击上方蓝字谈思实验室
获取更多汽车网络安全资讯
LwIP(Light weight IP)，是一种轻量化且开源的TCP/IP协议栈，它可以在有限的RAM和ROM条件下，实现一个完整的TCP/IP 协议栈。此外，LwIP既可以移植到操作系统上运行，也可以在无操作系统的情况下独立运行。
TCP/IP协议栈的模型结构如下图所示，由于TCP/IP协议栈的出现时间较早，所以没有按照传统的7层OSI网络模型进行设计，一共只分为了4层，分别为网络接口层，网络层，传输层以及应用层，LwIP协议栈的网络模型与之类似。
网络接口层主要通过双绞线，光纤，无线等方式进行网络上数据帧的发送和接收。网络接口层将网络层的数据组装成自己特定的帧进行发送，同时也会接收数据帧进行解析，并将解析过后的数据发送给网络层。
网络层负责在主机之间的通信过程之中选择数据包的传输路径，并且在接收到传入的数据报时会检验其有效性，并递交给上层。
传输层主要提供应用程序之间的通信服务，它会系统的管理两端数据之间的交互。
应用层简单来说就是利用传输层提供的功能发送自己的数据到对方。
在开始传输数据之前，首先要进行一系列的初始化操作，本文以i.MX RT1060 SDK中的Demo "evkmimxrt1060_lwip_udppecho_bm"为例，该代码可以通过MCUXpresso IDE进行导入。
netif_add函数用来挂载网络接口，并完成网络通信之前的大部分初始化工作，包括PHY芯片的初始化，i.MX RT1060上ENET外设初始化，以及一些通信过程中用到的相关数据结构的初始化。
PHY芯片的初始化是在ethernetif_phy_init之中完成，包括MDIO初始化，网口自动协商，网口连接等操作。
ENET外设的初始化在ENET_SetMacController之中完成，这里进行了ENET外设的一些配置，例如设置接口速率，以及接口类型(mii,Rmii)等等。
PHY初始化函数以及ENET初始化函数都在ethernetif0_init函数中被调用，并且该函数被作为一个实参传入netif_add之中并被在其中被调用，因此netif_add不仅完成了网络接口的挂载，还完成了接口相关的一系列初始化工作。
此外，在进行网络接口相关初始化的同时，也完成了对一系列数据结构的初始化，此处介绍一些在网络通信过程中用到的结构体。
enet_rx_bd_ring_t结构体，如下图所示，每一条ring都是由buffer descriptor组成的。 Ring 结构体中的 rxBdBase 成员就是第一个 buffer descriptor 的地址， rxGenIdx 指的是当前 buffer descriptor 的序号， rxRingLen 指的是这条 Ring 中共有几个 buffer descriptor 。
pbuf结构体，pbuf结构体是用来描述lwip协议栈中数据包的结构体。它是以链表的形式存在的，pbuf之中会存在指针指向下一个pubf 。
由于在case之中，使用的是UDP通信，因此还需要进行一些UDP相关的初始化设置。例如调用udp_bind函数，对UDP控制块中的local_port,local_ip等参数进行绑定，以及调用udp_recv在udp控制块上进行一些回调函数的绑定等等，至于什么是UDP控制块，在后面会进行介绍。
网络接口层数据接收
在udpecho demo之中是通过轮询的方法来实现数据接收，使用的是raw/callback api, 除了这种api之外lwip还提供socket api等，不过需要操作系统的支持。
在while循环中首先会去调用ethernetif_input函数，该函数中会调用ethernetif_linkinput函数，在ethernetif_linkinput之中又会去调用ENET_GetRxFrame和ethernetif_rx_frame_to_pbufs函数。
网络接口层数据发送
在网络层发送数据时，会调用网络接口层的ethernet_output函数，ethernet_output函数之中又会去调用ethernetif_linkoutput函数,当数据较大需要用多个pbuf进行存储的时候，pbuf以链表的形式存在，所以需要将这些链表中的数据进行合并，如下图所示。
操作完成后通过ENET_SendFrame函数来完成数据的发送；最后数据会通过网络接口传输出去。
IP协议
IP协议是一种经典的网络层协议，IP协议(Internet Protocol)，又称之为网际协议，IP 协议处于IP层工作，它是整个TCP/IP协议栈的核心协议，上层协议都要依赖IP协议提供的服务，IP协议负责将数据报从源主机发送到目标主机，并通过IP地址作为唯一识别码。简单来说，不同主机之间的IP地址是不一样的，在发送数据报的过程中，IP协议还可能对数据报进行分片处理，同时在接收数据报的时候，还可能需要对分片的数据报进行重装等等。
IP协议是一种无连接的不可靠数据报交付协议，协议本身不提供任何的错误检查与恢复机制，需要传输层协议来完成这些功能。
IP地址
在TCP/IP设计过程中，设计人员为每一台主机分配一个32bit的IP地址，只有具有有效的IP地址的主机才能接入互联网中与其他主机进行通信。
IP数据报
IP数据包一般由IP首部和数据组成，首部一般有20-60字节，其中有40字节是可选的，一般首部仅由20字节组成，IP数据报结构如下图所示。
为了方便对IP首部进行读取或写入操作，在lwip源码之中定义了ip_hdr结构体来表示ip数据报首部。
