LwIP协议栈源码详解

LWIP协议栈详解LWIP（Lightweight IP）是一个轻量级的开源 TCP/IP 协议栈，旨在为嵌入式系统提供网络连接功能。

它非常适合资源受限的系统，如单片机和小型处理器，因为它非常小巧且具有很好的可移植性。

首先，让我们来看看LWIP的核心协议。

LWIP提供了IP协议、ARP协议、ICMP协议和UDP协议的实现。

IP协议层负责数据包的路由和分段，ARP协议层负责解析IP地址和MAC地址的映射，ICMP协议用于网络探测和错误报告，UDP协议提供简单的不可靠数据传输。

除了核心协议，LWIP还提供了一些可选的协议功能，如TCP协议和DHCP协议的实现。

TCP协议提供了可靠的数据传输，而DHCP协议用于自动获取IP地址。

LWIP的另一个重要特性是它的可移植性。

LWIP设计了一个适配层，将操作系统相关的功能与核心协议分离开来。

适配层提供了一组标准的API，操作系统只需要实现这些API就可以使用LWIP协议栈。

LWIP支持的平台非常广泛，包括常见的操作系统如Windows、Linux和FreeRTOS，以及嵌入式系统如ARM Cortex-M和Microchip PIC等。

最后，让我们来看看LWIP的应用协议扩展能力。

应用协议可以通过注册回调函数来扩展LWIP的功能。

例如，应用程序可以注册一个回调函数来处理HTTP请求，或者注册一个回调函数来处理自定义的应用层数据。

这种扩展机制使得LWIP非常灵活，可以满足各种应用需求。

总结起来，LWIP是一个轻量级的开源TCP/IP协议栈，适用于资源受限的嵌入式系统。

它将TCP/IP协议栈分为核心协议和应用协议两层，提供了IP、ARP、ICMP、UDP等核心协议的实现，并通过可移植的适配层支持各种平台。

此外，LWIP还提供了应用协议扩展的能力，通过注册回调函数来扩展功能。

无论是大型操作系统还是小型嵌入式系统，LWIP都是一个很好的选择。

1、引言为了实现嵌入式系统终端连入互联网，而有必要为其引入了网络功能。

μC/OS II 是一个源代码开放的实时操作系统，但是它只是一个实时的任务调度及通信内核，并没有集成TCP/IP 通信协议，为了实现网络功能，需要在μC/OS II 移植一个轻量级的TCP/IP 通信协议LwIP。

本文主要论述μC/OS II 下通信协议LwIP 的移植以及测试。

2、LwIP 简介LwIP ( light weight IP)是瑞士计算机科学院的Adam Dunkels 等开发的一套开放TCP/IP 协议栈源代码。

LwIP 既可以移植到操作系统上，又可以在无操作系统的情况下独立运行。

LwIP 实现的重点是在保持TCP/IP 协议主要功能的基础上减少对RAM 的占用，这使LwIP 适合在低端嵌入式系统中使用。

其主要特点如下：（1）支持多网络接口下IP 转发；（2）支持ICMP 协议；（3）包括试验性扩展的UDP；（4）包括简单的拥塞控制，RTT 估算和快速恢复和快速转发的TCP；（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；3、LwIP 协议栈移植到μC/OS II 操作系统的具体实现3.1 嵌入式系统结构和LwIP 接口整个嵌入式系统的结构如图 1 所示，由ARM 微处理器、网卡、网络设备驱动、μC/OSII 操作系统、LwIP 协议栈和应用程序组成。

图 1 嵌入式系统结构图LwIP 在设计时为了适应不同的操作系统，并没有在代码中使用和某个特定的操作系统相关的系统调用和数据结构，而是在LwIP 和操作系统之间提供了一个接口层（sys_arch interface），该接口主要实现的功能包括数据类型的定义、存储模式的选择、任务间的同步、时间和内存的管理等。

