功能:
LwIP的特性如下：
(1)支持多網絡接口下的IP轉發(fā)
(2)支持ICMP協(xié)議
(3)包括實驗性擴展的的UDP（用戶數據報協(xié)議）
(4)包括阻塞控制，RTT估算和快速恢復和快速轉發(fā)的TCP（傳輸控制協(xié)議）
(5)提供專門的內部回調接口（Raw API）用于提高應用程序性能
(6)可選擇的Berkeley接口API（多線程情況下）
(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協(xié)議,動態(tài)分配ip地址.
要點：
1、層次結構
tcp/ip協(xié)議的每一層是一個單獨進程.鏈路層是一個進程,ip層是一個進程,tcp層是一個進程.
這樣的好處是網絡協(xié)?議的每一層都非常清晰,代碼的調試和理解都非常容易.但是最大的壞處數據跨層傳遞時會引起上下文切換(context switch).
對于接收一個TCP segment要引起3次context switch(從網卡驅動程序到鏈路層進程,從鏈路層進程到ip層進程,從ip層進程?到TCP進程).
通常對于操作系統(tǒng)來說,任務切換是要浪費時間的.過頻的context swich是不可取的.?
另外一種方式是TCP/IP協(xié)議棧在操作系統(tǒng)內核當中.
應用程序通過操作系統(tǒng)的系統(tǒng)調用(system call)和協(xié)議棧來進行通訊.這樣TCP/IP的協(xié)議棧就限定于特定的操作系統(tǒng)內核了.如windows就是這種方式.
lwip的process model:所有tcp/ip協(xié)議棧都在一個進程當中,這樣tcp/ip協(xié)議棧就和操作系統(tǒng)內核分開了.而應用層程序既可以是單獨的進程也可以駐留在tcp/ip進程中.如果應用程序是單獨的進程可以通過操作系統(tǒng)的郵箱,消息隊列等和tcp/ip進程進行通訊.
??如果應用層程序駐留tcp/ip進程中,那應用層程序就利用內部回調函數口(Raw API)和tcp/ip協(xié)議棧通訊.對于ucos來說進程就是一個系統(tǒng)任務.lwip的process model請參看下圖.在圖中可以看到整個tcp/ip協(xié)議棧都在同一個任務(tcpip_thread)中.應用層程序既可以是獨立的任務(如圖中的tftp_thread,tcpecho_thread),也可以在tcpip_thread中(如圖左上角)中利用內部回調函數口(Raw API)和tcp/ip協(xié)議棧通訊?
（上圖：lwIP的層次模型）
2 Port Lwip to uCos
在這個項目中我用的硬件平臺是s3c44b0x+rtl8019.ucos在44b0上的移植在網上有很多大俠非常詳盡的講解和移植代碼.我就不敢羅嗦了.需要說明的一點是lwip會為每個網絡連接動態(tài)分配一些信號量(semaphone)和消息隊列(Message Queue),當連接斷開時會刪掉這些semaphone和Queue.而Ucos-2.0不支持semaphone和Queue的刪除,所以要選擇一些較高版本的ucos.我用的是ucos-2.51.
3、Lwip的操作系統(tǒng)封裝層(operating system.emulation layer)
Lwip為了適應不同的操作系統(tǒng),在代碼中沒有使用和某一個操作系統(tǒng)相關的系統(tǒng)調用和數據結構.而是在lwip和操作系統(tǒng)之間增加了一個操作系統(tǒng)封裝層.操作系統(tǒng)封裝層為操作系統(tǒng)服務(定時,進程同步,消息傳遞)提供了一個統(tǒng)一的接口.在lwip中進程同步使用semaphone和消息傳遞采用"mbox"(其實在ucos的實現中我們使用的是Message Queue來實現lwip中的"mbox",下面大家可以看到這一點)
Operating system emulation layer的原代碼在…/lwip/src/core/sys.c中.而和具體的操作系統(tǒng)相關的代碼在../lwip/src/arch/sys_arch.c中.
