程序蒙太奇——Stellaris开发板网络部分小记（1）

richiefang

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喜欢看电影和影评的同学，一定听说过“蒙太奇”这个术语。蒙太奇（montage）来自法文，大致意思就是，把几件并行发生的事情，剪辑成片段，穿插着表现出来。格里菲斯导演的《党同伐异》中，导演就巧妙地把时空相距甚远的不同活动剪辑在一起，开创了蒙太奇手法的滥觞，如下面的情节：男主角被判处了死刑，即将被押赴刑场处决。女主角拿到了国王的特赦令，飞马赶到刑场在最后时刻救下了男主角。电影中将这两件并行发生的事情，剪切成片段，轮番在银幕上展示，让观众的心悬到了最高点。这也成为后来的电影情节中常见的桥段。
　　在计算机的世界中，“蒙太奇”的手法，也是很常用的。特别地，在嵌入式系统中，由于来自外部硬件输入是多方面的，所以，使用，“蒙太奇”的方法，用并行的思想，来阅读理解串行方式执行的程序，会使得程序变得更容易理解。下面，我们就用“蒙太奇”的方法，来看看Stellaris开发板附带的演示程序中，网络部分的代码。

richiefang

当Stellaris的以太网接口和带有DHCP服务器的交换机/路由器相连，以太网接口会获取一个IP地址，如192.168.1.102这样的地址。为了验证这个IP地址的有效性，我们可以从其他PC机ping这个地址以测试之：

C:\Documents and Settings\Richie>ping 192.168.1.102

Pinging 192.168.1.102 with 32 bytes of data:

Reply from 192.168.1.102: bytes=32 time=4ms TTL=128
Reply from 192.168.1.102: bytes=32 time=3ms TTL=128
Reply from 192.168.1.102: bytes=32 time=2ms TTL=128
Reply from 192.168.1.102: bytes=32 time=2ms TTL=128

其实，ping的过程，是分为两个阶段的：
1、PC机的以太网适配器向3S8962发出一个ARP学习请求报文，3S8962的以太网接收到以后，以一个ARP应答报文回应之；
2、PC机依据学习到的ARP表项中的MAC地址，向3S8962发出一个ICMP Echo报文，3S8962接受以后，上送lwIP协议栈处理，lpIP协议栈构造一个ARP Echo Reply报文，回应之。

richiefang

我们可以看到，ping的两个阶段，从驱动程式的角度来看，其实是一样的：
硬件收到报文，触发一个中断，在中断处理程序中将报文上送给lwIP协议栈，lwIP协议栈回应一个报文，通过驱动再发送出来。

被MM抓去擦地了，擦完再说。

David_Lee

原帖由 richiefang 于 2010-5-23 14:27 发表
我们可以看到，ping的两个阶段，从驱动程式的角度来看，其实是一样的：
硬件收到报文，触发一个中断，在中断处理程序中将报文上送给lwIP协议栈，lwIP协议栈回应一个报文，通过驱动再发送出来。

被MM抓去擦地了 ...

擦完没啊，等着呢。

chenzhufly

擦地擦累了，上床去了

richiefang

:$您也是有经验的人了...擦地和上床可都是体力活...:$

richiefang

天上人间，在这里是“天上” “人间”两个分立的词语，和最近很火的某件事情没有什么关系。
对于驱动（内核层）和应用层，在系统中，就如同天上和人间一样。数据包从网卡驱动收上来以后，就从天上进入了人间。下面，我们就来看看，天上和人间的转捩点。

安装了Stellaris开发套件以后，lwip协议栈的代码，就在这个目录：
D:\StellarisWare\third_party\lwip-1.3.0 (假设安装在D盘)

该目录下的ports/stellaris目录下，有stellaris相关的文件。其中，我们要注意函数stellarisif_interrupt，这个函数是Stellaris处理器的以太网中断服务程序(Interrupt Handler)，只要以太网发生数据包接收事件，会触发中断，由这个函数来处理进入的一切数据包。

richiefang

在这里小打一个岔，介绍一下lwIP协议栈的数据分配单元pbuf。
阅读过《TCP/IP详解》第二卷的同学，一定知道在FreeBSD中，网络数据包的处理都是基于mbuf的，每个mbuf中可以存放数据包的一个片段，他们构成的mbuf链组成了数据包。类似的，在lwIP协议栈中，定义了一个pbuf结构体，它的定义在src/include/lwip/pbuf.h中。由于lwIP多用于轻量级嵌入式系统，所以，pbuf也比mbuf简单得多。它只有以下成员：
struct pbuf {
  struct pbuf *next; /* 指向下一个pbuf */
  void *payload; /* 指向有效数据 */
  u16_t tot_len; /* pbuf链的总长度 */
  u16_t len;  /* 该pbuf的数据长度 */
  u8_t  type; /* pbuf类型 */
  u8_t flags; /* pbuf标志 */
  u16_t ref; /* 引用计数，统计有多少个指针指向这个pbuf */

