功能:
LwIP的特性如下：
(1)支持多网络接口下的IP转发
(2)支持ICMP协议
(3)包括实验性扩展的的UDP（用户数据报协议）
(4)包括阻塞控制，RTT估算和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（多线程情况下）
(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.
要点：
1、层次结构
tcp/ip协议的每一层是一个单独进程.链路层是一个进程,ip层是一个进程,tcp层是一个进程.
这样的好处是网络协 议的每一层都非常清晰,代码的调试和理解都非常容易.但是最大的坏处数据跨层传递时会引起上下文切换(context switch).
对于接收一个TCP segment要引起3次context switch(从网卡驱动程序到链路层进程,从链路层进程到ip层进程,从ip层进程 到TCP进程).
通常对于操作系统来说,任务切换是要浪费时间的.过频的context swich是不可取的.
另外一种方式是TCP/IP协议栈在操作系统内核当中.
应用程序通过操作系统的系统调用(system call)和协议栈来进行通讯.这样TCP/IP的协议栈就限定于特定的操作系统内核了.如windows就是这种方式.
lwip的process model:所有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.而应用层程序既可以是单独的进程也可以驻留在tcp/ip进程中.如果应用程序是单独的进程可以通过操作系统的邮箱,消息队列等和tcp/ip进程进行通讯.
如果应用层程序驻留tcp/ip进程中,那应用层程序就利用内部回调函数口(Raw API)和tcp/ip协议栈通讯.对于ucos来说进程就是一个系统任务.lwip的process model请参看下图.在图中可以看到整个tcp/ip协议栈都在同一个任务(tcpip_thread)中.应用层程序既可以是独立的任务(如图中的tftp_thread,tcpecho_thread),也可以在tcpip_thread中(如图左上角)中利用内部回调函数口(Raw API)和tcp/ip协议栈通讯
（上图：lwIP的层次模型）
2 Port Lwip to uCos
在这个项目中我用的硬件平台是s3c44b0x+rtl8019.ucos在44b0上的移植在网上有很多大侠非常详尽的讲解和移植代码.我就不敢罗嗦了.需要说明的一点是lwip会为每个网络连接动态分配一些信号量(semaphone)和消息队列(Message Queue),当连接断开时会删掉这些semaphone和Queue.而Ucos-2.0不支持semaphone和Queue的删除,所以要选择一些较高版本的ucos.我用的是ucos-2.51.
3、Lwip的操作系统封装层(operating system.emulation layer)
Lwip为了适应不同的操作系统,在代码中没有使用和某一个操作系统相关的系统调用和数据结构.而是在lwip和操作系统之间增加了一个操作系统封装层.操作系统封装层为操作系统服务(定时,进程同步,消息传递)提供了一个统一的接口.在lwip中进程同步使用semaphone和消息传递采用"mbox"(其实在ucos的实现中我们使用的是Message Queue来实现lwip中的"mbox",下面大家可以看到这一点)
Operating system emulation layer的原代码在…/lwip/src/core/sys.c中.而和具体的操作系统相关的代码在../lwip/src/arch/sys_arch.c中.
操作系统封装层的主要函数如下:
void sys_init(void)//系统初始化
sys_thread_t sys_thread_new(void (* function)(void *arg), void *arg,int prio)//创建一个新进程
sys_mbox_t sys_mbox_new(void)//创建一个邮箱
void sys_mbox_free(sys_mbox_t mbox)//释放并删除一个邮箱
void sys_mbox_post(sys_mbox_t mbox, void *data) //发送一个消息到邮箱
void sys_mbox_fetch(sys_mbox_t mbox, void **msg)//等待邮箱中的消息
sys_sem_t sys_sem_new(u8_t count)//创建一个信号量
void sys_sem_free(sys_sem_t sem)//释放并删除一个信号量
void sys_sem_signal(sys_sem_t sem)//发送一个信号量
void sys_sem_wait(sys_sem_t sem)//等待一个信号量
void sys_timeout(u32_t msecs, sys_timeout_handler h, void *arg)//设置一个超时事件
void sys_untimeout(sys_timeout_handler h, void *arg)//删除一个超时事件
…
关于操作系统封装层的信息可以阅读lwip的doc目录下面的sys_arch.txt.文件.
4、Lwip在ucos上的移植.
4.1 系统初始化
sys_int必须在tcpip协议栈任务tcpip_thread创建前被调用.
