LwIP协议栈开发嵌入式网络的三种方法分析
lwip 故障处理机制
lwip 故障处理机制lwIP（lightweight IP）是一个用于嵌入式系统的开源TCP/IP协议栈，它提供了一种轻量级的网络通信解决方案。
然而，由于网络环境的复杂性，可能会出现一些故障。
本文将介绍lwIP的故障处理机制，帮助读者更好地理解和解决网络故障。
一、错误检测与处理lwIP提供了一系列的错误检测与处理机制，以确保网络通信的可靠性。
首先，lwIP会对收到的数据进行校验，以检测是否有数据损坏或篡改。
如果检测到错误，lwIP会立即丢弃该数据包，并发送相应的错误响应。
二、超时重传机制在网络通信过程中，可能会发生数据包丢失的情况。
为了解决这个问题，lwIP引入了超时重传机制。
当发送方发送一个数据包后，如果在一定时间内没有收到对方的确认响应，lwIP会自动重发该数据包。
这样可以保证数据的可靠传输。
三、拥塞控制机制当网络中的流量过大时，可能会导致网络拥塞，影响通信的质量。
为了解决这个问题，lwIP使用了拥塞控制机制。
它会根据网络的拥塞程度自动调整发送速率，以避免网络拥塞。
四、错误恢复机制在网络通信过程中，可能会发生一些不可预料的错误，例如连接中断或服务器故障。
为了应对这些情况，lwIP提供了错误恢复机制。
当发生错误时，lwIP会尝试重新建立连接或重启服务器，以恢复正常的网络通信。
五、日志记录与分析为了方便故障排查，lwIP提供了日志记录与分析功能。
它可以记录每个数据包的发送和接收情况，以及错误信息。
通过分析这些日志，可以更快地定位和解决网络故障。
总结：通过以上的故障处理机制，lwIP能够有效地处理各种网络故障，提高网络通信的可靠性和稳定性。
然而，要想在实际应用中充分发挥lwIP的优势，还需要根据具体的网络环境和需求进行合理的配置和调优。
希望本文的介绍能够帮助读者更好地理解和使用lwIP，并在实际应用中解决网络故障。
lwip 底层发送函数
lwip 底层发送函数lwip（lightweight IP）是一个用于嵌入式系统的开源TCP/IP协议栈。
它的设计目标是提供一个轻量级、高性能的网络协议栈，使嵌入式设备能够通过网络进行数据通信。
在lwip中，底层发送函数是实现数据包发送的核心部分。
本文将围绕lwip底层发送函数展开讨论，介绍其原理和使用方法。
一、lwip底层发送函数的原理在lwip中，底层发送函数的作用是将数据包发送到网络接口。
它负责将应用层数据封装成IP数据包，并通过网络接口发送出去。
底层发送函数的实现通常包括以下几个步骤：1. 数据包封装：底层发送函数首先需要将应用层数据封装成IP数据包。
这个过程包括添加IP头部、计算校验和等操作。
IP头部包含了源IP地址、目的IP地址等信息，用于标识数据包的发送和接收方。
2. 路由选择：在发送数据包之前，底层发送函数需要确定数据包的下一跳路由器。
它会根据目的IP地址和本地路由表进行匹配，找到合适的路由器。
3. MAC头部添加：在发送数据包之前，底层发送函数还需要添加MAC头部。
MAC头部包含了源MAC地址、目的MAC地址等信息，用于标识数据包的发送和接收网卡。
4. 数据包发送：最后，底层发送函数将封装好的数据包发送到网络接口，通过物理介质传输到目的地。
二、lwip底层发送函数的使用方法在使用lwip进行网络通信时，我们需要调用底层发送函数来发送数据包。
下面是一个简单的示例代码：```cvoid send_packet(void* data, uint16_t len) {struct pbuf* p = pbuf_alloc(PBUF_TRANSPORT, len, PBUF_RAM);if (p != NULL) {memcpy(p->payload, data, len);if (netif_is_up(&netif)) {netif.output(&netif, p, &dest_ip);}pbuf_free(p);}}```在这个示例中，我们首先通过`pbuf_alloc`函数创建一个新的pbuf 结构体，用于存储数据包。
