骨灰級(jí)一線嵌入式專家“五木”嘔心力作

基于STM32實(shí)戰(zhàn)環(huán)境，直觀感受各層協(xié)議在嵌入式設(shè)備組網(wǎng)過(guò)程中的實(shí)際應(yīng)用，學(xué)習(xí)TCP/IP不再是紙上淡兵

最實(shí)用的STM32學(xué)習(xí)資料，最新鮮的實(shí)戰(zhàn)例程，輕輪詼諧，簡(jiǎn)單直白

從協(xié)議棧原理及使用方法，到編程框架，講解透徹

從性能與穩(wěn)定性測(cè)試，到問(wèn)題定位與調(diào)試，干貨多多

前 言

兩三年前，當(dāng)整個(gè)世界都在大力倡導(dǎo)物聯(lián)網(wǎng)、宣揚(yáng)物聯(lián)網(wǎng)改變世界的時(shí)候，很多人還一直覺(jué)得它是很虛幻的東西。而如今，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)卻實(shí)實(shí)在在地出現(xiàn)在了我們的生活中。物聯(lián)網(wǎng)涉及到一系列廣泛的技術(shù)，并沒(méi)有完全統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，其本質(zhì)是所有物體通過(guò)一定的方式連入互聯(lián)網(wǎng)，能夠共享自身的一些信息，這些信息或?yàn)橛脩羰褂茫�或成為用戶遠(yuǎn)程控制設(shè)備的基礎(chǔ)。物聯(lián)網(wǎng)當(dāng)前已經(jīng)存在了多種純熟的入網(wǎng)技術(shù)，比如Wi-Fi、以太網(wǎng)、ZigBee、GPRS/3G/4G等。不同的應(yīng)用場(chǎng)合，根據(jù)產(chǎn)品成本和應(yīng)用特性的考慮，設(shè)備可以選擇不同的入網(wǎng)方法。

當(dāng)前在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，既有像華為這樣的世界級(jí)大公司，也有像Sigfox這樣的新型創(chuàng)業(yè)型公司。物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)重要方向是上十億百億的小物體的互聯(lián)，這些小設(shè)備入網(wǎng)并不以大數(shù)據(jù)量交換為目的，它們只是簡(jiǎn)單地上報(bào)自身狀態(tài)，或者使用傳感器完成某些簡(jiǎn)單檢測(cè)功能，比如垃圾箱需要入網(wǎng)，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候上報(bào)自身的儲(chǔ)存狀態(tài)；售貨機(jī)需要入網(wǎng)，以上報(bào)售貨狀態(tài)，是否需要補(bǔ)貨；防盜門(mén)需要入網(wǎng)，可隨時(shí)上報(bào)異常開(kāi)關(guān)狀態(tài)；珍惜動(dòng)物需要入網(wǎng)，方便對(duì)它們進(jìn)行跟蹤保護(hù)，以免遭到非法捕殺等。類似于這樣的小型設(shè)備入網(wǎng)需求不勝枚舉，它們并不需要太大的數(shù)據(jù)量通信，或許每小時(shí)幾百字節(jié)的數(shù)據(jù)就足以滿足應(yīng)用的要求。在這種需求下，使用傳統(tǒng)的入網(wǎng)方法無(wú)論從成本上還是從實(shí)現(xiàn)上都是難以接受的（Wi-Fi的有效范圍太小，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)價(jià)格太貴，功耗太大）。“物體的互聯(lián)需要一張專門(mén)的無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)”，這是Sigfox公司提出的一個(gè)觀點(diǎn)，它們正致力于為所有小物體入網(wǎng)構(gòu)建一張專有的網(wǎng)絡(luò)，這張網(wǎng)絡(luò)可以和目前的2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)相匹敵。Sigfox的設(shè)計(jì)中有一種基于超窄帶技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)基站，它能向設(shè)備提供超遠(yuǎn)距離的無(wú)線互聯(lián)（10～20公里），以犧牲數(shù)據(jù)通信速率為前提，設(shè)備的無(wú)線功率損耗將降至最低，據(jù)Sigfox透露這樣一款小型設(shè)備在一塊普通電池的供應(yīng)下能持續(xù)工作數(shù)年之久，而設(shè)備的每個(gè)模塊成本可以降到幾美元，每年的設(shè)備連接維護(hù)費(fèi)也僅為1美元多一點(diǎn)。

Sigfox成功地解決了小型設(shè)備入網(wǎng)的功耗和成本問(wèn)題，為世界上數(shù)以億計(jì)的設(shè)備連入互聯(lián)網(wǎng)提供了完美的解決方案。“成為物體而非人的運(yùn)營(yíng)商”是Sigfox目前的發(fā)展方向，目前該公司已將技術(shù)提交給了歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)，希望將其專有技術(shù)變成標(biāo)準(zhǔn)。值得指出的是，華為也正致力于遠(yuǎn)距離低功耗無(wú)線通信技術(shù)的研發(fā)，這點(diǎn)同Sigfox的技術(shù)不謀而合，這也許是未來(lái)小物體互聯(lián)發(fā)展的熱點(diǎn)。或許在不久的將來(lái)，我們就會(huì)見(jiàn)證另一個(gè)中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)電信的誕生。

