TCP/IP协议栈

TCP/IP协议栈
TCP/IP协议栈

LwIP架构

LwIP架构
LwIP架构

进程模型

进程模型是指TCP/IP协议栈的各协议入IP协议、TCP协议、ICMP协议等是如何实现的。

  • TCP/IP协议栈的每个协议都通过一个不同的进程实现。在该模型下，每个进程都严格地与一个协议相对应。这种进程模型的优点是网络协议的每一层都很清晰，每一层都可以随时参与系统运行。该模型的缺点是进程间的上下文切换比较频繁，系统将为频繁的上下文切换付出较大的代价。
  • TCP/IP协议栈驻留在操作系统的内核中，应用程序通过系统调用与TCP/IP协议栈通信。该模型下，各协议栈并非严格地与一个进程相对应。
  • TCP/IP协议栈驻留在同一个进程中，独立于操作系统内核空间。LwIP采用正是这种方式，LwIP作为一个独立的进程，运行在用户空间内，其优点是可以方便地移植到不同的操作系统中运行。

内存管理

LwIP的动态内存管理机制大致上可以分成三种：标准C运行库自带的内存分配策略、LwIP的动态内存堆分配策略、LwIP的动态内存池分配策略。

LwIP内存管理
LwIP内存管理
  • 将MEM_LIBC_MALLOC设置为1，表明使用标准C库自带的内存分配策略
  • 将MEMP_MEM_MALLOC设置为1，表明使用LwIP自己的动态内存堆分配策略
  • LwIP还支持内存池，不过在ESP-IDF中并没有被使能。相较于内存堆的动态分配，内存池效率更高，碎片少，但是会消耗更多的内存

缓冲管理

LwIP的缓冲管理机制的功能是尽量避免内存拷贝，尽量较少对内存和空间的需求，提高程序的执行效率。LwIP使用数据结构pbuf来描述内存的缓冲数据包。

pbuf结构体
pbuf结构体
  • 由于实际发送或接收的数据包长度不一，而每个pbuf只能管理一部分数据，因此对于大容量的数据包，就必须使用多个pbuf才能完整地描述它
  • type表明了该pbuf的类型，目前LwIP定义了四种类型的pbuf，分别是：PBUF_RAM，PBUF_ROM，PBUF_REF，PBUF_POOL
pbuf类型定义
pbuf类型定义
  • PBUF_RAM类型的pbuf是通过内存堆分配得到的，LwIP协议栈和应用程序要传递的数据一般都使用该类型的pbuf。
  • PBUF_POOL类型的pbuf是通过内存池分配得到的，由于分配此类型的pbuf可以快速完成，适合中断处理，因此它更多地应用在网络设备驱动层。
  • PBUF_REF和PBUF_ROM类型的pbuf基本相同，他们都是从内存池中申请分配pbuf结构首部空间，而不申请数据区的空间。两者的区别在于，前者指向RAM空间内的某段数据，后者指向ROM空间内的某段数据。
pbuf结构
pbuf结构

pbuf管理API

当使用Netconn API时，则使用netbuf（网络缓冲）发送/接收数据，netbuf只是pbuf结构的封装，它可容纳分配的或引用的数据。

pbuf管理API
pbuf管理API

网络接口层

在LwIP中，物理网络硬件的设备驱动通过网络接口结构体netif来描述一个硬件网络接口，并通过netif_add函数向全局变量netif链表结构增加一个硬件网络接口。

网络接口
网络接口
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/** Generic data structure used for all lwIP network interfaces.
 *  The following fields should be filled in by the initialization
 *  function for the device driver: hwaddr_len, hwaddr[], mtu, flags */
struct netif {
  /** pointer to next in linked list */
  struct netif *next;

