分析TCP/IP协议栈代码之IP & ICMP（STM32平台）

1. IP介绍

IP是TCP/IP协议族中最为核心的协议。大家，如TCP、UDP、ICMP及IGMP数据，都是在IP数据报格式基础上再封装一层再来传输的（见图1 - 4）。

不可靠（unreliable）的意思是它不能保证 IP数据报能成功地到达目的地。 IP仅提供最好的传输服务。如果发生某种错误时，如某个路由器暂时用完了缓冲区， IP有一个简单的错误处理算法：丢弃该数据报，然后发送 ICMP消息报给信源端。任何要求的可靠性必须由上层来提供（如TCP） 。

无连接（connectionless）这个术语的意思是I P并不维护任何关于后续数据报的状态信息。每个数据报的处理是相互独立的。这也说明， IP数据报可以不按发送顺序接收。如果一信源向相同的信宿发送两个连续的数据报（先是 A，然后是B） ，每个数据报都是独立地进行路由选择，可能选择不同的路线，因此B可能在A到达之前先到达。

2. IP首部

I P数据报的格式如图3 - 1所示。普通的IP首部长为20个字节，除非含有选项字段。

分析图3 - 1中的首部。最高位在左边，记为0 bit；最低位在右边，记为31 bit。4个字节的32 bit值以下面的次序传输：首先是0～7 bit，其次8～15 bit，然后1 6～23 bit，最后是24~31 bit。这种传输次序称作big endian字节序。由于TCP/IP首部中所有的二进制整数在网络中传输时都要求以这种次序，因此它又称作网络字节序。

目前的协议版本号是4，因此IP有时也称作IPv4。

服务类型（TOS）字段包括一个3 bit的优先权子字段（现在已被忽略） ，4 bit的TO S子字段和1 bit未用位但必须置0。4 bit的TO S分别代表：最小时延、最大吞吐量、最高可靠性和最小费用。

总长度字段是指整个I P数据报的长度，以字节为单位。

标识字段唯一地标识主机发送的每一份数据报。通常每发送一份报文它的值就会加 1。在大多数从伯克利派生出来的系统中，每发送一个I P数据报，I P层都要把一个内核变量的值加1，不管交给IP的数据来自哪一层。内核变量的初始值根据系统引导时的时间来设置。

TTL（time-to-live）生存时间字段设置了数据报可以经过的最多路由器数。TTL的初始值由源主机设置（通常为3 2或6 4） ，一旦经过一个处理它的路由器，它的值就减去1。当该字段的值为0时，数据报就被丢弃，并发送 ICMP报文通知源主机。

协议字段可以识别是哪个协议向I P传送数据。

首部检验和字段是根据IP首部计算的检验和码。它不对首部后面的数据进行计算。 ICMP、IGMP、UDP和TCP在它们各自的首部中均含有同时覆盖首部和数据检验和码。

目前，这些任选项定义如下：

? 安全和处理限制（用于军事领域，详细内容参见 RFC 1108[Kent 1991]）

? 记录路径（让每个路由器都记下它的IP地址，见7 . 3节）

? 时间戳（让每个路由器都记下它的IP地址和时间，见7 . 4节）

? 宽松的源站选路（为数据报指定一系列必须经过的 IP地址，见8 . 5节）

? 严格的源站选路（与宽松的源站选路类似，但是要求只能经过指定的这些地址，不能经过其他的地址） 。

------------------------------------------以上内容整理于《TCP/IP协议详解：卷1》--------------------------------------

------------------------------------------以下内容产生于代码及分析--------------------------------------

3. IP宏定义实现

 C++ Code

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30

//*******IP*******
//IP首部长度
#defineIP_HEADER_LEN20

//IP版本号位置以太网首部2+6+6，与下面那个在用的时候上区别下
#defineIP_HEADER_LEN_VER_P0xe

//IP版本号位置以太网首部2+6+6
#defineIP_P0xe
//IP16位标志位置
#defineIP_FLAGS_P0x14
//IP生存时间位置
#defineIP_TTL_P0x16
//IP协议类型位置，如ICMP,TCP,UDP1个字节
#defineIP_PROTO_P0x17
//首部校验和
#defineIP_CHECKSUM_P0x18
//IP源地址位置14+12
#defineIP_SRC_P0x1a
//IP目标地址位置14+12+4
#defineIP_DST_P0x1e