以此為契機(jī)，越來(lái)越多的小設(shè)備會(huì)連入互聯(lián)網(wǎng)，盡管在物理層上各種入網(wǎng)方案存在差別，但在這之上，嵌入式設(shè)備入網(wǎng)需要使用標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議，目前業(yè)界可以使用的TCP/IP協(xié)議棧較少，嵌入式設(shè)備入網(wǎng)比較流行的解決方案主要是使用硬件TCP/IP芯片或者收費(fèi)TCP/IP協(xié)議棧軟件，這兩種方案一定程度上增加了設(shè)備的成本，使用靈活性也受到一定限制，進(jìn)而阻礙了嵌入式網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的大力發(fā)展。

LwIP是TCP/IP協(xié)議的一種開(kāi)源實(shí)現(xiàn)，具有豐富完善的功能，最新版本還支持DHCP、DNS等服務(wù)，適合于在32位的嵌入式處理器上使用。LwIP作為一款開(kāi)源軟件，可免費(fèi)使用，能作為設(shè)備入網(wǎng)的一種比較完美的解決方案，由于其代碼量小，特別適合于小型嵌入式領(lǐng)域使用。目前LwIP在國(guó)內(nèi)已經(jīng)有了一定的市場(chǎng)占有量，但是相關(guān)的資料仍然缺乏，缺少專業(yè)的書(shū)籍對(duì)協(xié)議棧原理、使用方法、編程框架、性能與穩(wěn)定性測(cè)試、問(wèn)題定位與調(diào)試等方面做詳細(xì)說(shuō)明，這影響了LwIP在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的廣泛使用以及大量開(kāi)發(fā)者進(jìn)入嵌入式網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的腳步。

筆者的《嵌入式網(wǎng)絡(luò)那些事：LwIP協(xié)議深度剖析和實(shí)戰(zhàn)演練》一書(shū)在一定程度上滿足了開(kāi)發(fā)者對(duì)LwIP相關(guān)知識(shí)的需求，在市場(chǎng)上也有很好的銷量，得到了讀者的好評(píng)。但是這本書(shū)還是存在一定的不足：一是書(shū)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)目前已經(jīng)停產(chǎn)，由于不是目前最流行的嵌入式處理器，因此該書(shū)的實(shí)驗(yàn)移植過(guò)程對(duì)很多讀者來(lái)說(shuō)理解有困難；第二，該書(shū)更注重于LwIP理論的講解，以及對(duì)TCP/IP協(xié)議原理深入的學(xué)習(xí)，書(shū)中的實(shí)驗(yàn)相對(duì)較簡(jiǎn)單，這并不能滿足廣大開(kāi)發(fā)者以及學(xué)校實(shí)驗(yàn)環(huán)境的需求。因此，筆者一直籌劃推出本書(shū)作為第二版，主要在以下幾方面做了改進(jìn)：首先會(huì)在目前流行的STM32處理器上完成所有實(shí)驗(yàn)與測(cè)試，同時(shí)在應(yīng)用上加入更多豐富實(shí)用的實(shí)戰(zhàn)例程，并且對(duì)于很多編程方法抽象出程序框架，開(kāi)發(fā)者只要在這個(gè)框架基礎(chǔ)上做簡(jiǎn)單的改動(dòng)，便可以完成自己的應(yīng)用程序；其次對(duì)于有一定經(jīng)驗(yàn)的LwIP開(kāi)發(fā)者，可能更加關(guān)注于內(nèi)核調(diào)試、協(xié)議棧穩(wěn)定性和性能相關(guān)內(nèi)容，本書(shū)也從這兩方面著手，提出了一定的實(shí)驗(yàn)和方法，滿足廣大開(kāi)發(fā)者的需求；再次，為了更方便初學(xué)者入門(mén)，本書(shū)豐富了socket標(biāo)準(zhǔn)接口編程方面的原理和實(shí)踐內(nèi)容，同時(shí)增加了并發(fā)服務(wù)器設(shè)計(jì)的相關(guān)知識(shí)，可以更好地滿足如今在市場(chǎng)上越來(lái)越復(fù)雜的聯(lián)網(wǎng)需求；最后，筆者從親自參與并設(shè)計(jì)的一款物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)入手，從原理設(shè)計(jì)、需求分析、程序架構(gòu)設(shè)計(jì)、程序調(diào)試等方面詳細(xì)介紹LwIP在現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目中的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，希望可以給廣大物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)工程師帶來(lái)一定的參考意義。

寫(xiě)本書(shū)的目的可以歸納為三點(diǎn)：第一，給需要使用LwIP的人一個(gè)借鑒和解決問(wèn)題的方法，這也是當(dāng)初《嵌入式網(wǎng)絡(luò)那些事：LwIP協(xié)議深度剖析和實(shí)戰(zhàn)演練》一書(shū)的寫(xiě)作初衷；第二，也是最基礎(chǔ)的，寫(xiě)給那些需要學(xué)習(xí)TCP/IP的同學(xué)，TCP/IP的重要性就不在這里多說(shuō)了，遙想筆者當(dāng)年畢業(yè)找工作之季，輾轉(zhuǎn)于各大公司的招聘面試場(chǎng)所，TCP/IP真的是面試官最青睞的問(wèn)題，筆者也恰好因?yàn)樵谶@方面有著獨(dú)到的理解，因此順利拿下了國(guó)內(nèi)外眾多知名企業(yè)的offer，所以本書(shū)也想告訴那些正在努力的同學(xué)，學(xué)習(xí)TCP/IP是絕對(duì)值得的，這是一條康莊大道；第三，也是最重要的，嵌入式網(wǎng)絡(luò)離不開(kāi)實(shí)踐，本書(shū)以目前流行的STM32處理器作為實(shí)踐平臺(tái)，讀者能在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上實(shí)際運(yùn)行、調(diào)試網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，更可以修改協(xié)議棧內(nèi)核，修改的每一行代碼都能在實(shí)驗(yàn)板上看出實(shí)際效果。

