2. LwIP简介

本书使用最新的LwIP 2.1.2版本,官方下载链接:http://savannah.nongnu.org/projects/lwip/

2.1. LwIP的优缺点

本书以LwIP 2. 1.2为主要对象进行讲解,后续中出现的LwIP如果没有特殊声明,均指2.1.2版本。此时的LwIP 2. 1.2为最新版本,可能当这本书写完的时候,LwIP又被更新了,对于学习而言,大家其实不必纠结于是否必须用最新的版本,因为2.1.2版本和它后面的版本在移植和应用方法上并没有什么区别。

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。

2.2. LwIP的文件说明

2.2.1. 如何获取LwIP源码文件

LwIP的代码已经交给Savannah托管,LwIP的项目主页是:http://savannah.nongnu.org/projects/lwip/。这个主页简单地介绍了一下LwIP,然后给出了许多链接,你可以通过这些链接去挖掘更多关于LwIP的信息。在这里,我们只关注两个地方,如 图2_1 中的方框所示。

图 2‑1 LwIP项目主页截图

图 2‑1 LwIP项目主页截图

点击“Project Homepage”,会得到一个网页,如 图2_2 所示。这个网页可以看成是LwIP的官方说明文档。 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。这些内容专业性比较强, 不建议初学时在它上面花费精力,并且里面的很多内容在我们教材的后续章节中中会有所讲解。 在这里,读者只要知道有这么个东西就行了。

图 2‑2 LwIP官方说明文档(HTML网页 )

图 2‑2 LwIP官方说明文档(HTML网页 )

图 2‑3 LwIP的资源下载

图 2‑3 LwIP的资源下载

点击“Download Area”,会得到一个网页,如 图2_3 所示。通过这个网页,我们可以下载到LwIP所有版本的源代码包和contrib包。 你每点击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。 但是这个页面提供的下载链接,在国内一般是没有响应的。 这个网页最下方的黑字内容推荐我们使用另外一个下载页面:http://download-mirror.savannah.gnu.org/releases/。 在这个页面下,用户可以下载到所有在Savannah托管的开源软件, 但我们只关心LwIP。利用浏览器的搜索功能,快捷键Ctrl+F,可以快速找到lwip目录。 在这里为了方便读者,我们直接给出最终的下载链接:http://download-mirror.savannah.gnu.org/releases/lwip/

可能有读者会问,什么是contrib包,它与源代码包有什么不同?源代码包里面装的主要是LwIP内核的源码文件,而contrib包里面装的是移植和应用LwIP的一些demo,即应用示例。contrib包不属于LwIP内核的一部分,里面的很多内容来自开源社区的贡献,因此contrib包的版本管理不像内核源码那样严格和规范,但也是很有参考价值的。按理说,LwIP源码面世越久,开源社区对它的贡献就越大,所以越高版本的contrib包,提供的应用示例就越丰富,越有参考价值。在大版本区别不大的情况下,建议大家下载最新的contrib包。后续我们会对contrib包里面提供的应用示例进行讲解。另外,还有些“.sig”后缀的文件,这是数字签名,大家忽略就好。

2.2.2. LwIP文件说明

按照上一小节的介绍,我们下载两个包:lwip-2.1.2.zip(源码包)和contrib-2.1.0.zip(contrib包)。解压以后会得到两个文件夹,如 图2_4 所示。

图 2‑4 下载解压后得到的源码包和contrib包

图 2‑4 下载解压后得到的源码包和contrib包

我们先打开“lwip-2.1.2”文件夹,如 图2_5 所示。

图 2‑5 源码包的目录

图 2‑5 源码包的目录

该目录的内容为:

(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。

打开src文件夹,如 图2_6 所示。

图 2‑6 src目录(LwIP源码文件所在的目录)

图 2‑6 src目录(LwIP源码文件所在的目录)

