一LWIP学习笔记之数据包管理

Posted 2020-10-22 郑钦州

一、数据包管理   

　　TCP/IP 是一种数据通信机制，因此，协议栈的实现本质上就是对数据包进行处理。 数据包管理应该能提供一种高效的机制，使协议栈各层能对数据包进行灵活的处理，同时减少数据在各层间传递时的时间与空间开销，这是提高协议栈工作效率的关键点。 在 LwIP 中，也有个类似的结构，称之为 pbuf，本章所有讨论将围绕 pbuf 而展开。 

1、数据包结构pbuf

　　在 LwIP 中，文件 pbuf.h和 pbuf.c 实现了协议栈数据包管理相关的所有数据结构和函数。结构 pbuf 的定义如下：

————pbuf.h————————————————————
struct pbuf
{
    struct pbuf *next; //构成 pbuf 链表时指向下一个 pbuf 结构
    void * payload; //数据指针，指向该 pbuf 所记录的数据区域
    u16_t tot_len; //当前 pbuf 及其后续所有 pbuf 中包含的数据总长度
    u16_t len; //当前 pbuf 的数据的长度 
    u8_t type; //当前 pbuf 的类型
    u8_t flags; //状态位，未用到
    u16_t ref; //指向该 pbuf 的指针数，即该 pbuf 被引用的次数
}; 

　　tot_len 表示当前 pbuf 和其后所有 pbuf 的有效数据的总长度。pbuf 链表中第一个 pbuf 的 tot_len 字段表示整个数据包的长度，而最后一个 pbuf 的 tot_len 字段必同 len字段相等 。

2、pbuf的类型

　　pbuf有4类：PBUF_RAM、PBUF_ROM、PBUF_REF、PBUF_POOL系统中使用了一个专门的枚举类型 pbuf_type 来描述它们： 

————pbuf.h——————————————————
typedef enum 
{
   PBUF_RAM, //pbuf 描述的数据在 pbuf 结构之后的连续内存堆中
   PBUF_ROM, //pbuf 描述的数据在 ROM 中
   PBUF_REF, //pbuf 描述的数据在 RAM 中，但位置与 pbuf 结构所处位置无关
   PBUF_POOL // pbuf 结构与其描述的数据处于同一内存池中
} pbuf_type;
————————————————————————————————

　　PBUF_RAM 类型的 pbuf 空间是通过内存堆分配得到的。这种类型的 pbuf 在协议栈中是使用得最多的，协议栈的待发送数据和应用程序的待发送数据一般都采用这个形式。申请 PBUF_RAM类型 pbuf 时，协议栈会在内存堆中分配相应空间。 下面来看看源代码是怎样申请PBUF_RAM 型的，在后续讲解函数源代码时也会详细说到。 

p = (struct pbuf*)mem_malloc(LWIP_MEM_ALIGN_SIZE(SIZEOF_STRUCT_PBUF + offset) + LWIP_MEM_ALIGN_SIZE(length));

　　分配成功的 PBUF_RAM 类型 pbuf 如图 7­1 所示。

　　　　　　　　

       从图中可看出 pbuf 结构和相应数据在一片连续的内存区域中，注意 payload 并没有指向整个数据区的起始处，而是间隔了一定区域。这段区域就是上面的 offset，它通常用来存储数据包的各种首部字段，如 TCP 报文首部、IP 首部、以太网帧首部等。 

　　PBUF_POOL 类型和 PBUF_RAM 类型的 pbuf 有很大的相似之处，但它的空间是通过内存池分配得到的。这种类型的 pbuf 可以在极短的时间内得到分配（得益于内存池的优点），在网卡接收数据包时，我们就使用了这种方式包装数据。在申请 PBUF_POOL 类型 pbuf 时，协议栈会在内存池 MEMP_PBUF_POOL 中选择一个或多个POOL，以满足用户空间大小的申请。源代码是通过下面一条语句来完成 POOL 申请的，其中 p 是pbuf 型指针。

 p = memp_malloc(MEMP_PBUF_POOL);

      通常，用户发送的数据可能很长，所以系统会多次调用上面的语句，为用户分配多个 POOL，并把它们按照 pbuf 链表的形式组织在一起，以保证用户的空间请求要求。分配成功的 PBUF_POOL 类型 pbuf 示意如图 7­2所示。 

　　　　　　　　

      PBUF_ROM 和 PBUF_REF 类型的 pbuf 基本相同，它们的申请都是在内存池中分配一个相应的 pbuf结构（即 MEMP_PBUF 类型的 POOL），而不申请数据区的空间 在发送某些静态数据时，可以采用这两种类型的 pbuf，这将大大节省协议栈的内存空间。下面来看看源代码是怎样申请 PBUF_ROM 和PBUF_REF 类型的，其中 p 是 pbuf 型指针。 

　　　　　　　　

3、数据包申请函数

      数据包申请函数有两个重要的参数，一是想申请的数据包 pbuf 类型，这个刚说过了，不啰嗦；另一个重要参数是该数据包是在协议栈中哪一层被申请的，分配函数会根据这个层次的不同，在 pbuf 数据区域前为相应的协议预留出首部空间，这就是前面所说的 offset 值了。总的来说，LwIP 定义了四个层次，当数据包申请时，所处的层次不同，会导致预留空间的 offset值不同。层次的定义是通过一个枚举类型 pbuf_layer 来实现的，如下代码所示： 