網(wǎng)絡(luò)編程大神們可以繞道了，這里沒(méi)有IPSec，沒(méi)有SSL，沒(méi)有并發(fā)服務(wù)器，沒(méi)有每秒上億次的服務(wù)請(qǐng)求，我們玩的是低端玩意；神秘黑客們也可以繞道了，這里沒(méi)有系統(tǒng)漏洞，沒(méi)有文件系統(tǒng)，沒(méi)有賬號(hào)，玩不轉(zhuǎn)木馬，您都不屑于和我們較真。本書(shū)的使用者定位在嵌入式初學(xué)者、網(wǎng)絡(luò)初學(xué)者以及對(duì)LwIP應(yīng)用有興趣或疑問(wèn)的同學(xué)，你們一定可以在本書(shū)中找到想要的東西。

本書(shū)背景

TCP/IP技術(shù)是目前最流行的IT技術(shù)之一，也是當(dāng)代互聯(lián)網(wǎng)及相關(guān)技術(shù)應(yīng)用、發(fā)展的基石。近年來(lái)，TCP/IP技術(shù)在各大高校儼然已成為學(xué)習(xí)和研究的熱點(diǎn)；而另一方面，TCP/IP知識(shí)也成了各IT企業(yè)招聘時(shí)關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題。對(duì)于廣大TCP/IP初學(xué)者來(lái)說(shuō)，要真正掌握并精通TCP/IP協(xié)議其實(shí)是有難度的：首先，TCP/IP是個(gè)非常龐大的協(xié)議簇，其源代碼一般只存在于各個(gè)大型操作系統(tǒng)內(nèi)核中，協(xié)議的整體結(jié)構(gòu)對(duì)于使用者來(lái)說(shuō)不可見(jiàn)，學(xué)習(xí)者只能使用系統(tǒng)內(nèi)部提供的API完成網(wǎng)絡(luò)編程功能，但對(duì)協(xié)議內(nèi)部的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)并不明了，這樣TCP/IP的學(xué)習(xí)者只能停留在上層應(yīng)用，如Socket編程的層次，而事實(shí)上，了解協(xié)議內(nèi)部運(yùn)作細(xì)節(jié)是編寫(xiě)高效可靠應(yīng)用程序的基礎(chǔ)；其次，目前市場(chǎng)上針對(duì)TCP/IP的書(shū)籍較少，而與TCP/IP協(xié)議內(nèi)部機(jī)制相關(guān)的實(shí)驗(yàn)書(shū)籍就更加缺乏了，讀者只能從書(shū)本上學(xué)到一些關(guān)于TCP/IP的基礎(chǔ)理論知識(shí)，但很難將這些理論用于實(shí)際編程實(shí)踐中，因?yàn)橄到y(tǒng)內(nèi)核對(duì)于讀者來(lái)說(shuō)并不可見(jiàn)。

目前，嵌入式產(chǎn)品連入互聯(lián)網(wǎng)已成了越來(lái)越多企業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)，這使得在嵌入式產(chǎn)品上移植TCP/IP協(xié)議成為一種必然的趨勢(shì)。LwIP是應(yīng)用于嵌入式領(lǐng)域的一款開(kāi)源TCP/IP協(xié)議，它的實(shí)現(xiàn)同BSD的實(shí)現(xiàn)有很大的相似性，可以作為T(mén)CP/IP協(xié)議的典型代表，其功能完備，除了實(shí)現(xiàn)TCP/IP的基本通信功能外，其新版本還支持DNS、SNMP、DHCP、IGMP等高級(jí)應(yīng)用功能。當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)上關(guān)于LwIP的討論很多，但市場(chǎng)上卻鮮見(jiàn)相關(guān)書(shū)籍。

本書(shū)特點(diǎn)

理論與實(shí)踐結(jié)合是本書(shū)編寫(xiě)的一個(gè)重要出發(fā)點(diǎn)，不但讓讀者掌握TCP/IP理論知識(shí)，而且讓讀者通過(guò)實(shí)驗(yàn)深入地理解并運(yùn)用這些知識(shí)，達(dá)到學(xué)以致用的目的。首先，整個(gè)協(xié)議棧對(duì)讀者來(lái)說(shuō)全部可見(jiàn)，這樣讀者能對(duì)TCP/IP協(xié)議有宏觀的把握，摒棄掉TCP/IP以往神秘的面紗；本書(shū)以網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包在協(xié)議棧內(nèi)部的遞交順序?yàn)榫帉?xiě)導(dǎo)向，思路明顯，條理清楚，語(yǔ)言精簡(jiǎn)幽默，更利于讀者對(duì)TCP/IP協(xié)議基本知識(shí)的理解；最后，本書(shū)內(nèi)容大部分建立在讀者開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)之上，其中包括了很多LwIP在實(shí)際應(yīng)用中遇到的問(wèn)題及其解決方法，這對(duì)大部分剛接觸LwIP的嵌入式開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，有很大的指導(dǎo)意義。

概括來(lái)講，本書(shū)具有如下特點(diǎn)：

輕松詼諧的語(yǔ)言、簡(jiǎn)單直白的講解能讓讀者擺脫閱讀時(shí)的枯燥感覺(jué)，技術(shù)學(xué)習(xí)也可以很輕松。從LwIP協(xié)議棧移植到網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)，內(nèi)容由淺入深，知識(shí)點(diǎn)覆蓋全面，特別適合于嵌入式初學(xué)人員。

