LwIP網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)平臺系統(tǒng)設(shè)計

張青青

摘要：LwIP 是一個占用內(nèi)存比較小的開源 TCP/IP 的協(xié)議棧，在嵌入式的平臺上如果需要網(wǎng)絡(luò)通信則會廣泛的應(yīng)用這個協(xié)議棧。但是由于在網(wǎng)絡(luò)中協(xié)議棧和通信比較復(fù)雜，想要直接調(diào)試程序在嵌入式平臺上，會非常的麻煩，浪費精力。根據(jù)這個思路，依據(jù)VisualC++開發(fā)環(huán)境，我們研究開發(fā)了一套該協(xié)議棧的開發(fā)平臺是直接運行在pc的系統(tǒng)上的。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng) LwIP協(xié)議棧 網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動

中圖分類號：TP311 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）08-0191-01

設(shè)計了一套基于Windows操作系統(tǒng)的LwIP網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)平臺系統(tǒng)。用戶可以更方便的開發(fā)和調(diào)試基于LwIP協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)程序。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

系統(tǒng)包含的四個模塊如下：（1）網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模塊：提供可視化的參數(shù)配置和數(shù)據(jù)統(tǒng)計。（2）LwIP協(xié)議棧模塊：實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的核心模塊。（3）網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動模塊：與操作系統(tǒng)驅(qū)動適配，實現(xiàn)硬件級別的數(shù)據(jù)收發(fā)控制在圖1中所示，居于中間的模塊為LwIP 協(xié)議棧，是這個軟件的核心部位，它通過與windows的系統(tǒng)接口連接，實現(xiàn)該軟件在windows系統(tǒng)上的運行；在核心模塊之上，是實現(xiàn)了基本的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模塊；置于最底層的模塊是負責(zé)讓協(xié)議棧與windows網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動互相適配的數(shù)據(jù)驅(qū)動模塊，主要功能是通過windows設(shè)備驅(qū)動將該LwIP協(xié)議棧構(gòu)造的報文發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)，并將WINDOWS設(shè)備驅(qū)動收到的報文遞交給LwIP協(xié)議棧處理。

2 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用子模塊

網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模塊的設(shè)計目標(biāo)是，基于LwIP協(xié)議棧提供的三種調(diào)用模式，提供了可視化的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用配置和操作界面。通過應(yīng)用子模塊，用戶可以直觀的配置并查看網(wǎng)絡(luò)程序的運行狀況；通過查看源代碼，用戶也可以獲得直接的可參考的LwIP網(wǎng)絡(luò)程序代碼示例。

主界面使用 MFC 開發(fā)，包含參數(shù)配置區(qū)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計區(qū)。參數(shù)配置區(qū)提供了實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信需要的參數(shù)選項；數(shù)據(jù)統(tǒng)計區(qū)則提供數(shù)據(jù)傳輸統(tǒng)計，方便進行傳輸性能測試與對比。

3 LwIP協(xié)議棧子模塊

這個系統(tǒng)軟件是搭建在windows平臺上的，這個軟件的核心部分就是LwIP協(xié)議棧。所以最重要的自然就是如何將該協(xié)議棧移植于windows操作系統(tǒng)中。因為嵌入式系統(tǒng)操作系統(tǒng)和windows操作系統(tǒng)是由很大的不同的，所以在移植中，如果想要確保移植后的lwip順利運行并且執(zhí)行命令，必須注意以下關(guān)鍵點：（1）內(nèi)存：因為我們最終目的是將在windows平臺上調(diào)試好的lwip網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用移植到嵌入式系統(tǒng)中去運動，但是由于windows操作系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)存配置是不同的，所以如果不考慮內(nèi)存限制，則會在后面的嵌入式調(diào)試中出現(xiàn)各種問題，所以在windows平臺下的需要為內(nèi)存調(diào)試預(yù)留一定條件，必須對lwip內(nèi)存的相關(guān)接口和參數(shù)配置進行強調(diào)和注意。（2）線程：進程和線程在windows系統(tǒng)中存在，所以我們要考慮該協(xié)議棧在這種多線程運行下的共享變量問題，需要將windows的線程lwip的工作線程來適配的。對于如何記錄和管理線程的參數(shù)需要專門來定義線程結(jié)構(gòu)。（3）通知與保護：因為該協(xié)議棧支持多線程，所以我們必然要考慮線程之間的通信和全局變量的訪問保護。而lwip提供了信號量，郵箱和臨界區(qū)這三種不同的通知和保護機制。

4 網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動子模塊

4.1 通信模塊技術(shù)方案

主要內(nèi)容：這個網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的開發(fā)最關(guān)鍵的部分就是如何讓lwip協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)通信，即解決如何接受和發(fā)送報文的這個問題。

該開發(fā)平臺在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用子模塊和lwip協(xié)議棧子模塊完成之后，就表示我們已經(jīng)實現(xiàn)了該協(xié)議和上層應(yīng)用構(gòu)造ip或以太網(wǎng)報文的功能。這個平臺的核心是網(wǎng)絡(luò)程序的測試，所以系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)是必不可少的。主要就是讓該協(xié)議棧構(gòu)造的報文調(diào)動windows的網(wǎng)卡驅(qū)動往網(wǎng)絡(luò)中傳送數(shù)據(jù)，反之，windows的網(wǎng)卡驅(qū)動也能將收到的數(shù)據(jù)交付給lwip協(xié)議棧來處理分析。

winpcap是一個免費的代碼可以隨時查看的第三方網(wǎng)絡(luò)操作庫，用它來實現(xiàn)在windows網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上的操作是很方便的，因為winpcap基于windows平臺專門有一組接口用于使用，只要能熟練應(yīng)用這些接口，就可以輕松的實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的捕獲和分析。

WinPcap的層次結(jié)構(gòu)是怎么樣的呢？它主要由三部分構(gòu)成：內(nèi)核級數(shù)據(jù)包過濾器，底層的設(shè)備動態(tài)鏈接庫（packet.dll），對WINDOWS系統(tǒng)的封裝庫（wpcap.dll）。因為winpcap也有兩種難度不同的接口可以編程。一個是功能特別抽象但是龐大的基于libpcap的wpcap.dll，另一個則是功能簡單的較底層的packet.dll。

4.2 通信模塊設(shè)計

首先下載winpcap并且在windows平臺上安裝winpcap驅(qū)動軟件，然后直接讓winpcap操作網(wǎng)絡(luò)適配器，完成收發(fā)數(shù)據(jù)包的作用。

由于本文的目的主要是實現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的收發(fā)。因為該平臺對于winpcap提供的別的網(wǎng)絡(luò)功能沒用什么特別的要求，基于開發(fā)程序的省時省力性考慮，決定使用好用的libpcap接口。

5 結(jié)語

全面的對于網(wǎng)絡(luò)開發(fā)平臺的設(shè)計框架進行了介紹。把各個部分及其主要實現(xiàn)的功能逐個介紹，著重的描述了上層應(yīng)用開發(fā)的特點，及其輕量級協(xié)議棧的移植要點。對于winpcap的使用讓lwip協(xié)議棧和windows驅(qū)動之間的數(shù)據(jù)收發(fā)也做了詳細說明。使得最后搭建了一個完整的調(diào)試環(huán)境。