一、协议简介

二、协议间报文封装与拆封

三、LWIP简介

四、Lwip文件说明

4.1）如何获取LWIP源码文件

4.2）LWIP文件说明

lwip目录

src目录

core目录

4.3）查看lwip的说明文档

五、LWIP的三种编程接口

5.1) RAW/Callback API

5.2）NETCONN API

5.3）SOCKET API

一、协议简介

互联网的本质是数字通信，任何数字通信都离不开通信协议的制定，任何通信设备只有按照约定的、统一的方式封装和解析数据才能够实现收发双方的通信交互。互联网通信所要遵守的众多协议被统称位TCP/IP。

TCP/IP是一个协议族，是一个多层协议系统，每一层完成不同的功能，且通过若干协议来实现，上层协议使用下层协议提供的服务。。对于开发人员听到最多就是就是应用层协议，比如HTTP、FTP、MQTT等。

TCP/IP是一个庞大的协议族，是众多协议的结合，这些协议按照功能可以划分为不同的层次，某些协议的实现要依赖于其它协议。依据这种依赖关系可以将协议进行分层，低层协议为相邻的上层协议提供服务，是上层协议得以实现的基础。

TCP/IP分层如下图所示：

物理层（PHY）：规定了传输信号所需要的物理电平、介质特征。

链路层（MAC）：规定了数据帧能被网卡接收的条件，最常见的方式就是利用网卡的MAC地址，发送方会在欲发送的数据帧的首部加上接收方网卡的MAC地址信息，接收方只有监听到属于自己的MAC地址信息后，才会去接收并处理该数据。

网络层：每台设备网络都应该有自己的网络地址，网络层规定了主机的网络地址该如何定义，以及如何在网络地址和MAC地址之间进行映射，及ARP协议。

传输层：网络层实现了数据包在主机之间的传递，而每一台主机内部可能运行着多个网络程序，传输层的功能就是区分数据包是属于哪一个应用程序的，可以说传输层实现了数据包端到端的传递，另外，数据包在传输过程中可能出现丢包、乱序、和重复的现象，网络层并没有提供应对这些错误的机制，而传输层可以解决这些问题，如TCP协议。

应用层：应用层以下的工作实现了数据的传递工作，应用层则决定了你如何应用和处理这些数据，之所以会有这么多的应用层协议，因为互联网中传输数据的种类很多，差异很大，应用场景也十分多样。

二、协议间报文封装与拆封

当用户发送数据时，数据会向下进行一层一层的封装，首先先将应用层数据向下交给传输层，这是应用层的操作，接下来传输层会在数据的前面加上传输层的首部，然后向下交给网络层。同样的网络层也会在数据前面加上网络层首部，完后将数据向下交给链路层，链路层会对数据进行最后一次封装，即在数据前面加上链路层首部，然后将数据交给网卡。最后网卡将数据转换为物理链路上的电平信号，数据就这样被发送到网络中了，数据发发送的过程可以概况为TCP/IP的个层协议对数据进行封装的过程，如下图所示：

当设备的网卡接收到某个数据包后，会将其放在网卡的接收缓冲区中，并告知TCP/IP内核，然后TCP/IP内核就开始工作，它会将数据从接收缓冲区中取出，并逐层解析数据包中协议首部信息，并最终将数据交给某个应用程序，数据接收的过程与发送的过程正好相反，可以概括为TCP/IP的各层协议对数据进行解析的过程。

三、LWIP简介

lwip(Light Weight IP),轻量级TCP/IP协议，是瑞典计算机科学院的Adam Dunkels 开发的一个小型开源的TCP/IP协议栈，LWIP设计的初衷是：用少量的资源消耗实现一个较为完整的TCP/IP协议栈。实现的重点是保持TCP协议的主要功能的基础上减少对RAM的占用。此外LWIP既可以移植到操作系统上运行，也可以在无操系统的情况下运行。

LWIP主要有以下特性：

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），用于网络的调与维护

3.支持IGMP协议（互联网组管理协议）,可以实现多包数据的接收

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）

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分片和重装功能，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.提供可供选择的Socket API、NETCONN API（在多线程情况下使用）

