# ESP-NETIF

[English]

ESP-NETIF 库的作用主要体现在以下两方面：

- 在 TCP/IP 协议栈之上为应用程序提供抽象层，允许应用程序在 IP 栈间选择。

- 在底层 TCP/IP 协议栈 API 非线程安全的情况下，也能提供线程安全的 API。

ESP-IDF 目前只为 lwIP TCP/IP 协议栈实现了 ESP-NETIF。然而，该适配器本身不依赖于特定的 TCP/IP 实现，因而支持不同实现方式。

一些 ESP-NETIF API 函数是为应用程序代码调用而设计的，例如获取或设置接口 IP 地址和配置 DHCP，其他函数则由网络驱动层的内部 ESP-IDF 使用。大多数情况下，应用程序不需要直接调用 ESP-NETIF API，因为这些 API 由默认的网络事件处理程序调用。

如果你只对默认配置下的常见网络接口感兴趣，请参考 ESP-NETIF 用户指南，查看如何初始化默认接口并注册事件处理程序。

如果想了解更多关于 ESP-NETIF 库与其他组件交互的信息，请参考 ESP-NETIF 架构。

如果想自定义应用程序的网络接口，例如设置静态 IP 地址或在运行时更新配置，请参考 ESP-NETIF 编程指南。

如果想开发自己的网络驱动程序，实现对新 TCP/IP 协议栈的支持或以其他方式自定义 ESP-NETIF，请参考 ESP-NETIF 开发者指南。

## ESP-NETIF 用户指南

通常只需要在启动后创建一个默认的网络接口，并在关闭时销毁它即可（请参阅 初始化）。在分配新 IP 地址或失去 IP 地址时接收通知也是非常有用的（请参阅 IP 事件）。

### 初始化

ESP-NETIF 组件使用了系统事件，典型的网络启动代码如下所示（为了清晰起见，省略了错误处理部分，完整版启动代码请参阅 ethernet/basic/main/ethernet_example_main.c）：

    // 1) 初始化 TCP/IP 协议栈和事件循环
    esp_netif_init();
    esp_event_loop_create_default();

    // 2) 创建网络接口句柄
    esp_netif = esp_netif_new(&config);

    // 3) 创建网络接口驱动程序（如以太网）及其网络层连接
    // 并注册 ESP-NETIF 事件（如，在发生连接事件时将启用接口）
    esp_netif_glue_t glue = driver_glue(driver);

    // 4) 将驱动程序的胶水层附加到网络接口句柄上
    esp_netif_attach(esp_netif, glue);

    // 5) 注册用户端的事件处理程序
    esp_event_handler_register(DRIVER_EVENT, ...);  // 观察驱动状态，例如链路连接
    esp_event_handler_register(IP_EVENT, ...);      // 观察 ESP-NETIF 状态，例如获取 IP

备注

以上步骤需严格按照顺序执行，因为网络接口驱动程序注册系统事件时会使用默认的事件循环。

> - 默认的事件循环应在初始化接口驱动程序 之前 创建，因为驱动程度通常需要注册系统事件处理程序。

> - 注册应用程序事件处理程序应在调用 `esp_netif_attach()` 之后 进行，因为事件处理程序按其注册顺序被调用。为了确保系统处理程序先被调用，应该在其后注册应用处理程序。

步骤 `2)`、`3)`、`4)` 对于大多数常见用例来说相当复杂，因此 ESP-NETIF 提供了一些预配置的接口和便利函数，从而使用最常见的配置创建最常见的网络接口。

备注

每个网络接口都需要单独初始化，因此如果要使用多个接口，必须为每个接口运行步骤 `2)` 到步骤 `5)`，而步骤 `1)` 仅需执行一次。

有关如何创建和配置接口并将网络接口驱动程序附加到接口（步骤 `2)`、`3)`、`4)`），请参阅 常见的网络接口。

有关如何使用 ESP-NETIF 事件处理程序（步骤 `5)`），请参阅 IP 事件。

#### 常见的网络接口

初始化网络接口可能有些复杂，ESP-NETIF 提供了一些创建常见接口（例如 Wi-Fi 和以太网）的快捷方式。

请参考以下示例来了解如何初始化默认接口：

- wifi/getting_started/station 演示了如何使用 station 功能将 ESP32-S3 连接到 AP。

- wifi/getting_started/softAP 演示了如何使用 SoftAP 功能将 ESP32-S3 配置为 AP。

- ethernet/basic 演示了如何使用以太网驱动程序，将其添加到 esp_netif，并获取一个可 ping 的 IP 地址。

- protocols/l2tap 演示了如何使用 ESP-NETIF L2 TAP 接口访问数据链路层，以接收和传输帧，实现非 IP 协议，并使用特定的 EthTypes 回显以太网帧。

