lwIP 细节之三：errf 回调函数是何时调用的

使用 lwIP 协议栈进行 TCP 裸机编程，其本质就是编写协议栈指定的各种回调函数。将你的应用逻辑封装成函数，注册到协议栈，在适当的时候，由协议栈自动调用，所以称为回调。

注：除非特别说明，以下内容针对 lwIP 2.0.0 及以上版本。

向协议栈注册回调函数有专门的接口，如下所示：

tcp_err(pcb, errf);							//注册 TCP 接到 RST 标志或发生错误回调函数 errf
tcp_connect(pcb, ipaddr, port, connected);	//注册 TCP 建立连接成功回调函数 connecter
tcp_accept(pcb, accept);					//注册 TCP 处于 LISTEN 状态时，监听到有新的连接接入
tcp_recv(pcb, recv);						//注册 TCP 接收到数据回调函数 recv
tcp_sent(pcb, sent);						//注册 TCP 发送数据成功回调函数 sent
tcp_poll(pcb, poll, interval);				//注册 TCP 周期性执行回调函数 poll

本节讲述 errf 回调函数。

errf 回调函数

在 TCP 控制块中，函数指针 errf 指向用户实现的 TCP 错误处理函数，当 TCP 连接发送错误时，由协议栈调用此函数。
函数指针 errf 的类型为 tcp_err_fn ，该类型定义在 tcp.h 中：

/** Function prototype for tcp error callback functions. Called when the pcb* receives a RST or is unexpectedly closed for any other reason.** @note The corresponding pcb is already freed when this callback is called!** @param arg Additional argument to pass to the callback function (@see tcp_arg())* @param err Error code to indicate why the pcb has been closed*            ERR_ABRT: aborted through tcp_abort or by a TCP timer*            ERR_RST: the connection was reset by the remote host*/
typedef void  (*tcp_err_fn)(void *arg, err_t err);

从注释得知，错误处理函数在接收到 RST 标志，或者连接意外关闭时，由协议栈调用。
注意，当这个函数调用的时候，TCP 控制块已经释放掉了。

协议栈通过宏 TCP_EVENT_ERR(last_state,errf,arg,err) 调用 errf 指向的错误处理函数，宏 TCP_EVENT_ERR 定义在 tcp_priv.h 中：

#define TCP_EVENT_ERR(last_state,errf,arg,err)                 \do {                                                         \LWIP_UNUSED_ARG(last_state);                               \if((errf) != NULL)                                         \(errf)((arg),(err));                                     \} while (0)

可以看到这个宏的第 4 个参数就是传递给错误处理函数的错误码。
以关键字 TCP_EVENT_ERR 搜索源码，可以搜索到 4 处使用：

TCP_EVENT_ERR(pcb->state, pcb->errf, pcb->callback_arg, ERR_RST);
TCP_EVENT_ERR(pcb->state, pcb->errf, pcb->callback_arg, ERR_CLSD);
TCP_EVENT_ERR(last_state, errf, errf_arg, ERR_ABRT);
TCP_EVENT_ERR(last_state, err_fn, err_arg, ERR_ABRT);

用到了 3 个错误码：ERR_RST、ERR_CLSD 和 ERR_ABRT ，分别表示连接复位、连接关闭和连接异常。

1.连接复位

当远端连接发送 RST 标志，并且报文序号正确是，调用错误类型为 ERR_RST 的错误处理回调函数，这一过程在 tcp_input 函数中执行。

void
tcp_input(struct pbuf *p, struct netif *inp)
{// 经过一系列检测,没有错误flags = TCPH_FLAGS(tcphdr);	// 这里获取数据包的 [标志] 字段/* 在本地找到有效的控制块 pcb */if (pcb != NULL) {tcp_input_pcb = pcb;err = tcp_process(pcb);		// [标志]中有 RST, 且报文序号正确：recv_flags |= TF_RESET/* A return value of ERR_ABRT means that tcp_abort() was calledand that the pcb has been freed. If so, we don't do anything. */if (err != ERR_ABRT) {if (recv_flags & TF_RESET) {/* TF_RESET means that the connection was reset by the otherend. We then call the error callback to inform theapplication that the connection is dead before wedeallocate the PCB. */TCP_EVENT_ERR(pcb->state, pcb->errf, pcb->callback_arg, ERR_RST);tcp_pcb_remove(&tcp_active_pcbs, pcb);tcp_free(pcb);} }} return;
}