四、Lwip文件说明

4.1）如何获取LWIP源码文件

http://savannah.nongnu.org/projects/lwip/

这个主页简单的介绍了一下LWIP，然后给了许多链接，这里我们只关注两个地方。

点击“project homepage”,会得到一个网页，这个网页可以看成是lwip的官网说明文档，我们可以通过这个网页获得关于lwip的很多信息，包括LWIP的使用注意、数据的拷贝、系统的初始化流程等。点击后的内容如下图所示：

点击“Download Area”，会得到一个网页，通过这个网页，我们可以下载到LWIP所有的版本源代码包和contrib包（里面是移植和应用LWIP的一些demo，即应用实例），点击每一个红色字体的资源链接，浏览器就会开启一个ftp连接，帮助你下载想要的文件到电脑中。Download Area的内容如下所示：

另外还有一些“.sig”后缀的文件，这是数字签名，大家忽略就好。

4.2）LWIP文件说明

lwip目录

打开lwip2.1.3文件夹如下图所示

该目录下的内容为：

① CHANGELOG ：文件记录了 LwIP 在版本升级过程中源代码发生的变化。

② COPYING ：文件记录了 LwIP 这个开源软件的 license。一个软件开源，不代表你能无限制地使用它，你需要在使用它的过程中遵守一定的规则，这些规则就是 license。大家可以用记事本打开这个 COPYING 文件看看它的内容。开源软件的 license 有很多种，LwIP 的属于 BSD License。LwIP 的开源程度是很高的，你几乎可以无限制地使用它。

③ FILES ：文件用于介绍当前目录下的目录信息。

④ README ：文件对 LwIP 进行了一个简单的介绍。

⑤ UPGRADING：文件记录了 LwIP 每个大版本的更新，会对用户使用和移植 LwIP 造成的影响。所谓大版本更新指的是：1.3.x - 1.4.x – 2.0.x – 2.1.x。小版本更新，比如 2.0.1 – 2.0.2 – 2.0.3，这个过程只是一些 bug 的修复和性能的改善，不会对用户的使用造成影响。用户只要将原有工程的目录中与 LwIP 相关的旧版本文件替换成新版本的文件，重新编译，就能直接使用。

⑥ doc ：文件夹里面是关于 LwIP 的一些文档，可以看成是应用和移植 LwIP 的指南。但是这些文档比较零散，不成体系，而且纯文本阅读起来很费劲，阅读意义不是很大。

⑦ test ：文件夹里面是测试 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。这种内核性能测试功能，只有非常专业的人士才用的到。

⑧ src：文件夹里面就是我们最关心的 LwIP 源码文件，下面会详细讲解

src目录

打开src文件夹如下图所示：

该目录下的内容为：

① 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。

② 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。

③ core：文件夹里面是 LwIP 的内核源文件，后续会详细讲解。

④ include ：文件夹里面是 LwIP 所有模块对应的头文件。

⑤ 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。而构成每个模块的文件都被组织在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。

core目录

core存放的是LWIP的内核源文件，打开如下图所示：

接下来我们逐一介绍这些源文件的功能：

ipv4:文件夹里面是与IPv4模块相关的源文件，它实现了IPv4协议规定的对数据包的各种操作。ipv4文件夹中还包括一些并非属于IP协议，但会受IP协议影响的协议源文件包括DHCP、ARP、ICMP、IGMP。

ipv6:文件夹里面是与IPv6模块相关的源文件，它实现了IPV6协议规定的对数据包的各种操作。IPv6文件夹中还包括一些并非属于IP协议，但会受IP协议影响的协议源文件，包括DHCP、ARP、ICMP、IGMP。

altcp.c、altcp_alloc、altcp_tcp.c等文件是应用程序分层TCP连接API，从TCPIP线程使用，是一个抽象层，可以模拟应用程序的tcp回调API。

def.c文件定义了一些基础类函数，比如主机序和网络字节序的转换、字符串的查找和比较、整数转换为字符串等，这些函数会被LWIP内核的很多模块所调用。在include 目录里面的def.h文件对外声明了def.c所实现的函数，同时定义了许多宏，能实现一些基础操作，比如取最大值、最小值、数值长度等。

