在物联网应用方兴未艾之际，lwIP协议栈的应用是比较多的，它在稳定性和资源利用上都比较优秀，很多芯片厂商甚至把lwIP移植了到自己的片上系统里。最近由于有个项目需要用到lwIP，我在网上找相关的资料，发现广告太多，有用的信息太难找到，于是花了点时间阅读lwIP的源码，把主要的框架梳理了一下。经过几天的努力基本弄明白了，现在把理解到的内容分享一下。
我阅读的代码是最新的2.1.2版本，下载链接如下：
http://download.savannah.nongnu.org/releases/lwip/
工作调试环境是正点原子STM32F407开发板，一边在开发板上调试，一边printf打印输出。
Lwip整体架构如下图所示：
一、 MCU的业务层
这一层是lwip提供服务的对象，就是自己的业务代码使用lwip的地方。业务代码从这里开始通过netconn或是lwip_api接口开始调用lwip的功能。比如，典型的TCP客户端首先通过netconn_new创建一个struct netconn对象，接着调用netconn_connect连接服务器，连接成功后调用netconn_write向服务器发送数据，或者调用netconn_recv接收数据，最后，通过netconn_close关闭连接，释放资源。
二、lwIP的api层
这一层是netconn的功能代码所在地方，提供netconn的api给上层代码使用。如果习惯了使用socket的同学可以用lwip_socket等函数按标准socket的方式调用lwip的功能。而且，在新的版本里增加了http,mqtt等应用的代码，这些附加的应用对现在的物联网通讯来说真的是方便了不少。
三、lwip的核心层
这一层是TCP/IP的协议栈的核心代码所在的地方，不单实现了几乎全部的TCP，UDP功能，还实现了ICMP，IGMP等协议。同时，还有mem内存管理，netif网络接口功能。这一层提供了一个针对各平台移植的sys_arch模块，以便于把lwIP移植到不同的操作系统中去。比如，实现线程的创建，信号灯，消息队列等功能，这些都是和平台密切相关的，与操作系统相关的接口定义写在lwip/include/sys.h文件里。
四、硬件驱动层
这一层提供了PHY芯片的驱动，以供lwip的使用。lwip会调用这一层的代码把组好的数据包发送到网络，同时也会通过这一层实现从网络收到数据包并加以分析各协议，实现通讯功能。
Lwip功能很多也很强大，下面简单地讲一下TCP数据收发的一个过程
发送消息，如下图所示：
(a) 应用代码调用netconn_write接口，把数据等参数传入，lwip检查连接是不是阻塞等，如果不是阻塞的直接返回错误，如果是阻塞则发送消息然后等待，通过消息队列切换执行流，由lwip线程把执行流走到lwip_netconn_do_write函数中去。这个函数检查当前数据有效性等，假设一切都正确，将调用tcp_write函数，由tcp模块进一步处理和打包数据。处理完成后，调用tcp_output向下层发送数据。
(b) TCP模块从tcp_write进入后，将执行tcp协议栈的具体功能，里面的逻辑比较多也比较复杂，如果只是出于对代码移植和使用，这些代码根本不需要改动。在tcp模块功能完成后比如准备缓冲器，填写校验和等，成功返回。
TCP模块从tcp_output进入后，将根据本地地址，目标地址等找到适合的路由的网络接口netif实例，把netif接口当作参数一起调用到ip模块，让数据往下发送。在lwip的设计中，一个实际的网卡PHY芯片就是对应一个netif实例。
(c) IP模块从ip_output_if函数进入后，检查如果是ipv4的数据则调用ip4_output_if，准备好ip包头，可选的ip包头等信息，然后，调用网络接口netif->output函数继续发送数据包。
(d) 网络接口netif模块根据PCB配置的网卡通过netif_add函数加入到lwip中，根据网络硬件的不同而实现不同的功能，如果网卡是以太网phy芯片，则把netif->output函数设置成etharp_output函数，由以太网ethernet模块去组装以太网帧，管理arp地址列表等。
(e) ethernet模块负责数据链路层的数据分析与组包，当数据组好以太网帧后，调用网络接口netif->linkeoutput函数，把数据通过网口芯片发送出去。
(f) 正点原子STM32F407的开发板的网络PHY芯片把网络接口netif->linkeoutput函数设置成low_level_output，所有数据最后通过low_level_output函数把它发送到PHY芯片并最终发送到网络。
接收消息，如下图所示:
1、应用代码调用netconn_recv接收网络数据，此函数分配一块缓冲器，然后通过调用sys_arch_mbox_fetch等待消息队列的返回。数据收到后，从消息队列返回，并包含有数据的缓存区。
2、sys_arch_mbox_fetch等待消息队列中的消息，是lwip需要实现的一个与平台相关的功能，在sys_arch模块中实现和管理，负责实现操作系统消息队列。
另一方面网络数据到达网卡的数据流如下：
a、数据通过网络到达网卡PHY芯片，这时触发MCU的一个中断。
b、 中断例程通过调用ethernetif_input函数通知lwip数据到达netif网络接口。
c、通过low_level_input函数获取网络数据。
d、ETH_Rx_Packet函数实现PHY的驱动，获取数据，每种芯片可能有不同的实现。
e、网络接口netif模块根据网卡芯片的不同，配置不同的netif->input函数，如果是以太网phy芯片，则配成是ethernet_input，因为phy芯片每一帧都是以太网帧，里面包含以太帧的全部信息，包括目的MAC地址及源MAC地址等。
f、ethernet模块把以太网帧的包头等信息去掉，并检查数据正确性之后，如果是IP包，则调用ip4_input函数，把数据往上传。IP的上层协议比较多，有udp，tcp，icmp，igmp等等，如果是TCP数据，则调用tcp_input把继续把数据往上传。
g、TCP模块比较复杂，收到TCP包后，不单要发送ack，还有可能要发送重传信息等。同时，为了网络性能，还要调整滑动窗口。数据处理完并且都正确后继续往上传。
h、数据通过TCP_EVENT_RECV宏通知lwip有TCP事件到达。TCP_EVENT_RECV宏定义成通过tcp_pcb->recv函数执行事件。此函数在netconn中配成recv_tcp。在recv_tcp函数里面调用sys_mbox_trypost函数通知数据接收完毕。这时上层代码可以唤醒接收数据了。
i、sys_mbox_trypost函数是一个与操作系统相关的函数，大部分的操作系统基本都有消息队列的功能，但每个操作系统的实现方式都不一样。
至此，lwip基本的收发功能基本走了一遍，协议栈中更详细的逻辑没有分析，这和移植没有什么关系了，以后有更深入的项目的需要，再去研究里面的代码吧。
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