1.LWIP协议栈配合串口调试助手测试

调试助手发送数据为字符串格式，在LWIP协议中可使用strcmp（）函数进行比对。

如：if(strcmp(recv_data,p->payload) == 0)｛｝

lwip发送数据tcp_write()；在网络调试助手显示的同样是字符串格式（自动转换成字符串）。

tcp_write（）中输入发送数据指针类型不限。

2.LWIP协议栈中判断tcp服务器程序判断服务器是否被连接

每次有客户端连接服务器，lwip都会调用accept_callback（）回调函数，所以可以在该函数中设定一标志位来判断服务器连接状态。

每次客户单断开连接时，lwip都会调用accept_callback（）回调函数，会进入if (!p)｛｝判断语句，可在其中设置标记位判断客户端断开连接。

tpcb->state为状态检测为，也可以标记tcp连接状态，但要注意指针的使用方式。

最近做的项目涉及到网络协议及应用，准备写文档用于记录一下自己学习过程。我在公司的做产品是无人机编队及基站开发，在整个系统中，我主要负责设备端（无人机，基站）网络通讯这块的软件开发。网络通讯采用4G转以太网和wifi，这两种通讯并不是采用的串口透传，而是采用驱动加上TCP/IP网络协议栈（lwip）。

文档主要讨论TCPIP技术，内容参考了TCPIP详解、老衲五木（朱升林）的微博，朱老师写的微博让我对网络这块有了进一步的了解。

文档内容涉及到概念与协议分成结构如下图所示：



1.网络接口管理

参考TCP/IP协议分层结构，逻辑上将LWIP分为4个层次：链路层、网络层、传输层、应用层，本文讨论的网络接口属于链路层的范畴。运行LWIP的嵌入式设备可以有很多网络接口，这些接口可以互不相同，比如以太网、wifi、环回接口等，为了实现对网络接口的管理，协议栈内部采用了一个netif的网络接口来描述各种网络设备。对网络接口的有效管理是协议栈与外部通讯的关键，网络接口目的是为具体的网络硬件、软件进行统一的封装，并未上层协议（IP层）提供统一的接口服务。为了实现对每个网络接口的管理，lwip会为每个接口分配一个netif的结构来描述每个接口的特性，如接口IP地址、MTU、接口状态等。同时为网络硬件接口注册对应的操作函数，如数据包输入、输出函数等。内核会将所有的netif结构挂接到一个全局变量netif_list的链表上。当有IP数据包要发送时，IP会根据目的IP选择合适的网络接口并调用发送函数发送数据。当有网卡数据接收时，其注册的数据包接收函数就会被调用，将接收的数据递交给IP层处理。netif这个接口结构比较大，其中很多字段和编译选项有关，下面是根据我项目情况去掉编译选项字段的netif结构，现在我们来分析分析这个结构：
 /** 定义的初始化，发送，接收函数指针类型  */
typedef err_t (*netif_init_fn)(struct netif *netif);
typedef err_t (*netif_input_fn)(struct pbuf *p, struct netif *inp);
typedef err_t (*netif_output_fn)(struct netif *netif, struct pbuf *p,ip_addr_t *ipaddr);
typedef err_t (*netif_linkoutput_fn)(struct netif *netif, struct pbuf *p);
struct netif {
  /** 指向下一个netif结构的指针 */
  struct netif *next; 
  /** 当前网络接口的IP地址信息 */
  ip_addr_t ip_addr;//IP地址
  ip_addr_t netmask;//子网掩码
  ip_addr_t gw;//网关地址

  /** 注册的向IP层输入函数 */
  netif_input_fn input;
  /** 注册的IP层数据发送函数，一般会是etharp_output这个函数 */
  netif_output_fn output;
  /** 由arp调用，实现的最底层的硬件发包函数 */
  netif_linkoutput_fn linkoutput;

  /** 该字段可以由用户设置，用于指向一些底层设备信息  */
  void *state;
  
