姓名：朱小鹏    学号：16010130023

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【嵌牛导读】：上一节还遗留有一个问题：IP分片包是怎么被插入相应的组装链表的。这里用一个直观的图形来解释这一过程。

【嵌牛鼻子】：IP层

【嵌牛提问】：LWIP中的IP层如何进行信息包的接收、分片数据包重装、信息包的发送和转发？

【嵌牛正文】：

上一节还遗留有一个问题：IP分片包是怎么被插入相应的组装链表的。这里用一个直观的图形来解释这一过程。VISO表示不太会用，图画得乱78糟的。

图中展示了有两个数据包正在被组装的过程，两个ip_reassdata结构分别用于两个数据包的组装过程。第一个数据包已经组装好了两个分片数据，第二个组装好了一个分片数据。LWIP并不像标准协议中描述的那样，另外分配一个数据结构来描述各个分片数据，而是直接利用各个分片数据，将数据中IP头部的前八个字节拿来存储组装过程中的相关信息，因此每个进来的IP分片数据包头都被改变了，也因此要使用ip_reassdata结构中的iphdr字段来暂时保存IP数据包的完整头部。

这八个字节被变成了什么值呢，这就是结构体ip_reass_helper的内容了。这个结构体就是组装过程中最为重要的结构体了。看看，这恐怕是最简单的一个结构体了。

struct ip_reass_helper {

struct pbuf *next_pbuf;

u16_t start;

u16_t end;

};

next_pbuf字段在组装过程中用来连接各个分片数据包；start字段用来记录该分片数据包数据在整个IP包中的起始位置；同理，end字段表示在IP包中的结束位置。

函数ip_reass_chain_frag_into_datagram_and_validate(PS：神，这个函数名太长了)用来向一个ip_reassdata结构中插入一个IP分片包pbuf，插入后检查该IP包是否被组装完毕，未组装完毕则返回0，否则返回非0值。很明显，这个函数的输入参数有两个，ip_reassdata结构和分片包pbuf。下面仔细看看这个函数名最长的函数到底干了些什么工作。

首先它会从该IP分片包的头部中提取信息，包括分片数据的起始偏移地址offset和分片数据的长度len，之后它将该IP分片包的头部得前八个字节强制转换为ip_reass_helper结构，并将start字段的值置为offset；end字段的值置为offset+len；next_pbuf字段的值置为NULL。到这里，进来的这个分片包已经被改变面貌了，它的IP头部已经被毁坏，下面就会将这个改头换面的分片包进行插入操作了。插入操作主要是利用比较各个ip_reass_helper的start和end字段的值以确定这个分片包被插在链表中的哪个位置，插入位置的寻找是整个组装过程中最难理解的部分了，但从原理上看是很简单的一个过程，这里不再对查找插入位置及插入操作的源码做解析。

到这步，分片的数据包已经被插入到相应的ip_reassdata结构后的链表中了，此时这个函数名最长的函数要检查是否这个ip_reassdata对应的数据包已经组装完毕。这里要分两步来看，第一是判断该数据包的最后一个分片包是否已经到来，在上面一节中已经讲过，当收到的IP分片包为某个IP包的最后一个分片时，函数ip_reass会把对应ip_reassdata结构的flags字段置1，所以，如果检测到某个ip_reassdata结构的flags字段仍为0，说明最后一个分片还未被收到，IP数据包组装肯定还未完成，此时，函数名最长的函数直接返回0即可。第二步，如果发现flags字段置1，说明最后一个分片包已经收到，但是整个IP是否被组装完毕还是未知，因为在网络上，分片包不是每次都能按次序到达，因此，收到的最后一个分片数据包不一定是最后一个分片包。此时需要遍历ip_reassdata结构后面的各个分片包链表，以检测是否还有分片包未被接收到。

到这步，ip_reass_chain_frag_into_datagram_and_validate函数就完成工作了，它将分片的数据插入了某个ip_reassdata结构的数据分片链表，并检测该IP数据包是否被组装完毕，组装完毕则返回一个非0值，否则返回0值。

这里，我们有回到了ip_reass函数，ip_reass通过函数调用将某个分片数据包插入相应的个ip_reassdata结构后，通过函数的返回值来决定要做的下一步操作。如果数据包组装未完成，ip_reass函数需要向调用它的函数返回一个空指针，如果数据包组装完成，它就要向调用它的函数返回这个组装好的数据包。从上面的图中可以看出，被组装好的数据包是全部分片被挂接在一个ip_reassdata结构上的，ip_reass函数需要从这个ip_reassdata结构上取下相应的各个分片数据，并删除各个分片中的不必要信息，然后将整个数据包返回给调用者。为了完成这个任务，ip_reass函数进行了下面的工作。