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,后续会详细讲解。

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。

接下来,我们介绍一下core文件夹,如 图2_7 所示。

图 2‑7 core目录

图 2‑7 core目录

我们逐一介绍一下这些源文件的功能。

ipv4文件夹里面是与IPv4模块相关的源文件,它们实现了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,它们实现了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.c、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,同时防止直接链接,这样,应用程序可以使用其他应用程序层协议在TCP之上而不知道细节(例如TLS,代理连接),此类接口我们并没有怎么使用,或者如果选择使用安全的加密传输的话,可以配合mbed TLS使用。

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。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、取最小值、计算数组长度等,这些宏同样也被内核的许多模块所调用。我们经常可以看到某个内核的源文件在开始的地方#include “def.h”。

dns.c文件实现了域名解析的功能,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”就是一个域名,通过dns功能,我们就可以得到与服务器域名对应的IP地址,这给用户使用带来很大的方便。

inet_chksum.c文件提供了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和#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。

ip.c文件实现了IP协议相关的函数,但只是封装了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地申请和释放内存。

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,它对网卡进行了抽象,使得LwIP内核可以方便地管理多个特性各异的物理网卡。

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,后续我们会详细讲解。

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模块可以满足他们的需求。

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。

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。TCP模块的实现是LwIP的最大特点,它以很小的资源开销几乎实现了TCP协议中规定的全部内容。TCP协议是非常复杂的协议,这几个与TCP模块相关的文件占据了LwIP内核的绝大部分。

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。

2.3. 查看LwIP的说明文档

关于LwIP的官方说明文档:http://www.nongnu.org/lwip/2_1_x/index.html,我就简单带大家浏览一下。打开连接,我们可以看到LwIP的Overview(概述),这里就简单看看即可,我们可以点击左侧的“Common pitfalls”,查看一下LwIP常见的陷阱,可能在使用中会遇到,到时候注意一下即可,在前面的章节中,我们也提到过,LwIP可以工作在无操作系统环境也可以工作在有操作系统的环境中,Common pitfalls中提到Mainloop Mode(主函数轮询模式)与OS Mode(操作系统模式)需要注意的一些事情,具体见 图2_8

图 2‑8 Common pitfalls

图 2‑8 Common pitfalls

此外,我们还可以点击左侧的“Modules”,查看一些模块相关的说明,以及例子,比如有无操作系统相关的,如,还有基础配置,如LwIP的内存管理模块,数据包缓冲区等会是在“Modules –>Infrastructure”页面中,具体见 图2_9

图 2‑9 Modules

图 2‑9 Modules

当然,还有很重要的一些用户常用的API函数,也是在“Modules”中可以找到,例如Raw API,NETCONN API和Socket API等,具体见 图2_10

图 2‑10 Modules->APIs

图 2‑10 Modules->APIs

此外还有一些“Applications”应用层相关的说明,如HTTP、MQTT、TFTP等,具体见 图2_11

图 2‑11 Modules->Applications

图 2‑11 Modules->Applications

还有一些数据结构相关的说明,当我们在程序中看到哪个数据结构不懂的,都可以在这里找到对应的说明,也是比较重要的,LwIP本质就是对数据的处理,其中也使用了大量的数据结构,有空可以多研究研究它,具体见 图2_12

图 2‑12 Data Structures

图 2‑12 Data Structures

当然,我们也能通过函数名字的首字母来查找函数的作用,具体见 图2_13

图 2‑13 Function

图 2‑13 Function

2.4. 使用vscode查看源码

2.4.1. 查看文件中的符号列表(函数列表)

LwIP的源码很庞大,我们使用微软的开源软件——vs code查看源码,并且快速找到源码的函数与定义,首先我们先安装vs code,我们可以在https://code.visualstudio.com/download中下载时候自己电脑的vs code版本,然后安装即可。