/* sys_init() must be called before anthing else. */
void sys_init(void);
#define MAX_QUEUES 20
#define MAX_QUEUE_ENTRIES 20
typedef struct {
OS_EVENT* pQ;//ucos中指向事件控制块的指针
void* pvQEntries[MAX_QUEUE_ENTRIES];//消息队列
//MAX_QUEUE_ENTRIES消息队列中最多消息数
} TQ_DESCR, *PQ_DESCR;
typedef PQ_DESCR sys_mbox_t;//可见lwip中的mbox其实是ucos的消息队列
static char pcQueueMemoryPool[MAX_QUEUES * sizeof(TQ_DESCR) ];
void sys_init(void)
{
u8_t i;
s8_t ucErr;
pQueueMem = OSMemCreate( (void*)pcQueueMemoryPool, MAX_QUEUES, sizeof(TQ_DESCR), &ucErr );//为消息队列创建内存分区
//init lwip task prio offset
curr_prio_offset = 0;
//init lwip_timeouts for every lwip task
//初始化lwip定时事件表,具体实现参考下面章节
for(i=0;i lwip_timeouts[i].next = NULL; } } 4.2 创建一个和tcp/ip相关新进程: lwip中的进程就是ucos中的任务,创建一个新进程的代码如下: #define LWIP_STK_SIZE 10*1024//和tcp/ip相关任务的堆栈大小.可以根据情况自 //己设置,44b0开发板上有8M的sdram,所以设大 //一点也没有关系:) //max number of lwip tasks #define LWIP_TASK_MAX 5 //和tcp/ip相关的任务最多数目 //first prio of lwip tasks #define LWIP_START_PRIO 5 //和tcp/ip相关任务的起始优先级,在本例中优先级可 //以从(5-9).注意tcpip_thread在所有tcp/ip相关进程中//应该是优先级最高的.在本例中就是优先级5 //如果用户需要创建和tcp/ip无关任务,如uart任务等, //不要使用5-9的优先级 OS_STK LWIP_TASK_STK[LWIP_TASK_MAX][LWIP_STK_SIZE];//和tcp/ip相关进程的堆栈区 u8_t curr_prio_offset ; sys_thread_t sys_thread_new(void (* function)(void *arg), void *arg,int prio) { if(curr_prio_offset < LWIP_TASK_MAX){ OSTaskCreate(function,(void*)0x1111, &LWIP_TASK_STK[curr_prio_offset][LWIP_STK_SIZE-1], LWIP_START_PRIO+curr_prio_offset ); curr_prio_offset++; return 1; } else { // PRINT(" lwip task prio out of range ! error! "); } } 从代码中可以看出tcpip_thread应该是最先创建的. 4.3 Lwip中的定时事件 在tcp/ip协议中很多时候都要用到定时,定时的实现也是tcp/ip协议栈中一个重要的部分.lwip中定时事件的数据结构如下. struct sys_timeout { struct sys_timeout *next;//指向下一个定时结构 u32_t time;//定时时间 sys_timeout_handler h;//定时时间到后执行的函数 void *arg;//定时时间到后执行函数的参数. }; struct sys_timeouts { struct sys_timeout *next; }; struct sys_timeouts lwip_timeouts[LWIP_TASK_MAX]; Lwip中的定时事件表的结构如下图,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. 函数sys_arch_timeouts返回对应于当前任务的指向定时事件链表的起始指针.该指针存在lwip_timeouts[MAX_LWIP_TASKS]中. struct sys_timeouts null_timeouts; struct sys_timeouts * sys_arch_timeouts(void) { u8_t curr_prio; s16_t err,offset; OS_TCB curr_task_pcb; null_timeouts.next = NULL; //获取当前任务的优先级 err = OSTaskQuery(OS_PRIO_SELF,&curr_task_pcb); curr_prio = curr_task_pcb.OSTCBPrio; offset = curr_prio - LWIP_START_PRIO; //判断当前任务优先级是不是tcp/ip相关任务,优先级5-9 if(offset < 0 || offset >= LWIP_TASK_MAX) { return &null_timeouts; } return &lwip_timeouts[offset]; } 注意:杨晔大侠移植的代码在本函数有一个bug.杨晔大侠的移植把上面函数中的OS_TCB curr_task_tcb定义成了全局变量,使本函数成为了一个不可重入函数.我也是在进行如下测试时发现了这个bug.我的开发板上设置的ip地址是192.168.1.95.我在windows的dos窗口内运行 ping 192.168.1.95 –l 2000 –t,不间断用长度为2000的数据报进行ping测试,同时使用tftp客户端软件给192.168.1.95下载一个十几兆程序,同时再使用telnet连接192.168.1.95端口7(echo端口),往该端口写数测试echo功能. 