ESP32-S3 lwIP
介绍
ESP32-S3 是一款集成了Wi-Fi 和蓝牙功能的微控制器。它的设计初衷是为了方便嵌入式系统的开发。不过你可能会好奇，ESP32-S3 怎么实现与外部网络的通信呢？这里就要提到一个开源的 TCP/IP 协议栈，它叫做lwIP（轻量级 IP）。
通过使用 lwIP 库，ESP32-S3 可以轻松实现与外部网络的交互。它能发送和接收数据包，并处理网络连接等操作。因此，可以说ESP32-S3 是借助lwIP来实现网络功能的利器。
TCP/IP 协议栈是什么
TCP/IP协议栈是一种用于计算机网络通信的协议集合。它包括传输控制协议（TCP）和互联网协议（IP），这两种协议是最早也是最核心的协议。TCP/IP协议栈定义了数据如何在网络中传输，以及如何通过网络地址找到网络上的设备。网络协议体系本身很复杂庞大，内容很多，这里只做简单讲解
TCP/IP 协议栈概述
TCP/IP 协议栈（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）是一组用于计算机网络通信的协议集合。它被设计为模块化结构，每一层都有特定的功能，彼此协同工作，共同实现可靠的数据传输。TCP/IP 协议栈分为四层：应用层、传输层、网络层和数据链路层。
各层次详解
1. 应用层
应用层是 TCP/IP 协议栈的顶层，负责处理特定的应用程序通信。它包含许多常用的协议，每个协议对应不同的应用服务。
| 应用层协议 | 描述 | 示例应用 |
|---|---|---|
| HTTP（HyperText Transfer Protocol） | 用于万维网（WWW）上的数据通信，支持浏览器与服务器之间的交互 | 网页浏览 |
| FTP（File Transfer Protocol） | 用于在网络中传输文件 | 文件传输 |
| SMTP（Simple Mail Transfer Protocol） | 用于电子邮件的发送和接收 | 电子邮件 |
| DNS（Domain Name System） | 将域名解析为 IP 地址，方便用户访问网站 | 域名解析 |
2. 传输层
传输层的主要功能是提供端到端的通信服务，确保数据可靠传输。它有两个主要协议：
| 传输层协议 | 描述 | 特点 |
|---|---|---|
| TCP（Transmission Control Protocol） | 提供可靠的、面向连接的服务 | 通过三次握手建立连接，确保数据包有序和完整传输，提供流量控制和拥塞控制 |
| UDP（User Datagram Protocol） | 提供无连接的服务，适用于需要快速传输且不要求高可靠性的应用 | 没有连接建立和断开过程，不保证数据包的顺序和完整性，但传输延迟较低 |
3. 网络层
网络层负责数据包在网络中的路由选择和转发，主要协议是 IP（Internet Protocol）。
| 网络层协议 | 描述 |
|---|---|
| IP（Internet Protocol） | 负责将数据包从源地址传送到目标地址，提供不可靠、无连接的数据传输服务 |
| ICMP（Internet Control Message Protocol） | 用于网络设备之间发送控制消息，如 Ping 命令用于检测网络连接状态 |
| ARP（Address Resolution Protocol） | 将 IP 地址解析为物理地址（MAC 地址），用于局域网内通信 |
| RARP（Reverse Address Resolution Protocol） | 将物理地址解析为 IP 地址，常用于无盘工作站启动 |
4. 数据链路层
数据链路层负责在物理网络上的数据传输，具体实现取决于底层网络技术，如以太网、Wi-Fi 等。
| 数据链路层协议 | 描述 |
|---|---|
| 以太网（Ethernet） | 规定了物理层和数据链路层的技术标准，使用 MAC 地址进行帧的标识和传输 |
| Wi-Fi | 基于 IEEE 802.11 标准，实现无线局域网通信，包含多种协议和加密方式，确保数据安全传输 |
数据传输过程
以一个简单的 HTTP 请求为例，来说明 TCP/IP 协议栈的工作过程：
| 层次 | 处理步骤 |
|---|---|
| 应用层 | 用户在浏览器中输入网址，浏览器生成 HTTP 请求 |
| 传输层 | HTTP 请求被封装为 TCP 报文，TCP 协议添加源端口、目标端口、序列号等信息 |
| 网络层 | TCP 报文被封装为 IP 数据包，添加源 IP 地址、目标 IP 地址等信息 |
| 数据链路层 | IP 数据包被封装为帧，添加源 MAC 地址、目标 MAC 地址等信息，通过物理网络传输 |
数据在各层之间传递时，每一层都添加自己的头部信息，通过封装和解封装过程，实现数据从源到目的的可靠传输。
🚨有一点需要注意的是，TCP/IP协议栈和传统的OSI模型并不完全一样。TCP/IP协议栈是一个更简化的模型，它更加强调实际的协议实现和因特网的实际运作方式。相比之下，OSI模型更加全面和理想化，它提供了一个框架来描述不同系统之间的交互方式。
lwIP 简介
