lwIP
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:link_to_translation:`en:[English]`

ESP-IDF 使用开源的 `lwIP 轻量级 TCP/IP 协议栈`_，该版 lwIP (`esp-lwip`_) 相对上游项目做了修改和增补。

支持的 API
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ESP-IDF 支持以下 lwIP TCP/IP 协议栈功能：

- `BSD 套接字 API`_
- `Netconn API`_ 已启用，但暂无对 ESP-IDF 应用程序的官方支持

.. _lwip-dns-limitation:

适配的 API
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    .. warning::

        在使用除 `BSD 套接字 API`_ 外的任意 lwIP API 时，请确保所用 API 为线程安全。请启用 :ref:`CONFIG_LWIP_CHECK_THREAD_SAFETY` 配置选项并运行应用程序，检查所用 API 是否线程安全。此时，lwIP 断言 TCP/IP 核心功能可以正确访问。如果未能从正确的 `lwIP FreeRTOS 任务`_ 访问，或没有正确锁定，则执行中止。建议使用 :doc:`/api-reference/network/esp_netif` 组件与 lwIP 交互。

ESP-IDF 间接支持以下常见的 lwIP 应用程序 API：

- 动态主机设置协议 (DHCP) 服务器和客户端，由 :doc:`/api-reference/network/esp_netif` 功能间接支持。
- 域名系统 (DNS)；获取 DHCP 地址时，可以自动分配 DNS 服务器，也可以通过 :doc:`/api-reference/network/esp_netif` API 手动配置。

  关于 DNS over HTTPS，请参阅示例 :example:`protocols/dns_over_https`。

.. note::

    lwIP 中的 DNS 服务器配置为全局配置，而非针对特定接口的配置。如需同时使用不同 DNS 服务器的多个网络接口，在从一个接口获取 DHCP 租约时，请注意避免意外覆盖另一个接口的 DNS 设置。

- 简单网络时间协议 (SNTP)，由 :doc:`/api-reference/network/esp_netif` 功能间接支持，或通过 :component_file:`lwip/include/apps/esp_sntp.h` 中的函数直接支持。该函数还为 :component_file:`lwip/lwip/src/include/lwip/apps/sntp.h` 函数提供了线程安全的 API，请参阅 :ref:`system-time-sntp-sync`。有关详细信息，请见 :example:`protocols/sntp`。该示例演示了如何使用 LwIP SNTP 模块从互联网服务器获取时间、配置同步方法与时间间隔，并使用 SNTP-over-DHCP 模块检索时间。
- ICMP Ping，由 lwIP ping API 的变体支持，请参阅 :doc:`/api-reference/protocols/icmp_echo`。
- ICMPv6 Ping，由 lwIP 的 ICMPv6 Echo API 支持，用于测试 IPv6 网络连接情况。有关详细信息，请参阅 :example:`protocols/sockets/icmpv6_ping`。该示例演示了如何使用网络接口发现 IPv6 地址，创建原始 ICMPv6 套接字，向目标 IPv6 地址发送 ICMPv6 Echo 请求，并等待目标返回 Echo 回复。
- NetBIOS 查找，由标准的 lwIP API 支持，:example:`protocols/http_server/restful_server` 示例中提供了使用 NetBIOS 在局域网中查找主机的选项。
- mDNS 与 lwIP 的默认 mDNS 使用不同实现方式，请参阅 :doc:`/api-reference/protocols/mdns`。但启用 :ref:`CONFIG_LWIP_DNS_SUPPORT_MDNS_QUERIES` 设置项后，lwIP 可以使用 ``gethostbyname()`` 等标准 API 和 ``hostname.local`` 约定查找 mDNS 主机。
- lwIP 中的 PPP 实现可用于在 ESP-IDF 中创建 PPPoS（串行 PPP）接口。请参阅 :doc:`/api-reference/network/esp_netif` 组件文档，使用 :component_file:`esp_netif/include/esp_netif_defaults.h` 中定义的 ``ESP_NETIF_DEFAULT_PPP()`` 宏创建并配置 PPP 网络接口。:component_file:`esp_netif/include/esp_netif_ppp.h` 中提供了其他的运行时设置。PPPoS 接口通常用于与 NBIoT/GSM/LTE 调制解调器交互。`esp_modem <https://components.espressif.com/component/espressif/esp_modem>`_ 仓库还支持更多应用层友好的 API，该仓库内部使用了上述 PPP lwIP 模块。

DHCP 地址冲突检测
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通常情况下，DHCP 服务器在提供选定的 IPv4 地址前，会验证该地址在网络上的唯一性。然而，有些服务器（包括 ESP-IDF 中的 DHCP 服务器）为了简化操作并加快地址分配速度，默认情况下不会进行这种验证。

为避免潜在的 IP 地址冲突与连接问题，ESP-IDF 的 DHCP 客户端提供了多种选项，可在绑定 IPv4 地址前对服务器分配的地址进行验证（参见 :ref:`CONFIG_LWIP_DHCP_CHECKS_OFFERED_ADDRESS`）：

