嵌入式系统设计--课堂总结（嵌入式Linux网络）

网络基础

为什么需要网络通信？
进程间通信解决的是本机内通信；
网络通信解决的是任意不同机器通信；

实现网络通信需要哪些支持？
1、通信设备
网卡：PC机自带
路由器，交换机
光纤、电缆、基站
2、通信协议
操作系统自带协议栈；（Linux的特点：丰富的网络协议）
裸机开发需要独立的协议栈
3、简单网络通信只需要学会使用系统API

tcp/ip协议栈
OSI七层网络模型、Linux四层网络模型

协议栈为什么要分层？

物理层 ：通信介质的信号到数字信号（二进制0101）转换；
数据链接层 ：局域网之间计算机通信 通过mac地址（物理网卡）通信；
网络层：IP地址，路由（通过公网ip来访问全世界）；
传输层 ：tcp/udp tcp(可靠，速度慢) udp（不可靠，速度快） 端口（让不同的应用程序，同时使用网络）；
会话层 : 控制发包的数据；
表示层 : 文件格式；
应用层 : 应用程序使用；

协议栈实现数据的压缩加密和解压解密

IP地址
IP地址：实际上是32位二进制数（01100100.00000100.00000101.00000110）100.4.5.6
公网ip（广域网通信）:
a类 1.0.0.1~126.255.255.254
b类 128.0.0.1~191.255.255.254
c类 192.0.0.1~223.255.255.254
d类 224.0.0.1—239.255.255.254组播,VRRP协议，keepalive高可用
e类 240.0.0.1—255.255.255.254 科研
私网ip（局域网通信）
A 10.0.0.0~10.255.255.255
B 172.16.0.0~172.31.255.255
C 192.168.0.0~192.168.255.255
如何解决IP地址荒？
①ipv4升级到ipv6
②网络地址转换NAT（Network Address Translation）：将内网ip转为公网ip
子网掩码的作用
①决定一个网段的大小（可用ip的数量）
192.168.11.0/24 === 192.168.11.0 netmask 255.255.255.0
192.168.11.0 网络号
192.168.11.1 起始地址
192.168.11.254 结束地址
192.168.11.255 广播地址
8位可用：256-4=252
②同一个网段的ip地址，才能直接相互通信，不同网段的ip地址，需要路由器才能相互通信
DNS协议（域名解析）：把域名解析成ip地址
ARP协议：把ip地址解析成mac地址（物理地址，全球唯一）（局域网通信必须通过MAC地址）

TCP协议：传输控制协议
特点：面向连接、可靠的字节流传输
TCP的报文段格式
端口号
端口号的作用：确定和机器上哪个应用程序通信
如何连接？
建立连接：三次握手（记录对方的ip和端口，正式通信时会自动的使用记录的ip和端口）
第一次握手：建立连接时，客户端发送syn包（syn=j）到服务器，并进入SYN_SENT状态，等待服务器确认；SYN：同步序列编号（Synchronize Sequence Numbers）。
第二次握手：服务器收到syn包，必须确认客户的SYN（ack=j+1），同时自己也发送一个SYN包（syn=k），即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态；
第三次握手：客户端收到服务器的SYN+ACK包，向服务器发送确认包ACK(ack=k+1），此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED（TCP连接成功）状态，完成三次握手
断开连接：四次挥手
1）客户端进程发出连接释放报文，并且停止发送数据。释放数据报文首部，FIN=1，其序列号为seq=u（等于前面已经传送过来的数据的最后一个字节的序号加1），此时，客户端进入FIN-WAIT-1（终止等待1）状态。 TCP规定，FIN报文段即使不携带数据，也要消耗一个序号。
2）服务器收到连接释放报文，发出确认报文，ACK=1，ack=u+1，并且带上自己的序列号seq=v，此时，服务端就进入了CLOSE-WAIT（关闭等待）状态。TCP服务器通知高层的应用进程，客户端向服务器的方向就释放了，这时候处于半关闭状态，即客户端已经没有数据要发送了，但是服务器若发送数据，客户端依然要接受。这个状态还要持续一段时间，也就是整个CLOSE-WAIT状态持续的时间。
3）客户端收到服务器的确认请求后，此时，客户端就进入FIN-WAIT-2（终止等待2）状态，等待服务器发送连接释放报文（在这之前还需要接受服务器发送的最后的数据）。
4）服务器将最后的数据发送完毕后，就向客户端发送连接释放报文，FIN=1，ack=u+1，由于在半关闭状态，服务器很可能又发送了一些数据，假定此时的序列号为seq=w，此时，服务器就进入了LAST-ACK（最后确认）状态，等待客户端的确认。
5）客户端收到服务器的连接释放报文后，必须发出确认，ACK=1，ack=w+1，而自己的序列号是seq=u+1，此时，客户端就进入了TIME-WAIT（时间等待）状态。注意此时TCP连接还没有释放，必须经过2∗∗MSL（最长报文段寿命）的时间后，当客户端撤销相应的TCB后，才进入CLOSED状态。
6）服务器只要收到了客户端发出的确认，立即进入CLOSED状态。同样，撤销TCB后，就结束了这次的TCP连接。可以看到，服务器结束TCP连接的时间要比客户端早一些。
为什么是三次握手和四次挥手？
网络通信是全双工的
如何保证可靠有序的传输？
三次握手建立连接；
应答机制，也就是将数据发送给对方后，对方必须应答是否发送成功；
使用“滑动窗口”机制，根据网络的好坏，控制发送的分组数据的大小；