LwIP编程指南
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工程技术笔记
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2.6
应用程序轮询工作原理及相关函数 .......................................................................6
2.7
关闭与中止连接的函数 ...........................................................................................7
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2. RAW API参考手册 ...................................................................................................2
lwip原理
lwip原理lwip原理是指轻量级IP协议栈（Lightweight IP），是一种适用于嵌入式系统的TCP/IP协议栈。
本文将介绍lwip原理的基本概念、工作流程和应用场景。
一、基本概念lwip原理基于TCP/IP协议栈，是一种开源的网络协议栈。
它具有轻量级、高效性和可移植性的特点，适用于嵌入式系统的资源有限环境。
lwip原理提供了TCP/IP协议栈中的网络层和传输层功能，支持IP、ICMP、UDP和TCP等协议。
二、工作流程lwip原理的工作流程包括网络接口驱动、协议栈处理和应用程序接口。
1. 网络接口驱动网络接口驱动负责与硬件设备进行通信，包括数据的发送和接收。
它提供了与硬件设备的接口函数，通过这些函数将数据传输到网络中或接收网络中的数据。
2. 协议栈处理协议栈处理是lwip原理的核心部分，它包括网络层和传输层的处理。
网络层处理主要负责IP数据包的路由和转发，通过路由表确定数据包的下一跳地址。
传输层处理主要负责数据的可靠传输，包括UDP和TCP协议的处理。
在网络层和传输层之间，lwip原理使用了一个缓冲区来存储数据包。
当数据包到达网络层时，lwip原理会根据目的地址查询路由表，确定数据包的下一跳地址，并将数据包传递给传输层进行处理。
在传输层，lwip原理根据协议类型选择相应的协议处理函数进行处理，如UDP协议或TCP协议。
3. 应用程序接口应用程序接口是lwip原理与应用程序之间的接口，应用程序可以通过这个接口进行网络通信。
lwip原理提供了一系列的API函数，应用程序可以调用这些函数来发送和接收数据。
通过应用程序接口，应用程序可以实现各种网络应用，如Web服务器、FTP服务器等。
三、应用场景lwip原理适用于嵌入式系统中的网络通信应用。
它具有资源占用少、效率高的特点，适用于资源有限的嵌入式系统。
以下是lwip原理的一些应用场景：1. 物联网设备随着物联网的发展，越来越多的设备需要进行网络通信。
LwIP协议栈中pbuf介绍
LwIP协议栈中pbuf介绍LwIP协议栈中pbuf介绍2010-04-29 14：53目前，在嵌入式系统中引入TCP/IP协议栈及将嵌入式设备接入网络，已经成为嵌入式领域重要的发展方向。
TCP/IP是一种基于OSI参考模型的分层网络体系结构，它由应用层、运输层、网络层、数据链路层、物理层组成。
