【lwip】01简介笔记

目录

• 前言
• 1.1 优缺点
• 1.2 文件说明
  • 1.2.1 获取 lwip 源码文件
  • 1.2.2 lwip 文件夹说明
    • 1.2.2.1 总目录
    • 1.2.2.2 lwip 包
    • 1.2.2.3 lwip\src 内核源码
    • 1.2.2.4 lwip 官方说明文档
  • 1.2.3 contrib 文件夹说明
• 资料

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前言

本系列笔记主要记录学习LWIP时的简单笔记。
方便以后用到可以快速学习了解。

李柱明博客：https://www.cnblogs.com/lizhuming/p/15487034.html

1.1 优缺点

LwIP 具有主要特性：

1. 支持 ARP 协议（以太网地址解析协议）。
2. 支持 ICMP 协议（控制报文协议），用于网络的调试与维护。
3. 支持 IGMP 协议（互联网组管理协议），可以实现多播数据的接收。
4. 支持 UDP 协议(用户数据报协议)。
5. 支持 TCP 协议(传输控制协议)，包括阻塞控制、RTT 估算、快速恢复和快速转发。
6. 支持 PPP 协议（点对点通信协议），支持 PPPoE。
7. 支持 DNS（域名解析）。
8. 支持 DHCP 协议，动态分配 IP 地址。
9. 支持 IP 协议，包括 IPv4、IPv6 协议，支持 IP 分片与重装功能，多网络接口下的数据包转发。
10. 支持 SNMP 协议（简单网络管理协议）。
11. 支持 AUTOIP，自动 IP 地址配置。
12. 提供专门的内部回调接口(Raw API)，用于提高应用程序性能。
13. 提供可选择的 Socket API、NETCONN API (在多线程情况下使用) 。

LwIP 在嵌入式中使用有以下优点：

1. 资源开销低，即轻量化。LwIP 内核有自己的内存管理策略和数据包管理策略， 使得内核处理数据包的效率很高。另外，LwIP 高度可剪裁，一切不需要的功能都可以通过宏编译选项去掉。 LwIP 的流畅运行需要 40KB 的代码 ROM 和几十 KB 的 RAM，这让它非常适合用在内存资源受限的嵌入式设备中。
2. 支持的协议较为完整。几乎支持 TCP/IP 中所有常见的协议，这在嵌入式设备中早已够用。
3. 实现了一些常见的应用程序：DHCP 客户端、DNS 客户端、HTTP 服务器、MQTT 客户端、TFTP 服务器、SNTP 客户端等等。
4. 同时提供了三种编程接口：RAW API、NETCONN API（注：NETCONN API 即为 Sequential API）和 Socket API。这三种 API 的执行效率、易用性、可移植性以及时空间的开销各不相同，用户可以根据实际需要，平衡利弊，选择合适的 API 进行网络应用程序的开发。
5. 高度可移植。其源代码全部用 C 实现，用户可以很方便地实现跨处理器、跨编译器的移植。 另外，它对内核中会使用到操作系统功能的地方进行了抽象，使用了一套自定义的 API， 用户可以通过自己实现这些 API，从而实现跨操作系统的移植工作。
6. 开源、免费，用户可以不用承担任何商业风险地使用它。
7. 相比于嵌入式领域其它的 TCP/IP 协议栈，比如 uC-TCP/IP、FreeRTOS-TCP 等， LwIP 的发展历史要更悠久一些，得到了更多的验证和测试。LwIP 被广泛用在嵌入式网络设备中， 国内一些物联网公司推出的物联网操作系统，其 TCP/IP 核心就是 LwIP；物联网知名的 WiFi 模块 ESP8266，其 TCP/IP 固件，使用的就是 LwIP。

缺点：

1. 相比于 Linux 和 Windows 系统自带的 TCP/IP 协议栈，LwIP 的功能不算完整和强大。

1.2 文件说明

1.2.1 获取 lwip 源码文件

LwIP 的项目主页：http://savannah.nongnu.org/projects/lwip/

关注其：project homepage 和 download area 这两个点即可：

• project homepage：LwIP 的使用注意、 数据的拷贝、系统初始化流程、多线程中要注意的问题、优化方法、内核模块的分类介绍、 内核数据结构、内核重要全局变量、内核源码文件等。
• download area：下载页面。推荐：http://download-mirror.savannah.gnu.org/releases/lwip/