lwIP（轻量级TCP/IP协议栈）是一个专为嵌入式系统设计的开源TCP/IP协议栈。它被创造得非常小巧，只需占用几十KB的RAM和约40KB的ROM。lwIP提供了一套完整的TCP/IP网络协议功能，包括TCP、UDP、IPv4、IPv6、ICMP、IGMP、SNMP、ARP、PPP等协议。同时，lwIP非常灵活，既可以在无操作系统环境下工作，也能与多种操作系统兼容。这给开发者提供了更大的自由度。它具备内存占用小、代码简单、易于移植等优点，非常适合在像ESP32-S3这样的微控制器上使用。
lwIP 特性参数
| 特性 | 描述 |
|---|---|
| 内存占用 | lwIP 在内存占用方面进行了优化，使其适用于资源受限的嵌入式系统。具体内存占用取决于配置和版本，但通常来说，它可以仅使用十几 KB 的 RAM 和大约 40 KB 的 ROM 即可运行。 |
| 协议实现 | |
| 应用层 | 未实现，需要开发者自行集成或实现特定应用程序 |
| 传输层 | 实现了 TCP/UDP 协议功能 |
| 网络层 | 实现了 IP 协议、ARP 协议和 ICMP 协议功能 |
| 扩展性 | 支持一些实验性的扩展，例如 IPv6 协议 |
| 硬件接口 | |
| WiFi 网络接口 | 支持 WiFi 连接 |
| 以太网网络接口 | 支持以太网连接 |
| 用户编程接口 | |
| RAW | 低级接口，适合高效的网络编程 |
| NETCONN | 中级接口，提供线程安全的函数调用 |
| SOCKET | 高级接口，类似 BSD 套接字，适合应用程序开发 |
| 硬件支持 | 网络接口层的实现依赖于底层硬件和驱动程序。开发者需要根据具体的硬件平台和需求进行相应的配置和优化。 |
| 其他特性 | |
| PPP 协议 | 支持点对点通信协议 |
| DHCP 协议 | 支持动态分配 IP 地址 |
lwIP 与TCP/IP 体系结构的对应关系
lwIP 是一个轻量级的开源 TCP/IP 协议栈，它实现了 TCP/IP 体系结构的核心协议。下面的表格展示了 lwIP 各个模块与 TCP/IP 体系结构各层的对应关系：
| TCP/IP体系结构 | lwIP实现 |
|---|---|
| 应用层 | lwIP提供了TCP/IP协议栈的实现，包括IP、TCP、UDP、ICMP等协议 |
| 传输层 | lwIP实现了TCP和UDP协议 |
| 网络层 | lwIP实现了IP协议 |
| 网络接口层 | lwIP并没有实现，这一层由硬件来实现 |
嘿，看上面那张图，你就能一目了然地明白lwIP软件库主要是怎么一回事。😊 它实际上就是按照TCP/IP的架构分成三个层次：应用层、传输层和网络层。 这几层一起合作来处理和传送数据包，确保数据在网络中可靠地传输。💻可是，网络接口层作为TCP/IP协议栈的最底层，它的功能可不是通过软件能完完全全实现的。🔌 它的主要任务就是把数据包转换成光电模拟信号，这样才能在物理媒介上传输。这个过程涉及到与硬件直接打交道，比如数据的调制解调和信号的转化，这些可都是软件无法模拟或实现的。🔋 所以，虽然lwIP软件库不能负责网络接口层的功能，但是它能够与底层硬件紧密配合，从而提供完整而高效的TCP/IP通信功能。✨ 这也是为什么lwIP成为适用于资源有限的嵌入式系统的最佳选择。💪
WiFi MAC 内核简介
WiFi MAC（媒体访问控制）内核是WiFi通信的核心部分，负责处理WiFi的物理层和数据链路层的任务。ESP32-S3的WiFi MAC内核支持802.11b/g/n协议，可以在2.4GHz频段进行通信。它还支持多种安全协议，包括WEP、WPA/WPA2和WPA3。
关于ESP32的WiFi MAC内核，大致来说，它就是在玩TCP/IP协议的那层网络接口的角色。咱们看看下面这张图来介绍WiFi通讯的情况，就像这张图上面画的那样。
从上图见，ESP32-S3芯片有内置的WiFi MAC内核。咱们发数据到网络时，数据先转成无线信号，然后发到连接的WiFi路由器中。然后，路由器通过网线把数据传到目标主机，完成数据传输。
lwIP Socket 编程接口
为了方便将其他平台上的网络应用程序移植到lwIP，并让更多开发者快速上手，作者设计了三种应用程序编程接口：2️⃣RAW 、2️⃣NETCONN 和2️⃣Socket 。RAW接口只适用于无操作系统环境，对于ESP32内嵌FreeRTOS操作系统来说无法使用。Socket接口更简易实现了网络连接（作者推荐使用），因此，为了网络连接，建议使用Socket API。
lwIP Socket API
在LwIP中，Socket API是基于NETCONN API之上来实现的。以下是lwIP中的一些主要Socket API：
socket()：这个函数的功能是向内核申请一个套接字。bind()：该函数的功能与netconn_bind()函数是一样的，用于服务器端绑定套接字与网卡信息。connect()：用于建立与指定套接字的连接。listen()：用于监听指定套接字的连接请求。accept()：用于接受连接请求。read(),recv(),recvfrom()：用于从套接字接收数据。sendto(),send(),write()：用于向套接字发送数据。close()：用于关闭套接字。ioctl(),ioctlsocket()：用于控制套接字的行为。setsockopt()：用于设置套接字选项。getsockopt()：用于获取套接字选项。
更详细的信息，可以参考这篇文章。
总结
参考资料
正点原子DNESP32S3 开发板教程-IDF 版
乐鑫编程指南 lwIP