在运行一段时间以后,开发板进入不再响应.我当时也是经过长时间的分析才发现是因为在低优先级任务运行ys_arch_timeouts()时被高优先级任务打断改写了curr_task_tcb的值,从而使sys_arch_timeouts返回的指针错误,进而导致系统死锁.函数sys_timeout给当前任务增加一个定时事件: void sys_timeout(u32_t msecs, sys_timeout_handler h, void *arg) { struct sys_timeouts *timeouts; struct sys_timeout *timeout, *t; timeout = memp_malloc(MEMP_SYS_TIMEOUT);//为定时事件分配内存 if (timeout == NULL) { return; } timeout->next = NULL; timeout->h = h; timeout->arg = arg; timeout->time = msecs; timeouts = sys_arch_timeouts();//返回当前任务定时事件链表起始指针 if (timeouts->next == NULL) {//如果链表为空直接增加该定时事件 timeouts->next = timeout; return; } //如果链表不为空,对定时事件进行排序.注意定时事件中的time存储的是本事件 //时间相对于前一事件的时间的差值 if (timeouts->next->time > msecs) { timeouts->next->time -= msecs; timeout->next = timeouts->next; timeouts->next = timeout; } else { for(t = timeouts->next; t != NULL; t = t->next) { timeout->time -= t->time; if (t->next == NULL || t->next->time > timeout->time) { if (t->next != NULL) { t->next->time -= timeout->time; } timeout->next = t->next; t->next = timeout; break; } } } } 函数sys_untimeout从当前任务定时事件链表中删除一个定时事件 void sys_untimeout(sys_timeout_handler h, void *arg) { struct sys_timeouts *timeouts; struct sys_timeout *prev_t, *t; timeouts = sys_arch_timeouts();//返回当前任务定时事件链表起始指针 if (timeouts->next == NULL)//如果链表为空直接返回 { return; } //查找对应定时事件并从链表中删除. for (t = timeouts->next, prev_t = NULL; t != NULL; prev_t = t, t = t->next) { if ((t->h == h) && (t->arg == arg)) { /* We have a match */ /* Unlink from previous in list */ if (prev_t == NULL) timeouts->next = t->next; else prev_t->next = t->next; /* If not the last one, add time of this one back to next */ if (t->next != NULL) t->next->time += t->time; memp_free(MEMP_SYS_TIMEOUT, t); return; } } return; } 4.3 "mbox"的实现: (1)mbox的创建 sys_mbox_t sys_mbox_new(void) { u8_t ucErr; PQ_DESCR pQDesc; //从消息队列内存分区中得到一个内存块 pQDesc = OSMemGet( pQueueMem, &ucErr ); if( ucErr == OS_NO_ERR ) { //创建一个消息队列 pQDesc->pQ=OSQCreate(&(pQDesc->pvQEntries[0]), MAX_QUEUE_ENTRIES ); if( pQDesc->pQ != NULL ) { return pQDesc; } } return SYS_MBOX_NULL; } (2)发一条消息给"mbox" const void * const pvNullPointer = 0xffffffff; void sys_mbox_post(sys_mbox_t mbox, void *data) { INT8U err; if( !data ) data = (void*)&pvNullPointer; err= OSQPost( mbox->pQ, data); } 在ucos中,如果OSQPost (OS_EVENT *pevent, void *msg)中的msg==NULL 会返回一条OS_ERR_POST_NULL_PTR错误.而在lwip中会调用sys_mbox_post(mbox,NULL)发送一条空消息,我们在本函数中把NULL变成一个常量指针0xffffffff. (3)从"mbox"中读取一条消息 #define SYS_ARCH_TIMEOUT 0xffffffff void sys_mbox_fetch(sys_mbox_t mbox, void **msg) { u32_t time; struct sys_timeouts *timeouts; struct sys_timeout *tmptimeout; sys_timeout_handler h; void *arg; again: timeouts = sys_arch_timeouts();////返回当前任务定时事件链表起始指针 if (!timeouts || !timeouts->next) {//如果定时事件链表为空 sys_arch_mbox_fetch(mbox, msg, 0);//无超时等待消息 } else { if (timeouts->next->time > 0) { //如果超时事件链表不为空,而且第一个超时事件的time !