骨灰級TCP/IP專家、風靡網絡的電子書《LwIP協議棧源碼詳解》朱升林老師傾情分享

超精彩！延續了電子書的語言及內容風格，輕松詼諧，簡單直白

超實戰！完整的實驗環境配合詳細的實驗步驟，使你修改的每一行代碼都可以在實驗板上看到效果。

超實用！囊括作者多年開發經驗，助您輕松解決LwIP應用中遇到的問題

搞嵌入式開發，必學LwIP，你懂的。

LwIP菜鳥到骨灰：

CHA 01故事前傳→CHA 02有備而無患 →CHA 03讓板子跑起來→CHA 04快馬加鞭……CHA 16最后的戰役

輕松詼諧的寫作手法+簡單易懂的語言+源自實戰的開發經驗=一條輕松學習LwIP技術之路

終于有了繼續碼字的機會。一年前在網上發布了電子版《LwIP協議棧源碼詳解——TCP/IP協議的實現》一書，也因此結識了許多LwIP應用及嵌入式網絡編程的愛好者，他們之中有的是學生，正在竭力規劃著自己的未來；有的是IT公司職員，正努力完成Boss交給的項目；更有創業者，希望在嵌入式網絡方向賺下人生的第一桶金。但不管怎么樣，很高興有這么多人在關心和使用著LwIP，關注著嵌入式網絡的發展未來。電子版書籍發布至今，受到了諸多讀者的肯定和歡迎，筆者也收到了很多讀者郵件，大部分是關于協議棧移植、應用編程等方面的問題。筆者也與很多讀者在網上有過面對面的交流，一直堅信，相互學習與探討才是進步的關鍵，他們的困惑與學習渴望讓我覺得自己應該做更多的事情。其實網絡電子版并不完善，一次在和一個讀者偶然的聊天中，有了將這本書完善并出版的想法，“有價格的東西才會更有價值”，你可能會覺得這句話有錯誤，但不管你信不信，我是信了（雖然馬克思經濟學理論不是這樣說的）。在讀者、朋友及家人的鼓勵和支持下，筆者最終將想法付諸于實踐，一是為完成以前偷懶沒有完成的任務，二是將廣大讀者使用過程中遇到的問題總結出來，以供大家借鑒。

寫本書的目的可以歸納為三點：第一，給需要使用LwIP的人一個借鑒和解決問題的方法，這也是當初寫電子版的初衷；第二，也是最基礎的，寫給那些需要學習TCP/IP的同學，TCP/IP的重要性就不在這里多說了，遙想筆者當年畢業找工作之季，輾轉來回于各大公司的招聘面試場所，TCP/IP真的是各個面試官最青睞的問題，筆者也恰好因為在這方面有著獨到的理解，因此順利拿下了國內外眾多知名企業的offer，所以本書也想告訴那些正在努力的同學，學習TCP/IP是絕對值得的，這是一條康莊大道；第三，也是最重要的，嵌入式網絡當然離不開實踐，本書力求在講網絡協議之前，給學習嵌入式的同學一個基礎的、易上手的嵌入式學習過程，在此之后，讀者能在實驗平臺上實際運行、調試網絡應用程序，更可以修改協議棧內核，你改的每一行代碼都能在實驗板上看出實際效果。

網絡編程大神們可以繞道了，這里沒有IPsec、沒有SSL、沒有并發服務器、沒有每秒上億次的服務請求，我們玩的是低端玩藝兒；神秘黑客們也可以繞道了，這里沒有系統漏洞、沒有文件系統、沒有賬號、玩不轉木馬，您都不屑于和我們較真。本書的使用者定位在嵌入式初學者、網絡初學者以及對LwIP應用有興趣或疑問的同學，你們一定可以在本書中找到想要的東西。