協(xié)議與實(shí)現(xiàn)的完美結(jié)合。著眼于TCP/IP基本理論，以LwIP源代碼為基礎(chǔ)，全面講解TCP/IP協(xié)議的原理與具體實(shí)現(xiàn)，全部源代碼對(duì)讀者可見(jiàn)，TCP/IP不再神秘，講解通俗，步驟詳細(xì)。每個(gè)案例的開(kāi)發(fā)步驟都是以通俗易懂的語(yǔ)言闡述，并穿插圖片和表格。

理論與實(shí)踐并重。每章均配有實(shí)戰(zhàn)例程，讀者能直觀感受到各層協(xié)議在嵌入式設(shè)備組網(wǎng)過(guò)程中的實(shí)際應(yīng)用，學(xué)習(xí)TCP/IP不再是紙上談兵。基于目前流行的STM32實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以幫助開(kāi)發(fā)者快速上手嵌入式網(wǎng)絡(luò)編程，本書(shū)的許多實(shí)驗(yàn)都可以抽象成一個(gè)基本的編程框架，學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)的同時(shí)可以對(duì)框架進(jìn)行填充裁剪等，基于框架快速完成應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)。

目的明確，實(shí)用性強(qiáng)。本書(shū)可以作為嵌入式網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)人員的指導(dǎo)手冊(cè)，提供的許多應(yīng)用程序可以直接用在開(kāi)發(fā)項(xiàng)目中，縮短開(kāi)發(fā)周期，節(jié)省開(kāi)發(fā)成本；本書(shū)還會(huì)介紹并發(fā)服務(wù)器設(shè)計(jì)、協(xié)議棧性能測(cè)試、協(xié)議棧調(diào)試手段等知識(shí)，可以幫助開(kāi)發(fā)者處理項(xiàng)目調(diào)試遇到的各種問(wèn)題。

LwIP協(xié)議棧全部用C語(yǔ)言寫(xiě)成，所有代碼對(duì)用戶可見(jiàn)，用戶可以宏觀地把握整個(gè)協(xié)議的代碼組織結(jié)構(gòu)。在本書(shū)中，通過(guò)在實(shí)驗(yàn)板上移植、使用協(xié)議棧，讀者可以清楚地知道TCP/IP協(xié)議內(nèi)部各個(gè)機(jī)制的實(shí)現(xiàn)方法以及不同參數(shù)設(shè)置對(duì)協(xié)議棧內(nèi)核性能的影響，比如：如何自行配置TCP發(fā)送超時(shí)間隔與重發(fā)次數(shù)以滿足特定場(chǎng)合的需求，又如用戶可否根據(jù)實(shí)際使用情況更改TCP狀態(tài)機(jī)以提高內(nèi)核效率等。通過(guò)各個(gè)實(shí)驗(yàn)，讀者可以清楚地看到整個(gè)協(xié)議的運(yùn)行過(guò)程，加深對(duì)協(xié)議的理解。

組織結(jié)構(gòu)

本書(shū)以開(kāi)源TCP/IP協(xié)議棧——LwIP的源代碼為基礎(chǔ)，詳細(xì)為讀者講解TCP/IP協(xié)議的內(nèi)部各層結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，既包括ARP、ICMP、IGMP、IP、UDP、TCP等基本協(xié)議知識(shí)，也包括DHCP、DNS等高級(jí)應(yīng)用知識(shí)，以LwIP為起點(diǎn)學(xué)習(xí)TCP/IP，將為廣大讀者各方面的學(xué)習(xí)創(chuàng)造捷徑。同時(shí)，LwIP代碼組織和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建簡(jiǎn)單，讀者可以方便地進(jìn)行協(xié)議棧內(nèi)部的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

如何簡(jiǎn)單快速地在當(dāng)前流行的STM32處理器上完成協(xié)議棧移植，如何快速上手協(xié)議棧應(yīng)用編程，如何移植現(xiàn)有的通用網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序是許多讀者關(guān)心的重點(diǎn)。LwIP如何移植，有沒(méi)有一套普遍適用的流程，各種編程接口的調(diào)用規(guī)則與實(shí)際使用例子，都是本書(shū)中將涉及到的內(nèi)容。本書(shū)的許多應(yīng)用程序代碼可以為開(kāi)發(fā)者提供一個(gè)普遍使用的程序框架，開(kāi)發(fā)者只需要在這個(gè)基礎(chǔ)上做簡(jiǎn)單改動(dòng)就可以編寫(xiě)出適合自己的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序。對(duì)于有一定經(jīng)驗(yàn)的LwIP開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)，可能更加關(guān)注于內(nèi)核調(diào)試、協(xié)議棧穩(wěn)定性和性能、并發(fā)服務(wù)器設(shè)計(jì)等方面的內(nèi)容，也更期望看到LwIP在具體項(xiàng)目中的應(yīng)用和實(shí)踐過(guò)程，這些也都是本書(shū)將涉及的內(nèi)容。

