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M5stickCのlwIPにTCP_QUICKACKを追加してみました

Last updated at 2021-07-28Posted at 2021-07-04

背景

mqttの通信実験を行ってる際に、
publishパケットとackパケットの数が違うので、
TCP_QUICKACK有効にしてpublishパケットとackパケットの数を合わせることで
応答確認をしやすくしようと思いました

しかし、ショックなことにlwIPにはTCP_QUICKACK設定がないことが
分かりました
せっかくの機会なので、lwIPの勉強を兼ねて自分で追加してみました

お願い
導入は自己責任でお願いします

1 TCP_QUICKACKとは

初期設定（TCP_QUICKACK無効）においては、必要な時にACKを返します。
TCP_QUICKACKを有効にすると、即ACKを返します。

TCP_QUICKACK有効時のメリット
TCPの受信ごとにACKを返すので応答速度をあげることが出来ます。
TCP_QUICKACK有効時のデメリット
TCPの受信ごとにACKを返すので通信量増加とTCPスタック負荷増となります。

wikipedia
https://ja.wikipedia.org/wiki/TCP%E9%81%85%E5%BB%B6ACK

2 lwIPとは

組込用途に適した軽量TCPスタックです。
M5stickCで採用されています。

wikipedia
https://ja.wikipedia.org/wiki/LwIP

公式ページ
http://savannah.nongnu.org/projects/lwip/

3 準備

3.1 platformIOの準備

platformIOで開発を進めますので導入は公式ドキュメントを参照願います

3.2 esp-idfの準備

M5stickCなどのESP系の、OSやデバイスドライバなどをソースコードからビルドして開発するための開発環境がesp-idfです
検証時のplatformIOで採用していたEspressif32のバージョンはv3.2でした
Espressif32のv3.2のesp-idfはv3.3系となります
そのため、windowsにesp-idfのv3.3系の開発環境を構築します

今回導入するv3.3.5のドキュメントにしたがって進めます
https://docs.espressif.com/projects/esp-idf/en/v3.3.5/get-started/index.html

3.2.1 esp-idf-toolsのインストール

3.2.1.1 esp-idf-toolsをダウンロード

ダウンロード先から
esp-idf-tools-setup-online-2.9.exeをダウンロードします

3.2.2.2 ライセンス認証

3.2.2.3 インストール環境のチェック

3.2.2.4 esp-idfの取得

3.2.2.5 esp-idfのバージョン選択

3.2.2.6 esp-idfのインストール先の設定

3.2.2.7 開発環境の設定

私はeclipseを使わないので選択を外しています

3.2.2.8 インストール開始

しばらく待つと終わります
準備はこれで完了です

4 コードの変更内容

4.1 esp-idf

4.1.1 TCP_QUICKACKのdefineを追加します

変更ファイル
\esp-idf\components\lwip\lwip\src\include\lwip\socket.h


#define TCP_NODELAY    0x01    /* don't delay send to coalesce packets */  
#define TCP_KEEPALIVE  0x02    /* send KEEPALIVE probes when idle for pcb->keep_idle milliseconds */  
#define TCP_KEEPIDLE   0x03    /* set pcb->keep_idle Same as TCP_KEEPALIVE, but use seconds for get/setsockopt */  
#define TCP_KEEPINTVL  0x04    /* set pcb->keep_intvl Use seconds for get/setsockopt */  
#define TCP_KEEPCNT    0x05    /* set pcb->keep_cnt Use number of probes sent for get/setsockopt */ 
+ #define TCP_QUICKACK   0x06    /* set pcb->quickack get/setsockopt */
#endif /* LWIP_TCP */

4.1.2 quickack設定用の変数定義を追加します

変更ファイル
\esp-idf\components\lwip\lwip\src\include\lwip\tcp.h


  /* KEEPALIVE counter */
  u8_t keep_cnt_sent;
+
+  u32_t quickack;
+
 #if LWIP_WND_SCALE
  u8_t snd_scale;
  u8_t rcv_scale;
 #endif

4.1.3 quickack設定用の変数を初期化します

変更ファイル
\esp-idf\components\lwip\lwip\src\core\tcp.c

変更関数
tcp_alloc


 #if LWIP_TCP_KEEPALIVE
    pcb->keep_intvl = TCP_KEEPINTVL_DEFAULT;
    pcb->keep_cnt   = TCP_KEEPCNT_DEFAULT;
 #endif /* LWIP_TCP_KEEPALIVE */
+
+    pcb->quickack = 0;
+
  }
  return pcb;
 }

