stm32 lwip tcp服务端频繁接收连接失效问题解决（tcp_recved）

一、问题描述

最近用stmf429单片机作为TCP服务端遇到一个问题，就是客户端特别频繁的发送消息，过一段时间以后，客户端的请求不再被客户端接收到，而且服务器端监控的掉线回调函数也不会被调用，好像这个连接就凭空的消失了。

二、问题排除

首先，我以为是QT的客户端出现问题了，因为请求过于频繁，所以tcp的发送缓存区满了，但是我在发送消息的时候加了缓存区内容判断，有内容就不发送，还是不管用，然后用了串口助手软件以同样速度向单片机发送消息，过不了多久也就失去连接了，所以排除了客户端的问题。确定是单片机服务器端的问题，然后我又改了服务器端的返回消息那里，也是加发送缓存区的判断，同样是不管用，最后发现，是没有加tcp_recved的原因。

三、 tcp_recved描述

tcp_recved是 lwIP（Lightweight IP，轻量级 TCP/IP 协议栈）中用于 TCP 连接的数据接收确认操作的重要函数调用。

1.函数作用

tcp_recved 函数的主要作用是告知 lwIP 协议栈，应用程序已经成功处理了指定长度的数据，这样 lwIP 可以更新接收窗口的大小，允许发送方继续发送更多的数据。在 TCP 协议中，接收方会维护一个接收窗口，用于告知发送方自己当前能够接收的数据量。当应用程序处理完一部分数据后，需要调用 tcp_recved 函数来调整这个窗口大小，以保证数据的正常传输。

2.函数原型及参数

void tcp_recved(struct tcp_pcb *tpcb, u16_t len);

• 参数：
  • tpcb：指向 struct tcp_pcb 类型的指针，该结构体代表一个 TCP 连接的协议控制块，包含了该连接的所有状态信息。
  • len：表示应用程序已经成功处理的数据长度，单位是字节。

3. 使用场景

在 TCP 服务器或客户端的接收回调函数中，当应用程序接收到数据并完成处理后，需要调用 tcp_recved 函数。例如，在 client_recv_handler 回调函数中，当处理完接收到的 pbuf（数据包缓冲区）中的数据后，就会调用该函数。

4.实现原理

• 更新接收窗口：tcp_recved 函数会根据传入的 len 参数，更新 TCP 连接的接收窗口大小。接收窗口的大小表示接收方当前还能接收多少字节的数据。当应用程序处理完数据后，接收窗口会相应地增大，允许发送方发送更多的数据。
• 发送确认信息：lwIP 会根据更新后的接收窗口信息，向发送方发送确认信息（ACK），告知发送方可以继续发送的数据范围。

4.示例代码

#include "lwip/tcp.h"

// 接收回调函数
err_t client_recv_handler(void *arg, struct tcp_pcb *tpcb, struct pbuf *p, err_t err)
{
    if (p != NULL) {
        // 处理接收到的数据
        // 这里可以添加具体的数据处理逻辑，如解析数据、存储数据等
        // ...

        // 告知 lwIP 已经处理完这些数据
        tcp_recved(tpcb, p->tot_len);

        // 释放 pbuf 占用的内存
        pbuf_free(p);
    } else if (err == ERR_OK) {
        // 连接关闭处理
        tcp_close(tpcb);
    }
    return ERR_OK;
}

5.注意事项

• 及时调用：在处理完接收到的数据后，应及时调用 tcp_recved 函数，否则接收窗口不会更新，发送方可能会认为接收方没有足够的空间来接收新的数据，从而暂停数据发送，导致网络性能下降，我这次就是因为没有调用这个函数，客户端与服务器端频繁通讯出现了连接失效的问题。
• 数据长度准确：传入 tcp_recved 函数的 len 参数必须准确表示应用程序已经处理的数据长度，否则可能会导致接收窗口大小计算错误，影响数据的正常传输。
• 内存管理：在调用 tcp_recved 函数后，通常需要释放 pbuf 占用的内存，避免内存泄漏。可以使用 pbuf_free 函数来释放内存。

四、TCP服务端完整代码

#include "tcp_demo.h"
extern u8* GETDATA_BUFF8;
extern short *GETDATA_BUFF16;
extern u8 nowtype;

extern OS_SEM	Gather_SEM;


