LwIP 协议栈介绍-马育民老师

# 介绍

LwIP（Lightweight IP）是一款**轻量级TCP/IP协议栈**，专为嵌入式系统设计，核心特点是**内存占用低、代码精简、功能完整**，支持IPv4、IPv6、TCP、UDP、ICMP、ARP等核心协议，广泛应用于单片机、物联网设备（如鸿蒙Hi3861开发板）、工业控制器等资源受限场景。

# 一、LwIP 核心特性

### 1. 核心优势（嵌入式场景适配性）

| 特性                | 说明                                                                 |
|---------------------|----------------------------------------------------------------------|
| 低内存占用          | 最小配置仅需几十KB RAM（如UDP场景约40KB，TCP场景约60KB），`ROM占用<100KB` |
| 模块化设计          | 核心协议（IP/TCP/UDP）与应用层（HTTP/DHCP）分离，支持按需裁剪           |
| 多操作系统适配      | 支持裸机（无OS）、FreeRTOS、LiteOS、鸿蒙等                          |
| 功能完整性          | 支持TCP（滑动窗口、重传机制）、UDP、ICMP、ARP、DHCP、DNS、HTTP等       |
| 多种API接口         | 提供RAW API（裸机高效）、NETCONN API（操作系统封装）、Socket API（兼容POSIX） |

### 2. 适用场景

- 物联网设备（如智能传感器、网关）；
- 嵌入式网关（如鸿蒙Hi3861、STM32+WiFi模块）；
- 工业控制（如PLC、串口转以太网设备）；
- 资源受限的单片机系统（RAM<128KB、Flash<512KB）。

# 二、LwIP 协议栈架构（分层教学）
LwIP 遵循 TCP/IP 分层模型，自上而下分为 **应用层、传输层、网络层、链路层**，每层模块解耦，便于教学讲解和二次开发。

### 2. 核心模块详解（教学重点）

#### （1）链路层（Link Layer）
- **功能**：将IP数据包封装为帧，通过网卡发送；接收帧并解析为IP数据包。
- **关键模块**：
  - ARP（地址解析协议）：将IP地址转换为MAC地址；
  - 网卡驱动：适配具体硬件（如Hi3861的WiFi驱动 `wlan_adapter`）。

#### （2）网络层（Network Layer）
- **功能**：实现跨网段数据包转发，处理IP地址和路由。
- **关键模块**：
  - IP协议：负责数据包的分片、重组和路由选择；
  - ICMP协议：网络差错报告（如ping命令的请求/响应）。

#### （3）传输层（Transport Layer）
- **功能**：提供端到端的通信服务。
- **关键模块**：
  - TCP协议：面向连接、可靠传输（滑动窗口机制解决拥塞，重传机制保证数据完整性）；
  - UDP协议：无连接、不可靠传输（低延迟，适用于实时数据如传感器采集）。

#### （4）应用层（Application Layer）
- **功能**：提供具体的网络应用服务，开发者基于API开发业务逻辑。
- **常用协议**：
  - DHCP：自动获取IP地址；
  - DNS：域名解析（如将 `www.baidu.com` 转换为IP）；
  - HTTP：超文本传输（搭建嵌入式Web服务器）。

# 三、鸿蒙Hi3861开发板的LwIP适配

鸿蒙OS（LiteOS内核）已内置LwIP协议栈，Hi3861开发板（WiFi+BLE双模）通过 `wlan_adapter` 模块对接LwIP，开发者无需手动移植，只需关注应用层开发。

### 1. 适配流程（教学逻辑）
1. **硬件初始化**：初始化Hi3861的WiFi模块（`wlan_adapter_init`）；
2. **LwIP初始化**：鸿蒙系统启动时自动初始化LwIP（`lwip_init`）；
3. **网络配置**：通过DHCP获取IP或静态配置IP；
4. **应用开发**：基于Socket API开发TCP/UDP客户端/服务器。

### 2. 核心API说明（教学重点）
鸿蒙Hi3861的LwIP封装在 `lwip_socket.h` 和 `wlan_adapter.h` 中，核心API如下：

| 类别         | API函数                          | 功能描述                                  |
|--------------|----------------------------------|-------------------------------------------|
| WiFi初始化   | `WlanAdapterInit()`               | 初始化WiFi适配器                          |
| 网络配置     | `DhcpStart()`                     | 启动DHCP获取IP地址                        |
| Socket创建   | `socket()`                        | 创建TCP/UDP Socket                        |
| 绑定端口     | `bind()`                          | 绑定本地IP和端口                          |
| 监听连接     | `listen()`                        | TCP服务器监听客户端连接                    |
| 接收连接     | `accept()`                        | TCP服务器接收客户端连接                    |
| 数据发送     | `send()/sendto()`                 | TCP/UDP发送数据                           |
| 数据接收     | `recv()/recvfrom()`               | TCP/UDP接收数据                           |