本書背景

TCP/IP技術是目前最流行的IT技術之一，也是當代互聯網及相關技術應用、發展的基石。近年來，TCP/IP技術在各大高校儼然已成為學習和研究的熱點，而另一方面，TCP/IP知識也成了各IT企業招聘時關注的重點問題。對于廣大TCP/IP初學者來說，要真正掌握并精通TCP/IP協議其實是有難度的：首先，TCP/IP是個非常龐大的協議族，其源代碼一般只存在于各個大型操作系統內核中，協議的整體結構對于使用者來說不可見，學習者只能使用系統內部提供的API完成網絡編程功能，但對協議內部的實現細節并不明了，這樣TCP/IP的學習者只能停留在上層應用，如Socket編程的層次，而事實上，了解協議內部運作細節是編寫高效可靠應用程序的基礎；其次，目前市場上針對TCP/IP的書籍較少，而與TCP/IP協議內部機制相關的實驗書籍就更加缺乏了，讀者只能從書本上學到一些關于TCP/IP的基礎理論知識，但很難將這些理論用于實際編程實踐中，因為系統內核對于讀者來說并不可見。

目前，嵌入式產品連入互聯網已成了越來越多企業關注的熱點，這使得在嵌入式產品上移植TCP/IP協議成為一種必然的趨勢。LwIP是應用于嵌入式領域的一款開源TCP/IP協議，它的實現同BSD的實現有很大的相似性，可以作為TCP/IP協議的典型代表，它的功能完備，除了實現TCP/IP的基本通信功能外，其新版本還支持DNS、SNMP、DHCP、IGMP等高級應用功能。當前網絡上關于LwIP的討論很多，但市場上卻鮮見相關書籍。

本書特點

理論與實踐結合，是本書編寫的一個重要出發點，不但讓讀者掌握TCP/IP理論知識，而且讓讀者通過實驗深入地理解并運用這些知識，達到學以致用的目的。首先，整個協議棧對讀者來說全部可見，這樣讀者能對TCP/IP協議有宏觀的把握，擯棄掉TCP/IP以往神秘的面紗；本書以網絡數據包在協議棧內部的遞交順序為編寫導向，思路明顯，條理清楚，語言精簡幽默，更利于讀者對TCP/IP協議基本知識的理解；最后，本書內容大部分建立在筆者開發經驗之上，其中包括了很多LwIP在實際應用中遇到的問題及其解決方法，這對大部分剛接觸LwIP的嵌入式開發人員來說，具有很強的指導意義。

概括來講，本書具有如下特點：

 延續了電子版的寫作手法，輕松詼諧的語言、簡單直白的講解能讓讀者擺脫閱讀時的枯燥感覺，技術學習也可以很輕松。

 協議與實現的完美結合。著眼于TCP/IP基本理論，以LwIP源代碼為基礎，全面講解TCP/IP協議的原理與具體實現，由于協議棧全部源代碼對讀者可見，因此TCP/IP不再神秘。

 理論與實踐并重。對各層協議盡量提供實驗例程或測試方法，簡單的實驗搭建環境，讀者能直觀感受到各層協議在嵌入式設備組網過程中的實際應用，每個案例的開發步驟都以通俗易懂的語言闡述，并穿插必要的圖片和表格，學習TCP/IP不再是紙上談兵。

 目的明確，實用性強。以嵌入式設備組網為目的，結合了筆者的大量實際開發經驗，從系統啟動代碼編寫到操作系統移植，從LwIP協議棧移植到網絡應用程序設計，內容由淺入深，知識點覆蓋全面，特別適合于嵌入式初學人員。

LwIP協議棧全部用C寫成，所有源代碼對讀者可見，讀者可以宏觀把握整個協議的代碼組織結構。在本書中，通過在實驗板上移植、使用協議棧，讀者可以清楚地知道TCP/IP協議內部各個機制的實現方法以及不同參數設置對協議棧內核性能的影響，例如：如何自行配置TCP發送超時間隔與重發次數以滿足特定場合的需求，又如可否根據實際使用情況更改TCP狀態機以提高內核效率，再如可否自行構建靜態ARP緩存表以提高協議棧響應效率，等等。通過實驗，讀者可以清楚地看到整個協議的運行過程，加深對協議的理解。