TCP/IP技術(shù)是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，在各軟硬件IT企業(yè)招聘面試中，TCP/IP相關(guān)知識(shí)成為面試官青睞的問(wèn)題，對(duì)于廣大學(xué)子來(lái)說(shuō)，精通TCP/IP相關(guān)知識(shí)無(wú)疑將為自己打開(kāi)一道成功擇業(yè)的大門(mén)。但目前很多人想學(xué)習(xí)TCP卻無(wú)處下手，這也成為許多初學(xué)者面臨的問(wèn)題。通過(guò)本書(shū)，從基于STM32的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)入手，深入貫通TCP/IP理論及其應(yīng)用，通過(guò)學(xué)習(xí)，讀者可以對(duì)協(xié)議棧、TCP/IP細(xì)節(jié)有很好的把握；另一方面，嵌入式系統(tǒng)的組網(wǎng)技術(shù)是目前流行的技術(shù)，嵌入式網(wǎng)絡(luò)方向也是未來(lái)的熱點(diǎn)發(fā)展方向，本書(shū)將從嵌入式裸機(jī)出發(fā)，向讀者講解網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧移植過(guò)程以及應(yīng)用編程細(xì)節(jié)，同時(shí)也包括了一些開(kāi)發(fā)過(guò)程中常見(jiàn)的各種問(wèn)題及解決方法，因此，對(duì)LwIP應(yīng)用開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)，本書(shū)將是一本重要的指導(dǎo)手冊(cè)。

編者與致謝

本書(shū)由朱升林、歐陽(yáng)駿、楊晶著，粟思科審。最后，筆者想感謝一年多來(lái)一直陪伴和幫助我的人，沒(méi)有你們的幫助和付出，這本書(shū)不會(huì)這么順利地完成，因?yàn)槟銈兊拇嬖冢�使得這段時(shí)光更加珍貴。

感謝LwIP技術(shù)交流群（群號(hào)：193936206、224362301）中的上千位網(wǎng)友，是你們每天孜孜不倦的學(xué)習(xí)和討論，讓LwIP這款開(kāi)源軟件這幾年在國(guó)內(nèi)有了快速的成長(zhǎng)和發(fā)展，謝謝你們的支持和肯定，大家的相互探討也讓我學(xué)到了很多東西。

感謝我的家人，是你們的寬容和細(xì)心幫我克服了生活中的許多困難和難題，你們的默默支持和付出是我繼續(xù)完成此書(shū)的最大動(dòng)力。

同時(shí)參與本書(shū)編寫(xiě)工作的還有：王治國(guó)、鐘曉林、王娟、胡靜、楊龍、張成林、方明、王波、陳小軍、雷曉 、李軍華、陳曉云、方鵬、龍帆、劉亞航、凌云鵬、陳龍、曹淑明、徐偉、楊陽(yáng)、張宇、劉挺 、單琳、吳川、李鵬、李巖、朱榕、陳思濤和孫浩，在此一并表示感謝。

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感謝成都智造者科技有限公司（www.smartmaker.cn）為本書(shū)提供的STM32F103VET6-EV開(kāi)發(fā)平臺(tái)，該平臺(tái)定位為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的首款綜合性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，本書(shū)基于該平臺(tái)的以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)了嵌入式產(chǎn)品的以太網(wǎng)入網(wǎng)實(shí)戰(zhàn)。此外，該平臺(tái)預(yù)留的接口可方便地?cái)U(kuò)展該公司的其他物聯(lián)網(wǎng)模塊，如ZigBee模塊、藍(lán)牙模塊、RFID模塊等，能快速地實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域多種實(shí)踐。

本書(shū)中的所有實(shí)驗(yàn)代碼讀者可以通過(guò)中國(guó)水利水電出版社或萬(wàn)水書(shū)苑網(wǎng)站下載，網(wǎng)址為http://www.waterpub.com.cn/ softdown/和http://m.hzxbc.cn以下方式獲得。由于作者水平所限，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日新月異，本書(shū)難免存在錯(cuò)誤和不妥之處，懇請(qǐng)廣大讀者批評(píng)指證。我們?yōu)樽x者和用戶盡心服務(wù)，圍繞協(xié)議、產(chǎn)品和項(xiàng)目市場(chǎng)，探討應(yīng)用與發(fā)展，發(fā)掘熱點(diǎn)與重點(diǎn)；開(kāi)展相關(guān)教學(xué)工作。TCP/IP協(xié)議俱樂(lè)部QQ：183090495，電子郵件hwhpc@163.com，歡迎TCP/IP協(xié)議愛(ài)好者和用戶聯(lián)系我們。

共同探討一直是學(xué)習(xí)的一種高效方式，值得指出的是，本書(shū)最后一節(jié)的LwIP常見(jiàn)問(wèn)題與解決方法就得益于眾多網(wǎng)友的反饋，這里，再次對(duì)他們表示感謝。

