LWIP数据包管理

  • Z时代
  • 2024-01-10
  • 分类：综合

编程

1、数据包结构-pbuf

1.1、pbuf结构

   LWIP是TCP/IP协议栈的一种具体实现，本质就是对数据包的处理，在LWIP中使用一个被称为pbuf的结构管理数据包，LWIP源码中的pbuf.c和pbuf.h这两个文件就是关于pbuf的，pbuf结构如下：

在pbuf.h文件中

下面是翻译版

struct pbuf
{
struct pbuf      *next;  //构成链表的时候指向下一个pbuf
void              *payload; //指向数据缓冲区
     u16_t   tot_len; //pbuf链表中所有pbuf的数据长度
     u16_t   len;  //当前bpuf中的数据长度
     u8_t     type;  //pbuf类型
     u8_t   flags;  //状态
     u16_t   ref;  //用来记录当前pbuf被引用的次数
};

 

1.2、tot_len

说一下tot_len的讲解

大家最好理解一下英文的意思，我说完中文，再回头看一下英文。

 

1.3、type

下面我们看一下type

从这里可是使用编译器跳过去

也就是pbuf_type的类型有

typedef enum
{
    PBUF_RAM,  //pbuf数据紧跟着pbuf的结构存储，数据存储在ram中
    PBUF_ROM,    //pbuf数据存储在rom中
    PBUF_REF,  //pbuf数据存储在ram中，但是与pbuf结构的位置无关
    PBUF_POOL   //pbuf结构和其数据存储在同一个内存池中
} pbuf_type;

 

分别讲一下这四种类型

1.3.1、PBUF_RAM

     PBUF_RAM类型的pbuf空间是从LWIP的内存堆中申请得到的，协议栈和应用程序中的待发送数据就是采用的这种方法，pbuf的申请是在pbuf_alloc()中进行的，PBUF_RAM类型的申请代码如下：

在pbuf.c文件中pbuf_alloc函数

看到mem_malloc()函数，知道是从内存堆里申请的内存

申请的大小是：pbuf的大小+ 实际申请的大小

offset是一个偏移，这个offset里面用来存储一些首部字段，如TCP报文首部，IP首部等等。

最终申请出来的PBUF_RAM类型的pbuf结构是

下图1部分的就是pbuf结构部分

2部分是offset部分

1.3.2、PBUF_POOL 

     PBUF_POOL类型的pbuf空间是从LWIP的内存池中申请得到的，因为是从内存池中申请的，所以这种类型的pbuf分配时间极短，在网卡接收数据包时，我们使用这种方式：

在pbuf.c文件中pbuf_alloc函数

      既然PBUF_POOL类型是在内存池中申请的，那么就必须得有对应的POOL类型，在LWIP初始化的时候就会自动的两类与pbuf相关的POOL：MEMP_PBUF和MEMP_PBUF_POOL(在memp_std.h中)，其中MEMP_PBUF是用于PBUF_REF和PBUF_ROM这两类的，MEMP_PBUF_POOL是用于PBUF_POOL类型的。

   事实上应用程序发送和接收的数据量可能很大，但是内存池类型的内存分配每次分配到的大小是固定的，因此可能会需要进行多次分配，最终的分配成功的PBUF_POOL类型的pbuf如下图：

      注意看，上图中只有第一个pbuf有offset，这是因为这都是一个数据包的，因此只需要一个offset来存储有关数据包的信息，其他的pbuf就不需要了！

这部分也是在代码中体现过的

第一个pbuf的payload

后续的pbuf的payload

1.3.3、PBUF_ROM和PBUF_REF

     PBUF_ROM和PBUF_REF类型的pbuf空间也是从LWIP的内存池中申请得到的，分配方法都一样的，他们使用内存池MEMP_PBUF，这两种类型申请的是指pbuf结构体的内存空间，并不包含数据空间，分配过程如下：

     PBUF_ROM和PBUF_REF并没有给数据空间申请内存，那么他们的数据空间在哪里呢？这两个的数据空间可以应用其他地方的内存，不同之处在于PBUF_ROM的数据空间在ROM中，PBUF_REF的数据空间在RAM中。这两种类型的pbuf最终如下：

1.3.4、多种类型pbuf混合使用

实际的数据包可能会同时使用多种类型的pbuf，如下图：

2、数据包申请和释放

     pbuf的申请和释放通过函数pbuf_alloc()和pbuf_free()来完成，pbuf_alloc()函数和pbuf_free()函数原型如下：

pbuf_alloc(pbuf_layer layer, u16_t length, pbuf_type type)
pbuf_free(struct pbuf *p)

     pbuf_alloc()函数有两个重要的参数：layer和type，layer决定是协议栈的哪一层申请的，type决定申请的pbuf类型，layer决定了pbuf中的offset，也就是pbuf数据区中卫协议预留的首部空间，pbuf.h文件定义了一个枚举类型pbuf_layer来描述LWIP中的层，如下：

typedef enum
{   
    PBUF_TRANSPORT,   
    PBUF_IP,  
    PBUF_LINK,  
    PBUF_RAW 
} pbuf_layer;

 

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