tcp_process 函数中关于 RST 标志的判断代码：

static err_t
tcp_process(struct tcp_pcb *pcb)
{/* Process incoming RST segments. */if (flags & TCP_RST) {		// flags 保存数据包的 [标志] 字段，在 tcp_input 函数中取得		/* First, determine if the reset is acceptable. */if (pcb->state == SYN_SENT) {/* "In the SYN-SENT state (a RST received in response to an initial SYN),the RST is acceptable if the ACK field acknowledges the SYN." */if (ackno == pcb->snd_nxt) {acceptable = 1;}} else {/* "In all states except SYN-SENT, all reset (RST) segments are validatedby checking their SEQ-fields." */if (seqno == pcb->rcv_nxt) {acceptable = 1;} else  if (TCP_SEQ_BETWEEN(seqno, pcb->rcv_nxt,pcb->rcv_nxt + pcb->rcv_wnd)) {/* If the sequence number is inside the window, we send a challenge ACKand wait for a re-send with matching sequence number.This follows RFC 5961 section 3.2 and addresses CVE-2004-0230(RST spoofing attack), which is present in RFC 793 RST handling. */tcp_ack_now(pcb);}}if (acceptable) {LWIP_DEBUGF(TCP_INPUT_DEBUG, ("tcp_process: Connection RESET\n"));recv_flags |= TF_RESET;tcp_clear_flags(pcb, TF_ACK_DELAY);return ERR_RST;}}
}

2.连接关闭

这是为了处理异常情况。

当接收到远端的 FIN 标志，表示远端要关闭 TCP 连接，此时协议栈会通知应用程序。通常情况下，应用程序应该调用 tcp_close 函数关闭连接。但是，若应用才程序没有执行这个步骤，则 TCP 状态处于 LADT_ACK 并且接收到远端的 ACK 标志后，调用错误类型为 ERR_CLSD 的错误回调函数，简化后的代码为：

void tcp_input(struct pbuf *p, struct netif *inp)
{err = tcp_process(pcb);/* A return value of ERR_ABRT means that tcp_abort() was calledand that the pcb has been freed. If so, we don't do anything. */if (err != ERR_ABRT) {if (recv_flags & TF_CLOSED) {	/*处于 LAST_ACK 状态时收到 ACK 标识*//* The connection has been closed and we will deallocate the PCB. */if (!(pcb->flags & TF_RXCLOSED)) {/* Connection closed although the application has only shut down thetx side: call the PCB's err callback and indicate the closure toensure the application doesn't continue using the PCB. */TCP_EVENT_ERR(pcb->errf, pcb->callback_arg, ERR_CLSD);	// <--- 这里}tcp_pcb_remove(&tcp_active_pcbs, pcb);memp_free(MEMP_TCP_PCB, pcb);}}
}

3.连接异常

3.1 由 tcp_abandon 函数调用

tcp_abandon 函数会调用错误类型为 ERR_ABRT 的错误回调函数，简化后的代码为：

void
tcp_abandon(struct tcp_pcb *pcb, int reset)
{if (pcb->state == TIME_WAIT) {tcp_pcb_remove(&tcp_tw_pcbs, pcb);tcp_free(pcb);} else {// 从链表中移除 TCP_PCB// 按需释放[未应答]、[未发送]、[失序]报文内存// 按需发送 RST 标志// 释放 TCP_PCB ：tcp_free(pcb)TCP_EVENT_ERR(last_state, errf, errf_arg, ERR_ABRT);	// <-- 这里}
}

tcp_abandon 函数又是谁在调用呢？

3.1.1 tcp_listen_input 函数中

在 tcp_listen_input 函数中，检测接收到 SYN 标志报文，则创建新的 TCP_PCB，然后发送 SYN|ACK 标志报文。在这一过程中，若发送 SYN|ACK 标志报文失败，则调用 tcp_abandon 函数放弃这个连接，在 tcp_abandon 函数内部会调用错误类型为 ERR_ABRT 的错误处理回调函数。简化后的代码为：

static void
tcp_listen_input(struct tcp_pcb_listen *pcb)
{/* In the LISTEN state, we check for incoming SYN segments,creates a new PCB, and responds with a SYN|ACK. */if (flags & TCP_SYN) {npcb = tcp_alloc(pcb->prio);/* 这里 TCP PCB 申请成功，初始化新的 PCB*/// ...npcb->state = SYN_RCVD;// .../* Send a SYN|ACK together with the MSS option. */rc = tcp_enqueue_flags(npcb, TCP_SYN | TCP_ACK);if (rc != ERR_OK) {tcp_abandon(npcb, 0);		// <-- 这里return;}tcp_output(npcb);}return;
}

