LWIP(二)——LWIP有3种编程接口，RAW、NETCONN和SOCKET

目录

1. RAW

2. NETCONN

3、SOCKET

        LWIP有3种编程接口，RAW、NETCONN和SOCKET。它们的易用性从左到右依次提高，而执行效率从左到右依次降低，用户可以根据实际情况，平衡利弊，选择合适的 API 进行网络应用程序的开发。

1. RAW

        RAW/Callback API 是指内核回调型的 API， 这在许多通信协议的 C 语言实现中都有所应用。

        RAW/Callback API 是 LwIP 的一大特色， 在没有操作系统支持的裸机环境中，只能使用这种 API 进行开发，同时这种 API 也可以用在操作系统环境中。

        这里先简要说明一下“回调”的概念。 你新建了一个 TCP 或者 UDP 的连接，你想等它接收到数据以后去处理它们， 这时你需要把处理该数据的操作封装成一个函数，然后将这个函数的指针注册到LwIP 内核中。 LwIP 内核会在需要的时候去检测该连接是否收到数据，如果收到了数据，内核会在第一时间调用注册的函数，这个过程被称为“回调”，这个注册函数被称为“回调函数”。 这个回调函数中装着你想要的业务逻辑，在这个函数中，你可以处理接收到的数据，也可以发送任何数据，也就是说，这个回调函数就是你的应用程序。

        到这里，我们可以发现， 在回调编程中， LwIP 内核把数据交给应用程序的过程就只是一次简单的函数调用，这是非常节省时间和空间资源的。 每一个回调函数实际上只是一个普通的 C 函数，这个函数在 TCP/IP 内核中被调用。每一个回调函数都作为一个参数传递给当前 TCP 或UDP 连接。而且，为了能够保存程序的特定状态，可以向回调函数传递一个指定的状态，并且这个指定的状态是独立于 TCP/IP 协议栈的。 

　　在有操作系统的环境中， 如果使用 RAW/Callback API，用户的应用程序就以回调函数的形式成为了内核代码的一部分， 用户应用程序和内核程序会处于同一个线程之中，这就省去了任务间通信和切换任务的开销了。

　　简单来说， RAW/Callback API 的优点有两个：

　　（1）可以在没有操作系统的环境中使用。
　　（2） 在有操作系统的环境中使用它， 对比另外两种 API， 可以提高应用程序的效率、节省内存开销。

　　RAW/Callback API 的优点是显著的，但缺点也是显著的：
　　（1） 基于回调函数开发应用程序时的思维过程比较复杂。在后面与 RAW/CallbackAPI 相关的章节中可以看到， 利用回调函数去实现复杂的业务逻辑时， 会很麻烦，而且代码的可读性较差。
　　（2） 在操作系统环境中， 应用程序代码与内核代码处于同一个线程，虽然能够节省任务间通信和切换任务的开销，但是相应地，应用程序的执行会制约内核程序的执行，不同的应用程序之间也会互相制约。 在应用程序执行的过程中，内核程序将不可能得到运行，这会影响网络数据包的处理效率。如果应用程序占用的时间过长，而且碰巧这时又有大量的数据包到达， 由于内核代码长期得不到执行，网卡接收缓存里的数据包就持续积累，到最后很可能因为满载而丢弃一些数据包，从而造成丢包的现象。

2. NETCONN

        在操作系统环境中，可以使用 NETCONN API 或者 Socket API 进行网络应用程序的开发。 NETCONN API 是基于操作系统的 IPC 机制（即信号量和邮箱机制） 实现的， 它的设计将 LwIP 内核代码和网络应用程序分离成了独立的线程。如此一来， LwIP 内核线程就只负责数据包的 TCP/IP 封装和拆封，而不用进行数据的应用层处理，大大提高了系统对网络数据包的处理效率。

　　前面提到，使用 RAW/Callback API 会造成内核程序和网络应用程序、 不同网络应用程序之间的相互制约，如果使用 NETCONN API 或者 Socket API，这种制约将不复存在。

　　在操作系统环境中， LwIP 内核会被实现为一个独立的线程， 名为 tcpip_thread，使用NETCONN API 或者 Socket API 的应用程序处在不同的线程中，我们可以根据任务的重要性，分配不同的优先级给这些线程，从而保证重要任务的时效性， 分配优先级的原则具体见下表。

        NETCONN API 使用了操作系统的 IPC 机制， 对网络连接进行了抽象，用户可以像操作文件一样操作网络连接（打开/关闭、读/写数据）。 但是 NETCONN API 并不如操作文件的 API 那样简单易用。

        举个例子，调用 f_read 函数读文件时，读到的数据会被放在一个用户指定的数组中，用户操作起来很方便，而 NETCONN API 的读数据 API，就没有那么人性化了。 用户获得的不是一个数组，而是一个特殊的数据结构 netbuf，用户如果想使用好它，就需要对内核的 pbuf 和 netbuf 结构体有所了解。 NETCONN API 之所以采取这种不人性的设计，是为了避免数据包在内核程序和应用程序之间发生拷贝，从而降低程序运行效率。当然， 用户如果不在意数据递交时的效率问题， 也可以把 netbuf 中的数据取出来拷贝到一个数组中，然后去处理这个数组。

　　简单来说， NETCONN API 的优缺点是:

　　（1） 相较于 RAW/Callback API， NETCONN API 简化了编程工作，使用户可以按照操作文件的方式来操作网络连接。 但是，内核程序和网络应用程序之间的数据包传递，需要依靠操作系统的信号量和邮箱机制完成，这需要耗费更多的时间和内存，另外还要加上任务切换的时间开销，效率较低。
　　（2） 相较于 Socket API， NETCONN API 避免了内核程序和网络应用程序之间的数据拷贝，提高了数据递交的效率。 但是， NETCONN API 的易用性不如 Socket API 好，它需要用户对 LwIP 内核所使用数据结构有一定的了解。

3、SOCKET

　　Socket，即套接字，它对网络连接进行了高级的抽象，使得用户可以像操作文件一样操作网络连接。它十分易用， 许多网络开发人员最早接触的就是 Socket 编程， Socket 已经成为了网络编程的标准。在不同的系统中，运行着不同的 TCP/IP 协议，但是只要它实现了Socket 的接口，那么用 Socket 编写的网络应用程序就能在其中运行。可见用 Socket 编写的网络应用程序具有很好的可移植性。

　　不同的系统有自己的一套 Socket 接口。 Windows 系统中支持的是 WinSock，UNIX/Linux 系统中支持的是 BSD Socket，它们虽然风格不一致， 但大同小异。 LwIP 中的Socket API 是 BSD Socket。但是 LwIP 并没有也没办法实现全部的 BSD Socket，如果开发人员想要移植 UNIX/Linux 系统中的网络应用程序到使用 LwIP 的系统中，就要注意这一点。

　　相较于 NETCONN API， Socket API 具有更好的易用性。使用 Socket API 编写的程序可读性好，便于维护，也便于移植到其它的系统中。 Socket API 在内核程序和应用程序之间存在数据的拷贝，这会降低数据递交的效率。 另外， LwIP 的 Socket API 是基于NETCONN API 实现的，所以效率上相较前者要打个折扣。