#if LWIP_DHCP
  /** DHCP获取IP地址 */
  struct dhcp *dhcp;
#endif /* LWIP_DHCP */

  /** 该网络接口允许的最大数据包长度 */
  u16_t mtu;
  /** 该网络接口硬件地址长度 */
  u8_t hwaddr_len;
  /** 网络接口硬件地址 */
  u8_t hwaddr[NETIF_MAX_HWADDR_LEN];
  /** 接口状态属性 */
  u8_t flags;
  /** 网络接口名字 */
  char name[2];
  /** 网络接口编号 */
  u8_t num;
/** 环回网卡，进程间通讯就可使用，wpa_supplicant与wpa_cli使用的就是环回网卡通讯 */
  struct pbuf *loop_first;//指向环回网卡接收的第一个数据包
  struct pbuf *loop_last;//指向环回网卡接收的最后一个数据包
};

next字段是指向下一个netif结构的指针。我们的一个产品可能会有多个网卡芯片，LWIP会把所有网卡芯片的结构体链成一个链表进行管理，有一个netif_list的全局变量指向该链表的头部。next字段就是用于链表用，比如我就用到2个网卡（eth_netif,wifi_netif）。

ip_addr、netmask、gw三个字段用于发送和处理数据包用，分别表示IP地址、子网掩码和网关地址。三个字段在数据包发送时有重要作用，当目的地址与当前网卡地址不在同一网段内，我们会将数据先发送到网关地址，由网关进行转发。IP地址和网卡设备必须一一对应。

input字段指向一个函数，这个函数将网卡设备接收到的数据包提交给IP层，使用时将input指针指向该函数即可，后面将详细讨论这个问题。该函数的两个参数是pbuf类型和netif类型的，返回参数是err_t类型。其中pbuf代表接收到的数据包。

output字段向一个函数，这个函数和具体网络接口设备驱动密切相关，它用于IP层将一个数据包发送到网络接口上。用户需要根据实际网卡编写该函数，并将output字段指向该函数。该函数的三个参数是pbuf类型、netif类型和ip_addr类型，返回参数是err_t类型。其中pbuf代表要发送的数据包。ipaddr代表网卡需要将该数据包发送到的地址，该地址应该是接收实际的链路层帧的主机的 IP 地址，而不一定为数据包最终需要到达的IP地址。例如，当要发送 IP信息包到一个并不在本地网络里的主机上时，链路层帧会被发送到网络里的一个路由器上。在这种情况下，给 output 函数的 IP地址将是这个路由器的地址。

linkoutput字段和上面的output基本上是起相同的作用，但是这个函数是在ARP模块中被调用的，注意这个函数只有两个参数。实际上output字段函数的实现最终还是调用linkoutput字段函数将数据包发送出去的。

state字段可以指向用户关心的关于设备的一些信息，用户可以自己设定。

hwaddr_len和hwaddr[]表示MAC地址长度和MAC地址，一般MAC地址长度为6。

mtu字段表示一次可以传送的最大字节数，对于以太网一般设为1500。

flags字段是网卡状态信息标志位，是很重要的控制字段，它包括网卡功能使能、广播使能、ARP使能等等重要控制位。

2.函数实现

当我们想要添加一个网络接口时，应该怎么使用函数来添加新的网络设备，下面是列出与网路接口相关的函数。

/** 网络接口初始化*/

struct netif *netif_add(struct netif *netif, ip_addr_t *ipaddr, ip_addr_t *netmask,

ip_addr_t *gw, void *state, netif_init_fn init, netif_input_fn input);

/**动态设置网络接口的IP，netmask，gateway信息.

*我们在接口初始化时可以使用IP4_ADDR()来设置网络接口的IP，netmask，gateway.

*但如果在使用中想动态修改IP地址信息,必须使用netif_set_addr()函数.

*/

void netif_set_addr(struct netif *netif, ip_addr_t *ipaddr, ip_addr_t netmask,ip_addr_t gw);

/ 删除网络接口 */

void netif_remove(struct netif * netif);

/**通过名字找到netif结构 */

struct netif *netif_find(char *name);

/**设置默认网络接口，当发送数据时，没有找到匹配的网络接口，会选择默认 */

void netif_set_default(struct netif *netif);

/**动态设置网络接口的IP，netmask，gateway信息

*我们在接口初始化时可以使用IP4_ADDR()来设置网络接口的IP，netmask，gateway

*但如果在使用中想动态修改IP地址信息,可以选用对应的函数。

*/

void netif_set_ipaddr(struct netif *netif, ip_addr_t *ipaddr);

void netif_set_netmask(struct netif *netif, ip_addr_t *netmask);

void netif_set_gw(struct netif *netif, ip_addr_t *gw);

/**使能网络接口 */

void netif_set_up(struct netif *netif);

/**关闭网络接口 */

void netif_set_down(struct netif *netif);

