lwip中转换主机序和网络序的代码分析

happyyangxu

在说明lwip中如何进行主机序和网络序的转换时，我们有必要先了解几个基本概念：MSB、LSB、Big Endian、Little Endian、网络序和主机序。
MSB是Most Significant Bit/Byte的首字母缩写，通常译为最重要的位或者最重要的字节；那么对于一个数字而言，什么是MSB呢？显然最高位是MSB，例如15430，1就是MSB，因为它在万位，它的变化是以10000为基数的。知道了MSB，LSB也就不难理解；LSB是Least Significant Bit/Byte的首字母缩写，通常译为最不重要的位或者最不重要的字节；对于15430而言，0显然是LSB，因为它在各位，它的变化对于整个数值的大小影响最小。
Big Endian和Little Endian是描述排列存储在计算机内存里的字节序列的术语。之所以出现两种排列次序，是由于CPU的两大对立阵营的对抗导致的，PowerPC(Moto&IBM) VS X86 = Big Vs. Little。在Big Endian机制中最重要字节（MSB）存放在最低端的地址上；而Little Endian机制中，最不重要字节（LSB）存放在最低端的地址上。
例如0x12345678在采用Big Endian的CPU（PowerPC为代表）中，其存放顺序为：
0x0000
12
0x0001
34
0x0002
56
0x0003
78
图1 0x12345678在Big Endian CPU中的存储方式
而在采用Little Endian的CPU（X86为代表）中，其存放顺序为：
0x0000
78
0x0001
56
0x0002
34
0x0003
12
图2 0x12345678在Little Endian CPU中的存储方式
关于Big Endian和Little Endian还有一点需要说明的是：软件只需要关注字节顺序就可以了，硬件除了要处理字节顺序外，还需要处理位序。如果你觉得Big Endian和Little Endian很难理解，可以这么理解，Big Endian就是最先读出最高（最大）的字节，而Little Endian最先读出最低（最小）的字节。
通常在TCP/IP协议栈所说的网络序(Network Order)就是遵循Big-Endian规则。在TCP/IP网络通信中，通信双方把消息按照如图1的方式进行编码，然后按从MSB(Bit0)到LSB的顺序在网络上传送；而通常我们说的主机序（Host Order）（X86架构CPU）就是遵循Little-Endian规则。所以当两台主机之间要通过TCP/IP协议进行通信的时候就需要调用相应的函数进行主机序（Little-Endian）和网络序（Big-Endian）的转换。
了解了这些基本概念后，我们进入正题。lwip由于考虑到移植性问题，因此它没有默认主机序为Little Endian，而是两种情况都进行了处理；而且处于灵活性考虑，还允许我们用自己定义的代码替换lwip提供的函数：
#if LWIP_PLATFORM_BYTESWAP
   #define htons(x) LWIP_PLATFORM_HTONS(x)
   #define ntohs(x) LWIP_PLATFORM_HTONS(x)
   #define htonl(x) LWIP_PLATFORM_HTONL(x)
   #define ntohl(x) LWIP_PLATFORM_HTONL(x)
#else
   u16_t htons(u16_t x);
   u16_t ntohs(u16_t x);
   u32_t htonl(u32_t x);
   u32_t ntohl(u32_t x);
#endif
如果我们需要采用自己定义的函数，只需要定义LWIP_PLATFORM_BYTESWAP为1，并编写相应的函数即可：
#define LWIP_PLATFORM_BYTESWAP 1
#define LWIP_PLATFORM_HTONS(x)
#define LWIP_PLATFORM_HTONL(x)
考察了lwip实现的灵活性后，我们再来看看其移植性问题。为了便于移植，lwip引入了3个宏：BYTE_ORDER、LITTLE_ENDIAN和BIG_ENDIAN，后两个宏的定义为：
#ifndef LITTLE_ENDIAN
#define LITTLE_ENDIAN 1234
#endif
#ifndef BIG_ENDIAN
#define BIG_ENDIAN 4321
#endif而BYTE_ORDER由我们自己根据CPU类型来定义，如果CPU采用Big Endian，就定义为4321，反之就定义为1234。
有了这三个宏以后，代码的编写就很简单了：
#if BYTE_ORDER == BIG_ENDIAN
#define htons(x) (x)
#define ntohs(x) (x)
#define htonl(x) (x)
#define ntohl(x) (x)
#else /* BYTE_ORDER != BIG_ENDIAN */
#if LWIP_PLATFORM_BYTESWAP
#define htons(x) LWIP_PLATFORM_HTONS(x)
#define ntohs(x) LWIP_PLATFORM_HTONS(x)
#define htonl(x) LWIP_PLATFORM_HTONL(x)
#define ntohl(x) LWIP_PLATFORM_HTONL(x)
#else
u16_t htons(u16_t x);
u16_t ntohs(u16_t x);
u32_t htonl(u32_t x);
u32_t ntohl(u32_t x);
#endif
当CPU类型为Big Endian时，主机序与网络序同序，不需要改动；而CPU类型为Little Endian时，主机序与网络序正好相反，此时lwip定义了相应的函数来处理，这些函数通过移位来实现，本文以u32_t htonl(u32_t x)来说明：
u32_t
htonl(u32_t n)
{
  return ((n & 0xff)     ((n & 0xff00)     ((n & 0xff0000) >> 8) |
    ((n & 0xff000000) >> 24);
}
上面的代码其实很简单，就是将字节进行逆序排列。
写到这里，相信大家都对lwip处理网络序和字节序的机制有了一定的了解了。


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