Lwip IP包分片重組
1. 開發環境
操作系統：SylixOS
編程環境：RealEvo-IDE3.1
硬件平臺：AT9x25開發板
2. 技術實現
SylixOS系統使用的網絡協議棧是Lwip協議棧。Lwip是Light Weight (輕型)IP協議，有無操作系統的支持都可以運行。Lwip實現的重點是在保持TCP協議主要功能的基礎上減少對RAM 的占用，它只需十幾KB的RAM和40K左右的ROM就可以運行，這使Lwip協議棧適合在低端的嵌入式系統中使用。
Lwip協議棧主要關註的是怎麽樣減少內存的使用和代碼的大小，這樣就可以讓Lwip適用於資源有限的小型平臺例如嵌入式系統。為了簡化處理過程和內存要求，Lwip對API進行了裁減，可以不需要復制一些數據。
網絡協議棧是以層的結構來實現的。鏈路層具有最大傳輸單元MTU這個特性，它限制了數據幀的最大長度，不同的網絡類型都有一個上限值。以太網的MTU是1500。如果IP層有數據包要傳，而且數據包的長度超過了MTU，那麽IP層就要對數據包進行分片（fragmentation）操作，使每一片的長度都小於或等於MTU。我們假設要傳輸一個UDP數據包，以太網的MTU為1500字節，一般IP首部為20字節，UDP首部為8字節，數據的凈荷（payload）部分預留是1500-20-8=1472字節。如果數據部分大於1472字節，就會出現分片現象。
本篇文章主要介紹Lwip裏對收到的IP分片報文重組的實現。
2.1 IP報文重組宏觀分析
圖 21 IP包重組框圖
IP包的重組的簡單流程如圖2-1所示。
首先，Lwip協議裏會有一個單向鏈表，每個結點是一個ip_reassdata的結構體，reassdatagrams指向這個鏈表。
ip_reassdata結點用來進行分片包的重組，每個結點對應著一個完整的IP包。這個結構體裏有一個指向pbuf的成員。當一個IP報文通過ip4_input向上層傳輸時，會檢測是否屬於分片包，如果是，則需要進行分片重組。
重組時，會從reassdatagrams鏈表裏查找是否已經有ip_reassdata這個結構體了，如果有，就會改變每個分片包的報頭，這裏是通過一個ip_reass_helper結構體改變的。改變完之後，會把這個分片包根據偏移插入到ip_reassdata這個結構體後面對應的位置。如果在reassdatagrams鏈表裏查找不到對應的ip_reassdata這個結構體，那麽說明這個分片包是收到幀的第一個報文，因此會創建一個新的ip_reassdata結構體，然後再進行後續操作。插入完成後，協議棧會檢測報文是否全部接收並重組完成。如果完成，就會從reassdatagrams鏈表中把ip_reassdata結構體刪除並把重組好的報文返回給ip4_input。
2.2 代碼分析
IP包的分片重組是通過ip4_reass 這個函數來完成的。判斷需要重組時都會調用這個函數，這個函數的主要內容如下：
對收到的IP報文的首部長度檢測，Lwip目前是不支持IP報文頭帶填充位的。
通過IP報文頭，獲得偏移和數據報文的長度。
lwip的一個特性：它對reassdatagrams鏈表上的pbuf的總數是有限制的，因此協議棧會判斷加上收到的這些pbuf的個數後，會不會超過這個限制。
如果超過了，會刪除鏈表中存在時間最長的那個。
從鏈表中尋找對當前的pbuf對應的ip_reassdata結構體。如果沒有，則會新創建一個結構體。
現在應該已經找到一個合適的 ip_reassdata結構體了，此時會做一個判斷：如果當前的這個IP報文的偏移為0並且此時的 ip_reassdata結構體的偏移也不等於0，那麽需要把當前的這個IP分片報文的頭部拷貝到 ip_reassdata結構體中。
檢測當前收到的IP分片報文是不是最後一個，如果是最後一個，那麽，就更新一下當前IP分片報文對應的 ip_reassdata結構體。
上述兩個檢測完成之後，會調用ip_reass_chain_frag_into_datagram_and_validate，找到一個合適的地方，把IP分片包插進去。
檢測當前的報文是否組裝完成，如果完成，返回一個非0的值。否則，返回0。
上述檢測結果如果是沒有完成，則ip4_reass 直接返回。如果完成了，則會對 ip_reassdata結構體的iphdr字段做修改，包括報文總長度、校驗和，並且把iphdr字段全部拷貝到第一個分片包的頭部，這樣，整個IP包的信息就出現在第一個分片包的信息裏。
接下來，把其他的IP分片包的的信息頭刪除，這樣一個完整的IP包就重組完成了。
最後，調用 ip_reass_dequeue_datagram將ip_reassdata結構體從整個鏈表中刪除。 代碼執行到這裏，整個重組基本完成。
3. 參考資料
無
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Lwip IP包分片重組