- **简单 ARP 检测，默认选项** (``CONFIG_LWIP_DHCP_DOES_ARP_CHECK``)：发送两个 ARP 探测，只有当分配的 IP 的回复来自与接口 MAC 不同的 MAC 地址时才拒绝该分配。这种方式速度快约 1-2 秒，可避免 AP 在 ARP 回复中回显客户端 MAC 的网络中出现误判冲突。**如果遇到 DHCP DECLINE 循环，即分配 IP 的 ARP 回复显示接口自身的 MAC 时，请使用此选项。**
- **地址冲突检测 (ACD)** (``CONFIG_LWIP_DHCP_DOES_ACD_CHECK``)：使用上游 lwIP ACD （符合 RFC 5227 标准）来探测或宣告地址。某些接入点会使用客户端自身的 MAC 地址来响应 ARP 探测；上游行为会将探测期间收到的任何匹配发送方 IP 视为冲突，这可能导致在此类网络上反复出现 DHCP DECLINE。**只有在需要完全符合 RFC 5227 标准，并了解某些接入点的潜在问题时，才使用此选项。**
- **无冲突检测** (``CONFIG_LWIP_DHCP_DOES_NOT_CHECK_OFFERED_IP``)：不进行额外检查直接绑定地址。**当不需要冲突检测时，使用此选项可获得最大兼容性。**

BSD 套接字 API
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BSD 套接字 API 是一种常见的跨平台 TCP/IP 套接字 API，最初源于 UNIX 操作系统的伯克利标准发行版，现已标准化为 POSIX 规范的一部分。BSD 套接字有时也称 POSIX 套接字，或伯克利套接字。

在 ESP-IDF 中，lwIP 支持 BSD 套接字 API 的所有常见用法。然而，并非所有操作都完全线程安全，因此多个线程同时进行读写可能需要额外的同步机制。详情请参见 :ref:`lwip-limitations`。

参考
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BSD 套接字的相关参考资料十分丰富，包括但不限于：

- `单一 UNIX 规范 - BSD 套接字 <https://pubs.opengroup.org/onlinepubs/007908799/xnsix.html>`_
- `伯克利套接字 - 维基百科 <https://en.wikipedia.org/wiki/Berkeley_sockets>`_

示例
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以下为 ESP-IDF 中使用 BSD 套接字 API 的部分示例：

- :example:`protocols/sockets/non_blocking` 演示了如何配置和运行一个支持 IPv4 和 IPv6 协议的非阻塞 TCP 客户端和服务器。

- :example:`protocols/sockets/tcp_server` 演示了如何创建一个 TCP 服务器，该服务器可以接受客户端的连接请求并接收数据。

- :example:`protocols/sockets/tcp_client` 演示了如何创建一个 TCP 客户端，该客户端使用预定义的 IP 地址和端口连接到服务器。

- :example:`protocols/sockets/tcp_transport_client` 演示了如何使用 ``tcp_transport`` 组件创建 TCP 客户端，并支持可选 SOCKS 代理。

- :example:`protocols/http_request` 演示了如何基于 BSD 套接字 API，通过纯 TCP 套接字发起最小化的 HTTP 请求。

- :example:`protocols/sockets/tcp_client_multi_net` 演示了如何同时使用以太网和 Wi-Fi 接口连接，在每个接口上创建一个 TCP 客户端，并发送一个简单的 HTTP 请求和响应。

- :example:`protocols/sockets/udp_server` 演示了如何创建一个 UDP 服务器，该服务器可以接收客户端的连接请求和数据。

- :example:`protocols/sockets/udp_client` 演示了如何创建一个 UDP 客户端，该客户端使用预定义的 IP 地址和端口连接到服务器。

- :example:`protocols/sockets/udp_multicast` 演示了如何通过 BSD 风格的套接字接口使用 IPV4 和 IPV6 的 UDP 组播功能。

:doc:`以太网驱动 </api-reference/network/esp_eth>` 通过 EMAC 连接的接口，提供了相同的 BSD 套接字和 TCP/IP 路径。请参考以下应用示例：

- :example:`ethernet/basic`，用于驱动上电、``esp_netif``、DHCP 以及基本 IP 连通性。
- :example:`ethernet/iperf`，用于在以太网上测量 TCP/UDP 吞吐量。
- :example:`ethernet/ptp`，用于以太网上的 IEEE 1588/PTP 时间同步。

支持的函数
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在 ESP-IDF 中，lwIP 支持以下 BSD 套接字 API 函数，详情请参阅 :component_file:`lwip/lwip/src/include/lwip/sockets.h`。

- ``socket()``
- ``bind()``
- ``accept()``
- ``shutdown()``
- ``getpeername()``
- ``getsockopt()`` 和 ``setsockopt()``：请参阅 `套接字选项`_
- ``close()``：通过 :doc:`/api-reference/storage/vfs` 调用
- ``read()``、``readv()``、``write()``、``writev()``：通过 :doc:`/api-reference/storage/vfs` 调用
- ``recv()``、``recvmsg()``、``recvfrom()``
- ``send()``、``sendmsg()``、``sendto()``
- ``select()``：通过 :doc:`/api-reference/storage/vfs` 调用
- ``poll()``：ESP-IDF 通过在内部调用 ``select()`` 实现 ``poll()``，因此，建议直接调用 ``select()``
- ``fcntl()``：请参阅 `fcntl()`_