通过上面这些函数，向网络中添加网络接口，并将其设为默认网卡。（使用rtthread操作系统）。
rt_uint8_t lwip_comm_init(void){
	tcpip_init(NULL,NULL);		
#if LWIP_DHCP	
	ipaddr.addr = 0;
	netmask.addr = 0;
	gw.addr = 0;
#else				
	IP4_ADDR(&ipaddr,lwipdev.ip[0],lwipdev.ip[1],lwipdev.ip[2],lwipdev.ip[3]);
	IP4_ADDR(&netmask,lwipdev.netmask[0],lwipdev.netmask[1] ,lwipdev.netmask[2],lwipdev.netmask[3]);
	IP4_ADDR(&gw,lwipdev.gateway[0],lwipdev.gateway[1],lwipdev.gateway[2],lwipdev.gateway[3]);
#endif
	/**向网卡列表中添加一个网口*/
	netifInitFlag=netif_add(&lwip_netif,&ipaddr,&netmask,&gw,NULL,&ethernetif_init,&tcpip_input);
	if(netifInitFlag==NULL){
		rt_kprintf("netif add fail!\n");
		return 4;
	}
	else{  
		netif_set_default(&lwip_netif); 
		netif_set_up(&lwip_netif);
		dhcp_start(&lwip_netif)	
	} 
	return 0;
}

我们来看看源码，是怎么添加网络接口，并注册发送接收函数。
struct netif *

netif_add(struct netif *netif, struct ip_addr *ipaddr, struct ip_addr *netmask,struct ip_addr *gw,
void *state,err_t (* init)(struct netif *netif),err_t (* input)(struct pbuf *p, struct netif *netif))
{

  static u8_t netifnum = 0;
  netif->ip_addr.addr = 0;    //复位变量enc28j60中各字段的值
  netif->netmask.addr = 0;
  netif->gw.addr = 0;
  netif->flags = 0;         //该网卡不允许任何功能使能
  netif->state = state;      //指向用户关心的信息，这里为NULL
  netif->num = netifnum++; //设置num字段，
  netif->input = input;     //如前所诉，input函数被赋值
  netif_set_addr(netif, ipaddr, netmask, gw);  //设置变量ip信息三个地址
  if (init(netif) != ERR_OK) {    //用户自己的底层接口初始化函数
    return NULL;
  }
  netif->next = netif_list;     //将初始化后的节点插入链表netif_list
  netif_list = netif;          // netif_list指向链表头
  return netif;
}

上面的初始化函数调用了用户自己定义的底层接口初始化函数，这里为ethernetif_init，再来看看它的源代码：
err_t  ethernetif_init(struct netif *netif)
{
    netif->name[0] = IFNAME0;    //初始化变量的name字段
    netif->name[1] = IFNAME1;    // IFNAME在文件外定义的，这里不必关心它的具体值
    netif->output = etharp_output;   //IP层发送数据包函数
    netif->linkoutput = low_level_output;  // //ARP模块发送数据包函数
    low_level_init(netif);          //底层硬件初始化函数
	return ERR_OK;
}

low_level_init函数就是与我们使用的硬件密切相关的函数了。

网络接口内容比较多，但我在项目中用的到的大概就这么多。先暂时介绍到这里，后续再添加。

3.动态修改设备IP

当某个IP运行一段时间后，这个IP会留下许多足记，ARP会有此IP的很多缓存表，该IP地址会被很多TCP连接控制块会记录。这时如果需要重新设置IP，不能以新的IP地址来操作调用内核初始化，这种操作结果是不可预知的，内存溢出，系统跑飞都有可能发生，因为该IP的分配的资源并未释放。在重新动态设置IP地址前先禁用网卡，设置好之后重新是能网卡。禁用网卡中会删除该IP在ARP中缓存表数据，然后调用netif_set_addr重新设置网卡时会删除旧IP连接的控制块，这样就能保证不能在通过旧IP发送数据包。重新设置IP的代码示例如下：
/* 正确做法*/
netif_set_dowm(&wifi_netif);
IP_ADDR(&netip,192,168,1,1);
IP_ADDR(&netmask,255,255,255,0);
IP_ADDR(&gw,192,168,1,0);
netif_set_addr(&wifi_netif,&netip,&netmask,&gw);
netif_set_up(&wifi_netif);
/*错误做法，这样就没有删除与旧IP的连接控制块*/
netif_set_dowm(&wifi_netif);
IP_ADDR(&wifi_netif.ip_addr,192,168,1,1);
IP_ADDR(&wifi_netif.netmask,255,255,255,0);
IP_ADDR(&wifi_netif.gw,192,168,1,0);
netif_set_up(&wifi_netif);

