网络数据在内核中的流转，最终要服务于网络收发功能，所以先来了解下具体的网络发收过程，然后了解lwIP的网络收发。
具体的网络发收过程
理解软件的设计思想，最重要的是先理解需求，而内核中的数据流转也只是为了满足网络收发的需求而设计的。
发送过程总览
下面来看下应用程序通过网络发送数据的全过程。
应用程序首先会准备好数据，调用用户态下的库函数。接着调用系统API接口函数，进入到内核态。
内核态对应的系统服务函数会复制应用程序的数据到内存空间，然后将数据移交给网络协议栈，在网络协议栈中将数据层层打包。
最后，包装好的数据会交给网卡驱动，网卡驱动程序负责将打包好的数据写入网卡并让其发送出去。
流程图如下：
图中，只是展示了大致流程，其中还有 DMA 处理、CRC 校验、出错处理等细节
接受过程总览
接受过程就是发送数据的逆过程
首先，网卡接受到数据，通过DMA复制到指定的内存，接着发送中断，以便通知网卡驱动，由网卡驱动处理中断复制数据。然
后网络协议收到网卡驱动传过来的数据，层层解包，获取真正的有效数据。
最后，这个数据会发送给用户态监听的应用进程。
流程图如下：
上述大致了解了数据的发送和接受的流程，其实我们真正关注的是网络协议。可是动手实现一个完整的网络协议，不太现实。网络协议的复杂度大到也许要重新开一门课程，才可以完全解决，所以下面我们借用一下 lwIP 项目，以这个为基础来讨论网络协议。
lwIP
Cosmos如何实现网络通信呢？
这里我们选择lwIP这个TCP/IP 协议的轻量级开源项目，让它称为Cosmos的网络部的战略合作伙伴。
lwIP 是由瑞典计算机科学研究院（SICS）的 Adam Dunkels 开发的小型开源 TCP/IP 协议栈。它是一个用 C 语言实现的软件组件，一共有两套接口层，向下是操作系统要提供的，向上是提供给应用程序的。这样 lwIP 就能嵌入到任何操作系统之中工作，并为这个操作系统上的应用软件提供网络功能支持了。
为啥说 lwIP 是轻量级的呢？
很简单，跟 Linux 比，从代码行数上就能看得出。lwIP 的设计目标就是尽量用少量资源消耗，实现一个相对完整的 TCP/IP 协议栈。
这里的“完整性”主要是指 TCP 协议的完整性，实现的关键点就是在保持 TCP 协议主要功能的基础上减少对 RAM 的占用。同时，lwIP 还支持 IPv6 的标准实现，这也让我们与现代交换设备的对接变得非常方便。
lwIP项目的主页链接，其中包含了大量相关资料。另外，lwIP既可以移植在操作系统上运行，也可以在没有操作系统的情况下运行。
lwIP在结构上可分为四层：OS层、API层、核心层、硬件驱动层，如下图所示：
第一层
MCU 的业务层是 lwIP 的服务对象，也是其自身代码使用 lwIP 的地方。大部分时候我们都是从这里入手，通过 netconn 或 lwip_api 使用 lwIP 的各种功能函数。
在典型的 TCP 通信的客户端应用程序中，一般先要通过 netconn_new 创建一个 struct netconn 对象，然后调用 netconn_connect 连接到服务器，并返回成功或失败。成功后，可以调用 netconn_write 向服务器发送数据，也可以调用 netconn_recv 接收数据。最后，关闭连接并通过 netconn_close 释放资源。
第二层
lwIP 的 api 层是 netconn 的功能代码所在的层，负责为上层代码提供 netconn 的 api。习惯使用 socket 的同学也可以使用 lwip_socket 等函数，以标准的 socket 方式调用 lwIP。新版本增加了 http、mqtt 等应用的代码，这些额外的应用对目前的物联网通信来说确实很方便。
第三层
lwIP 的核心层存放了 TCP/IP 协议栈的核心代码，它不仅实现了大部分的 TCP 和 UDP 功能，还实现了 DNS、ICMP、IGMP 等协议，同时也实现了内存管理和网络接口功能。该层提供了 sys_arch 模块设计，便于将 lwIP 移植到不同的操作系统，如线程创建、信号量、消息队列等功能。和操作系统相关的真正定义写在了 lwip/include/sys.h 文件中。
第四层
硬件驱动层提供 PHY 芯片驱动，用来匹配 lwIP 的使用。lwIP 会调用该层的代码将组装好的数据包发送到网络，同时从网络接收数据包并进行分析，实现通信功能。
lwIP的三套应用程序编程接口
lwIP 的应用程序编程接口，一共有三套。
原始 API：原始的 lwIP API。它通过事件回调机制开发应用程序。该应用编程接口提供了最佳的性能和优化的代码长度，但它增加了应用程序开发的复杂性。
Netconn API：是高级的有序 API、需要实时操作系统（RTOS）的支持（提供进程间通信的方法）。Netconn API 支持多线程。