#if LWIP_IPV4
  /** IP address configuration in network byte order */
  ip_addr_t ip_addr;
  ip_addr_t netmask;
  ip_addr_t gw;
#endif /* LWIP_IPV4 */
#if LWIP_IPV6
  /** Array of IPv6 addresses for this netif. */
  ip_addr_t ip6_addr[LWIP_IPV6_NUM_ADDRESSES];
  /** The state of each IPv6 address (Tentative, Preferred, etc).
   * @see ip6_addr.h */
  u8_t ip6_addr_state[LWIP_IPV6_NUM_ADDRESSES];
#if ESP_LWIP
  void (*ipv6_addr_cb)(struct netif* netif, u8_t ip_idex); /* callback for ipv6 addr states changed */
#endif

#endif /* LWIP_IPV6 */
  /** This function is called by the network device driver
   *  to pass a packet up the TCP/IP stack. */
  netif_input_fn input;
#if LWIP_IPV4
  /** This function is called by the IP module when it wants
   *  to send a packet on the interface. This function typically
   *  first resolves the hardware address, then sends the packet. */
  netif_output_fn output;
#endif /* LWIP_IPV4 */
  /** This function is called by the ARP module when it wants
   *  to send a packet on the interface. This function outputs
   *  the pbuf as-is on the link medium. */
  netif_linkoutput_fn linkoutput;
#if LWIP_IPV6
  /** This function is called by the IPv6 module when it wants
   *  to send a packet on the interface. This function typically
   *  first resolves the hardware address, then sends the packet. */
  netif_output_ip6_fn output_ip6;
#endif /* LWIP_IPV6 */
#if LWIP_NETIF_STATUS_CALLBACK
  /** This function is called when the netif state is set to up or down
   */
  netif_status_callback_fn status_callback;
#endif /* LWIP_NETIF_STATUS_CALLBACK */
#if LWIP_NETIF_LINK_CALLBACK
  /** This function is called when the netif link is set to up or down
   */
  netif_status_callback_fn link_callback;
#endif /* LWIP_NETIF_LINK_CALLBACK */
#if LWIP_NETIF_REMOVE_CALLBACK
  /** This function is called when the netif has been removed */
  netif_status_callback_fn remove_callback;
#endif /* LWIP_NETIF_REMOVE_CALLBACK */
  /** This field can be set by the device driver and could point
   *  to state information for the device. */
  void *state;
#if LWIP_DHCP
  /** the DHCP client state information for this netif */
  struct dhcp *dhcp;

#if ESP_LWIP
  struct udp_pcb *dhcps_pcb;	
  dhcp_event_fn dhcp_event;
#endif  

#endif /* LWIP_DHCP */

#if LWIP_AUTOIP
  /** the AutoIP client state information for this netif */
  struct autoip *autoip;
#endif

#if LWIP_IPV6_AUTOCONFIG
  /** is this netif enabled for IPv6 autoconfiguration */
  u8_t ip6_autoconfig_enabled;
#endif /* LWIP_IPV6_AUTOCONFIG */

#if LWIP_IPV6_SEND_ROUTER_SOLICIT
  /** Number of Router Solicitation messages that remain to be sent. */
  u8_t rs_count;
#endif /* LWIP_IPV6_SEND_ROUTER_SOLICIT */

#if LWIP_IPV6_DHCP6
  /** the DHCPv6 client state information for this netif */
  struct dhcp6 *dhcp6;
#endif /* LWIP_IPV6_DHCP6 */

#if LWIP_NETIF_HOSTNAME
  /* the hostname for this netif, NULL is a valid value */
  const char*  hostname;
#endif /* LWIP_NETIF_HOSTNAME */

#if LWIP_CHECKSUM_CTRL_PER_NETIF
  u16_t chksum_flags;
#endif /* LWIP_CHECKSUM_CTRL_PER_NETIF*/

  /** maximum transfer unit (in bytes) */
  u16_t mtu;
  /** number of bytes used in hwaddr */
  u8_t hwaddr_len;
  /** link level hardware address of this interface */
  u8_t hwaddr[NETIF_MAX_HWADDR_LEN];
  /** flags (see NETIF_FLAG_ above) */
  u8_t flags;
  /** descriptive abbreviation */
  char name[2];
  /** number of this interface */
  u8_t num;
  
