嵌入式网络那些事

本书面向网络TCP/IP协议初学者以及大量嵌入式网络开发人员，从当下流行的嵌入式网络协议栈LwIP的源代码入手，详细讲解TCP/IP协议的各层机制及其实现原理。同时，通过搭建简单的实验环境，本书还详细阐述LwIP在嵌入式设备组网过程中的移植过程、应用编程案例、编程框架、注意事项等。
本书共分为四大部分，靠前部分讲解基于STM32平台下LwIP的移植过程，其中包括了LwIP代码组织结构与特点，以及LwIP裸机移植通用流程；第二部分，以LwIP源代码为基础，以网络数据包在协议栈内部的递交顺序做导向，结合TCP／IP协议基本知识，依次讲解LwIP内核各个模块的实现机制，包括数据包管理、网络接口管理、ARP、IP、ICMP、UDP、TCP等；第三部分，讲解LwIP上层API实现机制，以及常见的网络应用程序结构以及编程方法，以及LwIP其他不错应用，如IGMP、DNS、DHCP等；第四部分，讲解内核调试、协议栈稳定性和性能、并发服务器设计等，以及LwIP在具体项目中的应用和实践过程，同时还包括了LwIP在实际应用中常见的问题及解决方法。
本书可作为TCP/IP学习者的快速入门及精通的指导书籍，还可作为广大嵌入式网络开发人员的参考手册。

朱升林，非有名码农，法号及网名“老衲五木”，风靡网络的电子书《LwIP协议栈源码详解——TCP/IP协议的实现》及热卖图书《嵌入式网络那些事：LwIP协议深度剖析与实战演练》作者。对TCP/IP有丰富的实践经验和深入独到的理解，长期从事物联网热点技术如（ZigBee、Wi-Fi、HFRFID、UHFRFID）的研究与应用。目前在靠前某知名通信公司从事软件研发工作。

前言
第1章实验平台背后的故事1
1.1嵌入式网络技术一统江湖1
1.1.1嵌入式网络的发展现状1
1.1.2嵌入式LwIP协议栈4
1.2基于STM32的实验平台浅析6
1.2.1STM32处理器的兴起6
1.2.2实验平台简介9
1.2.3网卡连接情况11
1.3本书主要内容12
第2章LwIP协议栈初体验15
2.1庐山真面目之LwIP代码结构15
2.1.1LwIP简介15
2.1.2源代码结构17
2.2怎样用SI阅读源代码22
2.3千里之行从LwIP框架做起27
2.3.1协议栈分层思想27
2.3.2进程模型30
2.3.3协议栈编程接口31
第3章LwIP移植初探——无操作系统模拟层35
3.1移植说明35
3.2移植头文件37
3.3网卡驱动编写40
3.4安装系统时钟47
3.5协议栈初始化47
3.6查询接收数据包49
3.7数据包中断接收51
3.8如何定位Ping问题53
第4章内核动力之源——内存管理55
4.1内存管理背后的故事55
4.1.1内存管理概述55
4.1.2常见内存分配策略57
4.2以不变应万变——动态内存池59
4.2.1数据结构描述59
4.2.2函数实现65
4.3见招拆招——动态内存堆67
4.3.1数据结构描述67
4.3.2函数实现69
4.4其他内存分配策略74
第5章网络数据包——内核血液78
5.1数据包管理的必要性78
5.1.1LwIP的分层特点78
5.1.2协议进程模型80
5.2数据包管理原理大揭密80
5.2.1数据包结构pbuf81
5.2.2pbuf的类型82
5.2.3数据包申请函数85
5.2.4数据包释放函数88
5.2.5其他数据包操作函数90
第6章网络抽水机——网络接口管理92
6.1引言92
6.2接口管理的始与末93
6.2.1数据结构93
6.2.2函数实现96
6.3特殊的网络接口——环回99
6.3.1实现原理99
6.3.2应用程序环回通信实战102
6.4如何动态更改IP地址109
6.4.1重要函数109
6.4.2实战程序110
第7章漫漫鹊桥路——ARP协议113
7.1ARP协议之扫盲篇113
7.1.1物理地址与网络地址113
7.1.2ARP协议的本质115
7.2关键数据结构117
7.2.1ARP表117
7.2.2ARP报文121
7.3ARP之数据包引进来126
7.3.1以太网数据包递交126
7.3.2ARP数据包处理129
7.3.3ARP攻击131
7.3.4ARP缓存表的更新132
7.4ARP之数据包走出去137
7.4.1ARP层数据处理总流程138
