lwip raw、netcoon、socket三种接口编程的区别

一、前言

二、LWIP 简介

三、LWIP RAW 编程

1.概念与原理

2.编程模型与流程

3.示例代码

4.优点与缺点

四、LWIP NETCONN 编程

1.概念与原理

2.编程模型与流程

3.示例代码

4.优点与缺点

五、LWIP SOCKET 编程

1.概念与原理

2.编程模型与流程

3.示例代码

4.优点与缺点

六、三种接口编程的区别总结

1.抽象层次

2.编程难度

3.性能

4.可移植性

5.适用场景

七、总结

一、前言

在嵌入式网络编程中，LWIP（Lightweight IP）是一个轻量级的 TCP/IP 协议栈，广泛应用于 STM32 等微控制器平台。LWIP 提供了多种编程接口，其中 RAW、NETCONN 和 Socket 是比较常用的三种。本文将详细介绍这三种接口编程的区别，帮助开发者更好地选择适合自己项目的编程方式。

二、LWIP 简介

LWIP 是一个开源的轻量级 TCP/IP 协议栈，专门为嵌入式系统设计。它具有占用内存少、运行效率高、可移植性强等特点，非常适合在资源有限的微控制器上使用。LWIP 支持多种网络协议，包括 TCP、UDP、IP、ICMP 等，可以满足大多数嵌入式网络应用的需求。

三、LWIP RAW 编程

1.概念与原理

RAW API 是 LWIP（Lightweight IP）提供的最底层的网络编程接口。它直接基于协议控制块（PCB，Protocol Control Block）进行操作，与 TCP/IP 协议栈的交互最为紧密。例如，对于 TCP 编程，开发者需要直接操作 TCP 的 PCB 来管理连接状态、发送和接收数据等操作。这种方式可以让开发者深入理解协议栈的工作机制，实现对网络通信的精细控制。

2.编程模型与流程

创建连接：以 TCP 为例，通过tcp_new函数创建一个 TCP 协议控制块，然后可以使用tcp_bind函数将其绑定到指定的本地端口，再使用tcp_listen函数使该连接进入监听状态（对于服务器端）。对于客户端，还需要使用tcp_connect函数来建立与服务器的连接。
数据收发：在接收数据方面，需要注册一个接收回调函数，当有数据到达时，LWIP 会调用这个回调函数。在回调函数中，通过操作pbuf（协议缓冲区）来处理接收到的数据。发送数据时，使用tcp_write函数将数据写入发送缓冲区，然后通过tcp_output函数将数据发送出去。
连接关闭：使用tcp_close函数来关闭 TCP 连接，并且通常还需要调用tcp_abort函数在一些异常情况下（如错误处理）强制关闭连接并释放相关资源。

3.示例代码

简单的 TCP 服务器接收数据并打印

#include "lwip/tcp.h"
#include "lwip/err.h"
#include <stdio.h>// 定义服务器监听端口
#define SERVER_PORT 8080
// 接收缓冲区大小
#define RX_BUFFER_SIZE 1024// TCP接收回调函数
static err_t tcp_server_recv(void *arg, struct tcp_pcb *tpcb, struct pbuf *p, err_t err)
{if (err == ERR_OK && p!= NULL){char buffer[RX_BUFFER_SIZE];int copied_bytes = 0;struct pbuf *q = p;while (q!= NULL){int bytes_to_copy = (q->len < (RX_BUFFER_SIZE - copied_bytes))? q->len : (RX_BUFFER_SIZE - copied_bytes);memcpy(&buffer[copied_bytes], q->payload, bytes_to_copy);copied_bytes += bytes_to_copy;q = q->next;}// 打印接收到的数据printf("Received data: %s", buffer);pbuf_free(p);}else if (err == ERR_OK && p == NULL){// 客户端正常关闭连接}else{// 出现错误，关闭连接tcp_close(tpcb);}return ERR_OK;
}void tcp_server_raw()
{struct tcp_pcb *server_pcb;err_t err;// 创建TCP协议控制块server_pcb = tcp_new();if (server_pcb == NULL){printf("Error creating TCP PCB\n");return;}// 绑定端口err = tcp_bind(server_pcb, IP_ADDR_ANY, SERVER_PORT);if (err!= ERR_OK){printf("Error binding TCP socket: %d\n", err);tcp_close(server_pcb);return;}// 设置为监听状态server_pcb = tcp_listen(server_pcb);if (server_pcb == NULL){printf("Error listening for connections\n");tcp_close(server_pcb);return;}// 设置接收回调函数tcp_recv(server_pcb, tcp_server_recv);
}