4.1.4 TCP_QUICKACKのオプション取得を追加します

変更ファイル
\esp-idf\components\lwip\lwip\src\api\socket.c

変更関数
lwip_getsockopt_impl


    case TCP_KEEPALIVE:
      *(int*)optval = (int)sock->conn->pcb.tcp->keep_idle;
      LWIP_DEBUGF(SOCKETS_DEBUG, ("lwip_getsockopt(%d, IPPROTO_TCP, TCP_KEEPALIVE) = %d\n", s, *(int *)optval));
      break;
+
+    case TCP_QUICKACK:
+      *(int*)optval = sock->conn->pcb.tcp->quickack;
+      break;
+
 #if LWIP_TCP_KEEPALIVE
     case TCP_KEEPIDLE:

4.1.5 TCP_QUICKACKのオプション設定を追加します

変更ファイル
\esp-idf\components\lwip\lwip\src\api\socket.c

変更関数
lwip_setsockopt_impl


        case TCP_KEEPALIVE:
      sock->conn->pcb.tcp->keep_idle = (u32_t)(*(const int*)optval);
      LWIP_DEBUGF(SOCKETS_DEBUG, ("lwip_setsockopt(%d, IPPROTO_TCP, TCP_KEEPALIVE) -> %"U32_F"\n", s, sock->conn->pcb.tcp->keep_idle));
      break;
+
+    case TCP_QUICKACK:
+      sock->conn->pcb.tcp->quickack = (u32_t)(*(const int*)optval);
+      break;
+
 #if LWIP_TCP_KEEPALIVE
    case TCP_KEEPIDLE:

4.1.6 quickack有効時の振る舞いを追加します

変更ファイル
\esp-idf\components\lwip\lwip\src\core\tcp_in.c

変更関数
tcp_receive


 #endif /* TCP_QUEUE_OOSEQ */
-
-        /* Acknowledge the segment(s). */
-        tcp_ack(pcb);
+        if( pcb->quickack!= 0 ) {
+          tcp_ack_now(pcb);
+        } else {
+          /* Acknowledge the segment(s). */
+          tcp_ack(pcb);
+        }
+
 #if LWIP_IPV6 && LWIP_ND6_TCP_REACHABILITY_HINTS

4.1.7 ビルドオプションの変更します

4.1.7.1 ESP-IDF 3.3 CMDのコマンドプロンプトを開きます

4.1.7.2 ビルドプロジェクトに移動します

cd example\get-start\hello-world

※例としてhello-worldを選んでいます

4.1.7.3 メニューを開きます

idf.py menuconfig

4.1.7.4 ビルドオプションを設定します

Component config -->
LWIP-->
[ ]Enable SO_RCVBUF optionを[*]Enable SO_RCVBUF optionにします
saveして終了します

4.1.8 ビルドします

idf.py build

エラーがなければ完了です

4.2 実験用プロジェクト

4.2.1 TCP_QUICKACKのdefineを追加

変更ファイル
platformIOのインストール先\platformio\packages\framework-arduinoespressif32\tools\sdk\include\lwip\lwip\socket.h


#define TCP_NODELAY    0x01    /* don't delay send to coalesce packets */  
#define TCP_KEEPALIVE  0x02    /* send KEEPALIVE probes when idle for pcb->keep_idle milliseconds */  
#define TCP_KEEPIDLE   0x03    /* set pcb->keep_idle Same as TCP_KEEPALIVE, but use seconds for get/setsockopt */  
#define TCP_KEEPINTVL  0x04    /* set pcb->keep_intvl Use seconds for get/setsockopt */  
#define TCP_KEEPCNT    0x05    /* set pcb->keep_cnt Use number of probes sent for get/setsockopt */ 
+ #define TCP_QUICKACK   0x06    /* set pcb->quickack get/setsockopt */
#endif /* LWIP_TCP */

4.2.2 quickack設定用の変数定義を追加

変更ファイル
platformIOのインストール先platformio\packages\framework-arduinoespressif32\tools\sdk\include\lwip\lwip\tcp.h


  /* KEEPALIVE counter */
  u8_t keep_cnt_sent;
+
+  u32_t quickack;
+
 #if LWIP_WND_SCALE
  u8_t snd_scale;
  u8_t rcv_scale;
 #endif