#if MIB2_STATS
  /** link type (from "snmp_ifType" enum from snmp_mib2.h) */
  u8_t link_type;
  /** (estimate) link speed */
  u32_t link_speed;
  /** timestamp at last change made (up/down) */
  u32_t ts;
  /** counters */
  struct stats_mib2_netif_ctrs mib2_counters;
#endif /* MIB2_STATS */

#if LWIP_IPV4 && LWIP_IGMP
  /** This function could be called to add or delete an entry in the multicast
      filter table of the ethernet MAC.*/
  netif_igmp_mac_filter_fn igmp_mac_filter;
#endif /* LWIP_IPV4 && LWIP_IGMP */

#if LWIP_IPV6 && LWIP_IPV6_MLD
  /** This function could be called to add or delete an entry in the IPv6 multicast
      filter table of the ethernet MAC. */
  netif_mld_mac_filter_fn mld_mac_filter;
#endif /* LWIP_IPV6 && LWIP_IPV6_MLD */

#if LWIP_NETIF_HWADDRHINT
  u8_t *addr_hint;
#endif /* LWIP_NETIF_HWADDRHINT */
#if ENABLE_LOOPBACK
  /* List of packets to be queued for ourselves. */
  struct pbuf *loop_first;
  struct pbuf *loop_last;
#if LWIP_LOOPBACK_MAX_PBUFS
  u16_t loop_cnt_current;
#endif /* LWIP_LOOPBACK_MAX_PBUFS */
#endif /* ENABLE_LOOPBACK */

#if ESP_LWIP
  void (*l2_buffer_free_notify)(void *user_buf); /* Allows LWIP to notify driver when a L2-supplied pbuf can be freed */
  ip_addr_t last_ip_addr; /* Store last non-zero ip address */
#endif
};
  • IP信息
    IP信息
  • ip_addr，netmask，gw分别表示了IP地址、子网掩码、网关，建议这样子设定：IP4_ADDR(&ipaddr,192,168,1,100)
  • 硬件信息
    硬件信息
  • mtu表明最大的网络传输个数，以字节为单位
  • hwaddr存放了硬件接口的地址，对于以太网而言，就是MAC地址
  • flags是硬件接口状态信息标志位，如是否建立连接状态，是否允许广播功能等
  • name用来表示硬件接口使用的驱动类型，缩写，2个字节，比如蓝牙设备为“bl”，wifi设备为”wl”
  • num用来表示硬件接口的编号，当两个硬件接口的name字段相同时，该字段可以用来区分是哪一个硬件接口
  • 驱动功能
    驱动功能
  • input是一个函数指针，它指向的函数用于将网络硬件接口接收到的数据包传递给上层TCP/IP协议栈
  • output是一个函数指针，它所指向的函数用于将IP层的数据包发送到网络硬件接口上
  • linkoutput是一个函数指针，在ARP模块中调用，output指向的函数也是通过调用linkoutput指向的函数实现数据报发送的

ARP处理

ARP协议是TCP/IP协议的基础，本质是实现IP地址与底层物理地址的相互转换。ARP协议的核心是ARP缓存表，而ARP协议的实质就是对缓存表的建立、更新、查询等操作。ARP缓存表是由若干缓存表项组成，在LwIP中，描述缓存表项的数据结构叫etharp_entry。