#if LWIP_PTPD /* 条件编译选项，时间戳支持 */
  u32_t time_s; /* 接收到该数据包的时间，秒计数 */
  u32_t time_ns; /* 接收到该数据包的时间，毫秒计数 */
#endif
};

为什么单独打个岔写这个家伙呢？因为，随着学习的深入，我们会发现这个家伙无所不在……

richiefang

看过《智取威虎山》的同学一定记得这个情节，杨子荣当卧底之前对切口：
“天王盖地虎？”
“宝塔镇河妖。”
只有对上了“切口”，后面的通讯才有得谈。
以太网通信也类似。我们知道，以太网向对方发送数据包，需要知道对方的MAC地址。在只知道对方IP地址的情况下，就需要通过ARP应答机制来学习对方MAC。
发送方问：“Who has ip 192.168.1.102?” (天王盖地虎)
192.168.1.102所在的网卡回答：“I have!” (宝塔镇河妖！)
这就对上了切口，才有后面的故事：为剿匪先把土匪扮，似尖刀插进威虎山，誓把座山雕埋葬在山涧，壮志撼山岳，雄心镇深渊，待等到与战友会师百鸡宴，捣匪巢定叫他地覆天翻～～～～～～～
糟糕，不小心跑题了。我们回来继续说智取威虎山，哦，不，是lwip。

当PC机发起一次ping，并且不知道Stellaris的MAC地址的时候，PC机会送出一个ARP请求，其地址是广播MAC: ffff-ffff-ffff，交换机(switch)收到这样一个报文会将其泛洪(flooding)到除了这个包输入接口以外的每个接口上。这样，stellaris就是接收者之一。
前面说到，在这种情形下，会触发LM3S8962的以太网中断，报文在函数stellarisif_interrupt中压进软件队列，在函数stellarisif_input中取出。
stellarisif_input调用ethernet_input处理，这里是第一个分歧点。在函数ethernet_input中，进行以太网报文的分类。ARP报文的种类为0x0806，在代码中用宏ETHTYPE_ARP表示：
...
case ETHTYPE_ARP:
  etharp_arp_input(...);
  break;
...

etharp_arp_input函数的功能，就是根据RFC826，接收ARP，判断是否是自身的IP地址并回复的一个过程。
注意这一段：
/* 判断是否是自己的IP地址 */
  if (netif->ip_addr.addr == 0) {
for_us = 0;
  } else {
for_us = ip_addr_cmp(&dipaddr, &(netif->ip_addr));
  }

  /* 如果是则更新自身的ARP表项 */
  if (for_us) {

update_arp_entry(netif, &sipaddr, &(hdr->shwaddr), ETHARP_TRY_HARD);

  } else {

update_arp_entry(netif, &sipaddr, &(hdr->shwaddr), 0);
  }

  switch (htons(hdr->opcode)) {
   case ARP_REQUEST:
....
if (for_us) {
      ....
      netif->linkoutput(netif, p);
}

大家注意到最后的这句吗？ netif->linkoutput(netif, p); 这实际上是将构造的报文发送出去。netif是描述网络接口的一个结构体，linkoutput是它的一个成员，是一个函数指针，指向网络接口的发送函数。这个指针在初始化时，指向了low_level_output，最后调用low_level_transmit向硬件发送报文。这样，一个ARP应答报文就发出了。
关于ARP机制，如果想了解更多，可以查阅《TCP/IP详解》的第三章。