BSD 套接字 API：类似伯克利的套接字 API（在 Netconn API 上开发，需要注意 NETCONN API 即为 Sequential API）。
对于以上三种接口，前者只需要裸机调用，后两种需要操作系统调用。因此，移植 lwIP 有两种方法，一种是只移植内核，不过这样之后只能基于 RAW/Callback API 编写应用程序。第二种是移植内核和上层 API。这时应用程序编程可以使用三种 API，即 RAW/Callback API、顺序 API 和 Socket API。
lwIP执行流程
数据发送
由于我们把 lwIP 作为 Cosmos 的一个内核组件来工作，自然要由 lwIP 接收来自内核上层发来的数据。内核上层首先会调用 lwIP 的 netconn 层的接口函数 netconn_write，通过这个函数，数据正式流进 lwIP 组件层。
接着，netconn 层调用 lwIP 组件的 TCP 层的接口函数 tcp_write，在 TCP 层对数据首次进行打包。然后，TCP 层将打包好的数据通过调用 io_output 函数，向下传递给 lwIP 组件的 IP 层，进行打包。
最后，IP 层将打包好的数据发送给网卡驱动接口层 netif，这里调用了实际的网卡驱动程序，将数据发送出去。
数据发送逻辑示意图：
数据接收
数据接收需要应用程序首先调用 lwIP 的 netconn 层的 netconn_recv 接口。然后由 netconn 层调用 sys_arch_mbox_fetch 函数，进入监听等待相关的 mbox。
接着，数据会进入网卡，驱动程序相关的函数负责把它复制到内存。再然后是调用 ethernet_input 函数，进入 ethernet 层。完成相关处理后，调用 ip4_input 函数，数据在 lwIP 组件的 IP 层对数据解包，进行相应处理之后，还会调用 tcp_input 函数，进入 lwIP 组件的 TCP 层对数据解包。
最后，调用 sys_mbox_trypost 函数把数据放入特定的 mbox，也就是消息盒子里，这样等待监听的应用程序就能得到数据了。
数据接收逻辑示意图：
lwIP 的结构设计非常优秀，这让移植工作变得很容易。我们这里只要了解 lwIP 组件的 sys_arch 层的接口函数即可。
下面了解下lwIP的移植细节
协议栈移植
lwIP 有两种移植模式，一种是 NO_SYS，无操作系统模式，一种是有操作系统模式
操作系统模式主要需要基于操作系统的 IPC 机制，对网络连接进行了抽象（信号量、邮箱 / 队列、互斥体等机制），从而保证内核与应用层 API 的通讯，这样做的好处是 lwIP 内核线程可以只负责数据包的 TCP/IP 封装和拆封，而不用进行数据的应用层处理，从而极大地提高系统对网络数据包的处理效率。
而这些操作系统模拟层的函数主要是在 sys.h 中声明的，我们一般在 sys_arch.c 文件中完成其定义。所以，我们很清楚，带操作系统的移植就是在无操作系统的基础上添加操作系统模拟层。
再接下来我们就看看操作系统模拟层的编写。
有操作系统模式
在之前的课程里我们已经正确实现了 Cosmos 操作系统了，现在我们就可以在 Cosmos 系统提供的 IPC 等机制基础之上，对照 sys.h 文件中声明的函数一一去实现了。
实际工程中完整移植网络栈，需要将后面表格里的这 30 多个函数全部实现。会一起完成邮箱和系统线程相关的关键部分移植，其他函数的移植思路也大同小异，这里就不一一演示了。
从上表中我们可以发现，这些变量和函数主要面向信号量、互斥体和邮箱，包括创建、删除、释放和获取等各种操作，所以我们需要根据操作系统的规定来实现这些函数。
突然看到这么多功能，是不是有点慌？其实不用怕，因为这些功能的实现起来非常简单。首先，我们通过一个例子来看看邮箱功能的实现。
在 lwIP 中，用户代码通过邮箱与协议栈内部交互。邮箱本质上是指向数据的指针。API 将指针传递给内核，内核通过这个指针访问数据，然后进行处理。相反，内核也是通过邮箱将数据传递给用户代码的。
具体代码如下：
/*创建一个空的邮箱。*/
err_t sys_mbox_new(sys_mbox_t *mbox, int size)
{
osMessageQDef(QUEUE, size, void *);
*mbox = osMessageCreate(osMessageQ(QUEUE), NULL);
#if SYS_STATS
++lwip_stats.sys.mbox.used;
if (lwip_stats.sys.mbox.max < lwip_stats.sys.mbox.used) {
lwip_stats.sys.mbox.max = lwip_stats.sys.mbox.used;