#define TCP_SERVER_PORT 8088  // 定义TCP服务器监听的端口号，可按需修改
#define MAX_CONNECTIONS 2      // 最大允许同时连接的客户端数量
#define RX_BUFFER_SIZE 1024    // 接收缓冲区大小

// 用于存储客户端连接的结构体数组
struct tcp_pcb *tcp_server_pcbs[MAX_CONNECTIONS];

// 用于保护对tcp_server_pcbs数组操作的互斥信号量
OS_SEM tcp_server_pcbs_sem;

// 处理客户端连接的函数
err_t client_connection_handler(void *arg, struct tcp_pcb *newpcb, err_t err);
// 处理客户端接收数据的函数
err_t client_recv_handler(void *arg, struct tcp_pcb *tpcb, struct pbuf *p, err_t err);
// 处理客户端发送数据的函数（示例中简单回显数据给客户端）
err_t client_send_handler(void *arg, struct tcp_pcb *tpcb, u16_t len);
// 处理客户端断开连接的函数
void client_err_handler(void *arg, err_t err);
// TCP服务器任务函数
void tcp_server_task(void *p_arg);



//TCP客户端任务
#define TCP_PRIO		7
//任务堆栈大小
#define TCP_STK_SIZE	300
//任务控制块
OS_TCB	TcpTaskTCB;
//任务堆栈
CPU_STK TCP_TASK_STK[TCP_STK_SIZE];

int close_tcp=0;


void tcp_server_task(void *p_arg)
{
    struct tcp_pcb *server_pcb;
    err_t err;
		OS_ERR os_err;
    // 创建一个TCP协议控制块（PCB）用于服务器端
    server_pcb = tcp_new();
    if (server_pcb == NULL)
    {
        printf("Error creating TCP PCB\n");
        return;
    }

    // 绑定服务器的IP地址和端口号
    err = tcp_bind(server_pcb, IP_ADDR_ANY, TCP_SERVER_PORT);
    if (err!= ERR_OK)
    {
        printf("Error binding TCP socket: %d\n", err);
        tcp_close(server_pcb);
        return;
    }

    // 将服务器PCB设置为监听状态，等待客户端连接
    server_pcb = tcp_listen(server_pcb);
    if (server_pcb == NULL)
    {
        printf("Error listening for connections\n");
        tcp_close(server_pcb);
        return;
    }

    // 设置接受客户端连接的回调函数
    tcp_accept(server_pcb, client_connection_handler);

    while (1)
    {
        // 任务可以在这里进行适当的阻塞等待，避免过度占用CPU资源
       OSTimeDlyHMSM(0,0,0,100,OS_OPT_TIME_HMSM_STRICT,&os_err); //延时100ms
    }
}

err_t client_connection_handler(void *arg, struct tcp_pcb *newpcb, err_t err)
{
    OS_ERR os_err;
    int client_index;

    if (err!= ERR_OK)
    {
        return err;
    }

    // 获取互斥信号量，保护对tcp_server_pcbs数组的访问
		OSSemPend(&tcp_server_pcbs_sem,0,OS_OPT_PEND_BLOCKING,0,&os_err); 	//请求信号量
		if(tcp_server_pcbs[close_tcp]!=NULL){
				tcp_close(tcp_server_pcbs[close_tcp]);
		}
		tcp_server_pcbs[close_tcp]=newpcb;
		if(close_tcp==0){
			close_tcp=1;
		}else{
			close_tcp=0;
		}

    // 设置接收、发送和错误处理的回调函数
    tcp_recv(newpcb, client_recv_handler);
    tcp_sent(newpcb, client_send_handler);
    tcp_err(newpcb, client_err_handler);

    OSSemPost(&tcp_server_pcbs_sem, OS_OPT_POST_1, &os_err);
    return ERR_OK;
}


err_t client_recv_handler(void *arg, struct tcp_pcb *tpcb, struct pbuf *p, err_t err)
{
		 OS_ERR os_err;

    if (err == ERR_OK && p!= NULL)
    {
        // 将接收到的pbuf数据复制到本地缓冲区（这里简单示例，可优化）
        /**char rx_buffer[RX_BUFFER_SIZE];
        int copied_bytes = 0;
        struct pbuf *q = p;
        while (q!= NULL)
        {
            int bytes_to_copy = (q->len < (RX_BUFFER_SIZE - copied_bytes))? q->len : (RX_BUFFER_SIZE - copied_bytes);
            memcpy(&rx_buffer[copied_bytes], q->payload, bytes_to_copy);
            copied_bytes += bytes_to_copy;
            q = q->next;
        }**/