組織結構

本書以開源TCP/IP協議棧——LwIP的源代碼為基礎，詳細為讀者講解TCP/IP協議的內部各層結構與實現細節，既包括ARP、ICMP、IGMP、IP、UDP、TCP等基本協議知識，也包括DHCP、DNS等高級應用知識，以LwIP為起點學習TCP/IP，將為廣大讀者各方面的學習創造捷徑。同時，LwIP代碼組織和實驗平臺搭建簡單，讀者可以方便地進行協議棧內部的相關實驗，通過對平臺搭建過程的學習，讀者也可以了解到許多嵌入式領域入門基礎知識，如匯編程序、C編程基礎、編譯鏈接原理、嵌入式處理器、內存管理、操作系統、任務管理、任務通信機制等。

TCP/IP技術是互聯網技術發展的基礎，在各軟硬件IT企業招聘面試上，TCP/IP的知識成了面試官青睞的問題，對于廣大學子來說，精通TCP/IP相關知識，無疑將為自己打開一道成功擇業的大門。但目前很多學者想學習TCP卻無處下手，這成了許多初學者面臨的問題，通過本書，不論是從宏觀還是細節上，讀者都可以對TCP/IP協議有很好的把握。另一方面，嵌入式設備組網技術是目前流行的技術，LwIP由于開源免費、功能齊全、性能優越等特點成了嵌入式網絡領域使用的熱點，本書將從裸機出發，向讀者講解網絡協議棧移植過程以及應用編程細節，同時也包括了一些開發過程中常見的各種問題及解決方法，因此，對LwIP應用開發者來說，本書將是一本重要的指導手冊。

編者與致謝

本書由朱升林著，粟思科審校。最后，筆者想感謝一年多以來一直陪伴和幫助我的人，沒有你們的幫助和付出，這本書不會這么順利的完成，因為你們的存在，使得這段時光更加珍貴。同時參與本書編寫工作的人員還有：王治國、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、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。

感謝對本書電子版提出過改進建議和支持的眾多網友朋友，感謝笑迎冬風，感謝sailing，感謝關海山，還有2K100、Aimar、M刀、WISCO……，還有許多不能在這里一一列出名字的網友，謝謝你們的支持和肯定，與大家的探討也讓我學到了很多東西。

感謝我的父母和親友們，是你們的寬容和細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完成此書的最大動力。

配套服務

我們為讀者和用戶盡心服務，圍繞協議、產品和項目市場，探討應用與發展，發掘熱點與重點；開展相關教學工作。TCP/IP協議俱樂部QQ：183090495，電子郵件bojiakeji@tom.com，歡迎TCP/IP協議愛好者和用戶聯系。

由于作者水平所限，網絡技術也日新月異，本書難免存在錯誤和不妥之處，懇請廣大讀者批評指證。共同探討，始終是學習的一種高效方式，值得指出的是，本書最后一節的LwIP常見問題與解決方法就得益于眾多網友的反饋，這里再次對他們表示感謝。