4.优点与缺点

优点：
- 提供了对协议栈的最大控制权限，能够实现高度定制化的网络应用。对于需要深入优化网络性能、实现特殊协议功能或者对资源使用要求极为严格的场景非常有用。
- 占用资源相对较少，因为没有高层抽象带来的额外开销，代码执行效率可能较高。
缺点：
- 编程难度较大，要求开发者对 TCP/IP 协议栈有深入的理解，需要手动处理很多协议细节，如连接状态管理、缓冲区操作等，代码编写较为复杂，容易出错。
- 可移植性和代码复用性相对较差，因为 RAW API 与 LWIP 协议栈的耦合度很高，在不同的 LWIP 版本或者其他协议栈环境下可能需要大量修改代码。

四、LWIP NETCONN 编程

1.概念与原理

NETCONN 是 LWIP 提供的一种介于 RAW API 和 Socket API 之间的中间层次的网络编程接口。它对底层协议细节进行了一定程度的封装，提供了一种相对简单的方式来进行网络连接和数据传输。NETCONN API 基于消息传递机制，通过创建和操作网络连接对象来实现网络通信，隐藏了一些底层的协议控制块操作。

2.编程模型与流程

创建连接：对于 TCP 服务器端，首先使用netconn_new函数创建一个NETCONN_TCP_LISTEN类型的网络连接对象，然后通过netconn_bind函数将其绑定到指定端口，再使用netconn_listen函数使连接进入监听状态。客户端则创建NETCONN_TCP类型的连接对象，并使用netconn_connect函数连接到服务器的 IP 地址和端口。
数据收发：使用netconn_write函数发送数据，该函数会自动处理数据缓冲和发送操作。接收数据时，使用netconn_read函数，它会阻塞当前任务（如果没有数据到达），直到接收到数据或者出现错误。
连接关闭：使用netconn_close函数关闭网络连接，这个函数会自动释放与连接相关的内部资源。

3.示例代码

简单的 TCP 服务器接收数据并打印

#include "lwip/netconn.h"
#include "lwip/err.h"
#include <stdio.h>#define SERVER_PORT 8080
#define RX_BUFFER_SIZE 1024void tcp_server_netconn()
{struct netconn *conn, *newconn;err_t err;char buffer[RX_BUFFER_SIZE];// 创建TCP监听连接conn = netconn_new(NETCONN_TCP);if (conn == NULL){printf("Error creating TCP listen connection\n");return;}// 绑定到指定端口err = netconn_bind(conn, NULL, SERVER_PORT);if (err!= ERR_OK){printf("Error binding TCP connection: %d\n", err);netconn_delete(conn);return;}// 开始监听netconn_listen(conn);while (1){// 接受客户端连接err = netconn_accept(conn, &newconn);if (err == ERR_OK){// 接收客户端数据err = netconn_read(newconn, buffer, sizeof(buffer), -1);if (err == ERR_OK){// 打印接收到的数据printf("Received data: %s", buffer);}// 关闭客户端连接netconn_close(newconn);netconn_delete(newconn);}}// 关闭服务器监听连接netconn_close(conn);netconn_delete(conn);
}

4.优点与缺点

优点：
- 相对 RAW API 而言，编程难度降低，抽象程度较高，开发者不需要深入了解协议控制块的细节，能够更快速地开发网络应用。它提供了比较方便的接口用于数据收发和连接管理。
- 代码结构相对清晰，对于简单的网络应用开发效率较高，并且在一定程度上提高了代码的可维护性。
缺点：
- 性能可能不如 RAW API，因为其内部的封装和抽象会带来一定的开销，例如在数据传输过程中可能会涉及更多的缓冲和消息传递操作。
- 虽然比 RAW API 的可移植性好一些，但仍然与 LWIP 协议栈有一定的依赖关系，在非 LWIP 环境下可能无法使用。

五、LWIP SOCKET 编程

1.概念与原理

LWIP 中的 Socket 编程是基于 BSD - sockets（Berkeley Sockets）模型实现的。它是一种广泛应用于网络编程的标准接口，提供了一种与操作系统网络接口类似的编程方式。Socket API 在 LWIP 协议栈之上构建了一个高层次的抽象层，使得开发者可以使用熟悉的socket、bind、listen、accept、send、recv等函数来进行网络编程，隐藏了 LWIP 协议栈的底层细节。

2.编程模型与流程

创建套接字：使用socket函数创建一个套接字，指定协议族（如AF_INET表示 IPv4）、套接字类型（如SOCK_STREAM表示 TCP，SOCK_DGRAM表示 UDP）和协议（一般为 0，表示使用默认协议）。
绑定与监听（服务器端）：对于服务器端，通过bind函数将套接字绑定到特定的 IP 地址和端口号。然后使用listen函数让套接字进入监听状态，等待客户端连接。
连接服务器（客户端）：客户端使用connect函数指定服务器的 IP 地址和端口号来建立与服务器的连接（对于 TCP）。对于 UDP，虽然没有连接建立的过程，但也可以使用connect函数指定目标地址，这样后续的send和recv操作会更方便。
数据收发：使用send和recv函数（或者它们的变体，如sendto和recvfrom用于 UDP）进行数据的发送和接收。这些函数直接操作底层的套接字，需要开发者更加注意数据的格式、长度和缓冲区管理等细节。
连接关闭：使用close函数关闭套接字，释放相关资源。在关闭之前，需要确保数据已经发送或接收完成，避免数据丢失或连接异常。