ARP协议数据包格式
ARP协议数据包格式
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struct etharp_entry {
#if ARP_QUEUEING
  /** Pointer to queue of pending outgoing packets on this ARP entry. */
  struct etharp_q_entry *q;
#else /* ARP_QUEUEING */
  /** Pointer to a single pending outgoing packet on this ARP entry. */
  struct pbuf *q;
#endif /* ARP_QUEUEING */
  ip4_addr_t ipaddr;
  struct netif *netif;
  struct eth_addr ethaddr;
  u16_t ctime;
  u8_t state;
};
  • ipaddr存放IP地址，ethaddr存放物理地址，state表示缓存项的状态（例如是否为空，是否稳定），ctime记录ARP缓存项处于某个状态的时间，当某表项的ctime值大于规定的表项最大生存值时，LwIP内核会删除该表项。因此使用ARP功能时，必须设置一个ARP超时事件，该超时事件的基本功能就是对每个表项的ctime字段值加1，然后删除那些生存时间大于最大生存值的表项
ARP处理流程
ARP处理流程
  • 函数ethernet_input根据报文首部的帧类型字段判断接收到的报文类型，如果是IP包，则将该包传递给etharp_ip_input，如果是ARP包，则将该包递交给etharp_arp_input
  • 函数etharp_ip_input调用函数update_arp_entry，它是将报文首部的MAC地址和IP地址更新到ARP缓存中
  • 函数etharp_arp_input首先判断接收到的ARP数据包的类型，如果是ARP请求包，那么首先判断这个包是否是给自己的，如果是给自己的，就在原有包的基础上重组一个ARP应答包发送出去；如果不是给自己的，则直接忽略而如果接收到的数据包是ARP应答包，那么就调用update_arp_entry更新ARP缓存表

IP处理

IP协议数据包格式

LwIP软件大致框架

LwIP整体框架图
LwIP整体框架图
  • ip_input会做各项检查，包括协议版本号，IP首部的校验值，源IP地址是否有效等，然后检测IP数据包中的目的IP地址是否与本节点的IP地址相符，如果是本节点的IP地址，则根据该IP数据包首部的协议字段判断该数据包应该被递交到哪个上层协议，并调用相应的函数。如果是UDP协议，则调用udp_input函数；如果是TCP协议，则调用tcp_input函数；如果是ICMP协议，则调用icmp_input函数；如果是IGMP协议，则调用igmp_input函数；如果都不是，则调用函数icmp_dest_unreach返回一个协议不可达ICMP数据包给源主机。如果不是本节点的IP地址，则通过调用函数ip_forward对数据包进行转发。需要注意，由于一个节点可能含有多个IP地址，因此ip_input函数会遍历网络接口链表netif_list上的netif结构变量，来查找与IP数据包中相匹配的IP地址。
  • ip_output使用ip_route函数查找目标网络接口netif来发送IP数据包。当网络接口netif确定后，IP数据包通过函数ip_output_if发送出去。若ip_route没有找到合适的网络接口，则丢弃该报文，终止本次发送。函数ip_route通过遍历网络接口链表netif_list，查找与目的IIP地址在同一个子网中的网络接口，并将该网络接口返回给变量netif。

ICMP处理

ICMP协议数据包格式
ICMP协议数据包格式
  • icmp_input在ip_input中被调用，它处理接收到的ICMP数据包，并根据包类型做相应的处理。在LwIP协议栈中，它只处理ICMP回显请求包，对其他类型的ICMP包不作响应。icmp_input在处理ICMP回显请求时，首先判断该数据包是否为广播或者组播包，如果是，则直接返回，不再继续处理；如果不是，则继续判断该数据包长度是否小于ICMP回显请求头部长度，如果是则丢弃数据包；如果不是则将该ICMP报文类型字段变为0，重新计算校验和，并将IP报文首部的源IP地址和目的IP地址交换位置，并通过调用函数ip_output_if将数据包发送出去。
  • 函数icmp_dest_unreach在ip_input、udp_input中被调用，它的功能是通过调用函数icmp_send_response发送一个“目的不可到达”类型的icmp报文。在函数ip_input中，当所接收的IP报文协议字段不可识别时，icmp_dest_unreach就被调用。而在UDP处理器中，若不能找到与接收的报文相对应的端口号，则icmp_dest_unreach也将被调用。
  • 函数icmp_time_exceeded在ip_forward中被调用，它的功能是通过调用函数icmp_send_response发送一个“超时”类型的ICMP报文。在函数ip_forward中，当TTL减小为0时，调用该函数。