UDP协议：用户数据报协议
无连接不可靠传输
UPD的报文格式

协议特点：
无连接的:发送数据之前不需要建立连接，减少了开销和发送数据之前的延时。
尽最大努力交付:不保证可靠的交付，主机不需要维持复杂的链接状态表。
面向报文的:发送方的UDP对应用程序交下来的报文，在添加首部后就向下交付给IP层。既不拆分，也不合并，而是保留这些报文的边界，因此，应用程序需要选择合适的报文大小。
没有拥堵控制；
支持一对一、多对一和多对多的交互通信；

TCP VS UDP总结对比：

网络编程

C/S VS B/S
C/S架构：
优点：
由于客户端实现与服务器的直接相连，没有中间环节，因此响应速度快；
操作界面漂亮、形式多样，可以充分满足客户自身的个性化要求。；
C/S结构的管理信息系统具有较强的事务处理能力，能实现复杂的业务流程。
缺点：
需要专门的客户端安装程序，分布功能弱，针对点多面广且不具备网络条件的用户群体，不能够实现快速部署安装和配置。
兼容性差，对于不同的开发工具，具有较大的局限性。若采用不同工具，需要重新改写程序。
开发成本较高，需要具有一定专业水准的技术人员才能完成。
B/S架构：
优点：
具有分布性特点，可以随时随地进行查询、浏览等业务处理；
业务扩展简单方便，通过增加网页即可增加服务器功能。
维护简单方便，只需要改变网页，即可实现所有用户的同步更新。
开发简单，共享性强；
缺点：
表现要达到CS程序的程度需要花费不少精力；
在速度和安全性上需要花费巨大的设计成本，这是BS架构的最大问题；

TCP服务器实现过程
创建套接字：socket函数
int socket(int domain, int type, int protocol);
头文件：#include
#include
功能：创建一个套接字文件，然后以文件形式来操作通信，不过套接字文件没有文件名
参数：
①domian ：族/范围
作用：指定协议族
AF_INET（IPV4：ip为32位 ）
AF_INET6（IPV6：ip为128位）
②type：套接字类型，说白了就是进一步指定，你想要使用协议族中的那个子协议来通信。
type的常见设置值：
SOCK_STREAM：
TCP协议：将type指定为SOCK_STREAM时，表示想使用的是“有序的、面向连接的、双向通信的、可靠的字节流通信”
SOCK_DGRAM：
UDP协议：type指定为SOCK_DGRAM时，表示想使用的是“无连接、不可靠的、固定长度的数据报通信”
SOCK_RDM：
表示想使用的是“原始网络通信”。
比如，当domain指定为TCP/IP协议族、type指定为SOCK_RDM时，就表示想使用ip协议来通信，使用IP协议来通信，其实就是原始的网络通信。
SOCK_NONBLOCK：
将socket返回的文件描述符指定为非阻塞的。
如果不指定这个宏的话，使用socket返回“套接字文件描述符”时，不管是是用来“监听”还是用来通信，都是阻塞操作的，但是指定这个宏的话，就是非阻塞的。
SOCK_CLOEXEC：
表示一旦进程exec执行新程序后，自动关闭socket返回的“套接字文件描述符”。
返回值：
成功：返回套接字文件描述符。
失败：返回-1，errno被设置