dns.c文件实现了域名的解析的功能，有了它，用户就可以在知道服务器域名的情况下，获得该服务器的IP地址。很多时候我们只记得服务器域名而不记得服务器IP地址，例如“”www.baidu.com“这就是一个域名，通过dns功能，我们就可以得到服务器域名对应的IP地址，这给用户使用带来了很大的方便。

inet_chksum.c问价提供了LWIP所需的校验和功能，在IP、UDP、TCP协议的实现中，需要计算校验和。

init.c文件对LWIP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和#waring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。

ip.c文件实现了IP协议相关的函数，但是只封装了ipv4和ipv6文件夹中的函数

mem.c文件实现了动态内存池管理机制，使得lwip内核的各个模块可以灵活的申请和释放内存。

memp.c文件实现了静态内存堆管理机制，使得lwip内核的各个模块可以快速的申请和释放内存。

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。netif与include目录中的netif文件公用构成了lwip的netif模块，它对网卡进行了抽象，使得LWIP内核可以方便的管理多个特性各异的物理网卡。

pbuf.c文件实现了lwip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内核对数据包的处理效率，以及提高了数据包在各层之间的传递效率。

raw.c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。

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

sys.c文件和sys.h文件构成了LWIP的sys模块，它提供了与临界区相关的操作

tcp.c、tcp_in.c和tcp_out.c文件实现了TCP协议，包括对TCP连接的操作、对TCP数据包的输入输出操作和TCP定时器，它们和include目录中名称带tcp的头文件共同构成了LWIP的TCP模块。

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。

udp.c文件实现了UDP协议，包括对UDP连接的操作和UDP数据包的操作。

4.3）查看lwip的说明文档

我们一般点击左侧的”Modules“，查看模块相关的说明，以及例子。如下图所示

还有一些用户常用的API函数，也是可以在"Modules"中找到。

还有应用层相关的说明可以在"Application"中找到，数据结构相关的可以在”Data Structures“中查看详细说明。

五、LWIP的三种编程接口

Lwip提供了三种编程接口，分别为RAW/Callback API 、NETCONN API、SOCKET API。它们的易用性从左到右依次提高，而执行效率从左到右依次降低。

5.1) RAW/Callback API

RAW/Callback API 是指内核回调型的API,这在许多通信协议的C语言实现中都有所应用。对于从来没有接触过回调式编程的人来说，可能理解起来比较困难。

RAW/Callback API 是LWIP的一大特色，在没有操作系统支持的裸机环境中，只能使用这种API进行开发，同时这种API也可以应用在操作系统环境中。这里先简要说明一下”回调“的概念。你新建了一个TCP或者UDP的连接，你想等它接收到数据后去处理它们，这时你需要把处理该数据的操作封装成一个函数，然后将这个函数的指针注册到LWIP内核中，LWIP内核会在需要的时候去检测该链接是有接收到数据，如果接收到数据，内核会在第一时间调用注册的函数，这个或称被称为回调。这个注册的函数被称为”回调函数“。这个回调函数中封装着你想要的业务逻辑，在这个函数中，你可以自由的处理接收到的数据，也可以发送任何数据，也就是说这个回调函数就是你的应用程序。

在回调编程中，LWIP内核把数据交给应用程序的过程就是一次简单的函数调用，这里是非常节省时间和空间资源的。每一个回调函数实际上就是一次简单的C函数，这个函数在TCP/IP内核中被调用。每一个回调函数都作为一个参数传递给当前TCP或UDP连接。而且，为了能够保存程序的特定状态，可以向回调函数传递一个指定的状态，并且这个指定的状态是独立于TCP/IP协议栈的。

在有操作系统的环境中，如果使用RAW/Callback API，用户的应用程序就以回调函数的形式成为了内核代码的一部分，用户的应用程序和内核程序会处于同一个线程中，这就省去了任务间通信和切换任务的开销了。

