LWIP使用经验

数据包管理结构pbuf共有四种类型，它们的特点和使用场合如表1所示。

表1  pbuf类型与特点

每一种pbuf分配内存的方式都不一样，如图2所示。

图2四种数据包管理结构

只有选择合适的pbuf类型才能发挥LWIP的最大性能，一个数据包可能是多种pbuf的组合，用链表连接起来，如图3所示。

图3  pbuf链表

为LWIP开辟一个专用的内存堆是应该的，这样一来LWIP的mem_alloc()和mem_free()都将基于该堆内存进行分配和回收，不影响其他系统内存的使用。如图1左所示，lwipopt.h文件中宏MEM_SIZE定义了堆区的大小，对于一个负荷较重的系统堆区需要分配较大。

图4堆和PBUF_ROM内存区

LWIP使用PBUF_ROM类型的内存池来发送“只读”数据（处于ROM中或者其他进程中不可修改），宏MEMP_NUM_PBUF定义了该缓冲池的个数，如图2右所示。

在ISR（中断服务程序中）经常需要快速分配一部分内存进行数据存储，这是通过PBUF_POOL类型的缓冲区实现的。为此需要定义两个宏：PBUF_POOL_SIZE定义缓冲池的个数，PBUF_POOL_BUFSIZE定义单个缓冲区的大小，如图5所示。

图5 PBUF_POOL内存区

若定义MEM_LIBC_MALLOC=1，直接使用C库中的malloc、free来分配动态内存；否则使用LWIP自带的mem_malloc、mem_free等函数。

若定义MEMP_MEM_MALLOC=1，则memp.c中的全部内容不会被编译，用内存堆来实现内存池分配，使用这种方式得考虑是否能忍受内存堆分配带来的时间延迟。

若定义MEM_USE_POOLS=1，则mem.c中的全部内容不会被编译，用内存池来实现内存堆的分配，使用这种方式得考虑是否能忍受因为POOL内存固定大小而带来的内存浪费。此外用户需要定义宏MEM_USE_CUSTOM_POOLS=1，还需要额外实现一个头文件lwippools.h，并在其中开辟一些用于内存堆分配函数的内存池POOL，开辟空间的格式如下：

LWIP_MALLOC_MEMPOOL_START

LWIP_MALLOC_MEMPOOL(20, 256)

LWIP_MALLOC_MEMPOOL(10, 512)

LWIP_MALLOC_MEMPOOL_END

图6展示了LWIP启动时序，大部分函数都是LWIP自带的，主要的移植代码是eth_init()实现初始化以太网接口，启动程序会创建2个线程：tcpip_thread负责LWIP的绝大部分工作（主要是协议栈的解析和系统运行），ethernetif_thread负责从网口接收数据包再交付给tcpip_thread线程进行处理。

图6 LWIP启动函数

图7接收数据包

当以太网口接收到一个数据包后，EMAC_IRQ中断服务程序通过信号量通知ethernetif线程，ethernetif线程调用low_level_input()接收该数据包并通过邮箱交付给tcpip_thread线程，tcpip_thread根据该数据包的类型进行相应处理。它是建立在消息传递的基础上的，如图8所示。

图8数据包消息的产生和处理

API设计的核心在于让用户进程负责尽可能多的工作，例如数据的计算、拷贝等；而协议栈进程只负责简单的通信工作，这是很合理的，因为系统可能存在多个应用程序，它们都使用协议栈进程提供的通信服务，保证内核进程的高效性和实时性是提高系统性能的重要保障。进程之间通信使用IPC技术，包括邮箱、信号量和共享内存，如图9所示。

图9协议栈API实现

以函数netconn_bind()为例看API是如何实现的，首先用户程序中调用函数netconn_bind()绑定一个连接，则这个函数实现时，是通过向内核进程发送一个TCPIP_MSG_API类型的消息，告诉内核进程执行do_bind函数：在消息发送后，函数阻塞在信号量上，等待内核处理该消息；内核在处理消息时，会根据消息内容调用do_bind，而do_bind会根据连接的类型调用内核函数udp_bind、tcp_bind或raw_bind；当do_bind执行完后，它会释放信号量，这使被阻塞的netconn_bind得以继续执行，整个过程如图10所示。