非标准函数：

- ``ioctl()``：请参阅 `ioctl()`_

.. note::

  部分 lwIP 应用程序示例代码使用了带前缀的 BSD API，如 ``lwip_socket()``，而非标准 ``socket()``。ESP-IDF 支持使用以上两种形式，但更建议使用标准名称。

套接字错误处理
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要使套接字应用程序保持稳定，BSD 套接字错误处理代码至关重要。套接字错误处理通常涉及以下几个方面：

- 错误检测
- 获取错误原因代码
- 根据错误原因代码处理错误

在 lwIP 中，处理套接字错误分以下两种情况：

- 套接字 API 返回错误，请参阅 `套接字 API 错误`_。
- ``select(int maxfdp1, fd_set *readset, fd_set *writeset, fd_set *exceptset, struct timeval *timeout)`` 包含异常描述符，表示套接字出现错误，详情请参阅 `select() 错误`_。

套接字 API 错误
+++++++++++++++++

**错误检测**

  - 根据返回值判断套接字 API 是否出错。

**获取错误原因代码**

  - 套接字 API 出错时，其返回值不包含失败原因，可以通过应用程序访问 ``errno`` 获取错误原因代码。不同返回值具有不同含义，详情请参阅 `套接字错误原因代码`_。

示例：

.. code-block::

        int err;
        int sockfd;

        if (sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0) < 0) {
            // 从 errno 获取错误代码
            err = errno;
            return err;
        }

``select()`` 错误
+++++++++++++++++++++++

**错误检测**

  - ``select()`` 包含异常描述符时的套接字错误。

**获取错误原因代码**

  - 如果 ``select()`` 报告套接字错误，访问 ``errno`` 无法获取错误原因代码，此时，应调用 ``getsockopt()``。因为当 ``select()`` 包含异常描述符时，错误代码不会直接赋值给 ``errno``。

.. note::

    ``getsockopt()`` 函数具有以下原型：``int getsockopt(int s, int level, int optname, void *optval, socklen_t *optlen)``。原型可以获取任意类型、任意状态套接字选项的当前值，并将结果存储在 ``optval`` 中。例如，要在套接字上获取错误代码，可以通过 ``getsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_ERROR, &err, &optlen)`` 实现。

示例：

.. code-block::

        int err;

        if (select(sockfd + 1, NULL, NULL, &exfds, &tval) <= 0) {
            err = errno;
            return err;
        } else {
            if (FD_ISSET(sockfd, &exfds)) {
                // 使用 getsockopt() 获取 select() 异常集
                int optlen = sizeof(int);
                getsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_ERROR, &err, &optlen);
                return err;
            }
        }

套接字错误原因代码
++++++++++++++++++++++++

以下是常见错误代码列表。获取标准 POSIX/C 错误代码的详细列表，请参阅 `newlib errno.h <https://github.com/espressif/newlib-esp32/blob/master/newlib/libc/include/sys/errno.h>`_ 和特定平台扩展 :component_file:`esp_libc/platform_include/sys/errno.h`。

.. list-table::
    :header-rows: 1
    :widths: 50 50
    :align: center

    * - 错误代码
      - 描述
    * - ECONNREFUSED
      - 拒绝连接
    * - EADDRINUSE
      - 地址已在使用中
    * - ECONNABORTED
      - 软件导致连接中断
    * - ENETUNREACH
      - 网络不可达
    * - ENETDOWN
      - 未配置网络接口
    * - ETIMEDOUT
      - 连接超时
    * - EHOSTDOWN
      - 主机已关闭
    * - EHOSTUNREACH
      - 主机不可达
    * - EINPROGRESS
      - 连接已在进行中
    * - EALREADY
      - 套接字已连接
    * - EDESTADDRREQ
      - 需要目标地址
    * - EPROTONOSUPPORT
      - 未知协议

套接字选项
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``getsockopt()`` 支持获取套接字选项，``setsockopt()`` 支持设置套接字选项。

在 ESP-IDF 中，lwIP 并不支持所有标准套接字选项。以下套接字选项受 lwIP 支持：

常见选项
++++++++++++++

与级别参数 ``SOL_SOCKET`` 一起使用。

- ``SO_REUSEADDR``：如果 :ref:`CONFIG_LWIP_SO_REUSE` 已启用，则该选项可用，可以设置 :ref:`CONFIG_LWIP_SO_REUSE_RXTOALL` 自定义其行为
- ``SO_KEEPALIVE``
- ``SO_BROADCAST``
- ``SO_ACCEPTCONN``
- ``SO_RCVBUF``：如果 :ref:`CONFIG_LWIP_SO_RCVBUF` 已启用，则该选项可用
- ``SO_SNDTIMEO`` / ``SO_RCVTIMEO``
- ``SO_ERROR``：此选项仅支持与 ``select()`` 一起使用，请参阅 `套接字错误处理`_
- ``SO_TYPE``
- ``SO_NO_CHECK``：仅适用于 UDP 套接字

IP 选项
++++++++++

与级别参数 ``IPPROTO_IP`` 一起使用。

- ``IP_TOS``
- ``IP_TTL``
- ``IP_PKTINFO``：如果 :ref:`CONFIG_LWIP_NETBUF_RECVINFO` 已启用，则该选项可用