因此，完成LwIP 在μC/OS II 移植，我们就是要通过修改这个接口层来实现。

同时，还要根据自己所要实现的具体目的，可以对LwIP 协议栈进行一定的裁减。

LWIP协议栈及接口提取Version 1.02012/06/20目录一、LWIP介绍 (5)二、LWIP源码分析 (7)1．LWIP协议栈的架构 (7)2．各个文件夹介绍 (8)3．模块及源文件介绍 (10)三、LWIP协议栈处理数据流程 (17)四、接口提取 (18)一、LWIP介绍首先说明一下，这篇文档的主要目的是提取网络发送和接收数据的函数接口。

然后用我们自己的驱动网卡的接口函数替代程序中的接口。

如果对LWIP协议栈本身没什么兴趣的，可以跳过第一、二、三章，直接阅读第四章，使用我们的接口代替第四章的接口就行了。

写第一、二、三章的主要目的是为了方便理解数据的发送和接收在LWIP协议栈中是如何进行处理的。

这便于我们理解提取出来的接口。

LWIP是瑞典计算机科学院开发的一套用于嵌入式系统的开放源代码的轻量级的TCP/IP协议栈。

传统的，或者说是典型的TCP/IP协议族的设计都是按照分层的思想来设计的。

这样设计有个好处，就是每层相对于其他层独立，代码方便理解。

缺点就是，每层之间进行数据交互的时候必须要进行复制，而数据的复制是很耗时的，这就降低了实时性。

LWIP 采用了一种不同的设计方式来实现TCP/IP协议族。

LWIP各层之间没有明显的界限，各层之间都可以访问到共享在内存中的数据。

因为各层都可以访问共享内存，所以这就避免了内存复制产生的性能损失。

但是并不是说LWIP就没有分层的概念了。

只不过LWIP各层都是逻辑意义上的层。

每个协议都以模块的形式被实现。

而这些模块就共同组成了LWIP整体。

下面一章将分析LWIP 的源码，结合源码介绍这些模块。

了解各个协议是怎么通过模块被实现的。

其中这里最主要的是TCP协议模块的实现。

TCP协议在LWIP协议栈中占得比例最大，有将近一半的代码是专门用来实现TCP协议的。

所以重点会分析TCP协议。

并且无线音频项目采用的也是TCP 协议传输数据。

LWIP逻辑上被分为四个层：应用层，传输层，网络层和网络接口层。

狗拿耗子lwip———狗拿耗子第四篇 1、lwip 的背景 lwip 是 Swedish Institute of Computer Science 开发的用于嵌入式系统的 TCP\IP 协议栈，从 网上的评论看似乎用的人不少。

它的实现是应该参考了 BSD 的实现，在介绍 TCP 的时候， 大家就会发现，其拥塞控制的实现算法机会与 BSD 的一模一样。

lwip 的整个代码写的比 YASS2 差一截，难以入手介绍，我打算按照 TCP 的 server 与 client 的角度分别走一遍代码。

lwip 的内核运行在同一个任务中，lwip 提供的系统调用通过 mailbox 与内核进行通信，然 后用户阻塞在一个专门的 mailbox 上，内核完成用户的请求后 post 该 mailbox，用户得以继 续执行。

有的协议栈的实现却是，每层跑在一个任务中，这样层与层间的相互调用将会引起 上下文的切换。

更重要的是 lwip 可以运行在裸机的环境中，即不需要操作系统的支持。

这 对一些低成本的设备还是很具有吸引力的。

lwip 的官方网站为 /projects/lwip/，目前最新的版本是 1.3.0，而 本文参考的是 1.2.0。

2、netconn_new 系统调用 2.1 相关的数据结构enum netconn_type { NETCONN_TCP, NETCONN_UDP, NETCONN_UDPLITE, NETCONN_UDPNOCHKSUM, NETCONN_RAW };struct netconn { enum netconn_type type; enum netconn_state state; union { struct tcp_pcb *tcp; struct udp_pcb *udp; struct raw_pcb *raw; } pcb; err_t err; sys_mbox_t mbox; sys_mbox_t recvmbox; sys_mbox_t acceptmbox; sys_sem_t sem; int socket; u16_t recv_avail; void (* callback)(struct netconn *, enum netconn_evt, u16_t len); };1狗拿耗子struct netconn 用一个 union 将 udp、tcp、raw 的 pcb 包含起来，实现由 netconn 到不同协 议的分发，这是 c 语言编程的一个常用技巧。