bbandpp

狂顶啊，楼主继续~

acai1123

正在学习中，好帖，收藏了！

lilong8470

继续努力！！

richiefang

有道是：
王八看绿豆——越看越对眼。
赵薇看周迅——大眼瞪小眼。
冠希看凤娇——饶了哥哥我这双眼！

言归正传。我们知道，人和人之间的沟通，往往从一个眼神开始，特别是。而网络主机之间的沟通，需要从什么开始呢？对了，是ping包。它就像互相情投意合而难以开口的青年男女互相试探一样，发出探测讯号，等待对方的回应。
在网络中，这样的探测讯号叫做ICMP(Internet Control Management Protocol)包，用于确定对方是否存在的ICMP包类型，叫做ICMP Echo。Echo在英文中是“回声”的意思，顾名思义，收到这个包的主机需要向对方回应一个包，这个包叫做ICMP Reply。
在我们的Stellaris开发板例程的lwip协议栈中，收到ICMP包以后，会经过怎样的一个处理过程呢？
我们已经知道，收到来自以太网的报文以后，会调用到函数ethernet_input。在这个函数中，一个switch-case分支，将数据包分类，只要数据包的类型为0x0800，就会调用ip_input这个函数，它是IP数据包的总入口。注意到ip_input在lwip的源码中有两个，一个是ipv4的，另一个是ipv6的。我们先来看ipv4的。
这个函数非常长，但前面的大半都是进行一些错误检查，它真正有价值的部分在后面的switch-case：
#if LWIP_RAW
/* raw input did not eat the packet? */
if (raw_input(p, inp) == 0)
#endif /* LWIP_RAW */
{

    switch (IPH_PROTO(iphdr)) {
#if LWIP_UDP
    case IP_PROTO_UDP:
#if LWIP_UDPLITE
    case IP_PROTO_UDPLITE:
#endif /* LWIP_UDPLITE */
      snmp_inc_ipindelivers();
      udp_input(p, inp);
      break;
#endif /* LWIP_UDP */
#if LWIP_TCP
    case IP_PROTO_TCP:
      snmp_inc_ipindelivers();
      tcp_input(p, inp);
      break;
#endif /* LWIP_TCP */
#if LWIP_ICMP
    case IP_PROTO_ICMP:
      snmp_inc_ipindelivers();
      icmp_input(p, inp);
      break;
#endif /* LWIP_ICMP */
#if LWIP_IGMP
    case IP_PROTO_IGMP:
      igmp_input(p,inp,&(iphdr->dest));
      break;
#endif /* LWIP_IGMP */
    default:
#if LWIP_ICMP
      /* send ICMP destination protocol unreachable unless is was a broadcast */
      if (!ip_addr_isbroadcast(&(iphdr->dest), inp) &&
          !ip_addr_ismulticast(&(iphdr->dest))) {
        p->payload = iphdr;
        icmp_dest_unreach(p, ICMP_DUR_PROTO);
      }
#endif /* LWIP_ICMP */
      pbuf_free(p);

      LWIP_DEBUGF(IP_DEBUG | 2, ("Unsupported transport protocol %"U16_F"\n", IPH_PROTO(iphdr)));

      IP_STATS_INC(ip.proterr);
      IP_STATS_INC(ip.drop);
      snmp_inc_ipinunknownprotos();
    }
}
对于ICMP，调用函数icmp_input继续处理。
同样地，在函数icmp_input中，也有对于不同类型的数据包分类的switch-case分支，第一个就是处理ICMP_ECHO，也就是Ping包的分支，除此以外进入default分支，丢弃此包——因为lwip是用于主机而不是路由器的，不需要支持其他ICMP包类型。
对ICMP Echo报文的处理，从逻辑上来说很简单：就是构造一个同收到的包内容一样的ICMP Reply报文，回应给发送方。
这段代码比较长，就不复制出来了。它的内容大家可以自己学习。

richiefang

各位同学和工程师们，如果对网络编程有兴趣，将来会接触到很多协议栈，例如Linux系统或FreeBSD系统的协议栈，它们都是开源的。在其中有一个共性：不断地对数据包进行分类，调用相关的处理函数，直到Socket层。
一般地，协议栈实现的是2到4层(链路层、网络层和传输层)的内容，内部的处理函数，也分为这三层，如ether_input, ip_input, udp_process这样的函数，熟悉网络基础之后，大家一眼就能看明白这些函数的层次和作用了。
希望大家技术不断进步，有问题也欢迎和我探讨。

Ophidian

Wow...帅哥八卦技术贴...用力地顶...

zhaojun_xf

经典啊，学习！！！！！！

gina

人帅，文章更帅呵呵
不错的分享，一点点学习下话说楼主可真八卦呵呵

liyujun

学习中，谢谢共享

beer

我只会调路由器和交换机。。进来学习的。。

bear2529

强烈支持楼主,希望楼主能继续讲解

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4.5 打个岔 lwIP的pbuf

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这个可是有难度哦！！

6 王八看绿豆——Ping报文的处理

在这里做个阶段性小结

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