对于组播 UDP 套接字：

- ``IP_MULTICAST_IF``
- ``IP_MULTICAST_LOOP``
- ``IP_MULTICAST_TTL``
- ``IP_ADD_MEMBERSHIP``
- ``IP_DROP_MEMBERSHIP``

TCP 选项
+++++++++++

只适用于 TCP 套接字，与级别参数 ``IPPROTO_TCP`` 一起使用。

- ``TCP_NODELAY``

与 TCP 保活探测相关的选项：

- ``TCP_KEEPALIVE``：整数值，以毫秒为单位，设置 TCP 保活探测周期
- ``TCP_KEEPIDLE``：整数值，以秒为单位，与 ``TCP_KEEPALIVE`` 相同
- ``TCP_KEEPINTVL``：整数值，以秒为单位，设置保活探测间隔
- ``TCP_KEEPCNT``：整数值，设置超时前进行的保活探测次数

IPv6 选项
++++++++++++

只适用于 IPv6 套接字，与级别参数 ``IPPROTO_IPV6`` 一起使用。

- ``IPV6_CHECKSUM``
- ``IPV6_V6ONLY``

对于组播 IPv6 UDP 套接字：

- ``IPV6_JOIN_GROUP`` / ``IPV6_ADD_MEMBERSHIP``
- ``IPV6_LEAVE_GROUP`` / ``IPV6_DROP_MEMBERSHIP``
- ``IPV6_MULTICAST_IF``
- ``IPV6_MULTICAST_HOPS``
- ``IPV6_MULTICAST_LOOP``

``fcntl()``
^^^^^^^^^^^

``fcntl()`` 函数是设置与文件描述符相关选项的标准 API。在 ESP-IDF 中，使用 :doc:`/api-reference/storage/vfs` 层实现该函数。

当文件描述符为套接字时，仅支持以下 ``fcntl()`` 值：

- ``O_NONBLOCK`` 用于置位或清除非阻塞 I/O 模式。``O_NDELAY`` 也受支持，与前者功能相同。
- ``O_RDONLY``、``O_WRONLY``、``O_RDWR`` 标志用于不同的读或写模式，只能用 ``F_GETFL`` 读取，且无法用 ``F_SETFL`` 设置。根据连接状况，即两端开启或任一端关闭，TCP 套接字会返回不同模式，而 UDP 套接字始终返回 ``O_RDWR``。

``ioctl()``
^^^^^^^^^^^

``ioctl()`` 函数以半标准的方式访问 TCP/IP 协议栈的部分内部功能。ESP-IDF 通过 :doc:`/api-reference/storage/vfs` 层实现此函数。

当文件描述符为套接字时，仅支持以下 ``ioctl()`` 值：

- ``FIONREAD`` 返回套接字网络 buffer 中接收的待处理字节数。
- ``FIONBIO`` 和 ``fcntl(fd, F_SETFL, O_NONBLOCK, ...)`` 相同，也可置位或清除套接字非阻塞 I/O 状态。

Netconn API
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lwIP 支持两种较低级别的 API 和 BSD 套接字 API，即 Netconn API 和 Raw API。

lwIP Raw API 适用于单线程设备，无法在 ESP-IDF 中使用。

Netconn API 用于在 lwIP 内部使用 BSD 套接字 API，支持直接从 ESP-IDF 的应用程序调用。相较于 BSD 套接字 API，该 API 占用资源更少。无需提前将数据复制到内部 lwIP buffer，即可使用 Netconn API 发送和接收数据。

.. important::

    乐鑫尚未在 ESP-IDF 中测试 Netconn API，因此 **此功能已启用，但尚无官方支持**。对于某些功能，可能只有在从 BSD 套接字 API 中使用时才能正常运作。

有关 Netconn API 的更多信息，请参阅 `lwip/lwip/src/include/lwip/api.h <http://www.nongnu.org/lwip/2_0_x/api_8h.html>`_ 和 `lwIP 应用程序 **非官方** 开发手册的一部分 <https://lwip.fandom.com/wiki/Netconn_API>`_。

lwIP FreeRTOS 任务
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lwIP 创建了专用的 TCP/IP FreeRTOS 任务，处理来自其他任务的套接字 API 请求。

以下配置项可用于修改任务，并调整向 TCP/IP 任务发送数据和从 TCP/IP 任务接收数据的队列（邮箱）：

- :ref:`CONFIG_LWIP_TCPIP_RECVMBOX_SIZE`
- :ref:`CONFIG_LWIP_TCPIP_TASK_STACK_SIZE`
- :ref:`CONFIG_LWIP_TCPIP_TASK_AFFINITY`

IPv6 支持
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系统支持 IPv4 和 IPv6 的双栈功能，并默认启用这两种协议。如无需要，可将其禁用，请参阅 :ref:`lwip-ram-usage`。

在 ESP-IDF 中，IPv6 支持仅限 **无状态自动配置**，不支持 **有状态配置**，上游的 lwIP 也不支持 **有状态配置**。

IPv6 地址配置通过以下协议或服务定义：

- 支持 **SLAAC** IPv6 无状态地址配置 (RFC-2462)
- 支持 **DHCPv6** IPv6 动态主机配置协议 (RFC-8415)