操作系統(tǒng)封裝層的主要函數如下:
void sys_init(void)//系統(tǒng)初始化
sys_thread_t sys_thread_new(void (* function)(void *arg), void *arg,int prio)//創(chuàng)建一個新進程
??sys_mbox_t sys_mbox_new(void)//創(chuàng)建一個郵箱
??void??sys_mbox_free(sys_mbox_t mbox)//釋放并刪除一個郵箱
??void??sys_mbox_post(sys_mbox_t mbox, void *data) //發(fā)送一個消息到郵箱
??void sys_mbox_fetch(sys_mbox_t mbox, void **msg)//等待郵箱中的消息
??sys_sem_t sys_sem_new(u8_t count)//創(chuàng)建一個信號量
void sys_sem_free(sys_sem_t sem)//釋放并刪除一個信號量
void sys_sem_signal(sys_sem_t sem)//發(fā)送一個信號量
void sys_sem_wait(sys_sem_t sem)//等待一個信號量
??void sys_timeout(u32_t msecs, sys_timeout_handler h, void *arg)//設置一個超時事件
??void sys_untimeout(sys_timeout_handler h, void *arg)//刪除一個超時事件
??…
關于操作系統(tǒng)封裝層的信息可以閱讀lwip的doc目錄下面的sys_arch.txt.文件.
4、Lwip在ucos上的移植.
4.1 系統(tǒng)初始化
sys_int必須在tcpip協(xié)議棧任務tcpip_thread創(chuàng)建前被調用.
/* 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中指向事件控制塊的指針
???????void*??pvQEntries[MAX_QUEUE_ENTRIES];//消息隊列
//MAX_QUEUE_ENTRIES消息隊列中最多消息數
} TQ_DESCR, *PQ_DESCR;
typedef PQ_DESCR??sys_mbox_t;//可見lwip中的mbox其實是ucos的消息隊列
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 );//為消息隊列創(chuàng)建內存分區(qū)
//init lwip task prio offset
curr_prio_offset = 0;
//init lwip_timeouts for every lwip task
//初始化lwip定時事件表,具體實現參考下面章節(jié)
????for(i=0;i<LWIP_TASK_MAX;i++){
????????lwip_timeouts[i].next = NULL;
????}
}
4.2 創(chuàng)建一個和tcp/ip相關新進程:
lwip中的進程就是ucos中的任務,創(chuàng)建一個新進程的代碼如下:
#define LWIP_STK_SIZE??????10*1024//和tcp/ip相關任務的堆棧大小.可以根據情況自
//己設置,44b0開發(fā)板上有8M的sdram,所以設大
//一點也沒有關系:)
//max number of lwip tasks
#define LWIP_TASK_MAX????5 //和tcp/ip相關的任務最多數目
//first prio of lwip tasks
#define LWIP_START_PRIO???5 //和tcp/ip相關任務的起始優(yōu)先級,在本例中優(yōu)先級可
//以從(5-9).注意tcpip_thread在所有tcp/ip相關進程中//應該是優(yōu)先級最高的.在本例中就是優(yōu)先級5?
//如果用戶需要創(chuàng)建和tcp/ip無關任務,如uart任務等,
//不要使用5-9的優(yōu)先級
?OS_STK LWIP_TASK_STK[LWIP_TASK_MAX][LWIP_STK_SIZE];//和tcp/ip相關進程的堆棧區(qū)
?????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! ");
??}
}
從代碼中可以看出tcpip_thread應該是最先創(chuàng)建的.
4.3 Lwip中的定時事件
在tcp/ip協(xié)議中很多時候都要用到定時,定時的實現也是tcp/ip協(xié)議棧中一個重要的部分.lwip中定時事件的數據結構如下.
struct sys_timeout {
struct sys_timeout *next;//指向下一個定時結構
??u32_t time;//定時時間
??sys_timeout_handler h;//定時時間到后執(zhí)行的函數
??void *arg;//定時時間到后執(zhí)行函數的參數.
};
struct sys_timeouts {
struct sys_timeout *next;
};
struct sys_timeouts lwip_timeouts[LWIP_TASK_MAX];
Lwip中的定時事件表的結構如下圖,每個和tcp/ip相關的任務的一系列定時事件組成一個單向鏈表.每個鏈表的起始指針存在lwip_timeouts的對應表項中.
