LWIP IP 报文输入流程详解

LWIP 中 IP 报文的输入处理采用中断 / 轮询接收 + 线程异步处理的模式，核心流程分为：网卡数据读取、报文类型判断、IP 报文转发至 TCP/IP 线程、TCP/IP 线程处理四个阶段。

1. 网卡数据读取与初步处理（ethernetif_input）

ethernetif_input是网卡驱动的输入处理函数，通常在轮询线程或中断回调中被调用，负责从网卡硬件读取数据并进行初步分类。

#include "lwip/netif.h"
#include "lwip/etharp.h"
#include "lwip/ip.h"
#include "lwip/pbuf.h"// 网卡私有数据结构（存储网卡硬件相关状态）
struct ethernetif {struct netif *netif;       // 关联的网络接口// 其他硬件相关成员（如MAC地址、网卡句柄等）uint8_t mac_addr[6];
};/*** 从网卡读取数据并处理* @param netif 网络接口实例*/
static void ethernetif_input(struct netif *netif) {struct ethernetif *ethernetif = netif->state;  // 获取网卡私有数据struct eth_hdr *ethhdr;                        // 以太网帧头struct pbuf *p;                                // 数据缓冲区（LWIP核心数据结构）// 循环读取网卡数据（直到无新数据）while (1) {// 调用底层硬件接口读取数据（由具体网卡驱动实现）p = low_level_input(netif);if (p == NULL) {// 无数据或读取失败，退出循环break;}// 以太网帧头指向pbuf的负载区（pbuf->payload存储实际数据）ethhdr = (struct eth_hdr *)p->payload;// 根据以太网类型字段判断报文类型（网络字节序转主机字节序）switch (htons(ethhdr->type)) {case ETHTYPE_IP:// 1.1 处理IP报文：更新ARP表（记录发送方IP与MAC的映射）etharp_ip_input(netif, p);// 1.2 剥离以太网帧头（将pbuf指针偏移至IP报文起始位置）// 以太网帧头固定14字节（6字节目的MAC+6字节源MAC+2字节类型）if (pbuf_header(p, -(int)sizeof(struct eth_hdr)) != ERR_OK) {// 调整失败，释放pbufpbuf_free(p);break;}// 1.3 调用网络接口的input函数（通常绑定为tcpip_input）// 将IP报文转发至TCP/IP线程处理if (netif->input(p, netif) != ERR_OK) {pbuf_free(p);  // 转发失败，释放资源}break;case ETHTYPE_ARP:// 处理ARP报文（此处省略，仅关注IP流程）etharp_input(netif, p);break;default:// 未知类型，释放pbufpbuf_free(p);break;}}
}/*** 底层硬件数据读取（由具体网卡驱动实现）* @param netif 网络接口实例* @return 包含数据的pbuf，NULL表示无数据*/
static struct pbuf *low_level_input(struct netif *netif) {struct ethernetif *ethernetif = netif->state;struct pbuf *p = NULL;uint16_t len;// 1. 从网卡硬件读取数据长度（伪代码）len = nic_read_data_length(ethernetif->hw_handle);if (len == 0) {return NULL;}// 2. 分配pbuf链（LWIP通过pbuf管理数据缓冲区）p = pbuf_alloc(PBUF_RAW, len, PBUF_POOL);if (p == NULL) {// 内存不足，通知网卡丢弃数据nic_discard_data(ethernetif->hw_handle);return NULL;}// 3. 将网卡数据读取到pbuf中（伪代码）if (nic_read_data(ethernetif->hw_handle, p->payload, len) != len) {pbuf_free(p);return NULL;}return p;
}

2. IP 报文转发至 TCP/IP 线程（tcpip_input）

tcpip_input是网络接口的input回调函数，负责将 IP 报文通过消息邮箱（mbox）发送到 TCP/IP 主线程（tcpip_thread），实现接收线程与协议处理线程的解耦。

#include "lwip/tcpip.h"
#include "lwip/memp.h"
#include "lwip/sys.h"// TCP/IP线程的全局消息邮箱（由tcpip_init初始化）
static sys_mbox_t mbox = SYS_MBOX_NULL;/*** 将IP报文发送到TCP/IP线程处理* @param p 包含IP报文的pbuf* @param inp 接收报文的网络接口* @return 成功返回ERR_OK，失败返回对应错误码*/
err_t tcpip_input(struct pbuf *p, struct netif *inp) {// 检查邮箱是否初始化if (mbox == SYS_MBOX_NULL) {return ERR_VAL;  // TCP/IP线程未初始化}// 分配TCP/IP消息结构体（存储报文信息）struct tcpip_msg *msg = (struct tcpip_msg *)memp_malloc(MEMP_TCPIP_MSG_INPKT);if (msg == NULL) {pbuf_free(p);  // 内存不足，释放pbufreturn ERR_MEM;}// 填充消息内容msg->type = TCPIP_MSG_INPKT;  // 消息类型：IP输入报文msg->msg.inp.p = p;           // 指向IP报文的pbufmsg->msg.inp.netif = inp;     // 接收报文的网络接口// 尝试发送消息到TCP/IP线程的邮箱if (sys_mbox_trypost(mbox, msg) != ERR_OK) {// 发送失败（邮箱满），释放资源memp_free(MEMP_TCPIP_MSG_INPKT, msg);pbuf_free(p);return ERR_MEM;}return ERR_OK;
}

3. TCP/IP 线程处理 IP 报文（tcpip_thread）

tcpip_thread是 LWIP 的协议处理主线程，负责从邮箱中取出消息并调用对应处理函数（IP 层处理入口为ip_input）。

/*** TCP/IP主线程（协议栈核心处理线程）* @param arg 线程参数（通常为邮箱指针）*/
static void tcpip_thread(void *arg) {sys_mbox_t *mbox = (sys_mbox_t *)arg;struct tcpip_msg *msg;while (1) {// 阻塞等待邮箱消息（无消息时休眠）sys_mbox_fetch(*mbox, (void **)&msg);// 根据消息类型处理switch (msg->type) {case TCPIP_MSG_INPKT:// 处理IP输入报文：调用IP层入口函数ip_input(msg->msg.inp.p, msg->msg.inp.netif);// 释放消息结构体（pbuf由ip_input内部处理或释放）memp_free(MEMP_TCPIP_MSG_INPKT, msg);break;// 其他消息类型（如TCP/UDP事件等）省略default:memp_free(MEMP_TCPIP_MSG_INPKT, msg);break;}}
}

4. 关键流程说明

1. 数据缓冲区管理：使用pbuf结构体封装网络数据，支持链式缓冲区（适应大报文），避免内存拷贝。
2. 线程安全：通过消息邮箱（sys_mbox）实现接收线程与 TCP/IP 线程的异步通信，避免协议处理与硬件操作的并发冲突。
3. ARP 表更新：接收 IP 报文时调用etharp_ip_input，自动记录发送方的 IP-MAC 映射，优化后续发送效率。
4. 协议分层：ethernetif_input处理链路层（以太网），tcpip_input负责跨线程转发，ip_input处理网络层（IP），符合 TCP/IP 分层模型。

以上流程完整覆盖了 LWIP 从网卡接收 IP 报文到交付给网络层处理的全过程，核心设计目标是高效、线程安全、低内存占用。