以上两种地址配置默认处于禁用状态，设备仅使用链路本地地址或静态定义的地址。

.. _lwip-ivp6-autoconfig:

无状态自动配置流程
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要通过路由器通告协议启用地址自动配置，请启用此配置选项：

- :ref:`CONFIG_LWIP_IPV6_AUTOCONFIG`

该配置选项启用了所有网络接口的 IPv6 自动配置。而在上游 lwIP 中，需要设置 ``netif->ip6_autoconfig_enabled=1``，针对每个 ``netif`` 明确启用自动配置。

.. _lwip-ivp6-dhcp6:

DHCPv6
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lwIP 中的 DHCPv6 非常简单，仅支持无状态配置，可通过以下配置选项启用：

- :ref:`CONFIG_LWIP_IPV6_DHCP6`

由于 DHCPv6 仅在无状态配置下工作，因此还需要通过 :ref:`CONFIG_LWIP_IPV6_AUTOCONFIG` 启用 :ref:`lwip-ivp6-autoconfig`。

此外，还需要使用以下语句，在应用程序代码中明确启用 DHCPv6：

.. code-block::

    dhcp6_enable_stateless(netif);

IPv6 自动配置中的 DNS 服务器
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要自动配置 DNS 服务器，尤其是在仅使用 IPv6 的网络中配置，可使用以下两种选项：

- 递归域名系统 (DNS)，属于邻居发现协议 (NDP) 的一部分，可使用 :ref:`lwip-ivp6-autoconfig`。

  DNS 服务器的数量必须设置为 :ref:`CONFIG_LWIP_IPV6_RDNSS_MAX_DNS_SERVERS`，该选项默认禁用，即置位为 0。

- DHCPv6 无状态配置，使用 :ref:`lwip-ivp6-dhcp6` 配置 DNS 服务器。注意，此配置假设 IPv6 路由通告标志 (RFC-5175) 进行了如下设置

    - 管理地址配置标志 (Managed Address Configuration Flag) = 0
    - 其他配置标志 (Other Configuration Flag) = 1

ESP-lwIP 自定义修改
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补充内容
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以下代码均为新增代码，尚未包含至上游 lwIP 版本：

线程安全的套接字
+++++++++++++++++++

调用 ``close()`` 可以从不同于创建套接字的线程中关闭该套接字。该调用持续阻塞，直至其他任务中使用该套接字的函数调用返回。

然而，任务处于主动等待 ``select()`` 或 ``poll()`` API 的状态时，无法删除该任务。销毁任务前，这些 API 必须先退出，否则可能会破坏内部数据结构，并导致后续 lwIP 崩溃。这些 API 在栈上分配了全局引用的回调指针，因此，在未完全卸载栈的情况下删除任务时，lwIP 仍可以持有指向已删除栈的指针。

按需定时器
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lwIP 中的 IGMP 和 MLD6 功能都会初始化一个定时器，以便在特定时间触发超时事件。

即便没有活动的超时事件，lwIP 也会默认始终启用这些定时器，增加自动 Light-sleep 模式下的 CPU 使用率和功耗。``ESP-lwIP`` 则默认将各定时器设置为 ``按需`` 使用，即只在有待处理事件时启用。

如果要返回默认 lwIP 设置，即始终启用定时器，请禁用 :ref:`CONFIG_LWIP_TIMERS_ONDEMAND`。

lwIP 定时器 API
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不使用 Wi-Fi 时，可以通过 API 关闭 lwIP 定时器，减少功耗。

以下 API 函数均受支持，详情请参阅 :component_file:`lwip/lwip/src/include/lwip/timeouts.h`。

- ``sys_timeouts_init()``
- ``sys_timeouts_deinit()``

附加套接字选项
+++++++++++++++++++++++++

- 目前已实现部分标准 IPV4 和 IPV6 组播套接字选项，详情请参阅 `套接字选项`_。

- 使用 ``IPV6_V6ONLY`` 套接字选项，可以设置仅使用 IPV6 的 UDP 和 TCP 套接字，而 lwIP 一般只支持 TCP 套接字。

IP 层特性
+++++++++++++++++

- IPV4 源地址基础路由实现不同

- 支持 IPV4 映射 IPV6 地址

NAPT 和端口转发
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支持 IPv4 网络地址端口转换（NAPT）和端口转发。然而，仅限于单个接口启用 NAPT。

- 要在两个接口之间使用 NAPT 转发数据包，必须在连接到目标网络的接口上启用 NAPT。例如，为了通过 Wi-Fi 接口为以太网流量启用互联网访问，必须在以太网接口上启用 NAPT。
- NAPT 的使用示例可参考 :example:`network/vlan_support`。

默认 lwIP 钩子
++++++++++++++++++

IDF 移植层提供了默认的钩子文件，lwIP 构建过程中会包含此文件。此文件位于 :component_file:`lwip/port/include/lwip_default_hooks.h`，并定义了多个钩子，用于实现 lwIP 协议栈的默认 ESP-IDF 行为。这些钩子可以通过以下选项进行进一步修改：