先将ip_reassdata结构中的iphdr字段各个值做相应的修正，如修正报文总长度、校验和，然后将iphdr字段全部拷贝到第一个分片包的IP头部字段中，这样整个IP数据包的头部就出现在第一个分片信息包中了，接下来从第二个分片包开始，将它们的IP头部信息删除，这样，一个完整的IP数据包就重新组装好了。最后，调用ip_reass_dequeue_datagram函数删除数据包组装过程中使用的ip_reassdata结构体，即从上图所述的reassdatagrams链表删除对应reassdata的节点。好了，功德圆满！

这个圈子绕得有点大，本来是在讲ip_input函数的，结果就讲到了ip_reass函数，后来又讲到了ip_reass_chain_frag_into_datagram_and_validate函数。没办法，谁让后面两个函数是为ip_input函数服务的呢！ip_input函数使用ip_reass组装好的数据包递交到上层TCP或UDP等应用中去，在前面已经讲过了。

现在我们还是要回到原路上，走上ip_input这条道路。ip_input的基本流程已经在前面讲得很清楚了，还有一个函数为它服务，即ip_forward函数，它主要是完成数据包的转发工作，当设备接收到的数据包不是给自己的时候，它就可以选择将该数据包转发出去，本来这里没有必要讲ip_forward函数的，因为在一般的应用中，这项功能会被禁止，设备收到不是给自己的数据包时，将在ip_input函数处理的初期被丢弃。但到目前，我们还未涉及到任何关于IP数据包发送的内容，考虑了很久，还是觉得应该把ip_forward函数讲解一下，因为数据包的转发与数据包的发送是完全一样的原理，使用了完全相同的接口函数，因此讲解了ip_forward函数就等于讲解了IP层数据包发送的所有工作细节。在TCP层或UDP层必然涉及到数据包的发送工作，在这里就利用ip_forward函数将IP层数据包发送的整个过程讲解清楚，这样逻辑清楚，利于理解！

当收到一个IP数据包后，LWIP会遍历所有网络接口的IP地址，判断这个数据包是不是给自己的，如果不是，就要调用收到该数据包的那个网络接口将数据包转发出去。但是不慌，转发前还要检测这个包是不是一个广播包，如果是，直接丢弃，不做处理。现在来看看数据包转发函数ip_forward做了哪些工作呢，这个函数的输入参数有三个：要转发的数据包指针，要转发的数据包的IP报头指针，收到该数据包的的网络接口数据结构netif指针。

首先，调用ip_route函数找到转发该数据包应该使用的网络接口，ip_route函数以数据包IP报头中的目标地址为参数，查找应该使用的相关结构。如果找不到满足要求的接口，则选择缺省网络接口。ip_route函数现在这里打住，在讲完ip_forward函数之后，再对它进行详细的讲解。

ip_forward检查ip_route函数找到的网络接口是否为有效，所谓有效，即不能为空，也不能为接收到该IP包的那个接口。当判定网络接口为无效时，数据包不会被转发。当可以用某个网络接口转发数据包时，ip_forward先将该IP报头中TTL字段值减1，若TTL变为0，则需要向源主机发送一份超时ICMP信息，表示当前数据包的生存周期到了，这个数据包在这里被丢弃，不会被转发出去。至于怎样发送这个超时的ICMP信息包，这就涉及到IP层数据包的发送函数ip_output了，我们将在后面慢慢道来。

接下来函数重新计算头部校验和，因为头部TTL字段的值已经被修改，最后调用netif结构注册的output函数，该函数将数据包组装成以太网数据帧并发送出去。前面说过了，这个函数就是etharp_output。

到这里ip_forward函数的工作就完成了，还剩下两个问题，ip_route函数和怎样发送一个超时的ICMP信息包出去。这里讲解第一个问题，第二个问题放在ICMP部分。ip_route函数以目标IP地址为输入参数，然后在网络接口结构链表netif_list上找寻与该IP地址在同一子网上的网络接口，若找到则返回满足要求的网络接口，若找不到则返回缺省网络接口。如此的简单，不多说。