UDP处理

UDP协议数据包
UDP协议数据包
  • 函数udp_input将检查报文的UDP校验，最终调用函数recv，将收到的报文传递给应用层程序
  • 当应用层程序要通过UDP协议向外发送IP报文时，将通过调用函数udp_send实现，函数udp_send通过调用IP层的函数ip_output_if实现报文的发送
  • LwIP使用链表结构体udp_pcb来保存每一个UDP会话的状态
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struct udp_pcb {
/* Common members of all PCB types */
  IP_PCB;

/* Protocol specific PCB members */

  struct udp_pcb *next;

  u8_t flags;
  /** ports are in host byte order */
  u16_t local_port, remote_port;

#if LWIP_MULTICAST_TX_OPTIONS
  /** outgoing network interface for multicast packets */
  ip_addr_t multicast_ip;
  /** TTL for outgoing multicast packets */
  u8_t mcast_ttl;
#endif /* LWIP_MULTICAST_TX_OPTIONS */

#if LWIP_UDPLITE
  /** used for UDP_LITE only */
  u16_t chksum_len_rx, chksum_len_tx;
#endif /* LWIP_UDPLITE */

  /** receive callback function */
  udp_recv_fn recv;
  /** user-supplied argument for the recv callback */
  void *recv_arg;
};

TCP处理

TCP协议数据包
TCP协议数据包
  • TCP的滑动窗口协议是用于实现流量控制的
  • TCP的超时和重传机制提高了数据传输的可靠性
  • 拥塞控制是通过慢启动算法和拥塞避免算法来实现的
  • LwIP中含有两个定时器函数：tcp_fasttmr和tcp_slowtmr，tcp_fasttmr每250ms调用一次，tcp_slowtmr每500ms调用一次。快速定时器主要做两个方面的事情：向上层递交上层一直未接收的数据，二是发送该连接上的延迟ACK请求数据段。慢速定时器参与了较多功能，如超时与重传、拥塞控制等。

常用API接口

LwIP提供了3种应用程序接口：

  1. 直接调用协议栈各模块的函数，它是基于回调函数的API接口，也成为RAW API接口，回调函数直接被协议栈代码调用，因此应用程序代码和TCP/IP协议栈运行在同一个进程里，无需使用操作系统，两者之间这种良好的结合可以使得程序的执行效率更高，而且在运行中它占用更少的内存资源
  2. 使用LwIP提供的专用API接口，也称为Sequential API接口，程序的执行过程基于open-read-write-close模型，需要操作系统的支持，另外需要在文件lwipopts.h中把宏定义NO_SYS定义为0。Sequential API被分成两部分实现，一部分驻留在应用程序进程中，另一部分在TCP/IP协议栈进程内实现。这两部分API之间采用由操作系统模拟层提供的进程间通信机制进行通信。在LwIP中，操作系统模拟层是LwIP协议栈的一部分，它存在的目的是方面LwIP的移植，它在底层操作系统和LwIP协议栈之间提供了一个接口，当用户移植LwIP到一个新的目标系统的时候，只需要修改这个接口内的函数即可。驻留在应用程序进程中的API接口与TCP/IP协议栈进程中的API之间通过共享内存传递数据，对该共享内存区的描述是采用netbuf结构体
  3. BSD Socket兼容的Socket函数接口，但是BSD套接字需要将发送的数据从应用程序复制到TCP/IP协议栈的内部缓冲区，将会消耗系统有限的资源