7.4.2广播包与多播包的发送138
7.4.3单播包的发送140
第8章互联网身份证——网际协议（IP）144
8.1IP协议之扫盲班144
8.1.1概述144
8.1.2IP地址145
8.1.3特殊IP地址147
8.1.4子网划分与子网掩码148
8.1.5网络地址转换（NAT）150
8.1.6单播、多播与广播151
8.2什么是IP数据报153
8.2.1数据报组成结构153
8.2.2数据结构158
8.3IP数据报之走出去159
8.3.1发送数据报159
8.3.2数据报分片162
8.4IP数据报之引进来166
8.4.1数据报接收166
8.4.2分片重装数据结构171
8.4.3分片重装函数174
8.4.4分片插入与检查178
第9章互联网医生——ICMP协议182
9.1ICMP扫盲班182
9.1.1ICMP协议182
9.1.2报文交付183
9.1.3报文类型184
9.1.4报文格式185
9.1.5差错报文185
9.1.6查询报文188
9.2ICMP实现大起底189
9.2.1数据结构189
9.2.2发送差错报文191
9.2.3ICMP报文的处理192
9.2.4ping命令196
9.2.5ICMP洪水197
9.3如何发送Ping请求198
9.3.1实现原理——raw_pcb199
9.3.2发送ping请求200
9.3.3测试结果203
第10章RawAPI无招胜有招之UDP篇205
10.1UDP协议扫盲班205
10.1.1传输层协议205
10.1.2UDP协议206
10.1.3端口号207
10.1.4UDP报文的交付208
10.1.5UDP报文格式209
10.1.6UDP伪首部与校验和210
10.2UDP数据结构详解212
10.2.1报文首部结构212
10.2.2控制块212
10.3UDPRAW编程秘籍216
10.3.1使用UDP编程216
10.3.2新建控制块216
10.3.3绑定控制块217
10.3.4连接控制块218
10.3.5其他控制块操作函数219
10.4UDPRAW编程初体验220
10.4.1UDP编程秘诀220
10.4.2回送程序221
10.4.3测试结果222
10.4.4回调编程的缺陷224
10.5内核报文处理细节224
10.5.1报文的发送224
10.5.2报文接收与递交228
10.6挑战更复杂的UDP应用231
10.6.1使用TFTP传送文件231
10.6.2应用程序实现234
10.6.3TFTP测试结果242
第11章RawAPI无招胜有招之TCP篇244
11.1TCP协议大揭秘244
11.1.1TCP的必要性244
11.1.2TCP的特性245
11.1.3连接的定义247
11.1.4数据流编号248
11.1.5滑动窗口248
11.2TCP入门——报文249
11.2.1报文格式249
11.2.2TCP选项251
11.2.3紧急数据252
11.2.4强迫数据交互253
11.2.5报文首部数据结构253
11.3TCP基础——连接254
11.3.1建立连接254
11.3.2断开连接255
11.3.3复位连接256
11.3.4TCP状态转换图257
11.3.5特殊的状态转换259
11.4TCP核心——控制块260
11.4.1控制块数据结构260
11.4.2控制块链表263
11.4.3接收窗口264
11.4.4发送窗口264
11.5TCPRAW编程秘诀265
11.5.1控制块新建265
11.5.2控制块绑定267
11.5.3控制块侦听267
11.5.4控制块连接268
11.5.5发送数据270
11.5.6关闭连接270
11.5.7其他函数272
11.6TCPRAW编程初体验272
11.6.1TCP编程本质272
11.6.2HTTP服务器278
11.6.3打不死的客户端280
11.7TCP输出处理细节放送283
11.7.1报文段缓冲283
11.7.2报文段构建285
11.7.3报文段发送287
11.8TCP输入处理细节放送289
11.8.1TCP层函数调用流程289
11.8.2报文输入291
11.8.3TIME_WAIT状态的报文处理294
11.8.4LISTEN状态的报文处理294