前言

第1章 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)背后的故事 1
1.1 嵌入式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一統(tǒng)江湖 1
1.1.1 嵌入式網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展現(xiàn)狀 1
1.1.2 嵌入式LwIP協(xié)議棧 4
1.2 基于STM32的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)淺析 6
1.2.1 STM32處理器的興起 6
1.2.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)簡(jiǎn)介 9
1.2.3 網(wǎng)卡連接情況 11
1.3 本書(shū)主要內(nèi)容 12
第2章 LwIP協(xié)議棧初體驗(yàn) 15
2.1 廬山真面目之LwIP代碼結(jié)構(gòu) 15
2.1.1 LwIP簡(jiǎn)介 15
2.1.2 源代碼結(jié)構(gòu) 17
2.2 怎樣用SI閱讀源代碼 22
2.3 千里之行從LwIP框架做起 27
2.3.1 協(xié)議棧分層思想 27
2.3.2 進(jìn)程模型 30
2.3.3 協(xié)議棧編程接口 31
第3章 LwIP移植初探——無(wú)操作系統(tǒng)模擬層 35
3.1 移植說(shuō)明 35
3.2 移植頭文件 37
3.3 網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)編寫(xiě) 40
3.4 安裝系統(tǒng)時(shí)鐘 47
3.5 協(xié)議棧初始化 47
3.6 查詢接收數(shù)據(jù)包 49
3.7 數(shù)據(jù)包中斷接收 51
3.8 如何定位Ping問(wèn)題 53
第4章 內(nèi)核動(dòng)力之源——內(nèi)存管理 55
4.1 內(nèi)存管理背后的故事 55
4.1.1 內(nèi)存管理概述 55
4.1.2 常見(jiàn)內(nèi)存分配策略 57
4.2 以不變應(yīng)萬(wàn)變——?jiǎng)討B(tài)內(nèi)存池 59
4.2.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述 59
4.2.2 函數(shù)實(shí)現(xiàn) 65
4.3 見(jiàn)招拆招——?jiǎng)討B(tài)內(nèi)存堆 67
4.3.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述 67
4.3.2 函數(shù)實(shí)現(xiàn) 69
4.4 其他內(nèi)存分配策略 74
第5章 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包——內(nèi)核血液 78
5.1 數(shù)據(jù)包管理的必要性 78
5.1.1 LwIP的分層特點(diǎn) 78
5.1.2 協(xié)議進(jìn)程模型 80
5.2 數(shù)據(jù)包管理原理大揭密 80
5.2.1 數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)pbuf 81
5.2.2 pbuf的類型 82
5.2.3 數(shù)據(jù)包申請(qǐng)函數(shù) 85
5.2.4 數(shù)據(jù)包釋放函數(shù) 88
5.2.5 其他數(shù)據(jù)包操作函數(shù) 90
第6章 網(wǎng)絡(luò)抽水機(jī)——網(wǎng)絡(luò)接口管理 92
6.1 引言 92
6.2 接口管理的始與末 93
6.2.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 93
6.2.2 函數(shù)實(shí)現(xiàn) 96
6.3 特殊的網(wǎng)絡(luò)接口——環(huán)回 99
6.3.1 實(shí)現(xiàn)原理 99
6.3.2 應(yīng)用程序環(huán)回通信實(shí)戰(zhàn) 102
6.4 如何動(dòng)態(tài)更改IP地址 109
6.4.1 重要函數(shù) 109
6.4.2 實(shí)戰(zhàn)程序 110
第7章 漫漫鵲橋路——ARP協(xié)議 113
7.1 ARP協(xié)議之掃盲篇 113
7.1.1 物理地址與網(wǎng)絡(luò)地址 113
7.1.2 ARP協(xié)議的本質(zhì) 115
7.2 關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 117
7.2.1 ARP表 117
7.2.2 ARP報(bào)文 121
7.3 ARP之?dāng)?shù)據(jù)包引進(jìn)來(lái) 126
7.3.1 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包遞交 126
7.3.2 ARP數(shù)據(jù)包處理 129
7.3.3 ARP攻擊 131
7.3.4 ARP緩存表的更新 132
7.4 ARP之?dāng)?shù)據(jù)包走出去 137
7.4.1 ARP層數(shù)據(jù)處理總流程 138
7.4.2 廣播包與多播包的發(fā)送 138
7.4.3 單播包的發(fā)送 140
第8章 互聯(lián)網(wǎng)身份證——網(wǎng)際協(xié)議（IP） 144
8.1 IP協(xié)議之掃盲班 144
8.1.1 概述 144
8.1.2 IP地址 145
8.1.3 特殊IP地址 147
8.1.4 子網(wǎng)劃分與子網(wǎng)掩碼 148
8.1.5 網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（NAT） 150
8.1.6 單播、多播與廣播 151
8.2 什么是IP數(shù)據(jù)報(bào) 153
8.2.1 數(shù)據(jù)報(bào)組成結(jié)構(gòu) 153
8.2.2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 158
8.3 IP數(shù)據(jù)報(bào)之走出去 159
8.3.1 發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào) 159
8.3.2 數(shù)據(jù)報(bào)分片 162
8.4 IP數(shù)據(jù)報(bào)之引進(jìn)來(lái) 166
8.4.1 數(shù)據(jù)報(bào)接收 166
8.4.2 分片重裝數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 171
8.4.3 分片重裝函數(shù) 174
8.4.4 分片插入與檢查 178
第9章 互聯(lián)網(wǎng)醫(yī)生——ICMP協(xié)議 182
9.1 ICMP掃盲班 182
9.1.1 ICMP協(xié)議 182
9.1.2 報(bào)文交付 183
9.1.3 報(bào)文類型 184
9.1.4 報(bào)文格式 185
9.1.5 差錯(cuò)報(bào)文 185
9.1.6 查詢報(bào)文 188
9.2 ICMP實(shí)現(xiàn)大起底 189
9.2.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 189
9.2.2 發(fā)送差錯(cuò)報(bào)文 191
9.2.3 ICMP報(bào)文的處理 192
9.2.4 ping命令 196
9.2.5 ICMP洪水 197
9.3 如何發(fā)送Ping請(qǐng)求 198
9.3.1 實(shí)現(xiàn)原理——raw_pcb 199
9.3.2 發(fā)送ping請(qǐng)求 200
9.3.3 測(cè)試結(jié)果 203
第10章 Raw API無(wú)招勝有招之UDP篇 205
10.1 UDP協(xié)議掃盲班 205
10.1.1 傳輸層協(xié)議 205
10.1.2 UDP協(xié)議 206
10.1.3 端口號(hào) 207
10.1.4 UDP報(bào)文的交付 208
10.1.5 UDP報(bào)文格式 209
10.1.6 UDP偽首部與校驗(yàn)和 210
10.2 UDP數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)詳解 212
10.2.1 報(bào)文首部結(jié)構(gòu) 212
10.2.2 控制塊 212
10.3 UDP RAW編程秘籍 216
10.3.1 使用UDP編程 216
10.3.2 新建控制塊 216
10.3.3 綁定控制塊 217
10.3.4 連接控制塊 218
10.3.5 其他控制塊操作函數(shù) 219
10.4 UDP RAW編程初體驗(yàn) 220
10.4.1 UDP編程秘訣 220
10.4.2 回送程序 221
10.4.3 測(cè)試結(jié)果 222
10.4.4 回調(diào)編程的缺陷 224
10.5 內(nèi)核報(bào)文處理細(xì)節(jié) 224
10.5.1 報(bào)文的發(fā)送 224
10.5.2 報(bào)文接收與遞交 228