=0 //带超时等待消息队列,超时时间等于超时事件链表中第一个超时事件的time, time = sys_arch_mbox_fetch(mbox, msg, timeouts->next->time); //在后面分析中可以看到sys_arch_mbox_fetch调用了ucos中的OSQPend系统调 //用从消息队列中读取消息. //如果"mbox"消息队列不为空,任务立刻返回,否则任务进入阻塞态. //需要重点说明的是sys_arch_mbox_fetch的返回值time:如果sys_arch_mbox_fetch //因为超时返回,time=SYS_ARCH_TIMEOUT, //如果sys_arch_mbox_fetch因为收到消息而返回, //time = 收到消息时刻的时间-执行sys_arch_mbox_fetch时刻的时间,单位是毫秒 //由于在ucos中任务调用OSQPend系统调用进入阻塞态,到收到消息重新开始执行 //这段时间没有记录下来,所以我们要简单修改ucos的源代码.(后面我们会看到). } else { //如果定时事件链表不为空,而且第一个定时事件的time ==0,表示该事件的定时 //时间到 time = SYS_ARCH_TIMEOUT; } if (time == SYS_ARCH_TIMEOUT) { //一个定时事件的定时时间到 tmptimeout = timeouts->next; timeouts->next = tmptimeout->next; h = tmptimeout->h; arg = tmptimeout->arg; memp_free(MEMP_SYS_TIMEOUT, tmptimeout); //从内存中释放该定时事件,并执行该定时事件中的函数 if (h != NULL) { h(arg); } //因为定时事件中的定时时间到或者是因为sys_arch_mbo_fetch超时到而执行到 //这里,返回本函数开头重新等待mbox的消息 goto again; } else { //如果sys_arch_mbox_fetch无超时收到消息返回 //则刷新定时事件链表中定时事件的time值. if (time <= timeouts->next->time) { timeouts->next->time -= time; } else { timeouts->next->time = 0; } } } } u32_t sys_arch_mbox_fetch(sys_mbox_t mbox, void **data, u32_t timeout) { u32_t ucErr; u16_t ucos_timeout; //在 lwip中 ,timeout的单位是ms // 在ucosII ,timeout 的单位是timer tick ucos_timeout = 0; if(timeout != 0){ ucos_timeout = (timeout )*( OS_TICKS_PER_SEC/1000); if(ucos_timeout < 1) ucos_timeout = 1; else if(ucos_timeout > 65535) ucos_timeout = 65535; } //如果data!=NULL就返回消息指针, if(data != NULL){ *data = OSQPend( mbox->pQ, (u16_t)ucos_timeout, &ucErr ); }else{ OSQPend(mbox->pQ,(u16_t)ucos_timeout,&ucErr); } //这里修改了ucos中的OSQPend系统调用, //原来的void *OSQPend (OS_EVENT *pevent, INT16U timeout, INT8U *err) // err的返回值只有两种:收到消息就返回OS_NO_ERR,超时则返回OS_TIMEOUT //这里先将err从8位数据改变成了16位数据 OSQPend(*pevent,timeout, INT16U *err) //重新定义了OS_TIMEOUT //在ucos中原有#define OS_TIMEOUT 20 //改为 #define OS_TIMEOUT -1 //err返回值的意义也改变了,如果超时返回OS_TIMEOUT // 如果收到消息,则返回OSTCBCur->OSTCBDly修改部分代码如下 //if (msg != (void *)0) { /* Did we get a message? */ // OSTCBCur->OSTCBMsg = (void *)0; // OSTCBCur->OSTCBStat = OS_STAT_RDY; // OSTCBCur->OSTCBEventPtr = (OS_EVENT *)0; // *err = OSTCBCur->OSTCBDly;// zhangzs @2003.12.12 // OS_EXIT_CRITICAL(); // return (msg); /* Return message received */ // } //关于ucos的OSTBCur->OSTCBDly的含义请查阅ucos的书籍 if( ucErr == OS_TIMEOUT ) { timeout = SYS_ARCH_TIMEOUT; } else { if(*data == (void*)&pvNullPointer ) *data = NULL; //单位转换,从ucos tick->ms timeout = (ucos_timeout -ucErr)*(1000/ OS_TICKS_PER_SEC); } return timeout; } semaphone的实现和mbox类似,这里就不再重复了. 主要有C/C++，Linux，Nginx，ZeroMQ，MySQL，Redis，fastdfs，MongoDB，ZK，流媒体，CDN，P2P，K8S，Docker，TCP/IP，协程，DPDK技术，面试技巧方面的资料技术讨论。 感兴趣的朋友戳这里：更多资料干货