第1章 故事前傳 1
1.1 背景知識 1
1.1.1 嵌入式網絡概述 1
1.1.2 寫作背景 3
1.1.3 幾個疑問 4
1.2 TCP/IP掃盲班 5
1.2.1 OSI模型 5
1.2.2 TCP/IP協議 5
1.2.3 OSI模型 VS TCP/IP模型 7
1.2.4 嵌入式TCP/IP協議棧 8
1.3 旅行集結號 9
1.3.1 實驗環境說明 9
1.3.2 本書內容概述 10
1.3.3 一起出發 12
第2章 有備而無患 13
2.1 傳說中的ARM微處理器 13
2.1.1 背景知識 13
2.1.2 存儲器組織結構 15
2.1.3 指令系統 17
2.1.4 數據類型與存儲格式 19
2.1.5 處理器狀態與處理器模式 21
2.1.6 寄存器組織 23
2.1.7 異常處理 28
2.2 S3C44B0X初體驗 32
2.2.1 簡介 32
2.2.2 存儲管理器 34
2.2.3 中斷控制器 39
2.2.4 其他模塊 42
2.3 ARM匯編真經 46
2.3.1 簡介 46
2.3.2 ARM指令集編碼格式 46
2.3.3 ARM尋址方式 48
2.3.4 ARM指令集簡介 53
2.3.5 ARM匯編語言 55
第3章 讓板子跑起來 65
3.1 ARM開發工具 65
3.1.1 ADS簡介 65
3.1.2 ARM匯編器 70
3.1.3 ARM編譯器 71
3.1.4 ARM連接器 78
3.2 程序的調試 83
3.2.1 幾種調試方式 83
3.2.2 AXD調試器 87
3.2.3 ARMulator的使用 90
3.3 編寫啟動代碼 91
3.3.1 開發板結構 91
3.3.2 啟動代碼講解 92
3.3.3 幾個測試程序 108
第4章 快馬加鞭 115
4.1 嵌入式實時操作系統 116
4.1.1 概述 116
4.1.2 μC/OS-II的文件結構 118
4.1.3 μC/OS-II中的任務 120
4.1.4 就緒任務的管理 126
4.1.5 任務堆棧 129
4.2 移植μC/OS-II實時操作系統 130
4.2.1 概述 130
4.2.2 編寫OS_CPU.H 132
4.2.3 編寫OS_CPU_C.C 134
4.2.4 編寫OS_CPU_A.S 138
4.3 測試程序 145
4.3.1 系統時鐘 145
4.3.2 第一個測試程序 146
4.3.3 第二個測試程序 147
第5章 無操作系統模擬層LwIP的移植 150
5.1 LwIP綜述 150
5.1.1 簡介 150
5.1.2 用SI閱讀源代碼 156
5.2 移植工作 160
5.2.1 移植頭文件 160
5.2.2 RTL8019AS網卡 163
5.2.3 編寫網卡驅動程序 176
5.3 測試程序 186
5.3.1 協議棧初始化 186
5.3.2 數據包的查詢接收 188
5.3.3 數據包的中斷接收 191
5.3.4 一個簡單的TCP服務器 193
5.3.5 移植小結 195
第6章 動態內存管理 196
6.1 背景知識 196
6.1.1 內存管理概述 196
6.1.2 常見內存分配策略 198
6.2 動態內存池 200
6.2.1 數據結構描述 200
6.2.2 函數實現 205
6.3 動態內存堆 207
6.3.1 數據結構描述 208
6.3.2 函數實現 209
6.4 其他內存分配策略 214
第7章 數據包管理 218
7.1 預備知識 218
7.1.1 LwIP的分層特點 218
7.1.2 協議進程模型 219
7.2 數據包管理 220
7.2.1 數據包結構pbuf 221
7.2.2 pbuf的類型 221
7.2.3 數據包申請函數 224
7.2.4 數據包釋放函數 227
7.2.5 其他數據包操作函數 229
第8章 網絡接口管理 230
8.1 引言 230
8.2 網絡接口結構 231
8.2.1 數據結構 231
8.2.2 函數實現 234
8.3 環回接口 236
8.3.1 相關函數 236
8.3.2 實驗程序 238
第9章 ARP協議 242
9.1 ARP協議簡介 242
9.1.1 物理地址與網絡地址 242
9.1.2 ARP協議的本質 243
9.2 數據結構 245
9.2.1 ARP表 245
9.2.2 ARP報文 249
9.3 ARP層數據包輸入 253
9.3.1 以太網數據包遞交 253
9.3.2 ARP數據包處理 255
9.3.3 ARP攻擊 258
9.3.4 ARP緩存表的更新 259
9.4 ARP層數據包輸出 263
9.4.1 ARP層數據處理總流程 263
9.4.2 廣播包與多播包的發送 264
9.4.3 單播包的發送 266
第10章 網際協議（IP） 269
10.1 相關知識 269
10.1.1 概述 269
10.1.2 IP地址 270
10.1.3 特殊IP地址 271
10.1.4 子網劃分與子網掩碼 273
10.1.5 網絡地址轉換（NAT） 275
10.1.6 單播、多播與廣播 276
10.2 數據報 277
10.2.1 數據報組成結構 277
10.2.2 數據結構 282
10.3 IP層輸出 283
10.3.1 發送數據報 283
10.3.2 數據報分片 286
10.4 IP層輸入 289
10.4.1 數據報接收 290
10.4.2 分片重裝數據結構 294
10.4.3 分片重裝函數 297
10.4.4 分片插入與檢查 300
第11章 網際控制報文協議（ICMP） 303
11.1 基本知識 303
11.1.1 ICMP協議 303
11.1.2 報文交付 304
11.1.3 報文類型 304
11.1.4 報文格式 306
