將lwIP TCP/IP堆棧整合至嵌入式應用的界面

輕量化TCP/IP（lwIP）堆棧是TCP/IP協議的精簡實作，專門設計用來縮減RAM內存的使用量，這使其非常適合用在嵌入式系統。它提供三種獨特的應用程序編程接口（API）:
? 未封裝的低階API
? 負責網絡通訊的高階 API
? BSD 風格的socket套接字 API

本文專注探討使用未封裝API接口的范例。運用未封裝API建置callback回調函數的應用程序會由核心事件觸發。
盡管未封裝API較socket套接字API更為復雜，但由于其處理負荷（overhead）較低，因此能提供高出許多的吞吐量。
接著將探討幾個建構在lwIP TCP/IP堆棧之上的范例，其中采用Analog Devices的MAX32570微控制器。開始的部分是一個ping展示，主要從PC向裝置發送ping探測訊號。后續的部分介紹TCP Echo服務器范例，這個初步的服務器展示對于測試TCP連結相當實用。

ADI的MaximSDK軟件開發工具包收錄許多必要的軟件與工具，讓用戶針對ADI的MSX32xxx微控制器開發韌體。套件中有一個lwIP堆棧函式庫檔案「MaximSDKLibrarieslwIP」。圖一顯示MaximSDK文件夾結構中的lwIP函式庫檔案。
 

圖一 : ADI的MaximSDK lwIP 函式庫檔案

lwIP文件夾包含多個子目錄:
? API 文件夾（網絡通訊與 socket 套接字API）
? 核心文件夾（lwIP 核心檔案，包含 “tcp.c”、“ip.c” 等）
? Netif 文件夾（網絡接口檔案）
? Include 文件夾（所有lwIP include 引入檔案）
? Maxim文件夾（為ADI微控制器設計的客制化mac 驅動程序）

lwIP架構依循TCP/IP模型結構。TCP/IP通訊協議是多個分層組成的協定。TCP/IP通常被看成是一個四層結構的系統，如圖二所示。


 
圖二 : TCP/IP 通訊協議分層

lwIP 項目檔中一定有一個名為「lwipopts.h」的組態檔案，以及一個名為「opt.h」的組態檔案。「opt.h」檔案中記錄所有默認的堆棧組態以及其模塊組態，而「lwipopts.h」則讓用戶能自行設定堆棧與其模塊的所有組態。須注意這個檔案并未包含所有可能的lwIP選項。因此，如果在“lwipopts.h”組態檔案中沒有定義某項組態，系統就會采用「opt.h」中定義的預設組態。
類似的情況，lwIP函式庫有一個和程序相關的表頭文件名為 「lwipcfg.h」。包括控制器的IP地址、網關地址、網絡屏蔽地址、以及MAC地址都應定義在「lwipcfg.h」檔案。
要在lwIP以及底層的硬件驅動程序之間建立鏈接，需要用到一個特定平臺專屬的配接層。舉例來說，在為微控制器建置lwIP堆棧時，需要量身設計的驅動程序來橋接lwIP堆棧與微控制器的以太網絡MAC驅動程序。這個客制化驅動程序應涵蓋以下功能:
? 初始化功能: 此項功能負責初始化微控制器專屬的MAC驅動程序
? 傳送功能: 將從TCP堆棧收到的數據傳送給以太網絡MAC驅動程序，以便進行后續的傳輸
? 接收功能: 將從以太網絡MAC驅動程序收到的封包轉送到TCP堆棧

對于ADI微控制器，預存的客制化驅動程序已放在「MaximSDKLibrarieslwIPMaximmxc_eth.c」路徑下的MaximSDK。這個驅動程序可作為包裝器，能包裝微控制器本身的Ethernet MAC （EMAC）外圍函式庫，該函式庫位于「C:MaximSDK LibrariesPeriphDriversSourceEMAC」路徑下的外圍驅動程序中。

Ping 范例
「ping」指令是一個簡單的工具，用來進行網絡除錯。其能執行因特網控制訊息協議（ICMP）的echo 響應請求，向指定的IP地址傳送一個訊號然后等候回復。當目的地收到這個請求，就會回復一個echo封包。本章節解釋如何從Windows PC向微控制器執行基本的ping測試以檢查其連結狀態，同時還會闡述如何使用微控制器的ping模塊來和PC進行通訊。

以下詳列Windows環境中ping工具的工作流程:
? 向微控制器傳送4個數據封包，然后等待響應
? 微控制器將這些數據封包傳回PC作為響應，亦即回響答復請求。
? 執行ping測試
? 使用以太網絡線將微控制器EVKIT套件連到PC
? 開啟命令行提示窗口，然后輸入「ping <微控制器的IP地址>」然后按下enter鍵
命令行提示窗口中顯示響應，如圖三所示，意謂著在PC與微控制器之間已建立正常運行的連結


 
圖三 : 命令行提示窗口顯示的 Ping輸出內容

從微控制器測試Ping
「lwIP_Ping」檔案是ADI旗下MAX32570微控制器的ping范例，收錄于MaximSDK開發工具包。該檔案存放在「C:MaximSDKExamples MAX32570lwIP_Ping」，目錄中并提供以下指南:
? 微控制器的IP地址是使用「lwipcfg.h」檔案來設定。微控制器與PC的IP地址應在同一個網段。在微控制器的「lwipcfg.h」檔案中，PC的IP地址應設定成網關地址。
? 使用以太網絡線連接PC與MAX32570 EVKIT套件
? 執行ping范例碼
? 在eclipse程序中開啟序列終端機 （Window-> Show view -> Terminal）。如圖四所示，如果ping成功，終端機畫面應顯示ping的結果


 
圖四 : 序列終端機顯示的Ping 輸出內容

命令行提示窗口僅顯示ping統計數據。要檢視實際傳送的數據，需要用到一個名為Wireshark的程序。Wireshark能擷取網絡聯機所傳送的數據。開啟Wireshark后，再選擇以太網絡選項。另外還能顯示像是來源與目的地MAC地址、來源與目的地IP地址、通訊協議、以及額外傳送數據等細部數據。Wireshark顯示的信息如圖五所示。
正如范例所示，傳送的數據為 0x00, 0x01… 一直到0x1F。但如果用戶想要修改傳送數據的內容那該怎么做?


