LwIP 协议栈源码详解 ——TCP/IP 协议的实现（六：网络接口结构）

5  网络接口结构

        我只是不想，将这份心动付诸言语。前面还有一句：信任他人，并不意味着软弱。我只

是假装对万物一无所知，好借此获得你所有的温柔。谢谢你所做的一切，现在一切又将重新

开始。我只有将这份无法忘怀的思念送给你。

人们总说”黑夜会过去”，但那只是善意的谎言。我想就算一个人，应该也能生存下去，

因为你的笑容已经永远铭刻在我心中，还有那应该已经被我舍弃的信任别人的心。

以上内容系剽窃于某某美女的歌词。

        今天我们来讨论 LWIP 是怎样来处理与底层硬件，即网卡芯片间的关系的。为什么要首

先讨论这个问题呢？与许多其他的 TCP／IP 实现一样， LWIP 也是以分层的协议为参照来设

计实现 TCP／IP 的。 LWIP 从逻辑上看分为四层：链路层、网络层、传输层和应用层。注意，

虽然 LWIP 也采用了分层机制，但它没有在各层之间进行严格的划分，各层协议之间可以进

行或多或少的交叉存取，即上层可以意识到下层协议所使用的缓存处理机制。因此各层可以

更有效地重用缓冲区。而且，应用进程和协议栈代码可以使用相同的内存，应用可以直接读

写内部缓存，因此节省了执行拷贝的开销。  我们将从 LWIP 的最底层链路层起步，开始整

个 LWIP 内部协议之旅。

        在 LWIP 中，是通过一个叫做 netif 的网络结构体来描述一个硬件网络接口的。这个接

口结构比较简单，下面我们从源代码结构来分析分析这个结构：

struct netif { 

struct netif *next; //  指向下一个 netif 结构的指针

struct ip_addr ip_addr; // IP 地址相关配置

struct ip_addr netmask; 

struct ip_addr gw; 

err_t (* input)(struct pbuf *p, struct netif *inp); //调用这个函数可以从网卡上取得一个

//  数据包

err_t (* output)(struct netif *netif, struct pbuf*p, // IP 层调用这个函数可以向网卡发送

struct ip_addr *ipaddr); //  一个数据包

err_t (* linkoutput)(struct netif *netif, struct pbuf *p); // ARP 模块调用这个函数向网

//  卡发送一个数据包

void *state; //  用户可以独立发挥该指针，用于指向用户关心的网卡信息

u8_t hwaddr_len; //  硬件地址长度，对于以太网就是 MAC 地址长度，为 6 各字节

u8_t hwaddr[NETIF_MAX_HWADDR_LEN]; //MAC 地址

u16_t mtu; //  一次可以传送的最大字节数，对于以太网一般设为 1500 

u8_t flags; //  网卡状态信息标志位

char name[2]; //  网络接口使用的设备驱动类型的种类

u8_t num; //  用来标示使用同种驱动类型的不同网络接口

}; 

