lwip

开源的TCP/IP协议栈

lwip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。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。

简介

LwIP是Light Weight (轻型)IP协议，有无操作系统的支持都可以运行。LwIP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，它只需十几KB的RAM和40K左右的ROM就可以运行，这使LwIP协议栈适合在低端的嵌入式系统中使用。

lwIP协议栈主要关注的是怎么样减少内存的使用和代码的大小，这样就可以让lwIP适用于资源有限的小型平台例如嵌入式系统。为了简化处理过程和内存要求，lwIP对API进行了裁减，可以不需要复制一些数据。

模式

lwip提供三种API：1、RAW API 2、lwip API 3、BSD API。

RAW API把协议栈和应用程序放到一个进程里边，该接口基于函数回调技术，使用该接口的应用程序可以不用进行连续操作。不过，这会使应用程序编写难度加大且代码不易被理解。为了接收数据，应用程序会向协议栈注册一个回调函数。该回调函数与特定的连接相关联，当该关联的连接到达一个信息包，该回调函数就会被协议栈调用。这既有优点也有缺点。优点是既然应用程序和TCP/IP协议栈驻留在同一个进程中，那么发送和接收数据就不再产生进程切换。主要缺点是应用程序不能使自己陷入长期的连续运算中，这样会导致通讯性能下降，原因是TCP/IP处理与连续运算是不能并行发生的。这个缺点可以通过把应用程序分为两部分来克服，一部分处理通讯，一部分处理运算。

lwip API把接收与处理放在一个线程里面。这样只要处理流程稍微被延迟，接收就会被阻塞，直接造成频繁丢包、响应不及时等严重问题。因此，接收与协议处理必须分开。LwIP的作者显然已经考虑到了这一点，他为我们提供了 tcpip_input() 函数来处理这个问题，虽然他并没有在 rawapi 一文中说明。讲到这里，读者应该知道tcpip_input()函数投递的消息从哪里来的答案了吧，没错，它们来自于由底层网络驱动组成的接收线程。我们在编写网络驱动时，其接收部分以任务的形式创建。数据包到达后，去掉以太网包头得到IP包，然后直接调用tcpip_input()函数将其投递到mbox邮箱。投递结束，接收任务继续下一个数据包的接收，而被投递得IP包将由TCPIP线程继续处理。这样，即使某个IP包的处理时间过长也不会造成频繁丢包现象的发生。这就是lwip API。

BSD API提供了基于open-read-write-close模型的UNIX标准API，它的最大特点是使应用程序移植到其它系统时比较容易，但用在嵌入式系统中效率比较低，占用资源多。这对于我们的嵌入式应用有时是不能容忍的。

特性

其主要特性如下：

(1)支持多网络接口下的IP转发；

(2)支持ICMP协议；

(3)包括实验性扩展的UDP(用户数据报协议)；

(4)包括阻塞控制、RTT 估算、快速恢复和快速转发的TCP(传输控制协议)；

(5)提供专门的内部回调接口(Raw API)，用于提高应用程序性能；

(6)可选择的Berkeley接口API (在多线程情况下使用) 。

(7)在最新的版本中支持ppp

(8) 新版本中增加了的IP fragment的支持.

(9) 支持DHCP协议,动态分配ip地址.

移植

为了移植到μC/OS系统中，需要进行以下调整。

(1) 信号量

LwIP中需要使用信号量进行通信，所以在sys_arch中应实现相应的信号量结构体struct sys_semt和处理函数sys_sem_new() 、sys_sem_free() 、sys_sem_signal ( ) 和sys_arch_sem_wait ( ) 。由于μC/OS已经实现了信号量OSEVENT的各种操作，并且功能和LwIP上面几个函数的目的功能是完全一样的，所以只要把μC/OS的函数重新包装成上面的函数，就可直接使用。

(2) 消息队列

LwIP 使用消息队列来缓冲、传递数据报文，因此要实现消息队列结构sys_mbox_t ，以及相应的操作函数：sys_mbox_new() 、sys_mbox_free () 、sys_mbox _post () 和sys_arch_mbox_fetch() 。μC/OS实现了消息队列结构及其操作，但是μC/OS没有对消息队列中的消息进行管理，因此不能直接使用，必须在μC/OS的基础上重新实现。具体实现时，对队列本身的管理利用μC/OS自己的OSQ操作完成，然后使用μC/OS中的内存管理模块实现对消息的创建、使用、删除和回收，两部分综合起来形成了LwIP的消息队列功能。

(3) 定时器函数

LwIP中每个和TCP/IP相关的任务的一系列定时事件组成一个单向链表，每个链表的起始指针存在lwip_timeouts 的对应表项中。移植时需要实现struct sys_timeouts * sys_arch_timeouts (void) 函数，该函数返回正处于运行态的线程所对应的timeout 队列指针。

(4) 创建新线程函数

在μC/OS 中，没有线程(thread) 的概念，只有任务(Task) 。它提供了创建新任务的系统API调用OSTaskCreate，因此只要把OSTaskCreate封装一下，就可以实现sys_thread_new。需要注意的是LwIP中的thread并没有μC/OS 中优先级的概念，实现时要由用户事先为LwIP中创建的线程分配好优先级。

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