各层之间消息的传递通过数据报的形式进行。
由于各层之间报头长度不一样。
当数据在不同协议层之间传递时.对数据进行封装和去封装、增加和删除操作将十分频繁。
在嵌入式系统开发中也经常遇到类似问题。
用户数据从本地嵌入式设备传输到远程主机的过程中，要经过各层协议，对消息的封装、去封装和拷贝操作几乎是不可避免的。
而通常所采用的用一段连续的内存区来存储、传递数据的做法会有以下的缺陷：(1)当从上层向下层传递数据时，下层协议需要对数据进行封装，而上层在申请内存时没有(也不应该)考虑下层的需要。
这样会导致下层协议处理时需要重新申请内存并进行内存拷贝，从而影响程序的效率。
(2)当从下层向上层传递数据时，下层协议专有的数据结构应当对上层协议不可见。
因此也需要重新申请内存并进行内存拷贝。
(3)随着数据的逐层处理，其内容可能有所增减，而连续内存很难处理这种动态的数据增删。
因此，必须有一种能适应数据动态增删、但在逻辑上又呈现连续性的数据结构，以满足在各协议层之间传递数据而不需要进行内存拷贝。
嵌入式TCP/IP协议栈要求简单高效，并减少对内存的需求。
这些都需要相应的内存管理机制实现。
1 LwIP协议栈中pbuf介绍LwIP(Light weight IP)是瑞士计算机科学院Adam Dunkels等开发的一套用于嵌入式系统的开放源代码TCP/IP协议栈。
LwlP可以移植到操作系统上，也可以在无操作系统的情况下独立运行。
LwIP TCP/IP实现的重点是：在保持TCP协议主要功能的基础上，减少对RAM的占用。
这使LwIP协议栈适合在低端嵌入式系统中使用。
lwip的tcp数据流程
lwip的tcp数据流程lwIP是一个轻量级的开源TCP/IP协议栈，它能够在嵌入式系统上提供网络连接功能。
本文将介绍lwIP的TCP数据流程，包括TCP 连接建立、数据传输和连接关闭等步骤。
一、TCP连接建立在lwIP中，TCP连接建立需要经过三次握手的过程。
首先，客户端向服务器发送一个SYN包，请求建立连接。
服务器收到SYN包后，回复一个SYN+ACK包，表示接受连接请求。
最后，客户端再发送一个ACK包，确认连接。
这样，TCP连接就建立起来了。
二、数据传输一旦TCP连接建立成功，数据传输就可以开始了。
在lwIP中，数据传输是通过TCP分段的方式进行的。
发送方将应用层数据按照MSS（Maximum Segment Size）分割成多个TCP分段，每个分段的大小不超过MSS值。
发送方将这些分段依次发送给接收方。
接收方收到分段后，会进行重组，将这些分段重新组合成完整的应用层数据。
这样，数据就传输完成了。
三、连接关闭当应用层数据传输完成后，TCP连接可以关闭了。
在lwIP中，连接关闭需要经过四次挥手的过程。
首先，发送方向接收方发送一个FIN包，表示要关闭连接。
接收方收到FIN包后，回复一个ACK包，表示接受关闭请求。
然后，接收方向发送方发送一个FIN包，表示自己也要关闭连接。
发送方收到FIN包后，回复一个ACK包，表示接受关闭请求。
这样，TCP连接就关闭了。
总结：lwIP的TCP数据流程包括TCP连接建立、数据传输和连接关闭三个步骤。
连接建立需要经过三次握手的过程，数据传输通过TCP分段实现，连接关闭需要经过四次挥手的过程。
lwIP提供了轻量级的TCP/IP协议栈，可以在嵌入式系统上实现网络连接功能。
基于ARM嵌入式系统的LWIP协议栈移植
要使 Ｉ ＾ 一 Ⅱ －Ｄ ｃ ｓ 正常运行 ， 处理器必须满足以下要求 ： ， 第一 处理器 的 ｃ编译器能产生重人代码 ； ， ｃ语言就可 以打开和关闭中断； 第二 用 第三 ．
处 理器支持中断 ， 并能产生定时 中断 （ 通常在 ｌ Ｈ 至 １０ ｚ ０ ｚ ０ Ｈ 之间）第 ；
