网络通信篇：从以太网到 MQTT 的嵌入式部署实战

本文为《嵌入式通信协议全解析》第五篇，聚焦以太网通信、TCP/IP 协议栈以及 MQTT、CoAP 等物联网核心协议在 MCU 中的落地方法。

🌐随着物联网从局部连接走向广域协同，嵌入式设备越来越需要通过以太网或无线联网协议接入云平台，实现远程控制、数据采集与智能服务。本篇将从网络通信基本结构讲起，深入讲解协议原理、轻量协议栈移植与工程实战。

🧠 一、网络通信的嵌入式挑战

1.1 MCU 上为什么网络通信难？

相比 PC 或服务器，MCU 的处理资源和内存容量十分有限：

Flash 通常小于 512KB，RAM 小于 128KB；

时钟频率一般在几十 MHz 到几百 MHz；

无 MMU（内存管理单元），缺少大操作系统的支撑。

网络通信协议本身具有高度复杂性：

TCP 是连接导向协议，需要维护状态、重传窗口、ACK 等机制；

IP 层需要处理分片与组装；

DNS、DHCP、HTTP、MQTT 等应用协议又带来额外解析逻辑。

此外，嵌入式设备还要实现：

实时性响应（例如中断优先级高于网络栈）

多任务调度（RTOS 线程间的互斥同步）

低功耗管理（睡眠模式下网络连接如何保持）

因此，我们必须使用轻量级协议栈 + 高效任务管理机制 + 精心设计的资源调度方案。

📡 二、TCP/IP 协议栈结构及嵌入式移植原理

2.1 TCP/IP 五层模型回顾

层级	作用	协议举例
应用层	提供服务（HTTP、MQTT）	HTTP、CoAP、MQTT
传输层	建立端到端连接	TCP、UDP
网络层	IP寻址与路由	IPv4、IPv6、ICMP、ARP
数据链路层	网络帧结构与MAC地址	Ethernet、PPP、WLAN
物理层	电气标准	RJ45、Wi-Fi 射频

2.2 嵌入式常见网络协议栈

🔹 lwIP（轻量 IP 栈）

开源，由 Adam Dunkels 设计；

占用资源小（代码约 50KB），支持 TCP/UDP/IPv4/IPv6/DHCP/DNS；

支持裸机和 RTOS 环境；

提供 raw API、netconn API、socket API 三种接口模式。

🔹 uIP

适合 8 位或 16 位 MCU（如 AVR）；

极小内存占用，支持基本 TCP/IP 功能；

不推荐用于现代 32 位 Cortex-M 系统。

🔹 RT-Thread + NetUtils

国内 RTOS 生态，支持 LwIP、AT 网络、NB-IoT 等；

适合需要快速实现网络功能的国产项目。

⚙️ 三、Ethernet MAC + PHY 驱动与接口原理

以 STM32 为例，网络通信依赖两个核心模块：

MAC 控制器：片上以太网控制器，负责数据打包、CRC 校验、DMA 接收发送。

PHY 芯片：如 LAN8720、DP83848、W5500 等，负责物理信号收发。

通信方式：

MAC 控制器通过 RMII/MII 接口与 PHY 芯片通信；

PHY 通过 RJ45 接口与网线连接；

MCU 驱动 MAC，MAC 通过 SMI 配置 PHY。

软件栈处理流程：

应用层 → TCP/UDP → IP → Ethernet → MAC DMA → PHY → RJ45

DMA 与中断协作模型图：

🧱 四、嵌入式 MQTT 协议实现详解

4.1 MQTT 协议基本结构

基于 TCP 连接：可靠传输，避免重复消息。

发布-订阅模式：客户端无需互相感知，仅通过 Topic 协作。

QoS 等级：0（最多一次），1（至少一次），2（仅一次）。

保持连接机制：心跳包（PINGREQ / PINGRESP）确保连接不中断。

4.2 报文类型解析

报文	用途
CONNECT	建立连接
PUBLISH	发布消息
SUBSCRIBE	订阅主题
PINGREQ	保活请求
DISCONNECT	断开连接

4.3 嵌入式 MQTT 库推荐

库	特点
paho.mqtt.embedded-c	Eclipse 官方维护，支持多种平台
MQTT-C	C语言轻量级实现，适合裸机使用
EMQ SDK	支持 TLS、断点续连、国产 MQTT Broker 兼容性好