next 字段是指向下一个 netif 结构的指针。我们的一个产品可能会有多个网卡芯片， LWIP

会把所有网卡芯片的结构体链成一个链表进行管理，有一个 netif_list 的全局变量指向该链

表的头部。next 字段就是用于链表用。

ip_addr、netmask、gw 三个字段用于发送和处理数据包用，分别表示 IP 地址、子网掩

码和网关地址。前两个字段在数据包发送时有重要作用，第三个字段似乎没什么用。IP 地

址和网卡设备必须一一对应。如果你连什么叫 IP 地址、子网掩码和它们的作用都不晓得，

那你有必要去看看 TCP/IP 协议详解卷 1 第三章。

input 字段指向一个函数，这个函数将网卡设备接收到的数据包提交给 IP 层，使用时将

input 指针指向该函数即可，后面将详细讨论这个问题。该函数的两个参数是 pbuf 类型和 netif

类型的，返回参数是 err_t 类型。其中 pbuf 代表接收到的数据包。

output 字段向一个函数，这个函数和具体网络接口设备驱动密切相关，它用于 IP 层将

一个数据包发送到网络接口上。用户需要根据实际网卡编写该函数，并将 output 字段指向

该函数。该函数的三个参数是 pbuf 类型、netif 类型和 ip_addr 类型，返回参数是 err_t 类型。

其中 pbuf 代表要发送的数据包。ipaddr 代表网卡需要将该数据包发送到的地址，该地址应

该是接收实际的链路层帧的主机的IP  地址，而不一定为数据包最终需要到达的 IP 地址。

例如，当要发送IP 信息包到一个并不在ᴀ地网络里的主机上时，链路层帧会被发送到网络

里的一个路由器上。在这种情况下，给output  函数的IP 地址将是这个路由器的地址。

linkoutput 字段和上面的 output 基ᴀ上是起相同的作用，但是这个函数是在 ARP 模块中

被调用的，这里不赘述了。注意这个函数只有两个参数。实际上 output 字段函数的实现最

终还是调用 linkoutput 字段函数将数据包发送出去的。

state 字段可以指向用户关心的关于设备的一些信息，用户可以自由发挥，也可以不用。

hwaddr_len 和 hwaddr[]表示 MAC 地址长度和 MAC 地址，一般 MAC 地址长度为 6。

mtu 字段表示该网络一次可以传送的最大字节数，对于以太网一般设为 1500，不多说。

flags 字段是网卡状态信息标志位，是很重要的控制字段，它包括网卡功能使能、广播

使能、ARP 使能等等重要控制位。

name[]字段用于保存每一个网络网络接口的名字。用两个字符的名字来标识网络接口使

用的设备驱动的种类，名字由设备驱动来设置并且应该反映通过网络接口表示的硬件的种

类。比如蓝牙设备（bluetooth）的网络接口名字可以是bt，而IEEE 802.11b WLAN 设备的

名字就可以是wl，当然设置什么名字用户是可以自由发挥的，这并不影响用户对网络接口

的使用。当然，如果两个网络接口具有相同的网络名字，我们就用 num 字段来区分相同类

别的不同网络接口。

到这里，你可能一头雾水，太抽象的东西太容易让人纠结。好吧，我们举个例子来看

看一个以太网网卡接口结构是这样被初始化，还有数据包是如何接收和发送的。先来看初始

化过程，源码：

static struct netif enc28j60; (1) 

struct ip_addr ipaddr, netmask, gw; (2) 

IP4_ADDR(&gw, 192,168,0,1); (3) 

IP4_ADDR(&ipaddr, 192,168,0,60); (4) 

IP4_ADDR(&netmask, 255,255,255,0); (5) 

netif_init(); (6) 

netif_add(&enc28j60, &ipaddr, &netmask, &gw, NULL, ethernetif_init, tcpip_input); (7) 

netif_set_default(&enc28j60); (8) 

netif_set_up(&enc28j60); (9) 

上面的(1)声明了一个 netif 结构的变量 enc28j60，由于在我的板子上使用的是网卡芯片

enc28j60，所以我选择使用了这个名字。(2)声明了三个分别用于暂存 IP 地址、子网掩码和

网关地址的变量，它们是 32 位长度的。(3)~ (5)分别是对上述三个地址值的初始化，该过程

简单。

(6)很简单，它只需初始化上面所述的全局变量 netif_list 即可：netif_list = NULL。

(7)调用 netif_add 函数初始化变量 enc28j60，其中比较重要的两个参数是 ethernetif_init

和 tcpip_input，前者是用户自己定义的底层接口初始化函数， tcpip_input 函数是向 IP 层递交

数据包的函数，从前面的讲述中可以很明显的看出，该值会被传递给 enc28j60 的 input 字段。

再来看看源码：

struct netif * 

netif_add(struct netif *netif, struct ip_addr *ipaddr, struct ip_addr *netmask, 

struct ip_addr *gw, 

void *state, 

err_t (* init)(struct netif *netif), 

err_t (* input)(struct pbuf *p, struct netif *netif)) 

{ 

static u8_t netifnum = 0; 

netif->ip_addr.addr = 0; //复位变量 enc28j60 中各字段的值

netif->netmask.addr = 0; 

netif->gw.addr = 0; 

netif->flags = 0; //该网卡不允许任何功能使能

netif->state = state; //指向用户关心的信息，这里为 NULL 

netif->num = netifnum++; //设置 num 字段，

netif->input = input; //如前所诉，input 函数被赋值

netif_set_addr(netif, ipaddr, netmask, gw); //设置变量 enc28j60 的三个地址

if (init(netif) != ERR_OK) { //用户自己的底层接口初始化函数

return NULL; 

} 

netif->next = netif_list; //将初始化后的节点插入链表 netif_list 

netif_list = netif; // netif_list 指向链表头

return netif; 

} 

上面的初始化函数调用了用户自己定义的底层接口初始化函数，这里为 ethernetif_init，再来

看看它的源代码：

err_t ethernetif_init(struct netif *netif) 

{ 

netif->name[0] = IFNAME0; //初始化变量 enc28j60 的 name 字段

netif->name[1] = IFNAME1; // IFNAME 在文件外定义的，这里不必关心它的具体值 

E-mail:for_rest@foxmail.com    老衲五木出品

netif->output = etharp_output; //IP 层发送数据包函数

netif->linkoutput = low_level_output; // //ARP 模块发送数据包函数

low_level_init(netif); //底层硬件初始化函数

return ERR_OK; 

} 

天，还有函数调用！low_level_init 函数就是与我们使用的硬件密切相关的函数了。

啊啊啊啊啊啊啊，没写完，明天再来吧！！