函數sys_arch_timeouts返回對應于當前任務的指向定時事件鏈表的起始指針.該指針存在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;
??//獲取當前任務的優(yōu)先級
??err = OSTaskQuery(OS_PRIO_SELF,&curr_task_pcb);
??curr_prio = curr_task_pcb.OSTCBPrio;??
??offset = curr_prio - LWIP_START_PRIO;
??//判斷當前任務優(yōu)先級是不是tcp/ip相關任務,優(yōu)先級5-9
??if(offset < 0 || offset >= LWIP_TASK_MAX)
??{
????return &null_timeouts;
??}
??return &lwip_timeouts[offset];
}
注意:楊曄大俠移植的代碼在本函數有一個bug.楊曄大俠的移植把上面函數中的OS_TCB curr_task_tcb定義成了全局變量,使本函數成為了一個不可重入函數.我也是在進行如下測試時發(fā)現了這個bug.我的開發(fā)板上設置的ip地址是192.168.1.95.我在windows的dos窗口內運行
?????ping 192.168.1.95 –l 2000 –t,不間斷用長度為2000的數據報進行ping測試,同時使用tftp客戶端軟件給192.168.1.95下載一個十幾兆程序,同時再使用telnet連接192.168.1.95端口7(echo端口),往該端口寫數測試echo功能.
在運行一段時間以后,開發(fā)板進入不再響應.我當時也是經過長時間的分析才發(fā)現是因為在低優(yōu)先級任務運行ys_arch_timeouts()時被高優(yōu)先級任務打斷改寫了curr_task_tcb的值,從而使sys_arch_timeouts返回的指針錯誤,進而導致系統(tǒng)死鎖.函數sys_timeout給當前任務增加一個定時事件:
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);//為定時事件分配內存
??if (timeout == NULL) {
????return;
??}
??timeout->next = NULL;
??timeout->h = h;
??timeout->arg = arg;
??timeout->time = msecs;
??timeouts = sys_arch_timeouts();//返回當前任務定時事件鏈表起始指針
??if (timeouts->next == NULL) {//如果鏈表為空直接增加該定時事件
????timeouts->next = timeout;
????return;
??}
???//如果鏈表不為空,對定時事件進行排序.注意定時事件中的time存儲的是本事件
//時間相對于前一事件的時間的差值
??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;
??????}
????}
??}
}
函數sys_untimeout從當前任務定時事件鏈表中刪除一個定時事件
void sys_untimeout(sys_timeout_handler h, void *arg)
{
struct sys_timeouts *timeouts;
????struct sys_timeout *prev_t, *t;
????timeouts = sys_arch_timeouts();//返回當前任務定時事件鏈表起始指針
????if (timeouts->next == NULL)//如果鏈表為空直接返回
????????{
????????return;
????????}
????//查找對應定時事件并從鏈表中刪除.
????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"的實現:
?????????(1)mbox的創(chuàng)建
??????sys_mbox_t sys_mbox_new(void)
{
u8_t???????ucErr;
????????PQ_DESCR????pQDesc;????
//從消息隊列內存分區(qū)中得到一個內存塊
????????pQDesc = OSMemGet( pQueueMem, &ucErr );??
?????if( ucErr == OS_NO_ERR ) {???
?????????//創(chuàng)建一個消息隊列
????????pQDesc->pQ=OSQCreate(&(pQDesc->pvQEntries[0]), MAX_QUEUE_ENTRIES );???????
???????????????if( pQDesc->pQ != NULL ) {
????????????return pQDesc;
????????}
?????}?
????return SYS_MBOX_NULL;
}
(2)發(fā)一條消息給"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 會返回一條OS_ERR_POST_NULL_PTR錯誤.而在lwip中會調用sys_mbox_post(mbox,NULL)發(fā)送一條空消息,我們在本函數中把NULL變成一個常量指針0xffffffff.