简单来说，RAW/Callback API 的优点有两个：

（1）可以在没有操作系统的环境中使用

（2）在有操作系统的环境中使用，对比另两种API,可以提高应用程序的效率、节省内存的开销。

RAW/Callback API 的优点是显著的，但是缺点也是显著的；

（1）基于回调函数开发应用程序的思维过于复杂。利用回调函数去实现复杂的业务程序时，会很麻烦，而且代码的可读性比较差。

（2）在操作系统环境中，应用程序代码和内核代码处于同一线程，虽然能够节省任务间通信和切换任务的开销，但是相应的，应用程序的执行会制约内核程序的执行，不同的应用程序之间也会相互制约。在应用程序执行过程中，内核程序将不可能得到运行，这会影响到网络数据包的处理效率。如果应用程序占用的时间过长，而且碰巧这时又有大量的数据包到达，由于内核代码长期得不到执行，网卡接收缓存的数据包就持续积累，到时候很可能因为满载而丢弃一些数据包，而造成丢包的现象，

5.2）NETCONN API

在操作系统环境中，可以使用NETCONN API 或者 Socket API 进行网络应用程序的开发。

NETCONN API是基于操作系统的IPC机制（即信号量和邮箱机制）实现的，它的设计将LWIP内核代码和网络应用程序分离成了独立的线程。如此一来，LWIP内核线程就只是负责数据包的TCP/IP封装和拆封，而不用进行数据的应用层处理，大大提高了系统对网络数据包的处理效率。

前面提到，使用RAW/Callback API会造成内核程序和网络应用程序、不同网络应用程序之间的相互制约，如果使用NETCONN API 或者Socket API,这种制约将不复存在。在操作系统环境中，LWIP内核会被实现为一个独立的线程，名为tcpip_thread，使用NETCONN API 或者 Socket API的应用程序处在不同的线程中，我们可以根据任务的重要性，分配不同的优先级给这些线程，从而保证重要任务的时效性，分配优先级的原则具体见表格

NETCONN API 使用了操作系统的IPC机制，对网络连接进行了抽线，用户可以像操作文件一样操作网络连接（打开/关闭、读/写数据）。但是NETCONN API并不如操作文件的API那样简单易用。比如NETCONN API的读数据API，用户获得的是一个特殊的数据结构netbuf,用户如果想要使用好它就要对内核的pbuf和netbuf结构体有所了解，我们会在后续进行讲解。NETCONN API之所以采用这种设计，就是为了避免数据包在内核程序和应用程序之间发生拷贝，从而降低程序运行效率。当然，用户如果不在数据递交时的效率问题，也可以把netbuf中的数据取出来拷贝到一个数组中，然后去处理这个数组。

简单来说，NETCONN API的优缺点是：

（1）相较于RAW/Callback API,NETCONN API 简化了编程工作，使用户可以按照操作文件的方式来操作网络连接。但是，内核程序和网络程序之间的数据包传递，需要依靠操作系统的信号量和邮箱机制完成，这需要耗费更多的时间和内存，另外还加上任务切换的时间，效率低。

（2）相较于Socket API ,NETCONN API 避免了内核程序和网络程序之间的数据拷贝，提高了数据传递的效率。但是，NETCONN API 的易用性不如Sockst API 好，他需要用户对LWIP内核所使用的数据结构有一定的了解。

5.3）SOCKET API

Socket ,翻译过来是套接字，它是对网络的高级抽象，使得用户可以像操作文件一样操作网络连接。他十分易用，Socket已经成为了网络编程的标准。在不同的操作系统中，运行着不同的TCP/IP协议，但是它只要实现了Socket的接口，那么Socket编写的网络应用程序就能在其中运行。所以Socket编写的网络应用程序具有很好的移植性。

不同的系统有自己的一套socket接口。Windows系统中支持的是WinSock,UNIX/Linux 系统支持的是BSD Socket,它们虽然风格不一致，但是大同小异，如果想要移植不同操作系统的网络应用程序到使用LWIP的系统中，需要注意。

相较于NETCONN API，Socket API具有更好的易用性。使用Socket API编写的程序可读性好，便于维护，也便于移植到其他操作系统中。Socket API 在内核程序和应用程序之间存在数据拷贝，所以数据的传递效率会差于NETCONN API。另外，lwip的Socket API 是基于NETCONN API 实现的，所以效率上不如前者。

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四、Lwip文件说明

4.1）如何获取LWIP源码文件

4.2）LWIP文件说明

lwip目录

src目录

core目录

4.3）查看lwip的说明文档

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