一、前言
　　一个基础的嵌入式系统往往是一个相对封闭的系统。
　　例如一台温控设备可以在本地读取温度、控制风扇，并通过屏幕显示结果。工作人员需要查看设备状态时，可以直接观察屏幕，也可以用串口连接电脑读取数据。
　　这种方式简单、可靠，在很多场景下也已完全够用。但是，当设备数量增加、安装位置分散或管理要求提高后，完全依赖本地操作就会带来一些问题。
　　我们分别来看以下一些场景：
    1、设备数量增加
　　如果如果现场只有一台设备，使用串口连接电脑并不困难。但如果一个工厂中有几十台甚至几百台设备，逐台连接和检查的效率就会非常低。
　　但是当设备接入网络后，通过交换机连接到统一的管理服务器后，就可以由服务器集中采集状态和下发命令。
    2. 设备距离管理人员越来越远
　　有些设备安装在机房、楼顶、生产线内部或者其他城市。维护人员不可能每次都到现场读取数据和修改参数。接入局域网或互联网后，设备就可以被远程访问和维护
    3、产品化需求
　　传统串口通信需要开发专用上位机并定义自己的数据格式。但是IP网络通信可以使用HTTP、MQTT等通用方式与云平台对接。
　　除此之外，传统设备的软件升级需要工作人员拆开外壳链接调试器更新程序，而网络通信则为远程日志、故障诊断与OTA固件升级提供了数据通道。

  因此，在嵌入式开发中，网络通信最初就是为了让设备具备更远的远程连接、集中管理和标准化接入能力。
　　在物联网时代与早期AI时代的发展中，终端设备就通过网络将图像、声音和传感器等信息上传云端，由服务器完成模型推理和分析。
　　当然，在现在随着芯片算力提升和模型轻量化，AI任务逐渐向设备端下沉，AI可以在本地就完成识别和判断。实现边缘设备负责实时感知和本地决策、云端负责模型训连与集中管理，网络承担结果上传、模型更新和云边协同的AIOT系统。
　　因此网络通信的重要性不言而喻。
二、什么是网络通信
　　正如前文所说，网络通信最开始大多应用于解决多设备、远距离与一些相关产品化需求。因此网络通信也可以简单理解为：
　　多台设备通过有线或无线方式接入同一个网络，并按照共同认可的通信规则发送和接收数据。
　　为了达成这个最终目标，开发者要解决这样一些问题：如何识别不同设备、如何确定数据应该发到哪里、数据如何跨越交换器和路由器、大数据传输、数据丢失/错误处理等等。
　　因此，为了统一解决这些问题，开发者就制定了一套通用的网络规则叫做TCP/IP协议族，我们常说的网络接入层、网络层、传输层和应用层正是对常见TCP/IP协议的解读。我们一起来看一看：
　　首先是网络接入层，这一部分严格意义来说不属于TCP/IP协议，它决定的是数据通过什么介质进行传输，我们常说的WIFI、以太网就属于这一类。
　　其次就是网络层，网络层解决的是设备识别、确定数据发往哪里的问题，典型协议就是IP协议，IP协议通过IP地址识别不同的目标设备，并处理不同网络之间的数据传输。
　　然后就是传输层，作用和它的名字一样，解决数据怎么传输以及传输过程会出现的各种问题。典型协议就是TCP协议和UDP协议，二者的区别是TCP协议建立的是可靠连接，会对数据进行排序并在必要时重新发送丢失的数据，因此非常适合用在对数据传输正确性有严格要求的场景比如OTA固件升级。而UDP则更关注实时性，允许少量数据丢失也没有关系，比如实时音频和视频传输这种情况。
　　最后就是应用层，应用层负责解决双方具体交换什么内容，常见协议有MQTT、HTTP、Modbus TCP等等。
               
　　这里我们来举个例子，假设一台嵌入式设备提供了网页配置功能，用户在浏览器中输入了该设备的IP地址，那么背后的逻辑就是这样的：

• 嵌入式设备接入以太网或WIFI获得一个IP地址；
• 浏览器根据IP地址找到目标设备；
• TCP在浏览器与设备之间建立可靠连接；
• 最后HTTP解决浏览器如何请求页面以及设备如何返回页面

　　整个通信过程就是：HTTP → TCP → IP → 以太网或Wi-Fi
　　设备接收数据时，就按照相反的顺序进行解析。
　　这样一来，每个层次只需要解决自己负责的问题：以太网和Wi-Fi负责传输，IP负责寻址，TCP负责可靠连接，HTTP负责网页内容。
三、MCU如何实现TCP/IP网络通信
　　在嵌入式系统中。实现TCP/IP网络通信主要有一下几种方案。
    1、使用硬件TCP/IP芯片
　　以W5500为代表的网络芯片在芯片内部实现了常用的TCP/IP功能。MCU可以通过SPI等接口控制芯片、建立连接并收发数据，这种方法最传统，MCU不需要运行完整的TCP/IP协议栈，相应的对MCU的FLash/RAM等资源/性能的要求也较低，但是局限也很明显就是功能较为固定，需要增加外部芯片和PCB空间，后续拓展功能会受到硬件能力的限制。所以这种方案适合MCU资源有限以及网络需求相对固定的项目。