3.1.2 tcp_kill_state 函数中
在《lwIP 细节之二：协议栈什么情况下发送 RST 标志》博文中，有提到 tcp_alloc 函数，tcp_alloc 函数设计原则是尽一切可能返回一个有效的 TCP_PCB 控制块，因此，当 TCP_PCB 不足时，函数可能 “杀死”（kill）正在使用的连接，以释放 TCP_PCB 控制块！
具体就是：

  1. 先调用 tcp_kill_timewait 函数，试图找到 TIME_WAIT 状态下生存时间最长的连接，如果找到符合条件的控制块 pcb ，则调用 tcp_abort(pcb) 函数 “杀” 掉这个连接，这会发送 RST 标志，以便通知远端释放连接；
  2. 如果第 1 步失败了，则调用 tcp_kill_state 函数，试图找到 LAST_ACK 和 CLOSING 状态下生存时间最长的连接，如果找到符合条件的控制块 pcb ，则调用 tcp_abandon(pcb, 0) 函数 “杀” 掉这个连接，注意这个函数并不会发送 RST 标志，处于这两种状态的连接都是等到对方发送的 ACK 就会结束连接，不会有数据丢失；
  3. 如果第 2 步也失败了，则调用 tcp_kill_prio(prio) 函数，试图找到小于指定优先级（prio）的最低优先级且生存时间最长的有效（active）连接！如果找到符合条件的控制块 pcb ，则调用 tcp_abort(pcb) 函数 “杀” 掉这个连接，这会发送 RST 标志。

这里的第 2 步，调用 tcp_abandon(pcb, 0) 函数 “杀” 掉这个连接时，会调用 tcp_abandon 函数放弃这个连接，在 tcp_abandon 函数内部会调用错误类型为 ERR_ABRT 的错误处理回调函数。简化后的代码为：

static void
tcp_kill_state(enum tcp_state state)
{inactivity = 0;inactive = NULL;/* Go through the list of active pcbs and get the oldest pcb that is in stateCLOSING/LAST_ACK. */for (pcb = tcp_active_pcbs; pcb != NULL; pcb = pcb->next) {if (pcb->state == state) {if ((u32_t)(tcp_ticks - pcb->tmr) >= inactivity) {inactivity = tcp_ticks - pcb->tmr;inactive = pcb;}}}if (inactive != NULL) {LWIP_DEBUGF(TCP_DEBUG, ("tcp_kill_closing: killing oldest %s PCB %p (%"S32_F")\n",tcp_state_str[state], (void *)inactive, inactivity));/* Don't send a RST, since no data is lost. */tcp_abandon(inactive, 0);}
}

3.1.3 tcp_abort 函数中
tcp_abort 函数中止一个连接，会向远端主机发送一个 RST 标志。当从其中一个 TCP 回调函数中调用时，请确保一定返回 ERR_ABRT 错误码（其它情况绝不要返回 ERR_ABRT 错误码，否则可能会有内存泄漏的风险或者访问已经释放的内存！）
tcp_abort 函数代码简单，原始无简化代码为：

void
tcp_abort(struct tcp_pcb *pcb)
{tcp_abandon(pcb, 1);
}
3.2 由 tcp_slowtmr 函数调用

tcp_slowtmr 函数中完成重传和超时处理，当重传达到设定次数，或者超时达到设定时间，则调用错误类型为 ERR_ABRT 的错误处理回调函数。

重传和超时事件有：

  • PCB 控制块处于 SYN_SENT 状态，重传次数达到 TCP_SYNMAXRTX 次（默认 6 次）
  • PCB 控制块处于其它状态，重传次数达到 TCP_MAXRTX 次（默认 12 次）
  • 坚持定时器探查窗口达到 TCP_MAXRTX 次（默认 12 次）
  • PCB 控制块处于 FIN_WAIT_2 状态，超时达到 TCP_FIN_WAIT_TIMEOUT 秒（默认 20 秒）
  • PCB 控制块处于 SYN_RCVD 状态，超时达到 TCP_SYN_RCVD_TIMEOUT 秒（默认 20 秒）
  • PCB 控制块处于 LAST_ACK 状态，超时达到 2 * TCP_MSL 秒（默认 120 秒）
  • 使能保活、PCB 控制块处于 ESTABLISHED 或 CLOSE_WAIT 状态，超时达到 pcb->keep_idle + TCP_KEEP_DUR(pcb) 秒（默认 2 小时 10 分 48 秒）