TCP RAW API

TCP RAW API
TCP RAW API
函数 说明
struct tcp_pcb* tcp_new() 新建tcp协议控制块
ert_t tcp_bind(struct tcp_pcb pcb,struct ip_addr ipaddr,u16_t port) 绑定本地IP地址和端口号，如果ipaddr为IP_ADDR_ANY，则将连接绑定到所有的本地IP地址上
struct tcp_pcb tcp_listen(struct tcp_pcb pcb) 使指定的连接开始进入监听状态，如果监听成功，就返回一个新的连接控制块pcb
void tcp_accepted(struct tcp_pcb* pcb) 通知LwIP一个新来的连接已经被接收，这个函数通常在由tcp_accept指定的回调函数中被调用
void tcp_accept(struct tcp_pcb* pcb,err_t (*accept)(void* arg,struct tcp_pcb* newpcb,err_t err)) 指定处于监听状态的连接，在成功建立连接后要调用的回调方法
err_t tcp_connect(struct tcp_pcb* pcb,struct ip_addr* ipaddr,u16_t port,err_t (* connected)(void* arg,struct tcp_pcb* tpcb,err_t err)) 请求连接到执行的远程主机
err_t tcp_write(struct tcp_pcb* pcb,void* dataptr,u16_t len,u8_t copy) 发送TCP数据，将要发送的数据放入发送队列中，由协议栈内核发送，copy为0则不会为发送的数据分配新的内存空间
void tcp_sent(struct tcp_pcb* pcb,err_t (*sent)(void* arg,struct tcp_pcb* tpcb,u16_t len)) 指定当远程主机成功接收数据后，应用程序调用的回调函数
void tcp_recv(struct tcp_pcb* pcb,err_t (* recv)(void* arg,struct tcp_pcb* tpcb,struct pbuf* p,err_t err)) 指定接收数据时调用的回调函数
void tcp_recved(struct tcp_pcb* pcb,u16_t len) 用于获取接收到的数据的长度，必须在tcp_recv指定的回调函数中被调用
err_t tcp_close(struct tcp_pcb* pcb) 关闭一个指定的TCP连接，调用该函数后将会释放pcb控制块所占用的内存空间
void tcp_abort(struct tcp_pcb* pcb) 终止一个指定的连接，调用该函数后，pcb控制块所占用的内存空间将被释放
void tcp_err(struct tcp_pcb* pcb,void (*err)(void* arg,err_t err)) 指定处理错误的回调函数

TCP RAW API

UDP RAW API
UDP RAW API

Netconn API

  • 数据结构netconn描述了应用程序要使用API函数机那里一个连接的各种属性，包括了连接的类型、最近的故障代码、回调函数等。
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/** A netconn descriptor */
struct netconn {
  /** type of the netconn (TCP, UDP or RAW) */
  enum netconn_type type;
  /** current state of the netconn */
  enum netconn_state state;
  /** the lwIP internal protocol control block */
  union {
    struct ip_pcb  *ip;
    struct tcp_pcb *tcp;
    struct udp_pcb *udp;
    struct raw_pcb *raw;
  } pcb;
  /** the last error this netconn had */
  err_t last_err;
  
#if !LWIP_NETCONN_SEM_PER_THREAD
  /** sem that is used to synchronously execute functions in the core context */
  sys_sem_t op_completed;