4.2.3 ライブラリファイルを更新します

念のため、上書きする間にライブラリをバックアップしておくとよいかと思います

コピー元
esp-idf\examples\get-started\hello_world\build\esp-idf\lwip\liblwip.a

コピー先
platformio\packages\framework-arduinoespressif32\tools\sdk\lib\liblwip.a

5 使い方

設定値取得  
    httpsClient.getOption(TCP_QUICKACK,&getval);

設定値更新
    setval = 1; /* 有効 */
    httpsClient.setOption(TCP_QUICKACK,&setval);

    setval = 0; /* 無効 */
    httpsClient.setOption(TCP_QUICKACK,&setval);

6 サンプル

MQTTのsubscriberのプロジェクトにおいて
TCP_QUICKACK設定を切り替えています

pubsub_test.c

#include <M5StickC.h>
#include <PubSubClient.h>
#include <WiFi.h>
#include <LovyanGFX.hpp>
#include <lwip/sockets.h>

// Wi-FiのSSID
const char *ssid = "****";
// Wi-Fiのパスワード
const char *password = "****";
// MQTTの接続先のIP
const char *endpoint = "192.168.0.22";
// MQTTのポート
const int port = 1883;

// デバイスID
const char *deviceID = "M5Stickc_1";  // デバイスIDは機器ごとにユニークにします
// メッセージを知らせるトピック
const char *pubTopic = "/pub/M5Stickc_1";
// メッセージを待つトピック
const char *subTopic = "/sub/M5Stickc_1";
 
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

static LGFX lcd;

WiFiClient httpsClient;
PubSubClient mqttClient(httpsClient);

int qa = 0;
int setval = 1;
char subMessage[128];
void mqttCallback (char* topic, byte* payload, unsigned int length) {
    int res;
    int getval;
    Serial.print("Received. topic=");
    Serial.println(topic);

    httpsClient.getOption(TCP_QUICKACK,&getval);
    Serial.printf("get TCP_QUICKACK %d/%d\n",getval,qa);

    for (int i=0; i < length; i++) {
      subMessage[i] = (char)payload[i];
    }
    Serial.println(subMessage);

    res = httpsClient.setOption(TCP_QUICKACK,&setval);
    if (res != 0 ) {
        Serial.printf("set TCP_QUICKACK error %d\n",res);
    }

    // ディスプレイへ受信内容を表示
    lcd.setCursor(0,40);
    lcd.printf("RX: %s", subMessage );
}

void connectMQTT() {
    while (!mqttClient.connected()) {
        if (mqttClient.connect(deviceID)) {
            httpsClient.setNoDelay(true);   // disable nagle
            Serial.println("MQTT Connected.");
            int qos = 0;
            mqttClient.subscribe(pubTopic, qos);
            Serial.println("Subscribed.");
        } else {
            Serial.printf("Failed. Error state=%d\n",mqttClient.state());
            // Wait 5 seconds before retrying
            delay(5000);
        }
    }
}

void setup() {
    Serial.begin(115200);
     
    // Initialize the M5Stack object
    M5.begin();
 
    lcd.init();                       // 初期化

    // START
    lcd.fillScreen(BLACK);
    lcd.setCursor(10, 10);
    lcd.setTextColor(WHITE);
    lcd.setTextSize(1);
    lcd.printf("START");
     
    // Start WiFi
    Serial.println("Connecting to ");
    Serial.print(ssid);
    WiFi.begin(ssid, password);

    while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
        delay(500);
        Serial.print("*");
    }

    // WiFi Connected
    Serial.println("\nWiFi Connected.");
    lcd.setCursor(10, 40);
    lcd.setTextColor(WHITE);
    lcd.printf("WiFi Connected.");
     
    mqttClient.setServer(endpoint, port);
    mqttClient.setCallback(mqttCallback);
    
    connectMQTT();

}

char pubMessage[128];
int count = 0;

void mqttLoop(void) {
    if (!mqttClient.connected()) {
        connectMQTT();
    }
    mqttClient.loop();
}

void loop() {

    mqttLoop();

    if(M5.BtnA.wasPressed() != 0 ) {
        Serial.println("pressA");
        lcd.println("pressA");

        sprintf(pubMessage, "{\"count qa\": %d}", count++);
        Serial.print("Publishing message to topic qa");