}
#endif /* SYS_STATS */
if (*mbox == NULL)
return ERR_MEM;
return ERR_OK;
}
/*重新分配一个邮箱。如果邮箱被释放时，邮箱中仍有消息，在lwIP中这是出现编码错误的指示，并通知开发人员。*/
void sys_mbox_free(sys_mbox_t *mbox)
{
if( osMessageWaiting(*mbox) )
{
portNOP();
#if SYS_STATS
lwip_stats.sys.mbox.err++;
#endif /* SYS_STATS */
}
osMessageDelete(*mbox);
#if SYS_STATS
--lwip_stats.sys.mbox.used;
#endif /* SYS_STATS */
}
/*发送消息到邮箱*/
void sys_mbox_post(sys_mbox_t *mbox, void *data)
{
while(osMessagePut(*mbox, (uint32_t)data, osWaitForever) != osOK);
}
/*尝试将消息发送到邮箱*/
err_t sys_mbox_trypost(sys_mbox_t *mbox, void *msg)
{
err_t result;
if ( osMessagePut(*mbox, (uint32_t)msg, 0) == osOK)
{
result = ERR_OK;
}
else {
result = ERR_MEM;
#if SYS_STATS
lwip_stats.sys.mbox.err++;
#endif /* SYS_STATS */
}
return result;
}
/*阻塞进程从邮箱获取消息*/
u32_t sys_arch_mbox_fetch(sys_mbox_t *mbox, void **msg, u32_t timeout)
{
osEvent event;
uint32_t starttime = osKernelSysTick();;
if(timeout != 0)
{
event = osMessageGet (*mbox, timeout);
if(event.status == osEventMessage)
{
*msg = (void *)event.value.v;
return (osKernelSysTick() - starttime);
}
else
{
return SYS_ARCH_TIMEOUT;
}
}
else
{
event = osMessageGet (*mbox, osWaitForever);
*msg = (void *)event.value.v;
return (osKernelSysTick() - starttime);
}
}
/*尝试从邮箱获取消息*/
u32_t sys_arch_mbox_tryfetch(sys_mbox_t *mbox, void **msg)
{
osEvent event;
event = osMessageGet (*mbox, 0);
if(event.status == osEventMessage)
{
*msg = (void *)event.value.v;
return ERR_OK;
}
else
{
return SYS_MBOX_EMPTY;
}
}
/*判断一个邮箱是否有效*/
int sys_mbox_valid(sys_mbox_t *mbox)
{
if (*mbox == SYS_MBOX_NULL)
return 0;
else
return 1;
}
/*设置一个邮箱无效*/
void sys_mbox_set_invalid(sys_mbox_t *mbox)
{
*mbox = SYS_MBOX_NULL;
}
// 创建一个新的信号量。而 "count"参数指示该信号量的初始状态
err_t sys_sem_new(sys_sem_t *sem, u8_t count)
{
osSemaphoreDef(SEM);
*sem = osSemaphoreCreate (osSemaphore(SEM), 1);
if(*sem == NULL)
{
#if SYS_STATS
++lwip_stats.sys.sem.err;
#endif /* SYS_STATS */
return ERR_MEM;
}
if(count == 0) // Means it can't be taken
{
osSemaphoreWait(*sem,0);
}
#if SYS_STATS
++lwip_stats.sys.sem.used;
