在標準的TCP/IP協議棧中,各層之間都是一個獨立的模塊,它有著很清晰的層次結構,每一層只負責完成該層的處理,不會越界到其他層次去讀寫數據。而LwIP只是一個輕量級TCP/IP協議棧,它只是一個較完整的TCP/IP協議,多應用在嵌入式領域中,由于處理器的性能有限,LwIP并沒有采用很明確的分層結構,它假設各層之間的部分數據和結構體和實現原理在其他層是可見的,簡單來說就傳輸層知道IP層是如何封裝數據、傳遞數據的,IP層知道鏈路層是怎么封裝數據的等等。
為什么要模糊分層的處理?簡單來說就是為了提高效率,例如鏈路層完成數據包在物理線路上傳輸的封裝;IP層完成數據包的選擇和路由,負責將數據包發送到目標主機;傳輸層負責根據IP地址將數據包傳輸到指定主機,端口號識別一臺主機的線程,向不同的應用層遞交數據;但是,如果按照標準的TCP/IP協議棧這種嚴格的分層思想,在數據傳輸的時候就需要層層拷貝,因為各層之間的內存都不是共用的,在鏈路層遞交到IP層需要拷貝,在IP層遞交到傳輸層需要拷貝,反之亦然,這樣子每當收到或者發送一個數據的時候都要CPU去拷貝數據,這個效率就太慢了,所以LwIP假設各層之間的資源都是共用的,各層之間的實現方式也是已知的,那么在IP層往傳輸層遞交數據的時候,鏈路層往IP層遞交數據的時候就無需再次拷貝,直接操作協議棧中屬于其他層次的字段,得到相應的信息,然后直接讀取傳遞的數據即可,這樣子處理的方式就無需拷貝,各個層次之間存在交叉存取數據的現象,既節省系統的空間也節省處理的時間,而且更加靈活。例如在傳輸層,在計算TCP報文段的校驗以及TCP在重裝無需報文時,TCP層必須知道該報文的源IP地址和目的IP地址,為了得到這些信息,傳輸層并不是調用IP層的接口,而是直接訪問數據包中的IP數據報首部,因為傳輸層已經知道IP層的數據報的格式及作用,直接訪問讀取這些信息即可。
在小型嵌入式設備中,LwIP與用戶程序之間通常沒有太嚴格的分層結構,這種方式允許用戶處理數據與內核之間變得更加寬松。LwIP假設用戶完全了解協議棧內部的數據處理機制,用戶程序可以直接訪問協議棧內部各層的數據包,可以讓協議棧與用戶使用同樣的內存區域,允許用戶直接對這片區域進行讀寫操作,這樣子就很好地避免了拷貝的現象,當然這樣子的做法也有缺陷,取決于用戶對協議棧處理過程的了解程度,因為數據是公共的,如果處理不正確那就讓協議棧也沒法正常工作。
當然,除了標準的TCP/IP協議,還存在很多其他的TCP/IP協議,即使這些協議棧內部存在著模糊分層、交叉存取現象,但是對協議棧外部的應用層則保持著明顯的分層結構,在操作系統中,TCP/IP協議棧往往被設計為內核代碼的一部分,用戶可以的函數僅僅是協議棧為用戶提供的那些,或者直接完全封裝起來,用戶的操作類似于讀寫文件的方式進行(如BSD Socket),這樣子用戶就無法避免數據的拷貝,在數據發送的時候,用戶數據必須從用戶區域拷貝到協議棧內部,在數據接收的時候,協議棧內部數據也將被拷貝到用戶區域。
嚴格按照TCP協議的分層思想會導致數據包在各層遞交產生內存拷貝問題,影響性能。為了節省時間和空間的開銷,LwIP沒有遵循嚴格的分層機制,各層次之間存在交叉存取的現象,提高效率。
由于LwIP的內存共享機制,使得應用程序能直接對協議棧內核的內存區域直接操作,減少時間和空間的損耗。
- 說明
- 第1章:網絡協議簡介
- 1.1:常用網絡協議
- 1.2:網絡協議的分層模型
- 1.3:協議層報文間的封裝與拆封
- 第2章:LwIP簡介
- 2.1:LwIP的優缺點
- 2.2:LwIP的文件說明
- 2.2.1:如何獲取LwIP源碼文件
- 2.2.2:LwIP文件說明
- 2.3:查看LwIP的說明文檔
- 2.4:使用vscode查看源碼
- 2.4.1:查看文件中的符號列表(函數列表)
- 2.4.2:函數定義跳轉
- 2.5:LwIP源碼里的example
- 2.6:LwIP的三種編程接口
- 2.6.1:RAW/Callback API
- 2.6.2:NETCONN API
- 2.6.3:SOCKET API
- 第3章:開發平臺介紹
- 3.1:以太網簡介
- 3.1.1:PHY層
- 3.1.2:MAC子層
- 3.2:STM32的ETH外設
- 3.3:MII 和 RMII 接口
- 3.4:PHY:LAN8720A
- 3.5:硬件設計
- 3.6:軟件設計