11.8.5SYN攻击296
11.8.6TCP状态机函数297
11.8.7TCP数据输入301
11.9可靠的传输服务305
11.9.1超时重传与RTT估计306
11.9.2慢启动与拥塞避免311
11.9.3快速重传与快速恢复314
11.9.4糊涂窗口与避免316
11.9.5零窗口探查319
11.9.6保活机制321
11.9.7TCP定时器322
11.10挑战更复杂的TCP应用327
11.10.1Telnet服务器327
11.10.2测试结果333
第12章LwIP乾坤大挪移——操作系统
模拟层335
12.1模拟层是怎样炼成的336
12.1.1移植综述336
12.1.2添加文件338
12.1.3修改头文件lwipopts.h339
12.1.4头文件sys_arch.h339
12.1.5全局变量与初始化340
12.1.6信号量函数341
12.1.7邮箱函数343
12.1.8创建新进程348
12.1.9修改内核初始化函数349
12.1.10移植结果测试350
12.2SequentialAPI牛刀小试350
12.2.1回显服务器351
12.2.2Web服务器352
12.2.3操作系统下的rawAPI355
第13章SequentialAPI大显身手356
13.1探秘内核定时事件356
13.1.1定时结构356
13.1.2定时链表357
13.1.3内核进程359
13.1.4处理定时事件361
13.2论消息机制的重要性363
13.2.1消息结构363
13.2.2数据包消息364
13.2.3协议栈API实现365
13.2.4API消息367
13.3协议栈接口全搜罗369
13.3.1用户数据缓冲netbuf369
13.3.2如何操作数据缓冲371
13.3.3连接结构netconn373
13.3.4内核回调接口375
13.3.5协议栈API秘籍377
13.4SequentialAPI大会战383
13.4.1网页控制设备383
13.4.2UDP性能测试386
13.4.3TCP性能测试388
13.4.4并发服务器390
第14章万剑归宗之Socket编程395
14.1套接字接口来龙去脉395
14.1.1如何实现Socket395
14.1.2套接字函数秘籍397
14.2Socket实战大串烧401
14.2.1智能的TCP客户端402
14.2.2UDP时间服务器404
14.2.3Winsock客户端设计406
14.3基于Select的并发服务器408
14.3.1神奇的Select函数409
14.3.2Select原理全解析410
14.3.3Select实战——并发服务器419
第15章LwIP工程实战——物联网关424
15.1项目背景424
15.1.1中央空调系统与温控器424
15.1.2新需求的出现427
15.1.3要做什么与如何去做430
15.2智能网络温控器431
15.2.1温控器实现方案431
15.2.2ModbusTCP服务器432
15.3物联网关设计440
15.3.1物联网关实现方案440
15.3.2网关服务器441
15.4现场调试与测试446
15.4.1温控器测试446
15.4.2物联网关测试447
第16章天下之术皆为我用——LwIP高级篇449
16.1外网访问之道——域名解析449
16.1.1域名系统（DNS）449
16.1.2DNS牛刀小试450
16.1.3下载外网数据453
16.2如何自动分配IP地址——DHCP456
16.2.1DHCP大讲堂456
16.2.2DHCP之实现详解458
16.2.3是骡子是马——遛遛DHCP460
16.3如何实现组播——Internet组管理464
16.3.1IGMP协议大讲堂464
16.3.2IGMP组播实践465
第17章最后的战役468
17.1如何配置协议栈468
17.1.1内核配置文件opt.h468
17.1.2如何提高TCP性能471
17.2内核调试常用方法472
17.2.1内核日志输出472
17.2.2网络调试助手474
17.2.3Wireshark抓包475
17.3为了更好的明天476
17.3.1常见移植问题476
17.3.2常见应用问题478
17.4故事结局483
参考文献484