# 四、鸿蒙Hi3861+LwIP实战开发
以 **TCP服务器端开发** 为例，实现Hi3861作为TCP服务器，接收PC客户端的数据并回复，步骤含代码、注释和教学要点。

### 1. 开发环境
- 硬件：Hi3861开发板；
- 软件：DevEco Studio（鸿蒙开发工具）；
- 依赖：鸿蒙SDK（含LwIP和Hi3861驱动）。

### 2. 实战步骤（教学流程）
#### 步骤1：工程创建与依赖配置

1. 新建鸿蒙“智能设备应用”工程，选择“Hi3861开发板”；
2. 在 `BUILD.gn` 中添加LwIP依赖（自动集成，无需手动添加）：
```gn
   external_deps = [
     "lwip:lwip_socket",
     "wlan_adapter:wlan_adapter",
   ]
```

#### 步骤2：编写TCP服务器代码（含教学注释）
```c
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include "lwip/socket.h"
#include "wlan_adapter.h"
#include "ohos_init.h"

#define TCP_PORT 8080       // 服务器端口
#define BUF_SIZE 1024       // 数据缓冲区大小

// WiFi连接回调函数：获取IP地址后触发
static void OnWifiConnected(void *data) {
    char ip[32] = {0};
    // 获取DHCP分配的IP地址
    if (GetIpAddr(ip, sizeof(ip)) == 0) {
        printf("WiFi connected, IP: %s\n", ip);
    }
}

// TCP服务器线程（独立线程运行，避免阻塞主线程）
static void TcpServerTask(void *arg) {
    int server_fd, client_fd;
    struct sockaddr_in server_addr, client_addr;
    socklen_t client_len = sizeof(client_addr);
    char buf[BUF_SIZE] = {0};
    int ret;

// 1. 创建TCP Socket（AF_INET：IPv4，SOCK_STREAM：TCP）
    server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (server_fd < 0) {
        printf("Socket create failed!\n");
        return;
    }

// 2. 配置服务器地址（IP+端口）
    memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;         // IPv4协议
    server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 绑定所有网卡IP
    server_addr.sin_port = htons(TCP_PORT);   // 端口转换为网络字节序

// 3. 绑定Socket到指定端口
    ret = bind(server_fd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr));
    if (ret < 0) {
        printf("Bind failed!\n");
        close(server_fd);
        return;
    }

// 4. 开始监听客户端连接（最大等待队列长度为5）
    ret = listen(server_fd, 5);
    if (ret < 0) {
        printf("Listen failed!\n");
        close(server_fd);
        return;
    }
    printf("TCP Server start, port: %d\n", TCP_PORT);

while (1) {
        // 5. 接收客户端连接（阻塞等待）
        client_fd = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_len);
        if (client_fd < 0) {
            printf("Accept failed!\n");
            continue;
        }
        printf("Client connected, IP: %s\n", inet_ntoa(client_addr.sin_addr));

// 6. 接收客户端数据并回复
        memset(buf, 0, BUF_SIZE);
        ret = recv(client_fd, buf, BUF_SIZE, 0); // 接收数据
        if (ret > 0) {
            printf("Recv from client: %s\n", buf);
            // 回复客户端（echo功能）
            send(client_fd, buf, ret, 0);
        } else if (ret == 0) {
            printf("Client disconnected!\n");
        } else {
            printf("Recv failed!\n");
        }

// 7. 关闭客户端连接
        close(client_fd);
    }

// 8. 关闭服务器Socket（实际不会执行，因while(1)）
    close(server_fd);
}

// 入口函数（鸿蒙系统启动时执行）
static void LwipTcpServerDemo(void) {
    // 1. 初始化WiFi适配器
    WlanAdapterInit();
    // 2. 连接WiFi（需替换为实际WiFi名称和密码）
    WlanConnect("Your_WiFi_Name", "Your_WiFi_Password", OnWifiConnected, NULL);
    // 3. 创建TCP服务器线程（优先级：25，栈大小：4096）
    osThreadAttr_t attr = {
        .name = "TcpServerTask",
        .stack_size = 4096,
        .priority = 25,
    };
    osThreadNew(TcpServerTask, NULL, &attr);
}

// 注册鸿蒙系统启动入口
APP_FEATURE_INIT(LwipTcpServerDemo);
```

