1 LwIP介绍

LwIP全名：Light weight IP，意思是轻量化的TCP/IP协议，是瑞典计算机科学院(SICS)的Adam Dunkels 开发的一个小型开源的TCP/IP协议栈。LwIP的设计初衷是：用少量的资源消耗实现一个较为完整的TCP/IP协议栈，其中“完整”主要指的是TCP协议的完整性，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。此外LwIP既可以移植到操作系统上运行，也可以在无操作系统的情况下独立运行。

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，为了统一，下文均采用NETCONN 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。

LwIP尽管有如此多的优点，但它毕竟是为嵌入式而生，所以并没有很完整地实现TCP/IP协议栈。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。但对于大多数物联网领域的网络应用程序，LwIP已经足够了。

2 LwIP的三种编程接口

主要是需要区分以下三种API，后续章节会使用

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，用户可以根据实际情况，平衡利弊，选择合适的API进行网络应用程序的开发。以下内容将分别介绍这三种API。

2.1 RAW/Callback API

RAW/Callback API是指内核回调型（用户注册回调函数、系统会调用回调函数执行）的API，这在许多通信协议的C语言实现中都有所应用。

LwIP内核把数据交给应用程序的过程就只是一次简单的函数调用，这是非常节省时间和空间资源的。每一个回调函数实际上只是一个普通的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，用户应用程序和内核程序会处于同一个线程之中，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它，对比另外两种API，可以提高应用程序的效率、节省内存开销。

RAW/Callback API的优点是显著的，但缺点也是显著的：

  1. 基于回调函数开发应用程序时的思维过程比较复杂。在后面与RAW/Callback API相关的章节中可以看到，利用回调函数去实现复杂的业务逻辑时，会很麻烦，而且代码的可读性较差。

  2. 在操作系统环境中，应用程序代码与内核代码处于同一个线程，虽然能够节省任务间通信和切换任务的开销，但是相应地，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互相制约。在应用程序执行的过程中，内核程序将不可能得到运行，这会影响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，网卡接收缓存里的数据包就持续积累，到最后很可能因为满载而丢弃一些数据包，从而造成丢包的现象。

2.2 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，分配优先级如下：

线程 优先级
LwIP内核线程tcpip_thread 很高
重要的网络应用程序 高
不太重要而且处理数据比较耗时的网络应用程序 低

NETCONN API使用了操作系统的IPC机制，对网络连接进行了抽象，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。举个例子，调用f_read函数读文件时，读到的数据会被放在一个用户指定的数组中，用户操作起来很方便，而NETCONN API的读数据API，就没有那么人性化了。用户获得的不是一个数组，而是一个特殊的数据结构netbuf，用户如果想使用好它，就需要对内核的pbuf和netbuf结构体有所了解，我们会在后续的章节中对它们进行讲解。NETCONN API之所以采取这种不人性的设计，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，用户如果不在意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，内核程序和网络应用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，另外还要加上任务切换的时间开销，效率较低。

  2. 相较于Socket API，NETCONN API避免了内核程序和网络应用程序之间的数据拷贝，提高了数据递交的效率。但是，NETCONN API的易用性不如Socket API好，它需要用户对LwIP内核所使用数据结构有一定的了解。

2.3 SOCKET API

Socket，即套接字，它对网络连接进行了高级的抽象，使得用户可以像操作文件一样操作网络连接。它十分易用，许多网络开发人员最早接触的就是Socket编程，Socket已经成为了网络编程的标准。在不同的系统中，运行着不同的TCP/IP协议，但是只要它实现了Socket的接口，那么用Socket编写的网络应用程序就能在其中运行。可见用Socket编写的网络应用程序具有很好的可移植性。

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系统中支持的是BSD Socket，它们虽然风格不一致，但大同小异。LwIP中的Socket API是BSD Socket。但是LwIP并没有也没办法实现全部的BSD Socket，如果开发人员想要移植UNIX/Linux系统中的网络应用程序到使用LwIP的系统中，就要注意这一点。

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，也便于移植到其它的系统中。Socket API在内核程序和应用程序之间存在数据的拷贝，这会降低数据递交的效率。另外，LwIP的Socket API是基于NETCONN API实现的，所以效率上相较前者要打个折扣。

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