- 3.6.1:獲取STM32的裸機工程模板
- 3.6.2:添加bsp_eth.c與bsp_eth.h
- 3.6.3:修改stm32f4xx_hal_conf.h文件
- 第4章:LwIP的網絡接口管理
- 4.1:netif結構體
- 4.2:netif使用
- 4.3:與netif相關的底層函數
- 4.4:ethernetif.c文件內容
- 4.4.1:ethernetif數據結構
- 4.4.2:ethernetif_init()
- 4.4.3:low_level_init()
- 第5章:LwIP的內存管理
- 5.1:幾種內存分配策略
- 5.1.1:固定大小的內存塊
- 5.1.2:可變長度分配
- 5.2:動態內存池(POOL)
- 5.2.1:內存池的預處理
- 5.2.2:內存池的初始化
- 5.2.3:內存分配
- 5.2.4:內存釋放
- 5.3:動態內存堆
- 5.3.1:內存堆的組織結構
- 5.3.2:內存堆初始化
- 5.3.3:內存分配
- 5.3.4:內存釋放
- 5.4:使用C庫的malloc和free來管理內存
- 5.5:LwIP中的配置
- 第6章:網絡數據包
- 6.1:TCP/IP協議的分層思想
- 6.2:LwIP的線程模型
- 6.3:pbuf結構體說明
- 6.4:pbuf的類型
- 6.4.1:PBUF_RAM類型的pbuf
- 6.4.2:PBUF_POOL類型的pbuf
- 6.4.3:PBUF_ROM和PBUF_REF類型pbuf
- 6.5:pbuf_alloc()
- 6.6:pbuf_free()
- 6.7:其它pbuf操作函數
- 6.7.1:pbuf_realloc()
- 6.7.2:pbuf_header()
- 6.7.3:pbuf_take()
- 6.8:網卡中使用的pbuf
- 6.8.1:low_level_output()
- 6.8.2:low_level_input()
- 6.8.3:ethernetif_input()
- 第7章:無操作系統移植LwIP
- 7.1:將LwIP添加到裸機工程
- 7.2:移植頭文件
- 7.3:移植網卡驅動
- 7.4:LwIP時基
- 7.5:協議棧初始化
- 7.6:獲取數據包
- 7.6.1:查詢方式
- 7.6.2:ping命令詳解
- 7.6.3:中斷方式
- 第8章:有操作系統移植LwIP
- 8.1:LwIP中添加操作系統
- 8.1.1:拷貝FreeRTOS源碼到工程文件夾
- 8.1.2:添加FreeRTOS源碼到工程組文件夾
- 8.1.3:指定FreeRTOS頭文件的路徑
- 8.1.4:修改stm32f10x_it.c
- 8.2:lwipopts.h文件需要加入的配置
- 8.3:sys_arch.c/h文件的編寫
- 8.4:網卡底層的編寫
- 8.5:協議棧初始化
- 8.6:移植后使用ping測試基本響應
- 第9章:LwIP一探究竟
- 9.1:網卡接收數據的流程
- 9.2:內核超時處理
- 9.2.1:sys_timeo結構體與超時鏈表
- 9.2.2:注冊超時事件
- 9.2.3:超時檢查
- 9.3:tcpip_thread線程
- 9.4:LwIP中的消息
- 9.4.1:消息結構
- 9.4.2:數據包消息
- 9.4.3:API消息
- 9.5:揭開LwIP神秘的面紗
- 第10章:ARP協議
- 10.1:鏈路層概述
- 10.2:MAC地址的基本概念
- 10.3:初識ARP
- 10.4:以太網幀結構
- 10.5:IP地址映射為物理地址
- 10.6:ARP緩存表
- 10.7:ARP緩存表的超時處理
- 10.8:ARP報文
- 10.9:發送ARP請求包
- 10.10:數據包接收流程
- 10.10.1:以太網之數據包接收
- 10.10.2:ARP數據包處理
- 10.10.3:更新ARP緩存表
- 10.11:數據包發送流程
- 10.11.1:etharp_output()函數
- 10.11.2:etharp_output_to_arp_index()函數
- 10.11.3:etharp_query()函數
- 第11章:IP協議
- 11.1:IP地址.md
- 11.1.1:概述
- 11.1.2:IP地址編址
- 11.1.3:特殊IP地址