（ Ｓ Ｅ Ｔ Ｒ Ｃ ｄ ＩＡＬ ）Ｏ ＿ ＡＳ ＿ Ｗ（和 Ｏ ＿ Ｘｆ ＰＴ０ （ ） Ｏ ＿ Ｎ Ｅ ＰＴ Ｃ （， Ｓ Ｔ Ｋ Ｓ ） Ｓ＿ ｌ Ｅ ＇ＣＪ １ Ｌ ）。 ２２２ 实现 ０ｓＣ Ｕ Ｓ 函数 ，． ＿ Ｐ Ａ Ａ Ｍ
Ｒ 接 口使能断点和观察点 ； Ｔ 嵌入式跟踪宏单元 Ｅ Ｍ支持对执行代码进 Ｔ 行无干扰 的高速实时跟踪 ；／路 ｌ 位 ＡＤ转换 器，转换时间低至 ２ ４ ４８ ０ ／ ． ４
四， 处理器支持能够容纳一定量数据 （ 可能是 『 １ ． 千字节 ） 的硬件堆栈； 第五 ， 处理器有将堆栈和其他 Ｃ Ｕ寄存器读出和存储到堆栈或 内存的指令。 Ｐ
２２ ｐ ／ｓ ． ，ｏ一Ⅱ移 植 过 程 ｃ ２２１ 实现 ０ ＿ Ｐ ． 函 数 ．． ｓ Ｃ ｕＨ
Ｐ ｉｐ 公 司 的 Ｌ Ｃ １ １ ｈ ｉｓ ｌ Ｐ ２ ３ 是基 于 支持 实 时仿 真 和跟踪 的 １ ／ ６ ２位 ３
２ 移植 的条件 ． １
所谓移植 ， 就是使一个实时 内核能在某个微处理器或微控制器上运
为 了实现 嵌入 式系 统与 Ｉ ｅ ｅ 相 结合 ，笔 者 以 Ａ Ｍ微 处理 器 ｎｍｔ ｔ Ｒ （ ｈｌ ｓ Ｐ ２ ３ ） Ｐ ｉｐ Ｌ Ｃ １ １为基础 的硬件平 台 ， ｉ 先在此硬件平 台内移 植进源代码 公开的实时嵌入式操作 系统 ．ｓ ，． ０一Ⅱ， 并以此为系统开发的软 件平台 ， 嵌人 为实现 网络通信所 需要 的 Ｔ Ｐ Ｐ 议栈 ，构成一 套完 整简洁 的 Ｃ／ 协 １ Ｉｔ ｔ ｎ ｍｅ接人范例。 ｅ
lwip协议有关网络安全
lwip协议有关网络安全lwIP（Lightweight IP）是一个轻量级的开源TCP/IP协议栈，用于嵌入式系统中的网络通信。
虽然lwIP协议本身并没有专门设计用于网络安全，但在实际应用中，可以通过一些措施提高网络安全性。
首先，lwIP协议可以在传输层使用TCP协议完成数据传输。
TCP协议提供了可靠的数据传输和流控制机制，可以保证数据的准确性和完整性。
此外，通过TLS（Transport Layer Security）协议可以对TCP连接进行加密，防止数据在传输过程中被窃取或篡改。
其次，在网络层和链路层，可以通过设置防火墙、访问控制列表（ACL）和安全策略等措施来保护网络安全。
防火墙可以对进出网络的数据流进行过滤和监控，防止恶意攻击和未经授权的访问。
ACL可以限制特定IP地址、端口号或协议的访问，可以防止未经授权的数据传输。
安全策略可以定义网络中各种设备和服务之间的安全规则，包括身份验证、权限控制等，从而保护网络免受未授权访问和恶意攻击。
另外，lwIP协议可以配合使用IPsec（IP Security）协议来加密和认证IP数据包。
IPsec可以提供对网络层和IP数据包级别的安全保护。
它使用加密算法和身份验证机制，确保传输的数据不会被篡改或窃取，同时确保数据的发送和接收方是合法的。
通过使用IPsec协议，可以在lwIP协议的基础上进一步提高网络通信的安全性。
最后，对于网络应用开发者来说，使用lwIP协议栈时需要注意一些安全编程实践。
例如，在处理用户输入时需要进行输入验证和过滤，以防止恶意输入导致的安全漏洞。
此外，对于敏感数据的传输，可以使用加密算法来保护数据的安全。
同时，在系统部署和配置时，需要注意相应的安全设置和策略，以防止系统被未经授权的访问。
综上所述，lwIP协议本身并没有专门设计用于网络安全，但通过加密传输、防火墙、ACL、安全策略以及IPsec等措施，可以提高lwIP协议的网络安全性。
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LwIP协议栈开发嵌入式网络的三种方法分析
摘要轻量级的TCP/IP协议栈LwIP，提供了三种应用程序设计方法，且很容易被移植到多任务的操作系统中。
