STM32以太网通信简介与LWIP详解

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 内核是由一系列模块组合而成，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。使得其他模块可以方便的调用次模块的功能。

LwIP 本质是对数据的处理，其中也使用了大量的数据结构。

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。他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。

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。

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。

"回调"概念：新建立一个TCP或UDP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为一个函数，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函数是否收到数据，如果接收到数据，内核会在第一时间调用注册的函数，这个过程成为“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。

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。

2. NETCONN API
在操作系统中，可以使用 Netconn API 或者 Socket API 编程进行网络应用程序开发。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。

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如下：

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。

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。

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。