IP层数据接收
在上文提到，对于不同的数据包进行不同的处理，如果是ARP包，则调用etharp_input函数去处理；如果是IP包，则交给IP相关函数去处理。
在udpecho demo中使用的是IPV4协议，因此，会调用ip4_input函数。
在ip4_input函数中会对ip数据报的相关字段进行检验，例如长度，校验和，版本号等等，也会判断该数据包是否是发送给本地的，如果不是发送给本地的数据包，可能还要对其进行转发或者丢弃，如果数据报没有问题，IP层就会根据传输层的协议类型将数据包传送到不同的入口函数之中，例如udp_input, tcp_input函数等。
IP层数据发送
在传输层协议需要通过IP层来发送数据时，在上层函数之中会调用ip4_output_if_src函数，在该函数中，又会去调用ip4_output_if_opt_src函数，它会将传输数据封装到ip数据报之中，填写数据报之中的目标IP地址，源IP地址，协议类型等相关信息。然后再去调用etharp_output()，它会解析MAC地址，组装以太网帧并并发送。在etharp_output()函数之中，最终会去调用网络接口层的相关发送函数。
网络层已经通过IP协议等完成了数据报在各台主机之间传输的的功能，但是数据还没有到达最终目的地—主机上的某个特定应用程序。
IP层通过传输层的协议将数据包递交给应用程序，常用的传输层协议有UDP协议，TCP协议等。
此处以UDP协议为例，它是一种较为简单的传输层协议，经常应用于局域网环境以及视频播放领域，以UDP为例结合SDK代码讲解一下传输层是如何实现数据交互的。
在使用UDP传输数据时，它会将数据封装在UDP报文之中，在IP层又会将数据包封装在IP报文之中，在物理层又会将IP数据包封装在物理数据帧之中。
一份用户数据在被发送时共经历了三次封装。
UDP相关数据结构
在LWIP源码的udp.h之中，定义了报文首部数据结构以及UDP控制块。
LwIP报文首部数据结构为udp_hdr, 定义了 UDP 报文首部的各个字段, 分别为16位源端口号src, 16位目标端口号dest, 16位用户数据报总长度, 以及16位的校验和。
LwIP还定义了UDP控制块，记录与UDP通信的所有相关信息，如源端口号、目标端口号、源IP地址、目标IP地址以及收到数据时的回调函数等等，系统会为每一个基于UDP协议的进程创建一个UDP控制块，并且将其与对应的端口绑定，并将所有的UDP控制块用一个链表连接起来。当UDP接收到一个报文的时候，会去遍历链表上的所有控制块，通过端口号来找到匹配的控制块，并将数据通过回调函数传递到上层应用。
UDP报文接收
在IP层，当接收到一个包含UDP报文的数据报时，udp_input函数就会被调用，该函数之中进行了一些报文合法性的检测，然后根据报文中的端口信息查找UDP控制块，最后通过UDP控制块之中的回调函数recv_udp将数据传递到应用层，如果找不到对应的端口，那么会返回一个端口不可达数据包。
UDP报文发送
UDP报文发送依靠IP层提供的服务，用户在发送数据时需要在应用程序之中调用udp_send或者是udp_sendto,应用程序之中将用户数据填到pbuf数据区域,并将pubf作为参数传入udp_send或udp_sendto之中。
udp_send和udp_sendto之间的区别就是udp_sendto将数据发送到指定的ip地址和端口号，udp_send将数据发送到UDP控制块之中定义的ip地址和端口号。udp_send实际上也是调用udp_sendto来进行数据的发送，最终这两个函数都是会去调用udp_sendto_if。
udp_sendto_if函数之中会完成udp报文的组装和发送，最终会调用Ip层的发送函数去发送报文。
在应用层一般会通过调用传输层的一些函数来编写特定的应用程序，从而实现数据的传递，在udpecho demo之中，当接收到数据之后，在udp控制块中绑定的接收回调函数中又会去调用udp_sendto函数。
除了上面介绍的一些协议外，LWIP还支持ICMP、IGMP、PPP、DHCP等协议，并且SOCKET API以及NETCONN API使用起来更加简单，但是RAW/Callback API的使用有助于更好的理解LWIP协议。
对LWIP协议栈感兴趣的读者可自行深入了解。
来源： 车端
2023第六届无人驾驶及智能驾舱中国峰会 ，5月11-12日，上海
AutoSec 7周年年会暨中国汽车网络安全与数据安全合规峰会，5月11-12日，上海
AES 2023 第四届中国国际汽车以太网峰会，6月8-9日，上海
更多文章
智能网联汽车信息安全综述
会员权益: (点击可进入)谈思实验室VIP会员
谈思实验室专注智能汽车信息安全、预期功能安全、自动驾驶、以太网等汽车创新技术，为汽车行业提供最优质的学习交流服务，并依托强大的产业及专家资源，致力于打造汽车产业一流高效的商务平台。
每年谈思实验室举办数十场线上线下品牌活动，拥有数十个智能汽车创新技术的精品专题社群，覆盖BMW、Daimler、PSA、Audi、Volvo、Nissan、广汽、一汽、上汽、蔚来等近百家国内国际领先的汽车厂商专家，已经服务上万名智能汽车行业上下游产业链从业者。专属社群有：信息安全 、功能安全 、自动驾驶 、TARA 、渗透测试 、SOTIF 、WP.29 、以太网 、物联网安全 等，现专题社群仍然开放，入满即止。
扫描二维码添加微信，根据提示，可以进入有意向的专题交流群，享受最新资讯及与业内专家互动机会。
