的使用和代码的大小，这样就可以让Lwip适用于资源有限的小型平台例如嵌入式系统。为了简化处理过程和内存要求，Lwip对API进行了裁减，可以不需要复制一些数据。

网络协议栈是以层的结构来实现的。链路层具有最大传输单元MTU这个特性，它限制了数据帧的最大长度，不同的网络类型都有一个上限值。以太网的MTU是1500。如果IP层有数据包要传，而且数据包的长度超过了MTU，那么IP层就要对数据包进行分片（fragmentation）操作，使每一片的长度都小于或等于MTU。我们假设要传输一个UDP数据包，以太网的MTU为1500字节，一般IP首部为20字节，UDP首部为8字节，数据的净荷（payload）部分预留是1500-20-8=1472字节。如果数据部分大于1472字节，就会出现分片现象。

本篇文章主要介绍Lwip里对收到的IP分片报文重组的实现。

 2.1      IP报文重组宏观分析

图 21 IP包重组框图

IP包的重组的简单流程如图2-1所示。

首先，Lwip协议里会有一个单向链表，每个结点是一个ip_reassdata的结构体，reassdatagrams指向这个链表。

ip_reassdata结点用来进行分片包的重组，每个结点对应着一个完整的IP包。这个结构体里有一个指向pbuf的成员。当一个IP报文通过ip4_input向上层传输时，会检测是否属于分片包，如果是，则需要进行分片重组。

重组时，会从reassdatagrams链表里查找是否已经有ip_reassdata这个结构体了，如果有，就会改变每个分片包的报头，这里是通过一个ip_reass_helper结构体改变的。改变完之后，会把这个分片包根据偏移插入到ip_reassdata这个结构体后面对应的位置。如果在reassdatagrams链表里查找不到对应的ip_reassdata这个结构体，那么说明这个分片包是收到帧的第一个报文，因此会创建一个新的ip_reassdata结构体，然后再进行后续操作。插入完成后，协议栈会检测报文是否全部接收并重组完成。如果完成，就会从reassdatagrams链表中把ip_reassdata结构体删除并把重组好的报文返回给ip4_input。

2.2      代码分析

IP包的分片重组是通过ip4_reass 这个函数来完成的。判断需要重组时都会调用这个函数，这个函数的主要内容如下：

1. 对收到的IP报文的首部长度检测，Lwip目前是不支持IP报文头带填充位的。

2. 通过IP报文头，获得偏移和数据报文的长度。         

3. lwip的一个特性：它对reassdatagrams链表上的pbuf的总数是有限制的，因此协议栈会判断加上收到的这些pbuf的个数后，会不会超过这个限制。        

4. 如果超过了，会删除链表中存在时间最长的那个。         

5. 从链表中寻找对当前的pbuf对应的ip_reassdata结构体。如果没有，则会新创建一个结构体。          

6. 现在应该已经找到一个合适的 ip_reassdata结构体了，此时会做一个判断：如果当前的这个IP报文的偏移为0并且此时的 ip_reassdata结构体的偏移也不等于0，那么需要把当前的这个IP分片报文的头部拷贝到 ip_reassdata结构体中。        

7. 检测当前收到的IP分片报文是不是最后一个，如果是最后一个，那么，就更新一下当前IP分片报文对应的 ip_reassdata结构体。        

8. 上述两个检测完成之后，会调用ip_reass_chain_frag_into_datagram_and_validate，找到一个合适的地方，把IP分片包插进去。      

9. 检测当前的报文是否组装完成，如果完成，返回一个非0的值。否则，返回0。       

10. 上述检测结果如果是没有完成，则ip4_reass 直接返回。如果完成了，则会对 ip_reassdata结构体的iphdr字段做修改，包括报文总长度、校验和，并且把iphdr字段全部拷贝到第一个分片包的头部，这样，整个IP包的信息就出现在第一个分片包的信息里。        

11. 接下来，把其他的IP分片包的的信息头删除，这样一个完整的IP包就重组完成了。       

最后，调用 ip_reass_dequeue_datagram将ip_reassdata结构体从整个链表中删除。 代码执行到这里，整个重组基本完成。 

3. 参考资料

无

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