(3)從"mbox"中讀取一條消息
#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();////返回當前任務定時事件鏈表起始指針
??if (!timeouts || !timeouts->next) {//如果定時事件鏈表為空
????sys_arch_mbox_fetch(mbox, msg, 0);//無超時等待消息
??} else {
????if (timeouts->next->time > 0) {
???//如果超時事件鏈表不為空,而且第一個超時事件的time !=0
//帶超時等待消息隊列,超時時間等于超時事件鏈表中第一個超時事件的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調用了ucos中的OSQPend系統(tǒng)調
//用從消息隊列中讀取消息.
//如果"mbox"消息隊列不為空,任務立刻返回,否則任務進入阻塞態(tài).
//需要重點說明的是sys_arch_mbox_fetch的返回值time:如果sys_arch_mbox_fetch
//因為超時返回,time=SYS_ARCH_TIMEOUT,
//如果sys_arch_mbox_fetch因為收到消息而返回,
//time = 收到消息時刻的時間-執(zhí)行sys_arch_mbox_fetch時刻的時間,單位是毫秒
//由于在ucos中任務調用OSQPend系統(tǒng)調用進入阻塞態(tài),到收到消息重新開始執(zhí)行
//這段時間沒有記錄下來,所以我們要簡單修改ucos的源代碼.(后面我們會看到).
????} else {
??????//如果定時事件鏈表不為空,而且第一個定時事件的time ==0,表示該事件的定時
//時間到
??????time = SYS_ARCH_TIMEOUT;
????}
????if (time == SYS_ARCH_TIMEOUT) {
?????//一個定時事件的定時時間到
??????tmptimeout = timeouts->next;
??????timeouts->next = tmptimeout->next;
??????h = tmptimeout->h;
??????arg = tmptimeout->arg;
??????memp_free(MEMP_SYS_TIMEOUT, tmptimeout);
??????//從內存中釋放該定時事件,并執(zhí)行該定時事件中的函數
??????if (h != NULL) {
??????????h(arg);
?????}
??????//因為定時事件中的定時時間到或者是因為sys_arch_mbo_fetch超時到而執(zhí)行到
//這里,返回本函數開頭重新等待mbox的消息
??????goto again;
????} else {
????//如果sys_arch_mbox_fetch無超時收到消息返回
//則刷新定時事件鏈表中定時事件的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的單位是ms??
??// 在ucosII ,timeout 的單位是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就返回消息指針,
??if(data != NULL){
????*data = OSQPend( mbox->pQ, (u16_t)ucos_timeout, &ucErr );????????
??}else{
????OSQPend(mbox->pQ,(u16_t)ucos_timeout,&ucErr);
??}
//這里修改了ucos中的OSQPend系統(tǒng)調用,?
//原來的void??*OSQPend (OS_EVENT *pevent, INT16U timeout, INT8U *err)
// err的返回值只有兩種:收到消息就返回OS_NO_ERR,超時則返回OS_TIMEOUT
//這里先將err從8位數據改變成了16位數據 OSQPend(*pevent,timeout, INT16U *err)
//重新定義了OS_TIMEOUT
//在ucos中原有#define OS_TIMEOUT 20
//改為 #define??OS_TIMEOUT??-1
//err返回值的意義也改變了,如果超時返回OS_TIMEOUT
// 如果收到消息,則返回OSTCBCur->OSTCBDly修改部分代碼如下
//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 */
//????}
//關于ucos的OSTBCur->OSTCBDly的含義請查閱ucos的書籍
??if( ucErr == OS_TIMEOUT ) {
???????timeout = SYS_ARCH_TIMEOUT;
????} else {
??????if(*data == (void*)&pvNullPointer )?
??????*data = NULL;
??????//單位轉換,從ucos tick->ms
??????timeout = (ucos_timeout -ucErr)*(1000/ OS_TICKS_PER_SEC);
????}
??return timeout;
}
semaphone的實現和mbox類似,這里就不再重復了.
主要有C/C++，Linux，Nginx，ZeroMQ，MySQL，Redis，fastdfs，MongoDB，ZK，流媒體，CDN，P2P，K8S，Docker，TCP/IP，協(xié)程，DPDK技術，面試技巧方面的資料技術討論。
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