图10 API函数实现

图11滑动窗口

接收窗口相关的字段中，rcv_nxt是自己期望收到的下一个字节编号，rcv_wnd表示接收窗口的大小，rcv_ann_wnd表示将向对方通告的窗口大小值，这个值在报文发送时会被填在首部中的窗口大小字段，rcv_ann_right_edge记录了上一次窗口通告时窗口右边界取值。上面这四个字段都会随着数据的发送和接收动态地改变，如图12所示。

图12接收窗口

发送窗口中，lastack记录了被接收方确认的最高序列号，snd_nxt表示自己将要发送的下一个数据的起始编号，snd_wnd记录了当前的发送窗口大小，它常被设置为接收方通告的接收窗口值，snd_lbb记录了下一个被应用程序缓存的数据的起始编号，如图10所示。

上面这四个字段的值也是动态变化的，每当收到接收方的一个有效ACK后，lastack的值就做相应的增加，指向下一个待确认数据的编号，当发送一个报文后，snd_nxt的值就做相应的增加，指向下一个待发送数据，snd_nxt和lastack之间的差值不能超过snd_wnd的大小。

由于实际数据发送时是按照报文段的形式组织的，因此可能存在这样的情况：即使发送窗口允许，但并不是窗口内的所有数据都能发送以填满窗口，如图13中编号为11～13的数据，可能因为它们太小不能组织成一个有效的报文段，因此不会被发送。发送方会等到新的确认到来，从而使发送窗口向右滑动，使得更多的数据被包含在窗口中，这样再启动下一个报文段的发送。

图13发送窗口

图14连接建立过程

图15连接断开过程

图16  TCP状态转换图

图17双方同时打开

图18双方同时关闭

一般说来LWIP协议栈是比较稳定的，尤其像V1.3.2经历过业界广泛使用和工程应用，完全可以应用于嵌入式产品。那为什么还是有很多人反映LWIP不稳定呢？主要是以下几个方面的原因：

1.      网络硬件驱动 确保EMAC口接收与发送稳定可靠

2.      移植LWIP 基于OS的移植代码正确稳定

3.      配置LWIP 根据设备RAM尺寸进行合理配置

1)        值(PBUF_POOL_SIZE * PBUF_POOL_BUFSIZE)必须大于TCP_SND_BUF和TCP_WND，否则容易引起错误；

2)        当内存有限时TCP发送不能太快（具体值依赖于分配内存的大小），否则引起tcp_enqueue()逻辑错误；

4.      调用LWIP的API函数 正确使用API函数，特别防止内存泄露。

5.      资源不足 打开报警提醒，当资源不够时提醒设计者

首先，必须将协议栈完全初始化才能打开网络接收功能，接收中断必须将数据封装在PBUF中，然后交会给协议栈内核处理。其次，LWIP的全局变量（arp_table,netif_list,udp_pcbs等）确保赋初值0，否则容易一运行就崩溃。

第一个原则（责任制）：谁分配内存，谁就负责回收。

第二个原则（对称性）：分配内存者与回收内存者一一对应构成闭环。

另外，需要特别注意一些系统函数的调用，它们也会带来内存泄露，如：

例1

newconn = netconn_accept(conn);

do_something_for(newconn);

netconn_close(newconn);

netconn_delete(newconn);   /*一定要释放newconn否则将导致内存泄露 */

例2

inbuf = netconn_recv(conn);

do_something_for(inbuf);

netbuf_delete(inbuf);   /*一定要释放inbuf否则将导致内存泄露 */

问题：PC机能够与LWIP设备PING操作成功，但是无法建立TCP连接。

原因：通过代码跟踪，发现LWIP发出了SYN+ACK数据包，但是PC机无法接收该握手数据包，该数据包为60字节，小于以太网的最小长度（64字节），而LWIP设备的EMAC没有设置短小数据包填充功能，导致PC机无法接收该短数据包。

解决：使能EMAC的短小数据包填充功能。