10.6 挑戰(zhàn)更復(fù)雜的UDP應(yīng)用 231
10.6.1 使用TFTP傳送文件 231
10.6.2 應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn) 234
10.6.3 TFTP測(cè)試結(jié)果 242
第11章 Raw API無(wú)招勝有招之TCP篇 244
11.1 TCP協(xié)議大揭秘 244
11.1.1 TCP的必要性 244
11.1.2 TCP的特性 245
11.1.3 連接的定義 247
11.1.4 數(shù)據(jù)流編號(hào) 248
11.1.5 滑動(dòng)窗口 248
11.2 TCP入門(mén)——報(bào)文 249
11.2.1 報(bào)文格式 249
11.2.2 TCP選項(xiàng) 251
11.2.3 緊急數(shù)據(jù) 252
11.2.4 強(qiáng)迫數(shù)據(jù)交互 253
11.2.5 報(bào)文首部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 253
11.3 TCP基礎(chǔ)——連接 254
11.3.1 建立連接 254
11.3.2 斷開(kāi)連接 255
11.3.3 復(fù)位連接 256
11.3.4 TCP狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖 257
11.3.5 特殊的狀態(tài)轉(zhuǎn)換 259
11.4 TCP核心——控制塊 260
11.4.1 控制塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 260
11.4.2 控制塊鏈表 263
11.4.3 接收窗口 264
11.4.4 發(fā)送窗口 264
11.5 TCP RAW編程秘訣 265
11.5.1 控制塊新建 265
11.5.2 控制塊綁定 267
11.5.3 控制塊偵聽(tīng) 267
11.5.4 控制塊連接 268
11.5.5 發(fā)送數(shù)據(jù) 270
11.5.6 關(guān)閉連接 270
11.5.7 其他函數(shù) 272
11.6 TCP RAW編程初體驗(yàn) 272
11.6.1 TCP編程本質(zhì) 272
11.6.2 HTTP服務(wù)器 278
11.6.3 打不死的客戶端 280
11.7 TCP輸出處理細(xì)節(jié)放送 283
11.7.1 報(bào)文段緩沖 283
11.7.2 報(bào)文段構(gòu)建 285
11.7.3 報(bào)文段發(fā)送 287
11.8 TCP輸入處理細(xì)節(jié)放送 289
11.8.1 TCP層函數(shù)調(diào)用流程 289
11.8.2 報(bào)文輸入 291
11.8.3 TIME_WAIT狀態(tài)的報(bào)文處理 294
11.8.4 LISTEN狀態(tài)的報(bào)文處理 294
11.8.5 SYN攻擊 296
11.8.6 TCP狀態(tài)機(jī)函數(shù) 297
11.8.7 TCP數(shù)據(jù)輸入 301
11.9 可靠的傳輸服務(wù) 305
11.9.1 超時(shí)重傳與RTT估計(jì) 306
11.9.2 慢啟動(dòng)與擁塞避免 311
11.9.3 快速重傳與快速恢復(fù) 314
11.9.4 糊涂窗口與避免 316
11.9.5 零窗口探查 319
11.9.6 保活機(jī)制 321
11.9.7 TCP定時(shí)器 322
11.10 挑戰(zhàn)更復(fù)雜的TCP應(yīng)用 327
11.10.1 Telnet服務(wù)器 327
11.10.2 測(cè)試結(jié)果 333
第12章 LwIP乾坤大挪移——操作系統(tǒng)
模擬層 335
12.1 模擬層是怎樣煉成的 336
12.1.1 移植綜述 336
12.1.2 添加文件 338
12.1.3 修改頭文件lwipopts.h 339
12.1.4 頭文件sys_arch.h 339
12.1.5 全局變量與初始化 340
12.1.6 信號(hào)量函數(shù) 341
12.1.7 郵箱函數(shù) 343
12.1.8 創(chuàng)建新進(jìn)程 348
12.1.9 修改內(nèi)核初始化函數(shù) 349
12.1.10 移植結(jié)果測(cè)試 350
12.2 Sequential API牛刀小試 350
12.2.1 回顯服務(wù)器 351
12.2.2 Web服務(wù)器 352
12.2.3 操作系統(tǒng)下的raw API 355
第13章 Sequential API大顯身手 356
13.1 探秘內(nèi)核定時(shí)事件 356
13.1.1 定時(shí)結(jié)構(gòu) 356
13.1.2 定時(shí)鏈表 357
13.1.3 內(nèi)核進(jìn)程 359
13.1.4 處理定時(shí)事件 361
13.2 論消息機(jī)制的重要性 363
13.2.1 消息結(jié)構(gòu) 363
13.2.2 數(shù)據(jù)包消息 364
13.2.3 協(xié)議棧API實(shí)現(xiàn) 365
13.2.4 API消息 367
13.3 協(xié)議棧接口全搜羅 369
13.3.1 用戶數(shù)據(jù)緩沖netbuf 369
13.3.2 如何操作數(shù)據(jù)緩沖 371
13.3.3 連接結(jié)構(gòu)netconn 373
13.3.4 內(nèi)核回調(diào)接口 375
13.3.5 協(xié)議棧API秘籍 377
13.4 Sequential API大會(huì)戰(zhàn) 383
13.4.1 網(wǎng)頁(yè)控制設(shè)備 383
13.4.2 UDP性能測(cè)試 386
13.4.3 TCP性能測(cè)試 388
13.4.4 并發(fā)服務(wù)器 390
第14章 萬(wàn)劍歸宗之Socket編程 395
14.1 套接字接口來(lái)龍去脈 395
14.1.1 如何實(shí)現(xiàn)Socket 395
14.1.2 套接字函數(shù)秘籍 397
14.2 Socket實(shí)戰(zhàn)大串燒 401
14.2.1 智能的TCP客戶端 402
14.2.2 UDP時(shí)間服務(wù)器 404
14.2.3 Winsock客戶端設(shè)計(jì) 406
14.3 基于Select的并發(fā)服務(wù)器 408
14.3.1 神奇的Select函數(shù) 409
14.3.2 Select原理全解析 410
14.3.3 Select實(shí)戰(zhàn)——并發(fā)服務(wù)器 419
第15章 LwIP工程實(shí)戰(zhàn)——物聯(lián)網(wǎng)關(guān) 424
15.1 項(xiàng)目背景 424
15.1.1 中央空調(diào)系統(tǒng)與溫控器 424
15.1.2 新需求的出現(xiàn) 427
15.1.3 要做什么與如何去做 430
15.2 智能網(wǎng)絡(luò)溫控器 431
15.2.1 溫控器實(shí)現(xiàn)方案 431
15.2.2 Modbus TCP服務(wù)器 432
15.3 物聯(lián)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì) 440
15.3.1 物聯(lián)網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)方案 440
15.3.2 網(wǎng)關(guān)服務(wù)器 441
15.4 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試與測(cè)試 446
15.4.1 溫控器測(cè)試 446
15.4.2 物聯(lián)網(wǎng)關(guān)測(cè)試 447
第16章 天下之術(shù)皆為我用—— LwIP高級(jí)篇 449
16.1 外網(wǎng)訪問(wèn)之道——域名解析 449
16.1.1 域名系統(tǒng)（DNS） 449
16.1.2 DNS牛刀小試 450
16.1.3 下載外網(wǎng)數(shù)據(jù) 453
16.2 如何自動(dòng)分配IP地址——DHCP 456
16.2.1 DHCP大講堂 456
16.2.2 DHCP之實(shí)現(xiàn)詳解 458
16.2.3 是騾子是馬——遛遛D(zhuǎn)HCP 460
16.3 如何實(shí)現(xiàn)組播——Internet組管理 464
16.3.1 IGMP協(xié)議大講堂 464
16.3.2 IGMP組播實(shí)踐 465
第17章 最后的戰(zhàn)役 468
17.1 如何配置協(xié)議棧 468
17.1.1 內(nèi)核配置文件opt.h 468
17.1.2 如何提高TCP性能 471
17.2 內(nèi)核調(diào)試常用方法 472
17.2.1 內(nèi)核日志輸出 472
17.2.2 網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手 474
17.2.3 Wireshark抓包 475
17.3 為了更好的明天 476
17.3.1 常見(jiàn)移植問(wèn)題 476
17.3.2 常見(jiàn)應(yīng)用問(wèn)題 478
17.4 故事結(jié)局 483
參考文獻(xiàn) 484