        Serial.println(pubTopic);
        Serial.println(pubMessage);

        mqttClient.publish(pubTopic, pubMessage, 0, MQTTQOS0);

        Serial.println("Published.");
    }

    if(M5.BtnB.wasPressed() != 0 ) {
        setval ++;
        setval %= 2;
        Serial.printf("pressB %d\n",setval);
        lcd.printf("pressB %d\n",setval);
    }

    M5.update();
    delay(10);
}

7 結果

pubslishパケットとACKパケットの数が一致するか確認します

凡例

記号	説明
T	送信
TS	レスポンスがまとめられた送信
R???	送信???パケットのACKレスポンス
-	通信エラーパケット

TCP_QUICKACK無効

T 18個
R 12個

QUICKACK無効のため、6個のACKパケットを減らしています

	No.	Time	Source	Destination	Protocol	Length	Sequence number	Acknowledgment Number	Info
TS	309	0	192.168.0.21	192.168.0.22	MQTT	60	1	1	Ping Request
T	310	0.000260834	192.168.0.22	192.168.0.21	MQTT	56	1	3	Ping Response
R310	311	0.012788982	192.168.0.21	192.168.0.22	TCP	60	3	3	55272 > 1883 [ACK] Seq=3 Ack=3 Win=5700 Len=0
T	527	9.395390509	192.168.0.22	192.168.0.21	MQTT	88	3	3	Publish Message [/pub/M5Stickc_1]
TS	528	0.000193334	192.168.0.22	192.168.0.21	MQTT	122	37	3	Publish Message [/pub/M5Stickc_1], Publish Message [/pub/M5Stickc_1]
T	529	0.000740001	192.168.0.22	192.168.0.21	MQTT	292	105	3	Publish Message [/pub/M5Stickc_1], Publish Message [/pub/M5Stickc_1], Publish Message [/pub/M5Stickc_1], Publish Message [/pub/M5Stickc_1], Publish Message [/pub/M5Stickc_1], Publish Message [/pub/M5Stickc_1], Publish Message [/pub/M5Stickc_1]
R527	533	0.186260289	192.168.0.21	192.168.0.22	TCP	60	3	37	55272 > 1883 [ACK] Seq=3 Ack=37 Win=5666 Len=0
T	539	0.248317435	192.168.0.22	192.168.0.21	TCP	360	37	3	[TCP Retransmission] 1883 > 55272 [PSH, ACK] Seq=37 Ack=3 Win=64184 Len=306
R529	541	0.040337001	192.168.0.21	192.168.0.22	TCP	60	3	343	55272 > 1883 [ACK] Seq=3 Ack=343 Win=5360 Len=0
T	676	4.413271966	192.168.0.22	192.168.0.21	MQTT	88	343	3	Publish Message [/pub/M5Stickc_1]
T	680	0.033683863	192.168.0.22	192.168.0.21	MQTT	88	377	3	Publish Message [/pub/M5Stickc_1]
R676	690	0.069251585	192.168.0.21	192.168.0.22	TCP	60	3	377	55272 > 1883 [ACK] Seq=3 Ack=377 Win=5326 Len=0
T	691	7.2812E-05	192.168.0.22	192.168.0.21	MQTT	224	411	3	Publish Message [/pub/M5Stickc_1], Publish Message [/pub/M5Stickc_1], Publish Message [/pub/M5Stickc_1], Publish Message [/pub/M5Stickc_1], Publish Message [/pub/M5Stickc_1]
R680	692	0.007991421	192.168.0.21	192.168.0.22	TCP	60	3	411	55272 > 1883 [ACK] Seq=3 Ack=411 Win=5292 Len=0
T	695	0.000345938	192.168.0.22	192.168.0.21	MQTT	88	581	3	Publish Message [/pub/M5Stickc_1]
R691	696	0.001326097	192.168.0.21	192.168.0.22	TCP	60	3	581	55272 > 1883 [ACK] Seq=3 Ack=581 Win=5122 Len=0
T	700	0.008312879	192.168.0.22	192.168.0.21	MQTT	88	615	3	Publish Message [/pub/M5Stickc_1]
R695	701	0.002579849	192.168.0.21	192.168.0.22	TCP	60	3	615	55272 > 1883 [ACK] Seq=3 Ack=615 Win=5088 Len=0
R700	702	0.004276674	192.168.0.21	192.168.0.22	TCP	60	3	649	55272 > 1883 [ACK] Seq=3 Ack=649 Win=5054 Len=0
T	705	0.009433663	192.168.0.22	192.168.0.21	MQTT	88	649	3	Publish Message [/pub/M5Stickc_1]
R705	710	0.159095029	192.168.0.21	192.168.0.22	TCP	60	3	683	55272 > 1883 [ACK] Seq=3 Ack=683 Win=5020 Len=0
TS	715	0.421771862	192.168.0.21	192.168.0.22	MQTT	60	3	683	Ping Request
T	716	0.000274323	192.168.0.22	192.168.0.21	MQTT	56	683	5	Ping Response
R716	719	0.062750375	192.168.0.21	192.168.0.22	TCP	60	5	685	55272 > 1883 [ACK] Seq=5 Ack=685 Win=5018 Len=0
TS	820	4.443223995	192.168.0.22	192.168.0.21	MQTT	88	685	5	Publish Message [/pub/M5Stickc_1]
TS	823	0.005977771	192.168.0.22	192.168.0.21	MQTT	88	719	5	Publish Message [/pub/M5Stickc_1]
TS	824	0.000173073	192.168.0.22	192.168.0.21	MQTT	88	753	5	Publish Message [/pub/M5Stickc_1]
T	825	0.000124115	192.168.0.22	192.168.0.21	MQTT	122	787	5	Publish Message [/pub/M5Stickc_1], Publish Message [/pub/M5Stickc_1]
-	834	0.285642652	192.168.0.22	192.168.0.21	TCP	224	685	5	[TCP Retransmission] 1883 > 55272 [PSH, ACK] Seq=685 Ack=5 Win=64182 Len=170
R825	836	0.134010607	192.168.0.21	192.168.0.22	TCP	60	5	855	55272 > 1883 [ACK] Seq=5 Ack=855 Win=4848 Len=0
T	837	0.000119688	192.168.0.22	192.168.0.21	MQTT	224	855	5	Publish Message [/pub/M5Stickc_1], Publish Message [/pub/M5Stickc_1], Publish Message [/pub/M5Stickc_1], Publish Message [/pub/M5Stickc_1], Publish Message [/pub/M5Stickc_1]
-	839	0.103405551	192.168.0.21	192.168.0.22	TCP	60	5	855	[TCP Dup ACK 836#1] 55272 > 1883 [ACK] Seq=5 Ack=855 Win=4848 Len=0
R837	840	0.000153907	192.168.0.21	192.168.0.22	TCP	60	5	1025	55272 > 1883 [ACK] Seq=5 Ack=1025 Win=4678 Len=0