    2、使用内置TCP/IP协议栈的通信模块

　　部分Wi-Fi和蜂窝通信模块内部已经集成了TCP/IP协议栈。主控MCU不需要处理底层TCP/IP协议，只需要通过UART、SPI等接口向模块发送命令例如获取IP地址、连接指定WIFI等。

　　瑞萨的DA16200MOD/DA16600等就是这类产品。它们内部运行完整的TCP/IP协议栈，可以通过AT命令使用Wi-Fi、TCP、UDP、HTTP、MQTT和OTA等功能。其中，DA16600MOD还集成了BLE。

　　这种方案的优缺点和上述方案1类似，都把TCP/IP处理放在外部芯片或模块中，对主控MCU的资源要求很低，但网络功能受到模块固件和AT指令的限制。它和方案1的区别就在于W5500主要提供有线以太网和基础Socket通信，DA16200等主要提供的是无线连接并集成更多的网络应用功能。

    3、在MCU中运行TCP/IP协议

　　还有一种方案自然就是在MCU中直接运行软件TCP/IP协议栈，瑞萨的RA6M3、RA6M4、RA6M5和RA8D1等MCU已经集成以太网MAC控制器，可以配合外部PHY接入以太网，再由MCU内部的软件协议栈完成网络通信。

　　这种方式会占用一定的Flash、RAM和处理器资源，但网络功能更加灵活，开发者可以根据项目需求添加HTTP、MQTT、Modbus TCP和OTA等功能。

　　嵌入式常见的软件TCP/IP协议栈实现有以下几种：

• FreeRTOS+TCP
• NetX Duo
• lwIP
• Zephyr网络协议栈

与硬件TCP/IP芯片和通信模块相比，在MCU中运行协议栈对软件开发的要求更高，但开发者对网络功能也拥有更高的控制能力。

　　对于瑞萨RA开发者来说，FSP均已经为这些常见协议栈提供了相应支持：

  FreeRTOS+TCP：提供与RA以太网驱动连接的适配模块；

  NetX Duo：提供以太网和Wi-Fi驱动，可以与ThreadX配合使用；

  lwIP：提供以太网驱动以及裸机、FreeRTOS适配层，可以通过FSP图形化配置；

  Zephyr网络协议栈：不属于FSP体系，但瑞萨已经为几乎全部的RA芯片提供了Zephyr支持，可以使用Zephyr自带的网络功能。 借助e² studio中的FSP配置界面，开发者可以选择需要的协议栈和底层驱动，设置IP地址、网络缓冲区等参数，并自动生成基础配置代码。

　　而在这些软件TCP/IP协议栈中，lwIP凭借开源、轻量和易于裁剪等特点，成为MCU网络开发中应用较广的一种方案。

四、瑞萨与lwIP

　　通过上文的介绍，我们可以知道lwIP就是是一套面向嵌入式设备开发的轻量级开源TCP/IP协议栈。

　　TCP/IP规定了设备进行网络通信时需要遵守的规则，而lwIP则通过软件代码实现这些规则，使Flash和RAM相对有限的MCU也能够使用IP、TCP、UDP、DHCP和DNS等网络功能。

　　对比其他的方案，lwIP的特点是轻量、开源并且易于裁剪。它既可以运行在裸机环境中，也可以与FreeRTOS等RTOS配合。它的局限是部分参数、缓冲区和线程需要开发者根据项目进行配置，HTTPS等加密功能还需要配合Mbed TLS等其他软件组件。

　　FreeRTOS+TCP就是面向FreeRTOS开发的TCP/IP协议栈，优点是能够与FreeRTOS的任务、队列和内存管理方式配合，适合已经使用FreeRTOS的项目。它的局限是对FreeRTOS依赖较强，如果项目没有使用FreeRTOS，那么使用lwIP就是一个很好的选择。

　　NetX Duo是一套功能较为完整的TCP/IP协议栈，支持IPv4和IPv6，并且能够与ThreadX紧密配合。它适合已经采用ThreadX，或者需要较完整网络功能的项目。不过，它与ThreadX开发体系联系较为紧密，切换到其他操作系统时需要重新适配。

　　Zephyr网络协议栈则是Zephyr系统的一部分，可以与Zephyr的驱动、设备模型和系统组件统一使用，适合基于Zephyr开发的产品。

　　相比之下，lwIP对操作系统的依赖较少，资源占用相对较低，使用方式也更加灵活，因此成为MCU网络开发中应用较广的一种TCP/IP协议栈。

　　对于瑞萨RA开发者来说，FSP已经提供了lwIP、底层以太网驱动以及相关适配模块，并支持通过e² studio完成基础配置。