裸机环境下的lwIP网速测试

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    1，iPerf 与JPerf

    在开始讲解网络测速之前，让我们先来了解下测速的利器：iPerf。这个工具可不仅仅局限于Windows、Linux、Mac、Android或iOS等平台，它可是个全能的网络性能测试专家。凭借其强大的功能，我们可以测试TCP和UDP（我们通常不对UDP进行测速）的带宽质量和最大TCP带宽。而且，它不仅可以根据不同的参数进行测试，还可以精准地报告带宽、延迟抖动以及数据包丢失的情况。这使得我们能够利用iPerf来评估各种网络设备如路由器、防火墙、交换机的性能。

    虽然iPerf非常实用，但对于那些不熟悉命令行的人来说，可能会觉得有些困难。幸运的是，还有一款名为JPerf的图形界面程序，它极大地简化了原本复杂的命令行参数构造。而且，JPerf还具备保存测试结果并将结果实时图形化的功能，使得结果更加直观易懂。当然，作为iPerf的完美搭档，JPerf同样拥有iPerf的所有功能。该软件下载地址是：https://iperf.fr/iperf -download.php。如下图所示。

双击上图"jperf.bat"文件即可打开JPerf软件。

2，测试网络速度

正点原子最新发布的lwIP例程中，提供两个测试网络速度的例程，它们分布用作于裸机测试和freeRTOS测试，例程如下所示。

这些实验都是使用了lwIP提供的lwiperf源代码实现的，实际上它是一个简单的性能测量客户端/服务器，用于检测PHY芯片的收发带宽。我们根据收发的带宽来计算网络速度是多少？以YT8512C或LAN8720A这两款PHY芯片为例，它们都支持10Mbps和100Mbps，如果将其换算成MB/s，那么就是1.25MB/s和12.5MB/s（MB/s单位非常常见，我们日常生活中软件下载速度的单位就是MB/s、KB/s或者B/s）。

下面作者以裸机例程为例，将代码下载到对应的正点原子开发板中，然后在“server address”文本框中输入DHCP获取成功的IP地址，然后按下“Run IPerf”按键测试收发带宽。如下图所示。

从上图可以看到，此次测试的带宽为94831Kbits/sec左右，换算成Mbits/sec单位为94.831Mbits/sec（约等于95Mbps (Mbps = Mbit/s)），接着把94.831Mbits/sec换算成MB/s（下载速度=宽带值/8），即11.853875MB/s（这个值已经接近12.5MB/s了）。

3，提高LwIP 网络传输的速度

如果按照lwIP默认的配置，是不可能达到我们实验所显示的速度的，因为还没有进行优化，因此肯定也是不稳定的。下面我们来看看优化的参数。首先，网速必然受限于硬件，只有硬件很好，软件才能优化得更好。网卡肯定需要选择好一点的网卡。然后，在工程中的stm32f4xx_hal_config.h文件中配置以太网发送和接收的缓冲区大小，默认是4，我们可以稍微改大一点，具体见以下代码。

1. #define ETH_TX_DESC_CNT 5U   //以太网TX描述符，代表有多少个发送队列
   
2. #define ETH_RX_DESC_CNT 5U  //以太网RX描述符，代表有多少个接收队列
   

复制代码

此外，还需在lwipopts.h 文件中配置lwIP 的参数，具体见下述代码。首先，我们需要为LwIP管理的内存分配较大的空间。当发送数据存储在ROM 或静态存储区时，我们还需要将MEMP_NUM_PBUF 宏定义的值调大一些。当然，发送缓冲区大小和发送缓冲区队列长度决定了发送速度的大小，这需要根据不同的需求进行配置，并可能需要进行不断的调试。对于接收数据的配置，我们应该设定TCP 缓冲队列中的报文段数量以及TCP 接收窗口大小，特别是接收窗口的大小，因为它可以直接影响数据的接收速度。

1. /* 内存堆heap 大小 */
   
2. #define MEM_SIZE (30*1024)
   
3. /* memp 结构的pbuf 数量, 如果应用从ROM 或者静态存储区发送大量数据时
   
4. 这个值应该设置大一点 */
   
5. #define MEMP_NUM_PBUF 25
   
6. /* 最多同时在TCP 缓冲队列中的报文段数量 */
   
7. #define MEMP_NUM_TCP_SEG 150
   
8. /* 内存池大小 */
   
9. #define PBUF_POOL_SIZE 65
   
10. /* 每个pbuf 内存池大小 */
    
11. #define PBUF_POOL_BUFSIZE   1524
    
12. /* 最大TCP 报文段，TCP_MSS = (MTU - IP 报头大小- TCP 报头大小 */
    
13. #define TCP_MSS (1500 - 40)
    
14. /* TCP 发送缓冲区大小（字节） */
    
15. #define TCP_SND_BUF (11*TCP_MSS)
    
16. /* TCP 发送缓冲区队列的最大长度 */
    
17. #define TCP_SND_QUEUELEN (8* TCP_SND_BUF/TCP_MSS)
    
18. /* TCP 接收窗口大小 */
    
19. #define TCP_WND (30*TCP_MSS)
    

复制代码

    当然，除了这些配置之外，为了让整个LwIP能够高速平稳地运行，还需要进行其他优化。例如，我们应该使用中断的方式接收数据，这样就可以省去CPU查询数据的操作。另外，我们应该增大内核邮箱的容量，这样在接收到数据之后，就可以顺利地将数据投递给内核，而不会因为无法投递而阻塞。同时，内核线程的优先级应该设置得更高一些，以便及时处理这些数据。

    此外，我们也可以独立使用一个新的发送线程。这样，内核就不需要调用底层网卡函数，可以专心处理数据。发送数据的事情则交由发送线程去处理。同时，在处理数据的时候，应该避免使用串口打印信息，因为串口是一个速度较慢的外设。

    关于提高LwIP网络传输的速度，还有很多方面需要优化，这也跟具体的使用环境有关系，不能一概而论。这里只是给出一些优化方向，具体怎么实现还需要大家亲身实践去调试。