11.1.5 差錯報文 306
11.1.6 查詢報文 308
11.2 ICMP的實現 309
11.2.1 數據結構 310
11.2.2 發送差錯報文 311
11.2.3 ICMP報文的處理 312
11.2.4 ping命令 315
11.2.5 ICMP洪水 316
第12章 用戶數據報協議（UDP） 319
12.1 背景知識 319
12.1.1 傳輸層協議 319
12.1.2 UDP協議 320
12.1.3 端口號 321
12.1.4 UDP報文的交付 322
12.1.5 UDP報文格式 322
12.1.6 UDP偽首部與校驗和 324
12.2 UDP數據結構 325
12.2.1 報文首部結構 325
12.2.2 控制塊 326
12.3 控制塊操作函數 329
12.3.1 使用UDP編程 329
12.3.2 新建控制塊 329
12.3.3 綁定控制塊 329
12.3.4 連接控制塊 331
12.3.5 其他控制塊操作函數 332
12.4 報文處理函數 333
12.4.1 報文的發送 333
12.4.2 報文接收與遞交 335
12.5 測試程序 338
12.5.1 回送程序 338
12.5.2 測試結果 339
12.5.3 回調編程的缺陷 339
第13章 傳輸控制協議（TCP） 341
13.1 協議簡介 341
13.1.1 TCP的必要性 341
13.1.2 TCP的特性 342
13.1.3 連接的定義 344
13.1.4 數據流編號 345
13.1.5 滑動窗口 345
13.2 TCP報文 346
13.2.1 報文格式 346
13.2.2 TCP選項 348
13.2.3 緊急數據 349
13.2.4 強迫數據交互 349
13.2.5 報文首部數據結構 350
13.3 TCP連接 350
13.3.1 建立連接 350
13.3.2 斷開連接 351
13.3.3 復位連接 352
13.3.4 TCP狀態轉換圖 353
13.3.5 特殊的狀態轉換 355
13.4 TCP控制塊 356
13.4.1 控制塊數據結構 356
13.4.2 控制塊鏈表 358
13.4.3 接收窗口 359
13.4.4 發送窗口 359
13.5 TCP編程函數 360
13.5.1 控制塊新建 360
13.5.2 控制塊綁定 361
13.5.3 控制塊偵聽 362
13.5.4 控制塊連接 363
13.5.5 發送數據 364
13.5.6 關閉連接 365
13.5.7 其他函數 366
13.6 TCP輸出處理 366
13.6.1 報文段緩沖 366
13.6.2 報文段構建 367
13.6.3 報文段發送 370
13.7 TCP輸入處理 372
13.7.1 TCP層函數調用流程 372
13.7.2 報文輸入 373
13.7.3 TIME_WAIT狀態的報文處理 376
13.7.4 LISTEN狀態的報文處理 376
13.7.5 SYN攻擊 378
13.7.6 TCP狀態機函數 379
13.7.7 TCP數據輸入 382
13.8 可靠的傳輸服務 387
13.8.1 超時重傳與RTT估計 387
13.8.2 慢啟動與擁塞避免 392
13.8.3 快速重傳與快速恢復 395
13.8.4 糊涂窗口與避免 397
13.8.5 零窗口探查 399
13.8.6 保活機制 401
13.8.7 TCP定時器 403
13.9 測試程序 406
13.9.1 Telnet服務器 406
13.9.2 測試結果 409
第14章 移植操作系統模擬層 411
14.1 移植過程 411
14.1.1 移植綜述 411
14.1.2 添加文件 413
14.1.3 修改頭文件lwipopts.h 414
14.1.4 頭文件sys_arch.h 414
14.1.5 全局變量與初始化 415
14.1.6 信號量函數 416
14.1.7 郵箱函數 417
14.1.8 超時相關函數 420
14.1.9 創建新進程 420
14.2 測試程序 421
14.2.1 初始化函數 421
14.2.2 簡單的HTTP服務器 421
14.2.3 測試結果 422
第15章 用戶編程接口 424
15.1 定時事件 424
15.1.1 定時結構 424
15.1.2 定時鏈表 425
15.1.3 內核進程 427
15.1.4 處理定時事件 428
15.2 消息機制 430
15.2.1 消息結構 430
15.2.2 數據包消息 431
15.2.3 協議棧API實現 432
15.2.4 API消息 434
15.3 協議棧接口 436
15.3.1 用戶數據緩沖netbuf 436
15.3.2 數據緩沖操作 436
15.3.3 連接結構netconn 439
15.3.4 內核回調接口 441
15.3.5 協議棧API函數 443
15.3.6 測試程序 448
15.4 套接字接口 450
15.4.1 socket的實現 450
15.4.2 套接字函數 451
15.4.3 測試程序 453
第16章 最后的戰役 457
16.1 域名解析 457
16.1.1 域名系統（DNS） 457
16.1.2 測試程序 458
16.1.3 測試結果 460
16.2 動態主機配置 460
16.2.1 DHCP協議 460
16.2.2 測試程序 461
16.2.3 測試結果 463
16.3 Internet組管理 464
16.3.1 IGMP協議 464
16.3.2 測試程序 465
16.3.3 測試結果 466
16.4 終結篇 467
16.4.1 常見問題及解決方法 467
16.4.2 故事結局 473
參考文獻 474