//IP总长度
#defineIP_TOTLEN_H_P0x10
#defineIP_TOTLEN_L_P0x11

//协议类型
#defineIP_PROTO_ICMP_V0x01
#defineIP_PROTO_TCP_V0x06
#defineIP_PROTO_UDP_V0x11

4. IP函数实现

以太网的header在IP的header之前，很简单的，介绍先。

配置以太网的头，为14字节：6字节目的mac地址+6字节源mac地址+2字节协议类型

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13

//makeareturnethheaderfromareceivedethpacket
voidmake_eth(unsignedchar*buf)
{
unsignedchari=0;

//copythedestinationmacfromthesourceandfillmymacintosrc
while(i{
buf[ETH_DST_MAC+i]=buf[ETH_SRC_MAC+i];
buf[ETH_SRC_MAC+i]=macaddr[i];
i++;
}
}

展开之后如下所示，其在以太网帧中的位置与之前的宏定义是一一对应的。

IP与ARP一样，需要判定是不是发给本机的(eth_type_is_ip_and_my_ip函数)，还有与填充make_eth 函数一样需要填充函数(make_ip函数)，此外还有填充其他杂七杂八和16位首部校验和函数(fill_ip_hdr_checksum函数)

C++ Code

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66

//判定过程与eth_type_is_arp_and_my_ip类似
unsignedchareth_type_is_ip_and_my_ip(unsignedchar*buf,unsignedintlen)
{
unsignedchari=0;

//eth+ip+udpheaderis42
if(len{
return(0);
}

if(buf[ETH_TYPE_H_P]!=ETHTYPE_IP_H_V||buf[ETH_TYPE_L_P]!=ETHTYPE_IP_L_V)
{
return(0);
}

if(buf[IP_HEADER_LEN_VER_P]!=0x45)
{
//mustbeIPV4and20byteheader
return(0);
}

while(i{
if(buf[IP_DST_P+i]!=ipaddr[i])
{
return(0);
}

i++;
}

return(1);
}
//下面那个ip填充函数调用它，主要是补充填充和校验和
voidfill_ip_hdr_checksum(unsignedchar*buf)
{
unsignedintck;
//clearthe2bytechecksum
buf[IP_CHECKSUM_P]=0;
buf[IP_CHECKSUM_P+1]=0;
buf[IP_FLAGS_P]=0x40;//don'tfragment
buf[IP_FLAGS_P+1]=0;//fragementoffset
buf[IP_TTL_P]=64;//ttl
//calculatethechecksum:
//校验和计算，在下下面那个函数里面，输入参数的含义下面看就晓得了
ck=checksum(&buf[IP_P],IP_HEADER_LEN,0);
buf[IP_CHECKSUM_P]=ck>>8;
buf[IP_CHECKSUM_P+1]=ck&0xff;
}

//makeareturnipheaderfromareceivedippacket
//与以太网填充函数类似，填充ip地址
voidmake_ip(unsignedchar*buf)
{
unsignedchari=0;

while(i{
buf[IP_DST_P+i]=buf[IP_SRC_P+i];
buf[IP_SRC_P+i]=ipaddr[i];
i++;
}

fill_ip_hdr_checksum(buf);
}

5. IP校验和实现

校验和函数式如何得出校验和值的呢？看《TCP/IP协议详解：卷1》里面咋说的吧。

”为了计算一份数据报的 IP检验和，首先把检验和字段置为 0。然后，对首部中每个 16 bit进行二进制反码求和（整个首部看成是由一串 16 bit的字组成） ，结果存在检验和字段中。当收到一份I P数据报后，同样对首部中每个16 bit进行二进制反码的求和。由于接收方在计算过程中包含了发送方存在首部中的检验和，因此，如果首部在传输过程中