LwIP协议栈源码详解——TCP/IP协议的实现Created by.. 老衲五木at.. UESTCContact me.. for_rest@540535649@前言最近一个项目用到LwIP，恰好看到网上讨论的人比较多，所以有了写这篇学习笔记的冲动，一是为了打发点发呆的时间，二是为了吹过的那些NB。

往往决定做一件事是简单的，而坚持做完这件事却是漫长曲折的，但终究还是写完了，时间开销大概为四个月，内存开销无法估计。

这篇文章覆盖了LwIP协议大部分的内容，但是并不全面。

它主要讲解了LwIP协议最重要也是最常被用到的部分，包括内存管理，底层网络接口管理，ARP层，IP层，TCP层，API 层等，这些部分是LwIP的典型应用中经常涉及到的。

而LwIP协议的其他部分，包括UDP，DHCP,DNS,IGMP,SNMP,PPP等不具有使用共性的部分，这篇文档暂时未涉及。

原来文章是发在空间中的，每节每节依次更新，后来又改发为博客，再后来就干脆懒得发了。

现在终于搞定，于是将所有文章汇总。

绞尽脑汁的想写一段空前绝后，人见人爱的序言，但越写越觉得像是猫儿抓的一样。

就这样，PS:由于本人文笔有限，情商又低，下里巴人一枚，所以文中的很多语句可能让您很纠结，您可以通过邮箱与我联系。

共同探讨才是进步的关键。

最后，欢迎读者以任何方式使用与转载，但请保留作者相关信息，酱紫！码字。

世界上最痛苦的事情莫过于此。

——老衲五木目录1 移植综述------------------------------------------------------------------------------------------------------42 动态内存管理------------------------------------------------------------------------------------------------63 数据包pbuf--------------------------------------------------------------------------------------------------94 pbuf释放---------------------------------------------------------------------------------------------------135 网络接口结构-----------------------------------------------------------------------------------------------166 以太网数据接收--------------------------------------------------------------------------------------------207 ARP表-----------------------------------------------------------------------------------------------------238 ARP表查询-----------------------------------------------------------------------------------------------269 ARP层流程-----------------------------------------------------------------------------------------------2810 IP层输入-------------------------------------------------------------------------------------------------3111 IP分片重装1--------------------------------------------------------------------------------------------3412 IP分片重装2--------------------------------------------------------------------------------------------3713 ICMP处理-----------------------------------------------------------------------------------------------4014 TCP建立与断开----------------------------------------------------------------------------------------4315 TCP状态转换-------------------------------------------------------------------------------------------4616 TCP控制块----------------------------------------------------------------------------------------------4917 TCP建立流程-------------------------------------------------------------------------------------------5318 TCP状态机----------------------------------------------------------------------------------------------5619 TCP输入输出函数1-----------------------------------------------------------------------------------6020 TCP输入输出函数2-----------------------------------------------------------------------------------6321 TCP滑动窗口-------------------------------------------------------------------------------------------6622 TCP超时与重传----------------------------------------------------------------------------------------6923 TCP慢启动与拥塞避免-------------------------------------------------------------------------------7324 TCP快速恢复重传和Nagle算法-------------------------------------------------------------------7625 TCP坚持与保活定时器-------------------------------------------------------------------------------8026 TCP定时器----------------------------------------------------------------------------------------------8427 TCP终结与小结----------------------------------------------------------------------------------------8828 API实现及相关数据结构-----------------------------------------------------------------------------9129 API消息机制--------------------------------------------------------------------------------------------9430 API函数及编程实例-----------------------------------------------------------------------------------971 移植综述如果你认为所谓的毅力是每分每秒的“艰苦忍耐”式的奋斗，那这是一种很不足的心理状态。

