嵌入式网络那些事：STM32物联实战

朱升林欧阳骏杨晶

扉页
前言
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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
1.2.1 STM32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
LwIP协议栈初体验 15
2.1 庐山真面目之LwIP代码结构 15
2.1.1 LwIP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
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
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
网络数据包——内核血液 78
5.1 数据包管理的必要性 78
5.1.1 LwIP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pbuf 81
5.2.2 pbuf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
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
漫漫鹊桥路——ARP协议 113
7.1 ARP协议之扫盲篇 113
7.1.1 物理地址与网络地址 113
7.1.2 ARP协议的本质 115
7.2 关键数据结构 117
7.2.1 ARP表 117
7.2.2 ARP报文 121
7.3 ARP之数据包引进来 126
7.3.1 以太网数据包递交 126
7.3.2 ARP数据包处理 129
7.3.3 ARP攻击 131
7.3.4 ARP缓存表的更新 132
7.4 ARP之数据包走出去 137
7.4.1 ARP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
互联网身份证——网际协议（IP） 144
8.1 IP协议之扫盲班 144
8.1.1 概述 144
8.1.2 IP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
8.3 IP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
8.4 IP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
互联网医生——ICMP协议 182
9.1 ICMP扫盲班 182
9.1.1 ICMP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
9.2 ICMP实现大起底 189
9.2.1 数据结构 189
9.2.2 发送差错报文 191
9.2.3 ICMP报文的处理 192
9.2.4 ping命令 196
9.2.5 ICMP洪水 197
9.3 如何发送Ping请求 198
9.3.1 实现原理——raw_pcb 199
9.3.2 发送ping请求 200
9.3.3 测试结果 203
Raw API无招胜有招之UDP篇 205
10.1 UDP协议扫盲班 205
10.1.1 传输层协议 205
10.1.2 UDP协议 206
10.1.3 端口号 207
10.1.4 UDP报文的交付 208
10.1.5 UDP报文格式 209
10.1.6 UDP伪首部与校验和 210
10.2 UDP数据结构详解 212
10.2.1 报文首部结构 212
10.2.2 控制块 212
10.3 UDP RAW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
10.4 UDP RAW编程初体验 220
10.4.1 UDP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
10.6.3 TFTP测试结果 242
Raw API无招胜有招之TCP篇 244
11.1 TCP协议大揭秘 244
11.1.1 TCP的必要性 244
11.1.2 TCP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
11.2 TCP入门——报文 249
11.2.1 报文格式 249
11.2.2 TCP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
11.3 TCP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
11.3.4 TCP状态转换图 257
11.3.5 特殊的状态转换 259
11.4 TCP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
11.5 TCP RAW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
11.6 TCP RAW编程初体验 272
11.6.1 TCP编程本质 272
11.6.2 HTTP服务器 278
11.6.3 打不死的客户端 280
11.7 TCP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
11.8 TCP输入处理细节放送 289
11.8.1 TCP层函数调用流程 289
11.8.2 报文输入 291
11.8.3 TIME_WAIT状态的报文处理 294
11.8.4 LISTEN状态的报文处理 294
11.8.5 SYN攻击 296
11.8.6 TCP状态机函数 297
11.8.7 TCP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
11.9.7 TCP定时器 322
11.10 挑战更复杂的TCP应用 327
11.10.1 Telnet服务器 327
11.10.2 测试结果 333
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.h 339
12.1.4 头文件sys_arch.h 339
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
12.2 Sequential API牛刀小试 350
12.2.1 回显服务器 351
12.2.2 Web服务器 352
12.2.3 操作系统下的raw API 355
Sequential API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
13.2.4 API消息 367
13.3 协议栈接口全搜罗 369
13.3.1 用户数据缓冲netbuf 369
13.3.2 如何操作数据缓冲 371
13.3.3 连接结构netconn 373
13.3.4 内核回调接口 375
13.3.5 协议栈API秘籍 377
13.4 Sequential API大会战 383
13.4.1 网页控制设备 383
13.4.2 UDP性能测试 386
13.4.3 TCP性能测试 388
13.4.4 并发服务器 390
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Socket 395
14.1.2 套接字函数秘籍 397
14.2 Socket实战大串烧 401
14.2.1 智能的TCP客户端 402
14.2.2 UDP时间服务器 404
14.2.3 Winsock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
14.3.2 Select原理全解析 410
14.3.3 Select实战——并发服务器 419
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
15.2.2 Modbus TCP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
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
16.1.2 DNS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——DHCP 456
16.2.1 DHCP大讲堂 456
16.2.2 DHCP之实现详解 458
16.2.3 是骡子是马——遛遛DHCP 460
16.3 如何实现组播——Internet组管理 464
16.3.1 IGMP协议大讲堂 464
16.3.2 IGMP组播实践 465
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.h 468
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
17.2.3 Wireshark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