- protocols/static_ip 演示了如何将 Wi-Fi 配置为 station，包括设置静态 IP、子网掩码、网关和 DNS 服务器。

#### Wi-Fi 默认初始化

初始化代码以及注册默认接口（例如 softAP 和基站）的事件处理程序都在单独的 API 中提供，从而简化应用程序的启动代码：

- `esp_netif_create_default_wifi_sta()`

- `esp_netif_create_default_wifi_ap()`

请注意，这些函数会返回 `esp_netif` 句柄，即分配并配置了默认设置的网络接口对象的指针，这意味着：

- 如果应用程序使用 `esp_netif_destroy_default_wifi()` 提供网络去初始化，则创建的对象必须被销毁。

- 这些 默认 接口不能被多次创建，除非使用 `esp_netif_destroy_default_wifi()` 删除已创建的句柄。

- 在 `AP+STA` 模式下使用 Wi-Fi 时，须创建以上全部接口。请参考示例 wifi/softap_sta/main/softap_sta.c。

### IP 事件

初始化 代码的最后一部分（步骤 `5)`）注册了两组事件处理程序：

- 网络接口驱动事件：用于通知驱动的生命周期状态，例如 Wi-Fi 站点加入 AP 或断开连接。处理这些事件不在 ESP-NETIF 组件的范围内。值得一提的是，ESP-NETIF 也使用相同的事件将网络接口设置为所需状态。因此，如果应用程序使用驱动事件来确定网络接口的特定状态，则应在注册系统处理程序 之后 再注册事件处理程序（通常在将驱动程序附加到接口时进行注册）。这就是为什么事件处理程序的注册是在 初始化 代码的最后一步进行。

- IP 事件：用于通知 IP 地址的变化，例如分配新地址或失去有效地址。这些事件的特定类型可参见 `ip_event_t`。每个常见的接口都有相应的 `GOT_IP` 和 `LOST_IP` 事件。

由于网络的异步特性，注册事件处理程序非常关键，因为网络状态的变化可能是不可预测的。通过注册事件处理程序，应用程序可以及时响应这些变化，确保在网络事件发生时采取适当的措施。

备注

丢失 IP 事件由一个可配置的定时器触发，配置项为 CONFIG_ESP_NETIF_IP_LOST_TIMER_INTERVAL。当 IP 地址丢失时定时器启动，事件将在配置的时间间隔后触发，默认值为 120 秒。将时间间隔设置为 0 时可禁用该事件。

### ESP-NETIF 架构

                           |            (A) 用户代码                 |
                           |                应用程序                 |
          .................| 初始化            设置             事件  |
          .                +----------------------------------------+
          .                   .                |           *
          .                   .                |           *
      --------+            +===========================+   *     +-----------------------+
              |            | 新建/配置   获取/设置/应用程序|   *     | 初始化                 |
              |            |                           |...*.....| 应用程序 (DHCP, SNTP)  |
              |            |---------------------------|   *     |                       |
        初始化 |            |                           |****     |                       |
        启动   |************|  事件处理程序               |*********|  DHCP                 |
        停止   |            |                           |         |                       |
              |            |---------------------------|         |                       |
              |            |                           |         |    NETIF              |
        +-----|            |                           |         +-----------------+     |
        |胶水层|---<----|---|  esp_netif_transmit       |--<------| netif_output    |     |
        |     |        |   |                           |         |                 |     |
        |     |--->----|---|  esp_netif_receive        |-->------| netif_input     |     |
        |     |        |   |                           |         + ----------------+     |
        |     |...<....|...|  esp_netif_free_rx_buffer |...<.....| 数据包 buffer          |
        +-----|     |  |   |                           |         |                       |
              |     |  |   |                           |         |         (D)           |
        (B)   |     |  |   |          (C)              |         +-----------------------+
      --------+     |  |   +===========================+                 网络堆栈
    网络             |  |           ESP-NETIF
    接口             |  |
    驱动             |  |   +--------------------------------+         +------------------+
                    |  |   |                                |.........| 开启/关闭          |
                    |  |   |                                |         |                  |
                    |  -<--|  l2tap_write                   |-----<---|  写入             |
                    |      |                                |         |                  |
                    ---->--| esp_vfs_l2tap_eth_filter_frame |----->---|  读取             |
                           |                                |         |        (A)       |
                           |            (E)                 |         +------------------+
                           +--------------------------------+                用户代码
                                 ESP-NETIF L2 TAP