lwip协议栈源码详解lwIP（lightweight IP）是一个轻量级的开源TCP/IP协议栈，它被广泛应用于嵌入式系统中。

lwIP协议栈源码的详细解析对于理解其内部原理和实现机制具有重要意义。

本文将对lwIP协议栈源码进行详细解析，帮助读者深入了解lwIP的工作原理和实现细节。

lwIP协议栈源码主要包括核心协议栈、网络接口、协议实现、应用接口等部分。

核心协议栈包括IP、ICMP、UDP、TCP等协议的实现，网络接口包括以太网、WiFi等网络接口的驱动程序，协议实现包括DHCP、DNS、SNMP等协议的实现，应用接口包括Socket API等应用层接口的实现。

首先，我们来看核心协议栈的实现。

lwIP协议栈采用了事件驱动的设计，通过回调函数的方式处理网络事件。

在核心协议栈中，IP协议负责数据包的路由和转发，ICMP协议负责处理网络错误消息，UDP和TCP协议负责数据的传输和可靠性保证。

lwIP协议栈通过轻量级的设计和实现，使得其在资源有限的嵌入式系统中也能够高效运行。

其次，网络接口的实现也是lwIP协议栈源码中的重要部分。

网络接口的实现包括网络接口的初始化、数据包的发送和接收、中断处理等。

不同的网络接口需要实现相应的驱动程序，以适配不同的硬件平台。

lwIP协议栈提供了通用的网络接口API，使得用户可以方便地移植和扩展网络接口的实现。

另外，协议实现部分包括了一些常用的网络协议的实现，如DHCP协议用于动态获取IP地址、DNS协议用于域名解析、SNMP协议用于网络管理等。

这些协议的实现为嵌入式系统的网络连接和管理提供了重要支持。

最后，应用接口部分包括了Socket API的实现。

Socket API是应用程序与网络协议栈之间的接口，通过Socket API，应用程序可以方便地进行网络通信。

lwIP协议栈提供了对标准Socket API的支持，使得基于lwIP的应用程序可以方便地移植和开发。

总的来说，lwIP协议栈源码详解涉及了核心协议栈、网络接口、协议实现、应用接口等多个方面。

1.TCP连接的建立和终止TCP是一个面向连接的协议，提供可靠的数据连接。

在收发数据之前，需要在双方之间建立一条连接。

下面以图①所示为例说明TCP连接的建立和终止。

1.1 TCP连接的建立1) 请求端（通常称为客户）发送一个SYN段指明客户打算连接的服务器的端口，以及初始序号（ISN，在这个例子中为1415531521）。

这个SYN段为报文段1。

2) 服务器发回包含服务器的初始序号的SYN报文段（报文段2）作为应答。

同时，将确认序号设置为客户的ISN加1以对客户的SYN报文段进行确认。

一个SYN将占用一个序号。

3) 客户必须将确认序号设置为服务器的ISN加1以对服务器的SYN报文段进行确认（报文段3）。

这三个报文段完成连接的建立。

这个过程也称为三次握手（three-way handshake）。

图①1.2 TCP连接的终止建立一个连接需要三次握手，而终止一个连接要经过4次握手。

这由TCP的半关闭（half-close）造成的。

既然一个TCP连接是全双工（即数据在两个方向上能同时传递），因此每个方向必须单独地进行关闭。

一个TCP连接在收到一个FIN后不能接收数据，但仍能发送数据，反之一个TCP连接在发送一个FIN后不能发送数据，但仍能接收数据。

以客户端为主动关闭一方为例说明TCP连接的终止过程。

首先客户端发送第一个FIN （报文段4），服务器收到FIN后，返回对该FIN的确认ACK（报文段5），然后通知应用层对方已经关闭连接，然后回复FIN（报文段6）。

客户端收到该FIN后再回复一个确认ACK （报文段7），同时客户端关闭本地连接，而服务端收到该ACK后也最终关闭连接。

2.TCP的滑动窗口协议2.1 使用滑动窗口的原因TCP协议在工作时，如果发送端的TCP协议软件每传输一个数据分组后，必须等待接收端的确认才能够发送下一个分组，由于网络传输的时延，将有大量时间被用于等待确认，导致传输效率低下。