if (lwip_stats.sys.sem.max < lwip_stats.sys.sem.used) {
lwip_stats.sys.sem.max = lwip_stats.sys.sem.used;
}
#endif /* SYS_STATS */
return ERR_OK;
}
此外还有一些函数也是协议栈需要的函数，特别是 sys_thread_new 函数，不但协议栈在初始化时需要用到，在后续我们实现各类基于 lwIP 的应用时也会用得到，它的具体实现如下。
sys_thread_t sys_thread_new(const char *name, lwip_thread_fn thread , void *arg, int stacksize, int prio)
{
const osThreadDef_t os_thread_def = { (char *)name, (os_pthread)thread, (osPriority)prio, 0, stacksize};
return osThreadCreate(&os_thread_def, arg);
}
osThreadId osThreadCreate (const osThreadDef_t *thread_def, void *argument)
{
TaskHandle_t handle;
#if( configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION == 1 ) && ( configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION == 1 )
if((thread_def->buffer != NULL) && (thread_def->controlblock != NULL)) {
handle = xTaskCreateStatic((TaskFunction_t)thread_def->pthread,(const portCHAR *)thread_def->name,
thread_def->stacksize, argument, makeFreeRtosPriority(thread_def->tpriority),
thread_def->buffer, thread_def->controlblock);
}
else {
if (xTaskCreate((TaskFunction_t)thread_def->pthread,(const portCHAR *)thread_def->name,
thread_def->stacksize, argument, makeFreeRtosPriority(thread_def->tpriority),
&handle) != pdPASS) {
return NULL;
}
}
#elif( configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION == 1 )
handle = xTaskCreateStatic((TaskFunction_t)thread_def->pthread,(const portCHAR *)thread_def->name,
thread_def->stacksize, argument, makeFreeRtosPriority(thread_def->tpriority),
thread_def->buffer, thread_def->controlblock);
#else
if (xTaskCreate((TaskFunction_t)thread_def->pthread,(const portCHAR *)thread_def->name,
thread_def->stacksize, argument, makeFreeRtosPriority(thread_def->tpriority),
&handle) != pdPASS) {
return NULL;
}
#endif
return handle;
}
基于 Cosmos 操作系统移植 lwIP 协议栈的关键部分就算完成了。
小结
我们首先从数据发送接收的视角，观察了数据从用户态到内核态，再从内核态到流动到用户态的全过程。
接着，我们发现网络协议栈移植与 DMA、内核的 IPC、信号量、DMA 等机制密切相关。理解网络栈移植的关键步骤，能够让我们更好地理解内核特性在工程中是如何应用的。
最后，我们实现了将 lwIP 网络协议栈的关键部分移植到 Cosmos 操作系统下。不过这节课我带你实现了邮箱和系统线程相关的关键部分，其他函数移植道理相通，可自行探索。