4.项目实际应用

项目中我们使用的4G移动网络连接的是远程服务器，wifi连接是本地服务器，两种接口同时运行与无人机设备上，无人机将状态通过这两种网络接口发送到对应的服务器，实现了4G远程与本地同时在线功。由于wifi未连接到公网中，无法将数据转发到远程服务器，4G也无法将数据发送到本地服务器，那么是怎么选择相应的网络接口。本地服务器所在IP处于与AC的网段（192.168.1.X），路由器通过网线连接AC，无人机连接路由器，无人机IP是192.168.X.X，网关是192.168.X.1，路由器IP是192.168.1.X。4G转以太网网络接口（相当设备通过以太网连接了一个4G网关，所以4G的IP是192.168.100.X，网关是192.168.100.1）。当我要发送数据的时候，IP路由需要根据服务器IP来选择对应的网络接口，需要对协议进行修改。根据目的IP选择对应的网口，如果目的IP是公网IP，选择4G接口，如果是本地，择选择wifi。

修改如下：
ip_addr_t desaddr;
struct netif * ip_route(ip_addr_t *dest)
{
	struct netif *netif;
 	for (netif = netif_list; netif != NULL; netif = netif->next) {
   		if (netif_is_up(netif)) {
			/*查找与目的IP在同一网段内的网卡*/
    	 	if (ip_addr_netcmp(dest, &(netif->ip_addr), &(netif->netmask))) {
       			return netif;
      		}
     	}
     }
    /*********************此处为添加修改代码*******************************/
  	//比较目的IP是不是在192.168.1.X的网段，如果在则选择wifi网卡
  	IP4_ADDR(&desaddr,192,168,1,2);
 	if(ip_addr_netcmp(dest, &desaddr, &(wifi_netif->netmask))){
		return wifi_netif;
  	}
  	/*********************此处为添加修改代码*******************************/
  	//不在则选择默认网卡，将4G的设为默认网络网络接口
  	return netif_default;
}

stm32f407移值rt_thread加lwip协议，DHCP获取IP地址成功后想在程序中使用获取到的IP地址

找了很久没有找到相关文档，串口调试输入ifconfig倒是可以看到IP地址，具体在程序中哪个函数获取到的IP地址却找不到。



解决办法

1.需要先在LWIP协议栈中打开调试信息，先在rtconcig.h文件里添加#define RT_LWIP_DEBUG宏定义



2.在LWIP的lwpopts.h里面添加两个调试的宏定义



3.编译下载，会发现输出了很多调试信息，如图最后一条是绑定了一个IP地址



其中0x8201a8c0就是当前获取到的IP地址，只不过是倒序排列了

c0 = 192     a8 = 168     01 = 1     82 = 130

所以我的板子获取到的IP地址就是192.168.1.130，用ficonfig命令查询如图



然后在整个工程中搜索dhcp_bind(): IP:这句找到在dhcp.c文件的第1113行，



所以说ip4_addr_get_u32(&dhcp->offered_ip_addr)这个东西就是当前的IP地址了。

找到之后再把rtconfig.h和lwipopts.h文件里加进去的宏定义删掉就OK了。

记录一下，以备下次查询。

 

 

硬件环境：创龙TLZ7XH-EVM开发板

软件环境：VIVADO 2017.4

 

1、调用ZYNQ核

查开发板原理图，MIO16-27为以太网接口52、53为MDIO接口，配置如下



使能串口1，选择12-13，如下



其他不用改，直接生成bit文件，导出到硬件，启动SDK

2、在SDK中，创建一个 lwIP Echo Server工程，什么都不改，直接编译，下载，需要注意，因为没有调用任何PL资源，因此可以不用下载FPGA

3、全速运行，打开串口CTR，观察串口打印信息，发现卡在网络自协商，怀疑是自协商不通过的问题，因此更改LWIP对应的.mss文件，选择不自动协商，强制1000Mbps



4、全速运行，显示

-----lwIP TCP echo server ------

TCP packets sent to port 6001 will be echoed back

link speed for phy address 0: 1000

Board IP: 192.168.1.10

Netmask : 255.255.255.0

Gateway : 192.168.1.1

TCP echo server started @ port 7

以为通了，ping此地址，不通。

5、怀疑是PHY芯片的原因，因为开发板没有拆屏幕，故不知道他的核心板用的什么PHY，查开发板自带的资料，发现在LWIP Demo中重写了xemacpsif_physpeed.c文件，怀疑就是PHY的问题，将此文件复制到工程对应的文件夹下并替换，重新编译，下载，全速运行，可以ping通，且telnet有回声。

结束。