为此TCP在进行数据传输时使用了滑动窗口机制。

狗拿耗子1lwip ———狗拿耗子第四篇1、lwip的背景lwip是Swedish Institute of Computer Science开发的用于嵌入式系统的TCPIP协议栈从网上的评论看似乎用的人不少。

它的实现是应该参考了BSD的实现在介绍TCP的时候大家就会发现其拥塞控制的实现算法机会与BSD的一模一样。

lwip的整个代码写的比YASS2差一截难以入手介绍我打算按照TCP的server与client的角度分别走一遍代码。

lwip的内核运行在同一个任务中lwip提供的系统调用通过mailbox与内核进行通信然后用户阻塞在一个专门的mailbox上内核完成用户的请求后post 该mailbox用户得以继续执行。

有的协议栈的实现却是每层跑在一个任务中这样层与层间的相互调用将会引起上下文的切换。

更重要的是lwip可以运行在裸机的环境中即不需要操作系统的支持。

这对一些低成本的设备还是很具有吸引力的。

lwip的官方网站为/projects/lwip/目前最新的版本是1.3.0而本文参考的是1.2.0。

2、netconn_new系统调用2.1 相关的数据结构enum netconn_type NETCONN_TCP NETCONN_UDP NETCONN_UDPLITENETCONN_UDPNOCHKSUM NETCONN_RAW struct netconn enumnetconn_type type enum netconn_state state union struct tcp_pcb tcp struct udp_pcb udp struct raw_pcb raw pcb err_t err sys_mbox_t mbox sys_mbox_t recvmboxsys_mbox_t acceptmbox sys_sem_t sem int socket u16_t recv_avail void callbackstruct netconn enum netconn_evt u16_t len 狗拿耗子2 struct netconn用一个union将udp、tcp、raw的pcb包含起来实现由netconn到不同协议的分发这是c语言编程的一个常用技巧。

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1、BSD TCP/IP协议栈BSD栈历史上是其他商业栈的起点，大多数专业TCP/IP栈（VxWorks内嵌的TCP/IP栈）是BSD栈派生的。

这是因为BSD栈在BSD许可协议下提供了这些专业栈的雏形，BSD许用证允许BSD栈以修改或未修改的形式结合这些专业栈的代码而无须向创建者付版税。

同时，BSD也是许多TCP/IP协议中的创新（如广域网中饿拥塞控制和避免）的开始点。

2、uC/IPuC/IP是由Guy Lancaster编写的一套基于uC/OS且开放源码的TCP/IP协议栈，亦可移植到其它操作系统，是一套完全免费的、可供研究的TCP/IP协议栈，uC/IP大部分源码是从公开源码BSD发布站点和KA9Q（一个基于DOS单任务环境运行的TCP/IP协议栈）移植过来。

uC/IP具有如下一些特点：带身份验证和报头压缩支持的PPP协议，优化的单一请求/回复交互过程，支持IP/TCP/UDP协议，可实现的网络功能较为强大，并可裁减。

UCIP协议栈被设计为一个带最小化用户接口及可应用串行链路网络模块。

根据采用CPU、编译器和系统所需实现协议的多少，协议栈需要的代码容量空间在30-60KB之间。

3、LwIPLwIP是瑞士计算机科学院（Swedish Institute of Computer Science）的Adam Dunkels等开发的一套用于嵌入式系统的开放源代码TCP/IP协议栈。

LwIP的含义是Light Weight(轻型)IP协议，相对于uip。

LwIP可以移植到操作系统上，也可以在无操作系统的情况下独立运行。

LwIP TCP/IP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，一般它只需要几十K的RAM和40K左右的ROM 就可以运行，这使LwIP协议栈适合在低端嵌入式系统中使用。

LwIP的特性如下：支持多网络接口下的IP转发，支持ICMP协议 ，包括实验性扩展的的UDP（用户数据报协议），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），提供专门的内部回调接口（Raw API）用于提高应用程序性能，并提供了可选择的Berkeley接口API。