#### 图中不同线段对应的数据流和事件流

- `........` 从用户代码到 ESP-NETIF 和网络接口驱动的初始化线

- `--<--->--` 数据包在通信媒介与 TCP/IP 协议栈之间往返

- `********` 聚集在 ESP-NETIF 中的事件传递到驱动程序、用户代码和网络堆栈中

- `|` 用户设置及运行时间配置

#### ESP-NETIF 交互

##### A) 用户代码样板

通过使用 ESP-NETIF API 抽象，应用程序与用于通信介质（网络接口驱动）的特定 IO 驱动程序以及配置的 TCP/IP 网络栈之间的交互可以概括如下：

1. 初始化代码

   > 1. 初始化 IO 驱动

   > 2. 创建新的 ESP-NETIF 实例，并完成以下配置：

   >    > - ESP-NETIF 的特定选项（标志、行为、名称）

   >    > - 网络栈堆选项（netif 初始化和输入函数，非公开信息）

   >    > - IO 驱动的特定选项（发送、释放 rx buffer 函数、IO 驱动句柄）

   > 3. 将 IO 驱动句柄附加到上述步骤所创建的 ESP-NETIF 实例

   > 4. 配置事件处理程序

   >    > - 对 IO 驱动定义的公共接口使用默认处理程序；或为定制的行为或新接口定义特定的处理程序

   >    > - 为应用程序相关事件（如 IP 丢失或获取）注册处理程序

2. 通过 ESP-NETIF API 与网络接口交互

   > 1. 获取、设置 TCP/IP 相关参数（如 DHCP、IP 等）

   > 2. 接收 IP 事件（连接或断连）

   > 3. 控制应用程序生命周期（启用或禁用接口）

##### B) 网络接口驱动

对于 ESP-NETIF，网络接口驱动（也被称为 I/O 驱动或媒体驱动）具有以下两大作用：

1. 事件驱动程序：定义与 ESP-NETIF 交互的行为模式（如：连接以太网 -> 开启 netif）

2. 胶合 IO 层：调整输入或输出函数以使用 ESP-NETIF 的传输、接收，并清空接收 buffer

   > - 给适当的 ESP-NETIF 对象安装 driver_transmit，以便将网络堆栈中传出的数据包传输给 IO 驱动

   > - 调用函数 `esp_netif_receive()` 以便将传入的数据传输给网络堆栈

##### C) ESP-NETIF

ESP-NETIF 是 IO 驱动和网络堆栈间的媒介，用于连通两者之间的数据包传输路径。它提供了一组接口，用于在运行时将驱动程序附加到 ESP-NETIF 对象并在编译期间配置网络堆栈。此外，ESP-NETIF 还提供了一组 API，用于控制网络接口的生命周期及其 TCP/IP 属性。ESP-NETIF 的公共接口大体上可以分为以下六组：

1. 初始化 API（用于创建并配置 ESP-NETIF 实例）

2. 输入或输出 API（用于在 IO 驱动和网络堆栈间传输数据）

3. 事件或行为 API

   > - 管理网络接口生命周期

   > - ESP-NETIF 为设计事件句柄提供了构建模块

4. 基本网络接口属性设置器和获取器 API

5. 网络堆栈抽象 API：实现用户与 TCP/IP 堆栈交互

   > - 启用或禁用接口

   > - DHCP 服务器和客户端 API

   > - DNS API

   > - SNTP Service

6. 驱动转换工具 API

##### D) 网络堆栈

网络堆栈与应用程序代码在公共接口方面无公开交互，需通过 ESP-NETIF API 实现完全抽象。

##### E) ESP-NETIF L2 TAP 接口

ESP-NETIF L2 TAP 接口是 ESP-IDF 中的一种机制，用于让用户应用程序访问数据链路层（OSI/ISO 中的 L2），以便接收和传输帧。在嵌入式开发中，它通常用于实现与 IP 无关的协议，例如 如 PTP 和 Wake on LAN 等。请注意，目前仅支持以太网 (IEEE 802.3)。更多关于 L2 TAP 的信息，请参阅 L2 TAP Interface Usage。

## ESP-NETIF 编程指南

在某些情况下，仅初始化一个默认的网络接口、使用该接口并连接到本地网络是不够的。此时请参考编程指南：ESP-NETIF Programmers Manual。

通常需要在以下用例中使用特定的 ESP-NETIF API 集：

- Configure IP, Gateway, and DNS

- Configure DHCP options

- SNTP Service

- L2 TAP Interface Usage

- IP Event: Transmit/Receive Packet

- API Reference

## ESP-NETIF 开发者指南

在某些情况下，用户应用程序可能需要自定义 ESP-NETIF、注册自定义驱动程序、甚至使用自定义的 TCP/IP 协议栈。此时请参考 ESP-NETIF 开发者指南。

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