3.示例代码

#include "lwip/sockets.h"
#include "lwip/netdb.h"
#include <stdio.h>#define SERVER_PORT 8080
#define RX_BUFFER_SIZE 1024void tcp_server_socket()
{int server_socket, client_socket;struct sockaddr_in server_addr, client_addr;socklen_t client_addr_len;char buffer[RX_BUFFER_SIZE];int bytes_received;// 创建服务器套接字server_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (server_socket < 0){printf("Error creating server socket\n");return;}// 配置服务器地址结构体server_addr.sin_family = AF_INET;server_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(IP_ADDR_ANY);// 绑定套接字到指定端口和IP地址if (bind(server_socket, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0){printf("Error binding server socket\n");close(server_socket);return;}// 将套接字设置为监听状态if (listen(server_socket, 5) < 0){printf("Error listening on server socket\n");close(server_socket);return;}while (1){client_addr_len = sizeof(client_addr);// 接受客户端连接client_socket = accept(server_socket, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_addr_len);if (client_socket < 0){printf("Error accepting client connection\n");continue;}// 接收客户端数据bytes_received = recv(client_socket, buffer, sizeof(buffer), 0);if (bytes_received > 0){// 打印接收到的数据printf("Received data: %s", buffer);}// 关闭客户端套接字close(client_socket);}// 关闭服务器套接字（正常情况下不会执行到这里）close(server_socket);
}

4.优点与缺点

优点：
- 编程接口最为通用，与传统的网络编程接口（如 Unix/Linux 下的 Socket 编程）高度相似，对于有网络编程经验的开发者来说非常容易上手。
- 具有良好的可移植性，在不同的操作系统和网络环境下（只要支持 Socket 接口），代码的改动相对较小。
- 可以方便地与其他基于 Socket 编程的软件或库进行集成，便于构建复杂的网络应用系统。
缺点：
- 由于其高层次的抽象，可能会损失一些性能，特别是在对性能要求极高的场景下，与 RAW API 相比可能存在差距。
- 对于 LWIP 协议栈的一些特殊功能或优化可能无法直接利用，因为 Socket API 隐藏了很多底层细节。

六、三种接口编程的区别总结

1.抽象层次

RAW API 是最底层的接口，直接操作协议控制块，抽象层次最低。
NETCONN API 处于中间层次，对底层协议进行了一定程度的封装，提供了相对简单的网络连接对象操作方式。
Socket API 是最高层次的抽象，基于 BSD - sockets 模型，与传统的网络编程接口相似，隐藏了 LWIP 协议栈的底层细节。

2.编程难度

RAW API 编程难度最大，需要开发者对 TCP/IP 协议栈有深入的理解，手动处理很多协议细节。
NETCONN API 编程难度适中，相对 RAW API 来说，抽象程度较高，开发者不需要深入了解协议控制块的细节。
Socket API 编程难度最小，对于有网络编程经验的开发者来说非常容易上手，因为它与传统的网络编程接口相似。

3.性能

RAW API 性能可能最高，因为没有高层抽象带来的额外开销，能够实现对协议栈的精细控制。
NETCONN API 性能介于 RAW API 和 Socket API 之间，内部的封装和抽象会带来一定的开销。
Socket API 性能可能最低，由于高层次的抽象，可能会涉及更多的缓冲和系统调用等操作。

4.可移植性

RAW API 可移植性最差，与 LWIP 协议栈的耦合度很高，在不同的 LWIP 版本或者其他协议栈环境下可能需要大量修改代码。
NETCONN API 可移植性较好，比 RAW API 更容易在不同的 LWIP 版本之间移植，但仍然与 LWIP 协议栈有一定的依赖关系。
Socket API 可移植性最好，与传统的网络编程接口相似，在不同的操作系统和网络环境下（只要支持 Socket 接口），代码的改动相对较小。

5.适用场景

RAW API 适用于需要深入优化网络性能、实现特殊协议功能或者对资源使用要求极为严格的场景。
NETCONN API 适用于对编程难度有一定要求，但又不想过于深入底层协议细节的场景，例如简单的网络应用开发。
Socket API 适用于有网络编程经验的开发者，以及需要与其他基于 Socket 编程的软件或库进行集成的场景。

七、总结

综上所述，STM32 中 LWIP 的 RAW、NETCONN 和 Socket 三种接口编程各有优缺点，开发者应根据具体的项目需求和自身的编程经验来选择合适的编程方式。如果对性能要求极高，并且有深入了解 TCP/IP 协议栈的能力，可以选择 RAW API；如果希望在一定程度上降低编程难度，同时又不想牺牲太多性能，可以选择 NETCONN API；如果有网络编程经验，并且注重代码的可移植性和通用性，可以选择 Socket API。