TCP_QUICKACK有効

T 20個
R 20個

TCPとACKパケットが同じなのでQUICKACKが効いていると思います

| - | - | - | - | - | - | - | - | - |
| 372 | 0 | 192.168.0.21 | 192.168.0.22 |MQTT|60|1|1|Ping Request
T|373|0.00025849|192.168.0.22|192.168.0.21|MQTT|56|1|3|Ping Response
R373|374|0.009280068|192.168.0.21|192.168.0.22|TCP|60|3|3|55272 > 1883 [ACK] Seq=3 Ack=3 Win=4672 Len=0
T|732|11.823577702|192.168.0.22|192.168.0.21|MQTT|88|3|3|Publish Message [/pub/M5Stickc_1]
T|735|0.018673781|192.168.0.22|192.168.0.21|MQTT|88|37|3|Publish Message [/pub/M5Stickc_1]
R732|749|0.068378345|192.168.0.21|192.168.0.22|TCP|60|3|37|55272 > 1883 [ACK] Seq=3 Ack=37 Win=4638 Len=0
T|750|7.5469E-05|192.168.0.22|192.168.0.21|MQTT|224|71|3|Publish Message [/pub/M5Stickc_1], Publish Message [/pub/M5Stickc_1], Publish Message [/pub/M5Stickc_1], Publish Message [/pub/M5Stickc_1], Publish Message [/pub/M5Stickc_1]
R735|751|0.000151615|192.168.0.21|192.168.0.22|TCP|60|3|71|55272 > 1883 [ACK] Seq=3 Ack=71 Win=4604 Len=0
R750|754|0.011953041|192.168.0.21|192.168.0.22|TCP|60|3|241|55272 > 1883 [ACK] Seq=3 Ack=241 Win=4434 Len=0
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以上です

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