1. 計算機網絡實訓教程 [主編 張浩軍 趙玉娟]
2. HCIA-Datacom認證題庫分類精講 [主 編 韓立剛]
3. 網絡規劃設計師備考一本通 [夏杰 編著]
4. 計算機網絡基礎 [主編 宋焱宏 李安邦]
5. 網絡工程師備考一本通 [夏杰 編著]
6. 軟件定義網絡技術與實踐 [主編　但唐仁]
7. 計算機網絡技術項目化教程（微課版） [主編 王艷萍 安華萍]
8. 網絡系統集成 [主編 唐繼勇 孫夢娜]
9. 計算機網絡基礎創新教程（模塊化+課程思政版） [主編 唐繼勇 李旭]
10. 路由交換技術項目化教程 [主編　范國娟]
11. 計算機網絡創新教程 [韓立剛 編著]
12. 數據通信與計算機網絡（第三版） [主 編 季福坤 錢文光]
13. 計算機網絡技術基礎項目式教程 [主 編 柳 青 曾德生]
14. 遨游數字時代——全球IT高管網絡安全秘籍 [[美] Palo Alto Networks 編]
15. 計算機網絡基礎教程 [主 編 趙志茹 張尼奇 王宏斌]
16. 計算機網絡技術基礎 [陳家遷]
17. 網絡規劃設計師5天修煉 [朱小平 施游 編著]
18. 計算機網絡實驗指導 [主編 吳東]
19. 網絡工程師5天修煉（第三版） [朱小平 施游 編著]
20. 計算機網絡原理與應用（第二版） [何小東 編著]
21. 計算機網絡技術實訓教程 [主編 高良誠]
22. 云計算與網絡安全 [主編　肖睿　徐文義]
23. AutoCAD 網絡工程設計教程 [主編　劉通　董燦]
24. 計算機網絡實訓創新教程（基于Cisco IOS） [主編 韓立剛]
25. 計算機網絡原理創新教程 [主編 韓立剛]
26. 深入理解計算機網絡 [王達]
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