1. 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理及應(yīng)用 [主編 唐繼勇 葉坤 孫夢(mèng)娜]
2. 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)訓(xùn)教程（第二版） [主編 高良誠(chéng)]
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4. HCIA-Datacom認(rèn)證題庫(kù)分類精講 [主 編 韓立剛]
5. 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)師備考一本通 [夏杰 編著]
6. 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ) [主編 宋焱宏 李安邦]
7. 網(wǎng)絡(luò)工程師備考一本通 [夏杰 編著]
8. 軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與實(shí)踐 [主編　但唐仁]
9. 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)項(xiàng)目化教程（微課版） [主編 王艷萍 安華萍]
10. 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成 [主編 唐繼勇 孫夢(mèng)娜]
11. 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)創(chuàng)新教程（模塊化+課程思政版） [主編 唐繼勇 李旭]
12. 路由交換技術(shù)項(xiàng)目化教程 [主編　范國(guó)娟]
13. 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新教程 [韓立剛 編著]
14. 數(shù)據(jù)通信與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（第三版） [主 編 季福坤 錢文光]
15. 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)項(xiàng)目式教程 [主 編 柳 青 曾德生]
16. 遨游數(shù)字時(shí)代——全球IT高管網(wǎng)絡(luò)安全秘籍 [[美] Palo Alto Networks 編]
17. 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)教程 [主 編 趙志茹 張尼奇 王宏斌]
18. 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ) [陳家遷]
19. 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)師5天修煉 [朱小平 施游 編著]
20. 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) [主編 吳東]
21. 網(wǎng)絡(luò)工程師5天修煉（第三版） [朱小平 施游 編著]
22. 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理與應(yīng)用（第二版） [何小東 編著]
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