        // 这里可以对接收到的数据进行处理，比如根据协议解析等，现在简单回显数据给客户端
        //tcp_write(tpcb, rx_buffer, copied_bytes, TCP_WRITE_FLAG_COPY);
        //tcp_output(tpcb);
				OSSemPend(&Gather_SEM,0,OS_OPT_PEND_BLOCKING,0,&os_err); 	//请求信号量
				u16_t free_space = tcp_sndbuf(tpcb);
				if (free_space >= 1441) {
						// 缓冲区有足够空间，写入数据
						tcp_write(tpcb, GETDATA_BUFF8, 1441, TCP_WRITE_FLAG_COPY);
						tcp_output(tpcb);
				} else {
						// 缓冲区空间不足，进行相应处理，如等待或丢弃数据
						// 这里简单打印提示信息
						printf("Send buffer is not enough!\n");
				}
				OSSemPost (&Gather_SEM,OS_OPT_POST_1,&os_err);				//发送信号量
        // 释放接收到的pbuf内存
				tcp_recved(tpcb, p->tot_len);
        pbuf_free(p);
    }
    else if (err == ERR_OK && p == NULL)
    {
					OSSemPend(&tcp_server_pcbs_sem,0,OS_OPT_PEND_BLOCKING,0,&os_err); 	//请求信号量
        // 客户端关闭了连接，正常处理
					for (int i = 0; i < MAX_CONNECTIONS; i++)
					{
							if (tcp_server_pcbs[i] == tpcb)
							{
									tcp_server_pcbs[i] = NULL;
									break;
							}
					}
					 OSSemPost(&tcp_server_pcbs_sem, OS_OPT_POST_1, &os_err);
					 tcp_close(tpcb);
						
    }
    else
    {
        // 出现错误情况，关闭连接
        tcp_close(tpcb);
    }

    return ERR_OK;
}

err_t client_send_handler(void *arg, struct tcp_pcb *tpcb, u16_t len)
{
    // 这里可以根据实际发送情况做一些后续处理，当前示例只是简单回显，无需额外操作
    return ERR_OK;
}

void client_err_handler(void *arg, err_t err)
{
    struct tcp_pcb *tpcb = (struct tcp_pcb *)arg;
    OS_ERR os_err;

    // 获取互斥信号量，保护对tcp_server_pcbs数组的访问
   OSSemPend(&tcp_server_pcbs_sem,0,OS_OPT_PEND_BLOCKING,0,&os_err); 	//请求信号量

    for (int i = 0; i < MAX_CONNECTIONS; i++)
    {
        if (tcp_server_pcbs[i] == tpcb)
        {
            tcp_server_pcbs[i] = NULL;
            break;
        }
    }

    OSSemPost(&tcp_server_pcbs_sem, OS_OPT_POST_1, &os_err);
    tcp_close(tpcb);
}



//创建TCP线程
//返回值:0 TCP创建成功
//		其他 TCP创建失败
u8 tcp_demo_init(void)
{
	OS_ERR err;
	CPU_SR_ALLOC();
	
	OS_CRITICAL_ENTER();//进入临界区
	//创建TCP任务
	OSTaskCreate((OS_TCB 	* )&TcpTaskTCB,		
				 (CPU_CHAR	* )"tcp task", 		
                 (OS_TASK_PTR )tcp_server_task, 			
                 (void		* )0,					
                 (OS_PRIO	  )TCP_PRIO,     
                 (CPU_STK   * )&TCP_TASK_STK[0],	
                 (CPU_STK_SIZE)TCP_STK_SIZE/10,	
                 (CPU_STK_SIZE)TCP_STK_SIZE,		
                 (OS_MSG_QTY  )0,					
                 (OS_TICK	  )0,					
                 (void   	* )0,					
                 (OS_OPT      )OS_OPT_TASK_STK_CHK|OS_OPT_TASK_STK_CLR,
                 (OS_ERR 	* )&err);
	OS_CRITICAL_EXIT();	//退出临界区
	return err;
}