说明：contrib 包里面装的是移植和应用 LwIP 的一些 demo。

1.2.2 lwip 文件夹说明

1.2.2.1 总目录

下载两个包：lwip-2.1.2.zip（源码包）和 contrib-2.1.0.zip（contrib 包）

1.2.2.2 lwip 包

• doc 是一些应用文档和移植 LwIP 的指南。（有点混乱，不建议参考）
• src 是 LwIP 源码文件。
• test 是测试 LwIP 内核性能的源码，将它们和 LwIP 源码加入到工程中一起编译，调用它们提供的函数，可以获得许多与 LwIP 内核性能有关的指标。
• CHANGELOG 版本升级记录。
• COPYING LwIP 这个开源软件的 license。
• FILES 介绍当前目录下的目录信息。
• README LwIP 的一个简单的介绍。
• UPGRADING 记录了 LwIP 每个大版本的更新，会对用户使用和移植 LwIP 造成的影响。

1.2.2.3 lwip\src 内核源码

• api 文件夹里面装的是 NETCONN API 和 Socket API 相关的源文件，只有在操作系统的环境中，才能被编译。
• apps 文件夹里面装的是应用程序的源文件，包括常见的应用程序，如 httpd、mqtt、tftp、sntp、snmp 等。
• core 文件夹里面是 LwIP 的内核源文件。
• include 文件夹里面是 LwIP 所有模块对应的头文件。
• netif 文件夹里面是与网卡移植有关的文件，这些文件为我们移植网卡提供了模板，我们可以直接使用。

LwIP 内核是由一系列模块组合而成的，这些模块包括：

• TCP/IP 协议栈的各种协议
• 内存管理模块；
• 数据包管理模块；
• 网卡管理模块；
• 网卡接口模块；
• 基础功能类模块；
• API 模块。

每个模块是由相关的几个源文件和头文件组成的，通过头文件对外声明一些函数、宏、数据类型，使得其它模块可以方便地调用此模块的功能。而构成每个模块的头文件都被组织在了 include 目录中，而源文件则根据类型被分散地组织在 api、apps、core、netif 目录中。

部分文件说明：

• def.c 文件定义了一些基础类函数，比如主机序和网络序的转换、字符串的查找和比较、整数转换成字符串等，这些函数会被 LwIP 内核的很多模块所调用。所以会常看到 #include “def.h”。

• init.c 文件对 LwIP 的用户宏配置进行了检查，会将配置错误和不合理的地方，通过编译器的 #error & #warning 功能表示出来。另外，init.c 定义了 lwip_init(); 初始化函数，这个函数会依次对 LwIP 的各个模块进行初始化。

• mem.c 文件实现了动态内存池管理机制，各模块可以灵活地申请和释放内存。

• memp.c 文件实现了静态内存堆管理机制，各模块可以快速地申请和释放内存。

• netif.c 文件实现了网卡的操作，比如注册/删除网卡、使能/禁能网卡、设置网卡 IP 地址等等。netif.c 与 include 目录中的 netif.h 文件共同构成了 LwIP 的 netif 模块。

• pbuf.c 文件实现了 LwIP 对网络数据包的各种操作。网络数据包在 LwIP 内核中以 pbuf 结构体的形式存在，这提高了 LwIP 内核对数据包处理效率，以及提高了数据包在各层之间递交的效率。pbuf 结构体也是我们使用 RAW/Callback API 进行网络应用程序开发的关键。

• raw.c 文件实现了一个传输层协议的框架，我们可以在它的基础上修改和添加代码，实现自定义的传输层协议，与 UDP/TCP 一样，它可以与 IP 层直接进行交互。这类似 RAW Socket。在实际的应用中，我们常用 UDP 和 TCP 作为传输层协议。但有时，底层网络开发人员会嫌 UDP 的可靠性太差，或者 TCP 虽然可靠性强，但是很耗费时间和内存，他们需要根据实际需求，平衡利弊，定义自己的传输层协议。LwIP 的 raw 模块可以满足这个需求。

• stat.c 文件实现了 LwIP 内核的统计功能，使用户可以实时地查看 LwIP 内核对网络数据包的处理情况。

• timeouts.c 定义了 LwIP 内核的超时处理机制。LwIP 内核中多个模块的实现需要借助超时处理机制，包括 ARP 表项的时间统计、IP 分片报文的重装、TCP 的各种定时器、实现各种应用层协议需要的超时处理。

1.2.2.4 lwip 官方说明文档

LwIP 官方说明文档：http://www.nongnu.org/lwip/2_1_x/index.html

陷阱章节-Common pitfalls：

• 里面提到有无操作系统相关注意点：Mainloop Mode（主函数轮询模式）与 OS Mode（操作系统模式）。

1.2.3 contrib 文件夹说明

就是 demo 文件夹。后面开发可参考。

资料

参考：

• _野火EmbedFire___野火_LwIP应用开发实战指南_基于野火STM32__20210122.pdf
• Lwip 应用开发实战指南