#endif

  /** mbox where received packets are stored until they are fetched
      by the netconn application thread (can grow quite big) */
  sys_mbox_t recvmbox;
#if LWIP_TCP
  /** mbox where new connections are stored until processed
      by the application thread */
  sys_mbox_t acceptmbox;
#endif /* LWIP_TCP */
  /** only used for socket layer */
#if LWIP_SOCKET
  int socket;
#endif /* LWIP_SOCKET */
#if LWIP_SO_SNDTIMEO
  /** timeout to wait for sending data (which means enqueueing data for sending
      in internal buffers) in milliseconds */
  s32_t send_timeout;
#endif /* LWIP_SO_RCVTIMEO */
#if LWIP_SO_RCVTIMEO
  /** timeout in milliseconds to wait for new data to be received
      (or connections to arrive for listening netconns) */
  int recv_timeout;
#endif /* LWIP_SO_RCVTIMEO */
#if LWIP_SO_RCVBUF
  /** maximum amount of bytes queued in recvmbox
      not used for TCP: adjust TCP_WND instead! */
  int recv_bufsize;
  /** number of bytes currently in recvmbox to be received,
      tested against recv_bufsize to limit bytes on recvmbox
      for UDP and RAW, used for FIONREAD */
  int recv_avail;
#endif /* LWIP_SO_RCVBUF */
#if LWIP_SO_LINGER
   /** values <0 mean linger is disabled, values > 0 are seconds to linger */
  s16_t linger;
#endif /* LWIP_SO_LINGER */
  /** flags holding more netconn-internal state, see NETCONN_FLAG_* defines */
  u8_t flags;
#if LWIP_TCP
  /** TCP: when data passed to netconn_write doesn't fit into the send buffer,
      this temporarily stores how much is already sent. */
  size_t write_offset;
  /** TCP: when data passed to netconn_write doesn't fit into the send buffer,
      this temporarily stores the message.
      Also used during connect and close. */
  struct api_msg_msg *current_msg;
#endif /* LWIP_TCP */
  /** A callback function that is informed about events for this netconn */
  netconn_callback callback;
};
Netconn API
Netconn API
函数 说明
struct netconn* netconn_new_with_proto_and_callback(enum netconn_type t,u8_t proto,netconn_callback callback) 建立一个新的netconn连接
err_t netconn_delete(struct netconn* conn) 删除netconn所指向的连接
err_t netconn_getaddr(struct netconn* conn,struct ip_addr* addr,u16_t* port,u8_t local) 获取conn连接的主机IP地址和端口号
err_t netconn_bind(struct netconn* conn,struct ip_addr* addr,u16_t port) 将一个IP地址及端口号与conn指向的而连接绑定
err_t netconn_connect(struct netconn* conn,struct ip_addr* addr,u16_t port) 将服务器端的IP地址和端口号与conn指向的连接绑定
err_t netconn_disconnect(struct netconn* conn) 断开conn指向的连接
err_t netconn_listen_with_backlog(struct netconn* conn，u8_t backlog) 将conn指向的连接设定为监听状态
struct netconn* netconn_accept(struct netconn* conn) 接收客户端的连接，该函数会阻塞在acceptmbox邮箱上
struct netbuf* netconn_recv(struct netconn* conn) 接收数据，接收到的数据被封装为netbuf结构
err_t netconn_sendto(struct netconn* conn,struct netbuf* buf,struct ip_addr* addr,u16_t port) 向一个指定的IP地址和端口号发送数据，这个函数只能用在conn类型为UDP或者RAW的连接中
err_t netconn_write(struct netconn* conn,const void* dataptr,size_t size,u8_t apiflag) 向相应的TCP连接上发送数据，这个函数只能用于发送TCP的报文
err_t nnetconn_close(struct netconn* conn) 关闭conn指向的连接
  • netconn_new_with_proto_and_callback首先调用netconn_alloc函数分配并初始化一个netconn结构，接下来该函数会构建一个api_msg消息，该消息要求内核执行函数do_newconn，最后调用函数tcpip_apimsg来将消息包装成tcpip_msg结构并发送出去。tcpip_thread函数解析该消息并调用函数do_newconn，do_newconn根据参数的类型调用函数tcp_new创建一个TCP控制块
  • tcpip_thread是处理TCP/IP的内核协议栈进程，它只接收tcpip_msg结构封装的消息，并根据消息的类型来判定该消息来自物理网卡或应用层程序。如果接收到网卡的IP报文，则将该报文递交给ip_input函数；如果是应用层程序发送的消息，则通过调用消息指定的内核处理函数来完成相应的功能

Socket API

LwIP提供了标准BSD套接字API，它也是有序API，在内存构建于Netconn API之上。所谓“有序”是指其执行模型基于典型的阻塞式打开-读-写-关闭机制。