 
圖五 : Wireshark程序中顯示的ping數據封包

修改微控制器Ping指令所發送的數據
透過ping指令發出的數據是在「ping. c」檔案中設定的。「Ping.c」檔案是ping的傳送程序模塊。要傳送的數據大小是以「PING_DATA_SIZE」參數設定在“ping.c”檔案中。例如要傳送的數據大小為32 字節。
準備要傳送的數據的定義亦寫在「ping.c」檔案。額外的數據緩沖區會寫入相同的數據，如「0x00, 0x01, 0x02…to 0x1F.」。
依據應用程序的需求，如果用戶想要修改數據，可以在「ping .c」檔案中修改數據緩沖區。舉例來說，將所有32字節的數據變更成「0x01, 0x01…0x01」。在Wireshark中顯示修改后的「ping .c」檔案。此處使用新的參數來更新數據。

TCP Echo 服務器
ping范例中采用ICMP來判斷目標系統的反應狀況。其會使用默認數據透過網絡向目標接收端傳送一個echo請求。當目標地址收到這個請求時，它會回復一個echo應答封包。
如果用戶希望從某個裝置向另一個裝置傳送客制化數據，可使用TCP協議進行數據傳輸。在標準TCP函式中的Echo服務主要用來檢查可及性以及判斷各種路由問題。在這項服務中，服務器與客戶端都是使用TCP來建立的。當服務器從客戶端收到訊息，它會回復相同的訊息。
在MaximSDK，「lwIP TCP」原始碼檔案展示如何使用lwIP函式庫中的 TCP函數。在這個案例中，微控制器扮演TCP服務器，并會等候客戶端發送連接請求。接著服務器會返傳從客戶端送來的數據。在TCP Echo服務器范例中，應使用「tcpecho_raw.c」原始碼檔案。依循以下步驟設定TCP Echo服務器。

要設定TCP Echo服務器:

? 建立一個 socket
? 將socket綁定到宣告的埠號
? 完成綁定后，其會開始監聽傳來的連接請求
? 收到連接請求后，其會接受客戶端設備發送來的連接請求
? 服務器接收到客戶端傳來的數據
? 最后，其傳回相同的數據

圖六的腳本顯示了韌體的結構，該結構是主函數的一部分。config_emac會初始化EMAC，而MXC_ETH_Init 則會初始化 lwIP堆棧。


 
圖六 : 從腳本片斷觀察韌體的結構

在EMAC與lwIP堆棧完成初始化后，TCP Echo 服務器會透過tcpecho_raw_init進行初始化。Echo服務器結構如圖七所示。


 
圖七 : Echo 服務器初始化結構.

Echo服務器的初始化會建立新的socket。之后它會將指定的IP地址和端口號綁定到新的socket。完成綁定后，其會持續監聽遠程客戶端發送的連接請求。
要測試TCP服務器范例，須使用 echotool.exe PC 客戶端工具。echotool.exe執行檔應存放在C槽，故我們應從C槽開啟命令行提示窗口。在客戶端模式中，其會將數據傳送到服務器并檢查是否會回傳。確保一定要在客戶端模式中使用echo工具來測試服務器范例。

如何測試 TCP Server 范例
? 確保所有連結都正常運行
? 使用eclipse軟件將范例程序代碼組建成可執行程序
? 在除錯模式中執行腳本
? 在遠程PC開啟命令行提示窗口。
? 在命令行提示欄中輸入以下指令:
「C:>echotool IP_address /p tcp /r 7 /n 15 /t 2 /d LwIP TCP echo server Example」
IP_address 是實際的機板IP 地址。靜態 IP 地址為192.168.100.200
/p tcp 是通訊協議 （TCP協定）
/r 是回應服務器的實際遠程通信埠 （echo port）
/n 是echo請求的數量
/t 是連接時長限制的秒數
/d 是請求響應的訊息 （像是 「LwIP TCP echo server Example」）


 
圖八 : TCP Echo 服務器輸出內容

TCP協議和透過網絡傳送的數據，都可透過Wireshark軟件進行檢驗。透過網絡傳送的封包在會Wireshark中顯示，如圖九所示。透過命令行提示欄傳送的數據為「LwIP TCP echo server Example」。在Wireshark程序中也能看到相同的數據。


 
圖九 : Wireshark 程序中的TCP Echo 服務器輸出結果

總結
了解并有效率地運用lwIP堆棧的功能以及ICMP協議為基礎的ping工具和TCP協議，能為網絡診斷以及數據傳輸開創出眾多的可能性。ADI的MAX32570微控制器與MaximSDK 提供一個扎實的基礎來建置lwIP堆棧，并建構可靠的通訊系統。藉由依循本文列舉的范例，即可排除各種網絡問題，進而創造無縫的鏈接以及確保數據完整性。

（本文作者Anju Puthenpurayil為ADI應用工程師）