LwIP分析#002#在Linux上运行LwIP的第二种方法

书接上文《LwIP分析之在Linux上运行LwIP的第一种方法》，第一种运行LwIP协议栈的方法，因对源码有侵入性，所以我们不作推荐。本文介绍是第二种方法，该方法只需要修改相应的源码配置，即可在本地运行起来。然后在本地使用curl可以调试服务端的httpd服务（其他功能开启方法类似，请读者自行研究）。

方法二的基本原理

该方法，我们直接使用LwIP官方提供的contrib示例代码，contrib针对Linux的移植文件目录是lwip-STABLE-2_2_0_RELEASE/contrib/ports/unix。

• 该方法的核心原理是通过创建TAP/TUN虚拟网卡 tap0，使用该虚拟网卡连接主机TCP/IP协议栈和LwIP协议栈。
• 我们知道TAP虚拟网卡 tap0 的一端默认连接主机Linux协议栈，另一端如同真实网卡的网线接入口。
• 而contrib提供的 example_app 服务程序，依据TAP虚拟网卡的编码方法，监听虚拟网卡 tap0 的另一端。然后该程序可以接收 tap0 另一端发过来的数据，也可以给另一端发送数据。
• 客户端通过调用curl向服务端也就是LwIP协议栈发送数据时，该数据是先发往本机Linux协议栈，通过Linux协议栈的应用层、Linux协议栈的传输层，到达Linux协议栈的网络层（IP层）之后，Linux协议栈根据路由表发现，发给LwIP的数据需要从虚拟网卡 tap0 发出。
• Linux协议栈向 tap0 发出数据之后，tap0 的另一端接到通知有数据到达，此时LwIP的服务程序 example_app ，开始从网卡读取数据包，将这些数据包抛给 LwIP 协议栈，然后数据包开始在LwIP协议栈中逐层流转和处理。
• LwIP协议栈的数据链路层、网络层、传输层依次处理之后，到达应用层的httpd功能服务模块，httpd分析http请求处理之后，根据http请求，原路返回一段 html 文件。

其请求数据流转图，可使用下图描述：

修改相关配置

首先，先下载源代码并解压，使用如下命令：

$ wget https://github.com/lwip-tcpip/lwip/archive/refs/tags/STABLE-2_2_0_RELEASE.tar.gz

第一步：创建配置文件 lwipcfg.h。

我们在 lwip-STABLE-2_2_0_RELEASE/contrib/examples/example_app 目录下创建配置文件 lwipcfg.h ，本文复制同目录的 lwipcfg.h.example 文件。使用下面的命令：

$ cd lwip-STABLE-2_2_0_RELEASE/contrib/examples/example_app
$
$ cp lwipcfg.h.example lwipcfg.h

创建过程如下图所示：

第二步：修改配置文件 lwipcfg.h

第一处源文件内容：

/* If these 2 are not defined, the corresponding config setting is used */
/* #define USE_DHCP    0 */
/* #define USE_AUTOIP  0 */

第一处修改后内容：

/* If these 2 are not defined, the corresponding config setting is used */
#define USE_DHCP    0 
#define USE_AUTOIP  0

目的是禁止使用DHCP和AUTOIP，服务使用我们自己指定的IP。

第二处源文件内容：

#define LWIP_PORT_INIT_IPADDR(addr)   IP4_ADDR((addr), 192,168,1,200)
#define LWIP_PORT_INIT_GW(addr)       IP4_ADDR((addr), 192,168,1,1)

第二处修改后内容：

#define LWIP_PORT_INIT_IPADDR(addr)   IP4_ADDR((addr), 192,168,3,200)
#define LWIP_PORT_INIT_GW(addr)       IP4_ADDR((addr), 192,168,3,1)

由于我本地局域网192.168.0.0/24和192.168.1.0/24是真实网络，为了不产生路由冲突，我把LwIP的IP地址配置在了192.168.3.0/24，所以才做上述修改。如果你的网络没有使用上述网段，可以不做修改。

第三处源文件内容：

#define LWIP_HTTPD_APP                0

第三处修改后内容：

#define LWIP_HTTPD_APP                1

目的是打开httpd服务，然后我们可以使用curl访问LwIP协议栈上的http服务。如果要测试其他功能，方法类似。

经过创建和修改 lwipcfg.h 配置文件之后，修改前和修改后的对比如下图所示：

大家也可以直接下载查看我配置的 lwipcfg.h 。

编译LwIP

配置文件修改完成之后，进入 lwip-STABLE-2_2_0_RELEASE/contrib/ports/unix/example_app 目录，开始编译LwIP。

$ cd lwip-STABLE-2_2_0_RELEASE/contrib/ports/unix/example_app
$
$ make

编译过程如下图所示：

编译完成之后，本地生成 example_app 和 makefsdata 两个可执行程序，其中 example_app 就是我们需要的测试程序。

运行LwIP

首先注意一点，LwIP的测试代码会自动调用 ifconfig 命令。所以如果你当前机器上没有安装，需要提前使用如下命令安装 ifconfig：

$ sudo apt install net-tools

第一步：使用root权限，启动 example_app 服务端程序，启动过程和结果如下图所示：

第二步：在使用客户端调用 example_app 之前，我们先分析下该服务程序的启动对系统的影响：

首先，我们先看下对当前系统网络接口的影响情况：
下图是启动 example_app 服务端之前的网卡列表：

下图是启动 example_app 服务端之后的网卡列表：

可见，example_app 启动之后，该服务程序创建了一个TAP/TUN类型的虚拟网卡，并为其配置了IP地址192.168.3.1。

然后，我们再看下对当前系统路由表的影响情况：
下图是启动 example_app 服务端之前的路由表：

下图是启动 example_app 服务端之后的路由表：

• 前文提到过，example_app 服务端的运行依赖 ifconfig 命令。
• 这里就可以看的出来，服务程序会调用 ifconfig 来配置虚拟网卡：/sbin/ifconfig tap0 inet 192.168.3.1 netmask 255.255.255.0。
• 它这样做的目的是给虚拟网卡配置一个IP，同时添加一条路由规则。192.168.3.1将作为192.168.3.0/24网段的默认网关，告诉主机协议栈，发往192.168.3.0/24的数据，需发往 tap0 这个网络接口。

第三步：使用curl开始调用服务端

我们新启一个本机的仿真终端，然后向 example_app 服务端发起http请求：

$ curl http://192.168.3.200

调用成功之后，如下图所示的一样，服务端会返回html片段：

至此，我们在本地可以正确的调用LwIP协议栈，而LwIP也能够正常处理请求，并将处理结果返回给我们，达成了在Linux上运行协议栈的目的。

但当前的这种方法，也存在一个问题：

对服务端的调用请求，只能从本机发起请求，而不能从其他主机来访问 example_app。

如果只是为了测试和调试，该方法完全满足需要。

如果希望可以从本机或者其他主机，都能调起LwIP协议栈，请看后续博文介绍第三种方法。