 

1. 全局变量和宏定义

• 端口和连接相关：
  • TCP_SERVER_PORT：定义了 TCP 服务器监听的端口号，这里设为 8088。
  • MAX_CONNECTIONS：规定了服务器最大允许同时连接的客户端数量，为 2。
  • RX_BUFFER_SIZE：设置了接收缓冲区的大小，为 1024 字节。
• 客户端连接数组和信号量：
  • tcp_server_pcbs：是一个用于存储客户端连接的 struct tcp_pcb 类型的数组，长度为 MAX_CONNECTIONS。
  • tcp_server_pcbs_sem：用于保护对 tcp_server_pcbs 数组操作的互斥信号量。
• 其他外部变量：GETDATA_BUFF8、GETDATA_BUFF16、nowtype 是外部定义的变量，Gather_SEM 是一个外部信号量。

2. 函数声明

声明了多个处理 TCP 连接、数据接收、发送、错误处理以及服务器任务的函数，具体如下：

• client_connection_handler：处理客户端连接请求。
• client_recv_handler：处理客户端发送的数据。
• client_send_handler：处理数据发送完成后的操作。
• client_err_handler：处理连接错误。
• tcp_server_task：TCP 服务器的主任务函数。

3. TCP 服务器任务函数 tcp_server_task

• 创建和绑定 PCB：使用 tcp_new() 创建一个 TCP 协议控制块（PCB），并通过 tcp_bind() 将其绑定到指定的 IP 地址（IP_ADDR_ANY 表示监听所有可用的 IP 地址）和端口号。
• 监听连接：调用 tcp_listen() 将服务器 PCB 设置为监听状态，等待客户端连接。
• 设置回调函数：使用 tcp_accept() 设置接受客户端连接的回调函数为 client_connection_handler。
• 任务循环：在一个无限循环中，使用 OSTimeDlyHMSM() 函数进行 100ms 的延时，避免任务过度占用 CPU 资源。

4. 客户端连接处理函数 client_connection_handler

• 错误检查：检查连接是否存在错误，若有则直接返回错误码。
• 管理连接数组：获取互斥信号量 tcp_server_pcbs_sem，保护对 tcp_server_pcbs 数组的访问。如果数组中已有连接，关闭该连接，然后将新的连接添加到数组中。
• 设置回调函数：为新的客户端连接设置接收、发送和错误处理的回调函数，分别为 client_recv_handler、client_send_handler 和 client_err_handler。
• 释放信号量：操作完成后，释放互斥信号量。

5. 客户端数据接收处理函数 client_recv_handler

• 正常接收数据：当接收到数据（err == ERR_OK && p != NULL）时，先获取 Gather_SEM 信号量，检查发送缓冲区是否有足够空间。若空间足够，将 GETDATA_BUFF8 中的 1441 字节数据写入发送缓冲区并尝试发送；若空间不足，打印提示信息。处理完后释放 Gather_SEM 信号量，调用 tcp_recved() 告知 lwIP 已处理的数据长度，并释放接收到的 pbuf 内存。
• 客户端关闭连接：当客户端关闭连接（err == ERR_OK && p == NULL）时，获取 tcp_server_pcbs_sem 信号量，从 tcp_server_pcbs 数组中移除该连接，然后释放信号量并关闭连接。
• 错误处理：若出现其他错误情况，直接关闭连接。

6. 客户端数据发送处理函数 client_send_handler

该函数目前只是简单返回 ERR_OK，可根据实际发送情况添加后续处理逻辑。

7. 客户端连接错误处理函数 client_err_handler

获取 tcp_server_pcbs_sem 信号量，从 tcp_server_pcbs 数组中移除出现错误的连接，释放信号量并关闭连接。

8. TCP 任务创建函数 tcp_demo_init

使用 uC/OS-II 的 OSTaskCreate() 函数创建 tcp_server_task 任务，指定任务的优先级、堆栈等参数。如果任务创建成功，返回 0；否则返回相应的错误码。