本文结合μC/OS-II这一实时操作系统，以建立TCP服务器端通信为例，分析三种方法以及之间的关系，着重介绍基于raw API的应用程序设计。
最后在ST公司STM32F107微处理器平台上验证，并给出了测试结果。
关键词LwIP协议栈；μC/OS-II；嵌入式网络；STM32F107；
随着嵌入式系统功能的多样化以及网络在各个领域的中的广泛应用，具备网络功能的嵌入式设备拥有更高的使用价值和更强的通用性。
然而大部分嵌入式设备使用经济型处理器，受内存和速度限制，资源有限，不需要也不可能完整实现所有的TCP/IP协议，有时只需要满足实际需求就行。
LwIP是由瑞典计算机科学研究院开发的轻量型TCP/IP协议栈，其特点是保持了以太网的基本功能，通过优化减少了对存储资源的占用。
LwIP是免费、开源的，任何人可以使用，能够在裸机的环境下运行，当然设计的时候也考虑了将来的移植问题，可以很容易移植到多任务操作系统中。
本文介绍了以ARM微处理器STM32F107和PHY接口DP83848为平台，构建的嵌入式系统中，采用LwIP和嵌入式操作系统μC/OS-II，使用协议栈提供的三种应用程序接口，实现嵌入式设备的网络通信功能。
1LwIP和μC/OS-II介绍
1.1 LwIP协议栈
LwIP协议是瑞士计算机科学院的Adam Dunkels等开发的一套用于嵌入式系统的开放源代码TCP/IP协议栈。
LwIP含义是light weight(轻型)IP协议，在实现时保持了TCP协议的主要功能基础上减少对RAM的占用，一般它只需要几十K的RAM和40K左右的ROM 就可以运行，这使LwIP协议栈很适合在低端嵌入式系统中使用。
LwIP协议栈的设计才用分层结构的思想，每一个协议都作为一个模块来实现，提供一些与其它协议的接口函数。
所有的TCP/IP协议栈都在一个进程当中，这样TCP/IP协议栈就和操作系统内核分开了。
而应用程序既可以是单独的进程也可以驻留在TCP/IP进程中，它们之间利用ICP机制进行通讯。
如果应用程序是单独的线程可以通过操作系统的邮箱、消息队列等，与协议栈进程通讯。
如果应用程序驻留在协议栈进程中，则应用程序可以通过内部回调函数和协议栈进程通讯。
1.2 μC/OS-II实时操作系统
μC/OS-II是一个源码公开、可移植、可固化、可裁剪及占先式的实时多任务操作系统，是专门为嵌入式应用设计的实时操作系统内核，已广泛的应用在各种嵌入式系统中。
μC/OS-II是多任务系统，内核负责管理各个任务，每个任务都有其优先级，μC/OS-II
最多可以管理64个任务，其每个任务都拥有自己独立的堆栈。
μC/OS-II提供了非常丰富的系统服务功能，比如信号量、消息邮箱、消息队列、事件标志、内存管理和时间管理等，这些功能可以帮助用户实现非常复杂的应用。
1.3 LwIP协议栈移植到μC/OS-II
LwIP协议栈在设计的时候就考虑到了将来的移植问题，因此把所有与硬件、操作系统、编译器有关的部分都全部独立起来，形成了一个操作系统模拟层。
操作系统模拟层用进程间的信号量、邮箱机制处理通信问题，而μC/OS-II是一个基于任务调度的嵌入式实时操作系
统，因此移植LwIP协议栈到μC/OS-II，是很容易实现的。
2 LwIP开发嵌入式网络应用程序
LwIP提供了三种应用程序接口：
（1）低水平的，基于内核/回调函数的API（后面称RAW API）
（2）高水平的，连续的API（后面称LwIP API）
（3）BSD风格的套接字API（后面称BSD socket）
可以在协议栈中通过对宏定义的不同配置，来决定使用哪种方式。
其中BSD socket 方式不是很成熟，RAW API需要编写回调函数，协议栈推荐使用LwIP API这种方式，但是三种方式到了底层都是通过回调函数实现的。