#### 步骤3：代码要点
1. **WiFi初始化**：`WlanAdapterInit()` 和 `WlanConnect()` 是Hi3861的WiFi驱动API，需替换实际WiFi账号密码；
2. **Socket编程流程**：创建（`socket`）→ 绑定（`bind`）→ 监听（`listen`）→ 接收连接（`accept`）→ 收发数据（`recv`/`send`）→ 关闭（`close`），与PC端Socket编程逻辑一致；
3. **线程创建**：TCP服务器需在独立线程中运行，避免阻塞主线程（鸿蒙使用FreeRTOS的 `osThreadNew`）；
4. **字节序转换**：`htons()` 将主机字节序（小端）转换为网络字节序（大端），必须使用，否则端口错误。

#### 步骤4：编译运行与测试
1. 编译代码并烧录到Hi3861开发板；
2. 打开串口工具（波特率115200），查看开发板IP地址；
3. 在PC端打开Telnet或网络调试助手，连接开发板IP和端口8080；
4. 发送数据，开发板会回复相同数据（echo功能），串口打印接收日志。

# 五、LwIP 高级应用

### 1. UDP客户端开发（简化案例）
UDP无需连接，适用于实时数据传输（如传感器数据上报），核心代码：
```c
// 创建UDP Socket
int udp_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
// 配置服务器地址
struct sockaddr_in server_addr;
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.1.100"); // 服务器IP
server_addr.sin_port = htons(8080);
// 发送数据
char send_buf[] = "Hello UDP Server!";
sendto(udp_fd, send_buf, strlen(send_buf), 0, 
       (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr));
// 接收数据
char recv_buf[1024] = {0};
socklen_t addr_len = sizeof(server_addr);
recvfrom(udp_fd, recv_buf, sizeof(recv_buf), 0, 
         (struct sockaddr *)&server_addr, &addr_len);
```

### 2. 嵌入式Web服务器（教学亮点）
LwIP内置HTTP服务器模块，可在Hi3861上搭建Web服务器，实现通过浏览器控制硬件（如点亮LED）：
1. 启用LwIP的HTTP模块（在鸿蒙SDK中配置 `LWIP_HTTPD` 宏）；
2. 注册HTTP回调函数，处理浏览器请求（如 `/led?on` 点亮LED）；
3. 浏览器访问开发板IP，即可发送控制指令。

### 3. 常见问题与调试技巧
| 问题现象                | 排查方向                                                                 |
|-------------------------|--------------------------------------------------------------------------|
| 无法获取IP地址          | 1. WiFi账号密码错误；2. 路由器DHCP功能未开启；3. `DhcpStart()` 未调用    |
| Socket创建失败          | 1. LwIP未初始化；2. 端口被占用；3. 栈大小不足（需增大线程栈）            |
| 数据收发异常            | 1. 字节序转换错误（未用 `htons()`/`htonl()`）；2. 缓冲区溢出；3. 网络中断 |
| 连接不稳定              | 1. WiFi信号弱；2. TCP超时时间配置过短；3. 未处理断连重连逻辑              |

#### 调试工具推荐：
- 串口打印：输出IP、连接状态、数据内容；
- Wireshark：抓包分析网络数据（如TCP三次握手、数据帧）；
- 鸿蒙日志工具：`OH_LOG` 打印LwIP内部日志（需开启调试模式）。

## 六、教学资源与扩展学习
### 1. 官方文档
- LwIP官网：https://savannah.nongnu.org/projects/lwip/
- 鸿蒙Hi3861开发文档：https://developer.harmonyos.com/cn/docs/documentation/doc-guides/hi3861_dev_guide-0000001054628102

### 2. 教学课件推荐
- 分层架构讲解：用流程图展示LwIP数据传输路径（如“PC客户端→路由器→Hi3861→LwIP协议栈→应用程序”）；
- 实战案例递进：先UDP（简单）→ TCP（可靠）→ Web服务器（综合）；
- 代码调试演示：用DevEco Studio单步调试Socket创建、数据收发流程。

### 3. 进阶方向
- LwIP裁剪：根据需求关闭不需要的协议（如IPv6、FTP），减小内存占用；
- 性能优化：调整TCP窗口大小、超时重传时间，适配高延迟网络；
- 安全扩展：添加TCP/UDP校验和、IP过滤功能，提升嵌入式设备安全性。

# 总结
LwIP是嵌入式网络开发的核心工具，鸿蒙Hi3861已完成适配，开发者可直接基于Socket API快速实现网络功能。教学中需重点讲解 **分层架构、Socket编程流程、硬件适配逻辑**，结合实战案例（TCP/UDP/Web服务器）帮助学生理解协议栈工作原理，同时掌握调试技巧和性能优化方法，为物联网设备开发打下基础。

如需进一步获取 **LwIP教学课件（PPT）、Hi3861调试视频、进阶案例代码**，可随时告知！

原文出处：/show_1GW2DFQyIrx5.html