tcp_slowtmr 函数简化后的代码为：

/*** Called every 500 ms and implements the retransmission timer and the timer that* removes PCBs that have been in TIME-WAIT for enough time. It also increments* various timers such as the inactivity timer in each PCB.** Automatically called from tcp_tmr().*/
void
tcp_slowtmr(void)
{while (pcb != NULL) {/* 这里表明处于 CLOSED、LISTEN 和 TIME_WAIT 状态的连接不会有重传 */LWIP_ASSERT("tcp_slowtmr: active pcb->state != CLOSED\n", pcb->state != CLOSED);LWIP_ASSERT("tcp_slowtmr: active pcb->state != LISTEN\n", pcb->state != LISTEN);LWIP_ASSERT("tcp_slowtmr: active pcb->state != TIME-WAIT\n", pcb->state != TIME_WAIT);if (pcb->state == SYN_SENT && pcb->nrtx >= TCP_SYNMAXRTX) {++pcb_remove;				// 处于SYN_SENT 状态，重传达到 6 次LWIP_DEBUGF(TCP_DEBUG, ("tcp_slowtmr: max SYN retries reached\n"));} else if (pcb->nrtx >= TCP_MAXRTX) {++pcb_remove;				// 其它状态，重传达到 12 次LWIP_DEBUGF(TCP_DEBUG, ("tcp_slowtmr: max DATA retries reached\n"));} else {if (pcb->persist_backoff > 0) {if (pcb->persist_probe >= TCP_MAXRTX) {++pcb_remove; 		// 探查次数达到 12 次 */}}if (pcb->state == FIN_WAIT_2) {if (pcb->flags & TF_RXCLOSED) {if ((u32_t)(tcp_ticks - pcb->tmr) >TCP_FIN_WAIT_TIMEOUT / TCP_SLOW_INTERVAL) {++pcb_remove;			// 处于 FIN_WAIT_2 状态，超时达到 20 秒}}}/* 注意只有 ESTABLISHED 和 CLOSE_WAIT 状态才会有 KEEPALIVE（保活） */if (ip_get_option(pcb, SOF_KEEPALIVE) &&((pcb->state == ESTABLISHED) ||(pcb->state == CLOSE_WAIT))) {if ((u32_t)(tcp_ticks - pcb->tmr) >(pcb->keep_idle + TCP_KEEP_DUR(pcb)) / TCP_SLOW_INTERVAL) {++pcb_remove;			// 使能保活，超时 2 小时 10 分钟 48 秒++pcb_reset;} }if (pcb->state == SYN_RCVD) {if ((u32_t)(tcp_ticks - pcb->tmr) >TCP_SYN_RCVD_TIMEOUT / TCP_SLOW_INTERVAL) {++pcb_remove;			// 处于 SYN_RCVD 状态，超时达到 20 秒}}if (pcb->state == LAST_ACK) {if ((u32_t)(tcp_ticks - pcb->tmr) > 2 * TCP_MSL / TCP_SLOW_INTERVAL) {++pcb_remove;			// 处于 LAST_ACK 状态，超时达到 120 秒}}/* 需要移除 PCB 控制块 */if (pcb_remove) {tcp_pcb_purge(pcb);		// 释放 PCB 中的数据缓冲区（refused_data、unsent、unacked、ooseq）if (prev != NULL) {		// 从 tcp_active_pcbs 列表中移除 PCBprev->next = pcb->next;} else {tcp_active_pcbs = pcb->next;}if (pcb_reset) {			// 根据需要发送 RST 标志tcp_rst(pcb, pcb->snd_nxt, pcb->rcv_nxt, &pcb->local_ip, &pcb->remote_ip,pcb->local_port, pcb->remote_port);}tcp_free(pcb2);			// 释放 PCB 控制块内存/* 调用错误回调函数 */TCP_EVENT_ERR(last_state, err_fn, err_arg, ERR_ABRT);} }
}





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