本文直接从RAW API入手，以建立TCP服务器端通信为例，详述底层的调用，然后再讲述后面的两种是如何封装而成的。
2.1基于RAW API的应用程序设计步骤
使用RAW API进行TCP/IP编程，可以使应用程序的代码和协议栈的代码很好地结合起来。
程序的执行机制是以回调函数为基础的事件驱动的，同时回调函数也是被
TCP/IP代码直接调用的，回调函数、数据发送函数都需要自己编写。
这种方式是唯一的一种支持设备裸机运行，又可以完成网络通信完成系统功能。
裸机运行实际相当于是一个线程，而协议栈代码和应用程序代码通过先后次序处理，完成数据流转。
图1是使用RAW API方式，多任务系统实现TCP服务器端通信的步骤。
图1 RAW API方式应用程序设计
LwIP协议栈中的tcp块结构有两种TCP_PCB和TCP_PCB_LISTEN，前者在内存池中的默认个数是5，后者是8，其中listen型的结构占用少量的内存，专门用于处理在侦听状态的tcp块结构。
tcp_listen函数中，释放tcp_new创建的块结构，而是返回一个listen 型的tcp块结构。
客户端连接，到达TCP层，在tcp_listen_input函数中，重新创建一个TCP_PCB块结构，专门用于和客户端通信。
侦听到客户端连接，完成三次握手后，回调自己编写的接收函数，然后将全局的指针指向与客户端通信的块结构，在数据发送时，
使用这个指针，就是在用这个块结构与客户端通信。
由上面看出，这种方式最大的特点是减少了任务之间的切换，只要数据来到协议栈线程，通过回调的方式就可以完成数据的处理。
2.2 基于LwIP API的应用程序设计
LwIP API方式的编程，是基于上面的RAW API的，封装了一个netconn的结构，所有操作不在针对TCP块结构，而变成了netconn型的结构变量。
操作都需要协议栈去处理，应用程序与协议栈通信，通过发送消息方式进行，因此这种方式会造成频繁的任务切换，速度相比RAW API慢了许多，使用步骤如图2所示。
图2 LwIP API方式应用程序设计
2.3基于BSD socket的应用程序设计
BSD socket相当于对LwIP API做了一层封装，而netconn结构有一个变量是socket，这样两者很容易结合起来。
Socket方式很容易被理解，编写应用程序也较为容易，但是效率低，消耗的资源更多，使用步骤如图3所示。
图3 BSD socket方式应用程序设计
3 实际应用与验证
本次验证中使用的开发板，微处理器采用ST 公司推出的STM32F107，以太网PHY 芯片采用DP83848.STM32F107是一款基于ARM Cortex-M3内核的32位处理器，是面向网络互连型应用的，最大工作频率为72MHz ，内置了MAC 控制器，可以方便地与以太网PHY 芯片连接，构成以太网接口。
以太网PHY 芯片DP83848采用RMII 模式与STM32F107连接。
RMII 模式可以减少接口之间的引脚连接，降低了绘制电路板的复杂性，同时空闲的引脚可用作其它用途，以太网接口如图4所示。
图4 STM32F107 MAC 与DP83848连接图
在开发板上，移植好LwIP 协议栈和μC/OS -II 操作系统，应用程序中创建一个Web 服务器，绑定本地IP 地址192.168.1.241、端口80。
在自己编写的数据接收函数中，利用两个字符型数据分别保存HTTP1.0响应消息的相关信息和要在客户端网页中显示的信息。
侦听到客户端连接后，判断接收到数据的前5个字节，解析HTTP 报头，如果请求方不是GET 请求就中断连接，否则将那两个字符型数据的内容一次传送给客户端。
在客户端PC 机浏览器的地址栏中输入http://192.168.1.241/后，PC 的显示结果如图5所示。
图5 开发板web 服务器验证图。