给服务器套接字绑定ip地址和端口号：bind函数
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
头文件：#include
功能：将指定了通信协议（TCP）的套接字文件与IP以及端口绑定起来。
参数：
①sockfd：
socket函数创建的套接字
②addr：struct sockaddr结构体变量的地址，结构体成员用于设置你要绑定的ip和端口。
结构体成员
struct sockaddr_in
{

sa_family_t sin_family; //设置AF_***（地址族）
__be16 sin_port; //设置端口号
struct in_addr sin_addr; //设置Ip
}
struct in_addr
{
__be32 s_addr; //__be32是32位的unsigned int，因为IPV4的ip是32位的无符号整形数
};
返回值：成功返回0，失败返回-1，errno被设置。
字节序转化：
网络字节序采用大端字节序
为什么要进行字节序转化？
网络通信的过程：
发送计算机 网络 接收计算机
主机端序（大） ————> 网络端序 —————> 主机端序（小）
发送计算机的端序与接收计算机的端序可能不一致，比如发送者是大端序，而接收者是小端序，如果通信时数据的端序处理不好，数据可能会出现乱码，甚至导致无法接收到数据。
所以发送数据时，先从发送者的主机端序转成统一的网络端序，接收计算机接收到后，再统一的转成接收计算机的主机端序，如此接收者才能以正确的端序接收数据，否者就会出错。
字节序转化函数：

ip地址格式转化：
addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(“192.168.1.105”);//指定ip地址
③addrlen
第二个参数的长度

listen函数：
将套接字文件描述符，从主动变为被动文件描述符（做监听准备）
主动描述符可以主动的向对方发送数据。
被动描述符只能被动的等别人主动想你发数据，然后再回答数据，不能主动的发送数据。
为什么要将“套接字文件描述符”转为被动描述符后，才能监听连接？
TCP服务器和客户端必须要建立连接，建立连接时的三次握手是由客户端主动先发起的，也就是由客户端率先主动向服务器发送三次握手的数据，而服务器这一端则被动的接收，然后回答。
int listen(int sockfd, int backlog);
头文件：
#include
#include
功能：将套接字文件描述符，从主动文件描述符变为被动描述符，然后用于被动监听客户的连接
参数：
sockfd：socket所返回的套接字文件描述符
backlog：指定队列的容量。
返回值：成功返回0，失败返回-1，ernno被设置

被动监听客户的连接并响应：accept函数
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
头文件：
#include
#include
功能：被动监听客户发起三次握手的连接请求，三次握手成功，即建立连接成功。accept被动监听客户连接的过程，其实也被称为监听客户上线的过程。
对于那些只连接了一半，还未连接完成的客户，会被记录到未完成队列中，队列的容量由listen函数的第二个参数（backlog）来指定。
服务器调用accept函数监听客户连接，而客户端则是调用connect来连接请求的。一旦连接成功，服务器这边的TCP协议会记录客户的IP和端口，如果是跨网通信的，记录ip的就是客户所在路由器的公网Ip。
返回值：
成功：返回一个通信描述符，专门用于与该连接成功的客户的通信，总之后续服务器与该客户间正式通信，使用的就是accept返回的“通信描述符”来实现的。
失败：返回-1，errno被设置
参数：
sockefd：已经被listen转为了被动描述符的“套接字文件描述符”，专门用于被动监听客户的连接。
addr：用于记录发起连接请求的那个客户的IP和端口（port）
addrlen：第二参数addr的大小，不过要求给的是地址。
代码演示
struct sockaddr_in clnaddr = {0};
int clnaddr_size = sizeof(clnaddr)
cfd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&clnaddr, &clnaddr_size);
printf(“cln_port= %d, cln_addr=%s\n”, ntohs(clnaddr.sin_port), inet_ntoa(clnaddr.sin_addr));

服务器调用read（recv）和write（send），收发数据，实现与客户的通信
send函数：
ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
功能：向对方发送数据
头文件：#include
#include

recv函数：
ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);
功能：接收对方发送的数据
头文件：#include
#include

调用close或者shutdown关闭TCP的连接
int shutdown(int sockfd, int how);

TCP客户端的实现过程
1、用socket创建套接字文件，指定使用TCP协议
2、调用connect主动向服务器发起三次握手，进行连接
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
头文件：
#include
#include
功能：向服务器主动发起连接请求
返回值：成功返回0，失败返回-1，ernno被设置
参数：
sockfd：socket所返回的套接字文件描述符
addrlen：参数2所指定的结构体变量的大小
addr：用于设置你所要连接服务器的IP和端口。

3、调用read（recv）和write（send）收发数据
4、调用close或者shutdown关闭连接

出现无法绑定？
client终止时自动关闭socket描述符，server的TCP连接收到client发的FIN段后处于TIME_WAIT状态。TCP协议规定，主动关闭连接的一方要处于TIME_WAIT状态，等待两个MSL（maximum segment lifetime）的时间后才能回到CLOSED状态，因为我们先Ctrl-C终止了server，所以server是主动关闭连接的一方，在TIME_WAIT期间仍然不能再次监听同样的server端口。MSL在RFC1122中规定为两分钟；
解决办法：setsockopt函数

最终程序结果：