————pbuf.h——————————————
#define PBUF_TRANSPORT_HLEN 20 //TCP 报文首部长度
#define PBUF_IP_HLEN 20 //IP 数据报首部长度
typedef enum 
{
　　PBUF_TRANSPORT, //传输层
　　PBUF_IP, //网络层
　　PBUF_LINK, //链路层
　　PBUF_RAW //原始层，不预留任何空间
} pbuf_layer;

　　PBUF_TRANSPORT_HLEN 和 PBUF_IP_HLEN，前者是典型的 TCP 报文首部长度，而后者是典型的不带任何选项字段的 IP 首部长度

//参数 layer，指定该 pbuf 数据所处的层次，分配函数根据该值在 pbuf 数据区预留出
//首部空间；length 表示需要申请的数据区长度，type 指出需要申请的 pbuf 类型
struct pbuf *pbuf_alloc(pbuf_layer layer, u16_t length, pbuf_type type)

p = pbuf_alloc(PBUF_RAW, packetLength, PBUF_POOL);

　　这个调用语句申请了一个 PBUF_POOL 类型的 pbuf，且其申请的协议层为 PBUF_RAW，所以pbuf_alloc 函数不会在数据区前预留出任何首部空间；通过使用 p­>payload，就可以实现对 pbuf 中数据区的读取或写入操作了。 

　　在 TCP 层要申请一个数据包时，常常调用下面的语句：

p = pbuf_alloc(PBUF_TRANSPORT, optlen, PBUF_RAM)

　　它告诉数据包分配函数，使用 PBUF_RAM 类型的 pbuf，且数据区前应该预留一部分的首部空间，由于这里是 PBUF_TRANSPORT 层，所以预留空间将有 54 字节，即 TCP 首部长度PBUF_TRANSPORT_HLEN（20 字节）、IP 数据包首部长度 PBUF_IP_HLEN（20 字节）以及以太网帧首部长度（14 字节）。当数据包往下层递交，各层协议就可以直接操作这些预留空间中的数据，以实现数据包首部的填写，这样就避免了数据的拷贝。 

4、数据包释放函数　　

　　假如现在我们的 pbuf 链表由 A，B，C 三个 pbuf 结构连接起来，结构为 A­­­>B­­­>C，利用 pbuf_free(A)函数来删除 pbuf 结构，下面用 ABC 的几组不同 ref值来看看删除结果：

　　（1）1­>2­>3 函数执行后变为 ...1­>3，节点 BC 仍在；
　　（2）3­>3­>3 函数执行后变为 2­>3­>3，节点 ABC 仍在；
　　（3）1­>1­>2 函数执行后变为......1，节点 C 仍在；
　　（4）2­>1­>1 函数执行后变为 1­>1­>1，节点 ABC 仍在；
　　（5）1­>1­>1 函数执行后变为.......，节点全部被删除。
　　假如在上面的第（4）种情况下，错误的调用数据包释放函数，如 pbuf_free(B)，这会导致严重的错误。

//函数的返回值为成功删除的 pbuf 个数
u8_t pbuf_free(struct pbuf *p)

　　当可以删除某个 pbuf 结构时，函数 pbuf_free 首先检查这个 pbuf 是属于四个类型中的哪种，根 据类 型的不 同， 调用不 同的 内存释 放函 数进 行删 除。 

　　内存池memp_free->MEMP_PBUF_POLL->PBUF_POOL

　　　　　　　　　　->MEMP_PBUF->PBUF_ROM  

　　　　　　　　　　　　　　          ->PBUF_REF

　　内存堆mem_free->PBUF_RAM

5、其他数据包操作函数

　　pbuf_realloc 函数在相应 pbuf（链表）尾部释放一定的空间，将数据包 pbuf 中的数据长度减少为某个长度值。对于 PBUF_RAM 类型的 pbuf，函数将调用内存堆管理中介绍到的 mem_realloc 函数，释放这些多余的空间；对于其他三种类型的 pbuf，该函数只是修改 pbuf 中的长度字段值，并不释放对应的内存池空间。

　　pbuf_header 函数用于调整 pbuf 的 payload 指针（向前或向后移动一定的字节数），在前面也说到过了，在 pbuf 的数据区前可能会预留一些协议首部空间，而 pbuf 被创建时，payload 指针是指向数据区的，为了实现对这些预留空间的操作，可以调用函数 pbuf_header 使 payload 指针指向数据区前的首部字段，这就为各层对数据包首部的操作提供了方便。当然，进行这个操作的时候，len和 tot_len 字段值也会随之更新。

　　pbuf_take 函数用于向 pbuf 的数据区域拷贝数据；pbuf_copy 函数用于将一个任何类型的 pbuf中的数据拷贝到一个 PBUF_RAM 类型的 pbuf 中。pbuf_chain 函数用于连接两个 pbuf（链表）为一个 pbuf 链表；pbuf_ref 函数用于将 pbuf 中的 ref 值加 1。