- *None*：不声明任何钩子。
- *Default*：提供默认的 IDF 实现（多数情况下被声明为可被覆盖的弱实现）。
- *Custom*：仅提供钩子声明，应用程序必须自行实现钩子。

**DHCP 额外选项钩子**

ESP-IDF 允许应用程序通过定义钩子来处理额外的 DHCP 选项，可以帮助实现基于 DHCP 的自定义行为（例如获取特定的供应商选项）。若想启用此功能，可以将 :ref:`CONFIG_LWIP_HOOK_DHCP_EXTRA_OPTION` 配置为 **Default** （提供弱实现，可替换为自定义实现）或 **Custom** （需要自行实现该钩子，并定义其对 lwIP 的链接依赖）。

**示例用法**

应用程序可以定义以下函数来处理特定的 DHCP 选项（例如强制门户 URI）：

.. code-block::

    #include "esp_netif.h"
    #include "lwip/dhcp.h"

    void lwip_dhcp_on_extra_option(struct dhcp *dhcp, uint8_t state,
                                   uint8_t option, uint8_t len,
                                   struct pbuf* p, uint16_t offset)
    {
        if (option == ESP_NETIF_CAPTIVEPORTAL_URI) {
            char *uri = (char *)p->payload + offset;
            ESP_LOGI(TAG, "Captive Portal URI: %s", uri);
        }
    }

**其他默认钩子**

ESP-IDF 提供了其他可覆盖的 lwIP 钩子，例如：

- TCP ISN 钩子 (:ref:`CONFIG_LWIP_HOOK_TCP_ISN`)：允许自定义 TCP 初始序列号 (ISN) 的随机化逻辑。ESP-IDF 提供的实现是默认选项，设置为 *Custom* 可使用自定义实现，设置为 *None* 可使用 lwIP 实现。
- IPv6 路由钩子 (:ref:`CONFIG_LWIP_HOOK_IP6_ROUTE`)：支持自定义 IPv6 数据包的路由选择。默认无钩子，可使用 *Default* 或 *Custom* 进行覆盖。
- IPv6 获取网关钩子 (:ref:`CONFIG_LWIP_HOOK_ND6_GET_GW`)：支持自定义网关选择逻辑。默认无钩子，可使用 *Default* 或 *Custom* 进行覆盖。
- IPv6 源地址选择钩子 (:ref:`CONFIG_LWIP_HOOK_IP6_SELECT_SRC_ADDR`)：允许自定义源地址的选择逻辑。默认无钩子，可使用 Default 或 Custom 进行覆盖
- Netconn 外部解析钩子 (:ref:`CONFIG_LWIP_HOOK_NETCONN_EXTERNAL_RESOLVE`)：允许覆盖网络连接的 DNS 解析逻辑默认无钩子，可使用 *Default* 或 *Custom* 进行覆盖。
- DNS 外部解析钩子 (:ref:`CONFIG_LWIP_HOOK_DNS_EXTERNAL_RESOLVE`)：提供用于自定义 DNS 解析逻辑的回调钩子。默认无钩子，但外部组件可以选择优先使用自定义选项；可使用 *Default* 或 *Custom* 进行覆盖。
- IPv6 数据包输入钩子 (:ref:`CONFIG_LWIP_HOOK_IP6_INPUT`)：能够过滤或修改传入的 IPv6 数据包。ESP-IDF 提供的弱实现是默认选项；可使用 *Custom* 或强定义来覆盖 *Default* 选项，或选择 *None* 以禁用 IPv6 数据包输入过滤。

这些钩子均可在 menuconfig 中进行配置，可选择默认实现、自定义实现或不启用。

.. _lwip-custom-hooks:

自定义 lwIP 钩子
+++++++++++++++++++++

原始 lwIP 支持通过 ``LWIP_HOOK_FILENAME`` 实现自定义的编译时修改。ESP-IDF 端口层已使用该文件，但仍支持通过由宏 ``ESP_IDF_LWIP_HOOK_FILENAME`` 定义的头文件，在 ESP-IDF 中包含并实现自定义添加。以下示例展示了向构建过程添加自定义钩子文件的过程，其中钩子文件名为 ``my_hook.h``，位于项目的 ``main`` 文件夹中：

.. code-block:: cmake

   idf_component_get_property(lwip lwip COMPONENT_LIB)
   target_compile_options(${lwip} PRIVATE "-I${PROJECT_DIR}/main")
   target_compile_definitions(${lwip} PRIVATE "-DESP_IDF_LWIP_HOOK_FILENAME=\"my_hook.h\"")

使用 ESP-IDF 构建系统自定义 lwIP 选项
++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

组件配置菜单可以配置常见的 lwIP 选项，但是一些自定义选项需要通过命令行添加。CMake 函数 ``target_compile_definitions()`` 可以用于定义宏，示例如下：

.. code-block:: cmake

   idf_component_get_property(lwip lwip COMPONENT_LIB)
   target_compile_definitions(${lwip} PRIVATE "-DETHARP_SUPPORT_VLAN=1")

使用这种方法可能无法定义函数式宏。虽然 GCC 支持此类定义，但是未必所有编译器都会接受。为了解决这一限制，可以使用 ``add_definitions()`` 函数为整个项目定义宏，例如 ``add_definitions("-DFALLBACK_DNS_SERVER_ADDRESS(addr)=\"IP_ADDR4((addr), 8,8,8,8)\"")``。