Socket API
Socket API

LwIP移植

  1. 以太网接口任务用于接收来自物理网卡的数据报文，同时将收到的报文通过FreeRTOS提供的邮箱传递给TCP/IP协议栈任务。以太网接口任务平时处于挂起状态，当硬件收到报文时，将产生接收报文中断，该终端以信号量的方式将以太网接口任务激活
  2. 应用程序使用TCP/IP协议栈提供的Sequential API接口访问LwIP，同时这两个独立的任务需要使用FreeRTOS提供的邮箱机制实现彼此之间信息的交互。Sequential API接口函数在FreeRTOS操作系统运行环境下是“阻塞”函数，也就是说应用程序任务在调用Sequential API接口函数时，将会被阻塞，直到收到来自TCP/IP协议栈返回的消息应答
  3. 基于LwIP的TCP/IP协议栈与应用程序运行在两个独立的任务中
网卡驱动移植
网卡驱动移植
  1. 以太网接口文件ethernetif.c的移植，主要包含ethernet_low_level_init，ethernet_low_level_output，ethernetif_input，ethernetif_init这几个函数的功能
    • ethernetif_input函数用于从底层物理网卡读取报文，并将该报文向上传递给LwIP协议栈函数ethernet_input进行处理
    • ethernetif_init函数指定了网络接口netif对应的主机名及网卡描述，并指定了该网卡的MAC地址，同事还指定了netif的发送数据报文函数
  2. 操作系统模拟层文件sys_arch.c的移植，总的来时操作系统模拟层主要完成了与信号量、消息邮箱机制、线程相关的功能
    • 在sys_arch.h文件中对信号量、邮箱、线程对象进行重定义
    • sys_mbox_new函数，使用FreeRTOS提供的消息队列机制创建一个空的消息队列
    • sys_mbox_free函数，删除一个队列，当该队列中还有未被取出的消息时，该函数应当报错，并通知应用程序
    • sys_mbox_post函数，将消息发送到消息队列中，该函数是一个阻塞函数，当消息被发送至队列后，该函数才会退出阻塞状态
    • sys_mbox_trypost函数，用于尝试将某个消息发送至消息队列中，当消息被成功投递后，则返回成功，否则返回失败
    • sys_arch_mbox_fetch函数，用于从消息队列中取出一条消息，该函数是一个阻塞函数，调用该函数的线程若未取到消息，则在形参timeout所指定的时间内，该线程被阻塞。当超过timeout所指定的时间后，该线程恢复至就绪状态。若timeout为0，则调用该函数的线程一直被阻塞，直到收到消息
    • sys_arch_mbox_tryfetch函数尝试从消息队列中取出消息，它是一个非阻塞函数，当取到消息时，则返回成功，否则立即退出，返回队列空
    • sys_sem_new函数创建一个信号量，并根据形参的值指定好当前信号量的状态
    • sys_arch_sem_wait函数在形参timeout指定的时间被阻塞，若timeout为0，则调用该函数的线程将一直被阻塞，直到等待的信号量被释放。但该函数取到信号量时，它将返回取到的该信号量所占的时间
    • sys_sem_signal函数用于释放一个信号量
    • sys_sem_free函数用于删除一个信号量
    • sys_thread_new函数用于创建一个新的线程
    • sys_init函数是操作系统模拟层的初始化函数，主要对定时器管理数组进行了初始化
    • sys_zrch_timeouts函数用于返回当前任务的定时器管理链表首地址
    • sys_arch_protect函数和sys_arch_unprotect函数在访问临界区资源时成对使用
  3. ethernet_input函数的实现在独立模式和RTOS模式时是不同的：
    • 在独立应用中，此函数必须被插入到应用的主循环中，以便轮询任何收到的包
    • 在RTOS应用中，此函数为一个阻塞线程，只有当得到所等待的信号量时才处理接收到的数据包。当以太网外设收到数据并产生中断时，会在中断处理函数中释放此信号量

LwIP配置

LwIP提供了名为lwipopts.h的文件，它允许用户充分配置栈及其所有模块。用户不需要定义所有LwIP选项：如果未定义某选项，则使用opt.h文件中定义的默认值

  • 内存配置
LwIP内存配置
LwIP内存配置