然后打开我们的源码文件夹,右键,选择Open with Code,这样子就能直接在vs code打开我们整个文件夹的源码了,具体见 图2_14

图 2‑14 Open with Code

图 2‑14 Open with Code

在vs code中,就显示了我们打开的源码,LwIP那么多文件,我们怎么去快速找到源码文件中的某个函数呢? 很简单,比如我们知道某个函数的名字的话,可以直接搜索的,这点就不必我多说, 但是有时候,我们不记得某个函数的名字,只知道它在哪个文件,或者只知道在好几个文件中的某一个, 那么我们就需要一个个去查找这个函数了,vs code提供很强大的功能, 就是可以快速查文件中的符号列表和函数列表,我们首先打开一个源码文件, 比如tcp.c,然后我们通过快捷键“Shift+Ctrl+O”即可打开对应源码文件的符号列表和函数列表, 通过查看这些列表,就能知道该源码文件中是否有我们需要的函数或者宏定义等, 具体见 图2_15图2_16

图 2‑15符号列表

图 2‑15符号列表

图 2‑16函数列表

图 2‑16函数列表

2.4.2. 函数定义跳转

vs code看源码是非常方便的,比如,我们可以通过F12按键进行跳转到定义,通过“Alt+F12”速览定义 ,或者通过快捷键“Ctrl+F12”进行Go to Declaration,这些操作还是很方便的,当然啦,我们也能通过鼠标右键,进行选择,具体见 图2_17。如果在查看函数之后,想返回跳转前的位置, 只需要通过快捷键“Alt+键盘的←(前后左右的左按键)”跳回即可。

图 2‑17函数定义跳转

图 2‑17函数定义跳转

2.5. LwIP源码里的example

(后面LwIP的基础例程主要直接使用或参考源码里的example即可)

我们打开之前下载好的contrib-2.1.0文件夹,如 图2_18 所示。

图 2‑18 contrib包的目录

图 2‑18 contrib包的目录

我们先讲解一下这个目录:

(1)addons目录。LwIP中很多模块的实现,都是可以由用户干预的,比如校验和、TCP初始序列号。LwIP的内核代码,通过宏编译选项的设置,可以将内核中某些模块的实现方法配置成LwIP默认的方法,或者用户自定义的方法。用户自定义的方法通常需要用户在钩子函数中实现。在实际应用中,我们采用内核默认的方法就足够了,只有在非常特定的场合下,为了性能、资源开销等因素的考虑,我们可能会需要自己实现相关的模块,或者说编写相应的钩子函数。那么这时该怎么办呢?addons目录下的内容就为我们提供了参考。对于初学者,没必要关心这个目录。

(2)apps目录里实现了很多应用层协议。LwIP源码包中也有apps目录,但源码包中apps目录下的应用程序全部用RAW/Callback API实现,属于内核代码的一部分。而此apps目录里的应用程序可以是由三种API中的任何一种实现的。读者可以把它看成是内核源码所提供的应用程序的一个补充。

(3)examples目录里是一些LwIP的应用示例。在使用LwIP开发应用程序时会出现的典型问题,比如如何移植网卡、如何使用LwIP的API、如何使用源码中提供的应用程序,对于这些问题,这个目录为我们提供了参考。我们在后续的章节中,会使用这个目录中的例子来讲解LwIP的应用程序。

(4)ports目录里是一些移植文件,它可以帮助我们将LwIP移植到某个具体的操作系统中。目前这个目录所提供的移植文件,只支持FreeRTOS、UNIX、Win32。我们会在后续的章节中讲解如何移植LwIP。

2.6. 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,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。

2.6.1. 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,可能理解起来会比较困难,我们在后面的章节中会详细介绍它。

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以后去处理它们,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连接是否收到数据,如果收到了数据,内核会在第一时间调用注册的函数,这个过程被称为“回调”,这个注册函数被称为“回调函数”。这个回调函数中装着你想要的业务逻辑,在这个函数中,你可以自由地处理接收到的数据,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。到这里,我们可以发现,在回调编程中,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。

2.6.2. 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,分配优先级的原则具体见表格2‑1。

表格 2‑1线程优先级分配原则

线程

优先级

LwIP内核线程tcpip_thread

很高

重要的网络应用程序

不太重要而且处理数据比较耗时的网络应用程序

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。

2.6.3. 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。