另一种方法是在头文件中定义函数式宏，该头文件将预先包含在 lwIP 钩子文件中，请参考 :ref:`lwip-custom-hooks`。

网络接口回调
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- 状态回调 (:ref:`CONFIG_LWIP_NETIF_STATUS_CALLBACK`)：启用 `netif_set_status_callback()`，在接口上下线以及 IPv4/IPv6 地址发生变化时通知。
- 链路回调 (:ref:`CONFIG_LWIP_NETIF_LINK_CALLBACK`)：启用 `netif_set_link_callback()`，在物理链路上下线时通知。该回调由驱动或虚拟接口调用 `netif_set_link_up()` / `netif_set_link_down()` 触发。可与 `LWIP_NETIF_EXT_STATUS_CALLBACK` 配合使用，以获取更丰富的事件通知。

.. _lwip-limitations:

限制
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在 ESP-IDF 中，lwIP 在某些场景下线程安全，但存在一定的限制。在 lwIP 中，可以在同一套接字上由多个线程同时分别执行读、写和关闭操作，但不支持在同一套接字上由多个线程同时执行多个读操作或多个写操作。如果应用程序需要在多个线程中同时对同一套接字进行读、写操作，就需要额外的同步机制来确保线程安全。例如，在套接字操作周围加锁。

如 :ref:`lwip-dns-limitation` 所述，ESP-IDF 中的 lwIP 扩展功能仍然受到全局 DNS 限制的影响。为了在应用程序代码中解决这一限制，可以使用 ``FALLBACK_DNS_SERVER_ADDRESS()`` 宏定义所有接口能够访问的全局 DNS 备用服务器，或者单独维护每个接口的 DNS 服务器，并在默认接口更改时重新配置。

通过网络数据库 API 返回的 IP 地址数量受限：``getaddrinfo()`` 和 ``gethostbyname()`` 受到宏 ``DNS_MAX_HOST_IP`` 的限制，宏的默认值为 1。

在调用 ``getaddrinfo()`` 函数时，不会返回规范名称。因此，第一个返回的 ``addrinfo`` 结构中的 ``ai_canonname`` 字段仅包含 ``nodename`` 参数或相同内容的字符串。

ESP-IDF 中 lwIP 的 ``getaddrinfo()`` 系统调用在使用 ``AF_UNSPEC`` 时存在限制：双栈模式下默认只返回 IPv4 地址，因此在仅支持 IPv6 的网络中可能会出现问题。为了解决这个问题，可以通过以下方法进行处理：分别调用两次 ``getaddrinfo()``，第一次使用 ``AF_INET`` 查询 IPv4 地址，第二次使用 ``AF_INET6`` 查询 IPv6 地址。为了进一步优化，lwIP 移植层中新增了自定义函数 ``esp_getaddrinfo()``，该函数在使用 ``AF_UNSPEC`` 时能够同时处理 IPv4 和 IPv6 地址。同时启用 IPv4 和 IPv6 后，可通过 :ref:`CONFIG_LWIP_USE_ESP_GETADDRINFO` 选项选择使用自定义的 ``esp_getaddrinfo()`` 或默认的 ``getaddrinfo()`` 实现。``esp_getaddrinfo()`` 默认处于禁用状态。

在 UDP 套接字上重复调用 ``send()`` 或 ``sendto()`` 最终可能会导致错误。此时 ``errno`` 报错为 ``ENOMEM``，错误原因是底层网络接口驱动程序中的 buffer 大小有限。当所有驱动程序的传输 buffer 已满时，UDP 传输事务失败。如果应用程序需要发送大量 UDP 数据报，且不希望发送方丢弃数据报，建议检查错误代码，采用短延迟的重传机制。

.. only:: esp32

    在 :ref:`Wi-Fi <CONFIG_ESP_WIFI_TX_BUFFER>` 或 :ref:`Ethernet <CONFIG_ETH_DMA_TX_BUFFER_NUM>` 项目配置中适当增加传输 buffer 数量，或许可以缓解此情况。

.. only:: not esp32 and SOC_WIFI_SUPPORTED

    在 :ref:`Wi-Fi <CONFIG_ESP_WIFI_TX_BUFFER>` 项目配置中适当增加传输 buffer 数量，或许可以缓解此情况。

.. _lwip-performance:

性能优化
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影响 TCP/IP 性能因素较多，可以从多方面进行优化。经调整，ESP-IDF 的默认设置已在 TCP/IP 的吞吐量、响应时间和内存使用间达到平衡。

最大吞吐量
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乐鑫使用 iperf 测试应用程序 https://iperf.fr/ 测试了 ESP-IDF 的 TCP/IP 吞吐量。关于实际测试和优化配置的更多信息，请参考 :ref:`improve-network-speed`。可参考的 iperf 示例工程 :example:`wifi/iperf` 和 :example:`ethernet/iperf`。

.. important::

  建议逐步应用更改，并在每次更改后，通过特定应用程序的工作负载检查性能。

- 如果系统中有许多任务抢占 CPU 时间，可以考虑调整 lwIP 任务的 CPU 亲和性 (:ref:`CONFIG_LWIP_TCPIP_TASK_AFFINITY`)，并以固定优先级 (18, ``ESP_TASK_TCPIP_PRIO``) 运行。为优化 CPU 使用，可以考虑将竞争任务分配给不同核心，或将其优先级调整至较低值。有关内置任务优先级的更多详情，请参阅 :ref:`built-in-task-priorities`。

- 如果使用仅带有套接字参数的 ``select()`` 函数，禁用 :ref:`CONFIG_VFS_SUPPORT_SELECT` 可以更快地调用 ``select()``。

- 如果有足够的空闲 IRAM，可以选择 :ref:`CONFIG_LWIP_IRAM_OPTIMIZATION` 和 :ref:`CONFIG_LWIP_EXTRA_IRAM_OPTIMIZATION`，提高 TX/RX 吞吐量。

.. only:: SOC_WIFI_SUPPORTED

    如果使用 Wi-Fi 网络接口，请参阅 :ref:`wifi-buffer-usage`。

最低延迟
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除增加 buffer 大小外，大多数增加吞吐量的设置会减少 lwIP 函数占用 CPU 的时间，进而降低延迟，缩短响应时间。

- 对于 TCP 套接字，lwIP 支持设置标准的 ``TCP_NODELAY`` 标记以禁用 Nagle 算法。

.. _lwip-ram-usage:

最小内存使用
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由于 RAM 按需从堆中分配，多数 lwIP 的 RAM 使用也按需分配。因此，更改 lwIP 设置减少 RAM 使用时，或许不会改变空闲时的 RAM 使用量，但可以改变高峰期的 RAM 使用量。

- 减少 :ref:`CONFIG_LWIP_MAX_SOCKETS` 可以减少系统中的最大套接字数量。更改此设置，会让处于 ``WAIT_CLOSE`` 状态的 TCP 套接字在需要打开新套接字时更快地关闭和复用，进一步降低峰值 RAM 使用量。
- 减少 :ref:`CONFIG_LWIP_TCPIP_RECVMBOX_SIZE`、:ref:`CONFIG_LWIP_TCP_RECVMBOX_SIZE` 和 :ref:`CONFIG_LWIP_UDP_RECVMBOX_SIZE` 可以减少 RAM 使用量，但会影响吞吐量，具体取决于使用情况。
- 减少 :ref:`CONFIG_LWIP_TCP_ACCEPTMBOX_SIZE` 可以通过限制同时接受的连接数来减少 RAM 使用量。
- 减少 :ref:`CONFIG_LWIP_TCP_MSL` 和 :ref:`CONFIG_LWIP_TCP_FIN_WAIT_TIMEOUT` 可以减少系统中的最大分段寿命，同时会使处于 ``TIME_WAIT`` 和 ``FIN_WAIT_2`` 状态的 TCP 套接字能更快地关闭和复用。
- 禁用 :ref:`CONFIG_LWIP_IPV6` 可以在系统启动时节省大约 39 KB 的固件大小和 2 KB 的 RAM，并在运行 TCP/IP 栈时节省 7 KB 的 RAM。如果无需支持 IPV6，可以禁用 IPv6，减少 flash 和 RAM 占用。
- 禁用 :ref:`CONFIG_LWIP_IPV4` 可以在系统启动时节省大约 26 KB 的固件大小和 600 B 的 RAM，并在运行 TCP/IP 栈时节省 6 KB 的 RAM。如果本地网络仅支持 IPv6 配置，可以禁用 IPv4，减少 flash 和 RAM 占用。

.. only:: SOC_WIFI_SUPPORTED

    如果使用 Wi-Fi，请参阅 :ref:`wifi-buffer-usage`。


最大 buffer 使用
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lwIP 消耗的最大堆内存即 lwIP 驱动程序 **理论上可能消耗的最大内存**，通常取决于以下因素：

 - 创建 UDP 连接所需的内存：``lwip_udp_conn``
 - 创建 TCP 连接所需的内存：``lwip_tcp_conn``
 - 应用程序拥有的 UDP 连接数量：``lwip_udp_con_num``
 - 应用程序拥有的 TCP 连接数量：``lwip_tcp_con_num``
 - TCP 的 TX 窗口大小：``lwip_tcp_tx_win_size``
 - TCP 的 RX 窗口大小：``lwip_tcp_rx_win_size``

**因此，lwIP 消耗的最大堆内存可以用以下公式计算：**
  lwip_dynamic_peek_memory =  (lwip_udp_con_num * lwip_udp_conn)  + (lwip_tcp_con_num * (lwip_tcp_tx_win_size + lwip_tcp_rx_win_size + lwip_tcp_conn))

某些基于 TCP 的应用程序只需要一个 TCP 连接。然而，当出现错误（如发送失败）时，应用程序可能会关闭此 TCP 连接，并创建一个新的连接。根据 TCP 状态机和 RFC793，关闭 TCP 连接可能需要很长时间，这可能导致系统中同时存在多个 TCP 连接。


.. _lwIP 轻量级 TCP/IP 协议栈: https://savannah.nongnu.org/projects/lwip/
.. _esp-lwip: https://github.com/espressif/esp-lwip
