第十六章 ESP32的TCP连接

• 源码地址：https://github.com/HX-IoT/ESP32-Developer-Guide
• ESP32开发指南QQ群：824870185，内有pdf版，排版整洁。

 

学习目的及目标

• 掌握TCP原理和工作过程
• 掌握乐鑫ESP32的TCP的程序设计
• 主要掌握TCP作为Client的详细过程

TCP科普（来自百度百科）

TCP（Transmission Control Protocol 传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，由IETF的RFC 793定义。在简化的计算机网络OSI模型中，它完成第四层传输层所指定的功能，用户数据报协议（UDP）是同一层内， 另一个重要的传输协议。在因特网协议族（Internet protocol suite）中，TCP层是位于IP层之上，应用层之下的中间层。不同主机的应用层之间经常需要可靠的、像管道一样的连接，但是IP层不提供这样的流机制，而是提供不可靠的包交换。

应用层向TCP层发送用于网间传输的、用8位字节表示的数据流，然后TCP把数据流分区成适当长度的报文段（通常受该计算机连接的网络的数据链路层的最大传输单元（ MTU）的限制）。之后TCP把结果包传给IP层，由它来通过网络将包传送给接收端实体的TCP层。TCP为了保证不发生丢包，就给每个包一个序号，同时序号也保证了传送到接收端实体的包的按序接收。然后接收端实体对已成功收到的包发回一个相应的确认（ACK）；如果发送端实体在合理的往返时延（RTT）内未收到确认，那么对应的数据包就被假设为已丢失将会被进行重传。TCP用一个校验和函数来检验数据是否有错误；在发送和接收时都要计算校验和。

连接建立

TCP是因特网中的传输层协议，使用三次握手协议建立连接。当主动方发出SYN连接请求后，等待对方回答SYN+ACK，并最终对对方的 SYN 执行 ACK 确认。这种建立连接的方法可以防止产生错误的连接，TCP使用的流量控制协议是可变大小的滑动窗口协议。

TCP三次握手的过程如下：

• 客户端发送SYN（SEQ=x）报文给服务器端，进入SYN_SEND状态。
• 服务器端收到SYN报文，回应一个SYN （SEQ=y）ACK(ACK=x+1）报文，进入SYN_RECV状态。
• 客户端收到服务器端的SYN报文，回应一个ACK(ACK=y+1）报文，进入Established状态。
  1. 1. 连接终止

终止一个连接要经过四次握手，这是由TCP的半关闭（half-close）造成的。具体过程如下图所示。 [1] 

• 某个应用进程首先调用close，称该端执行“主动关闭”（active close）。该端的TCP于是发送一个FIN分节，表示数据发送完毕。
• 接收到这个FIN的对端执行 “被动关闭”（passive close），这个FIN由TCP确认。
• 一段时间后，接收到这个文件结束符的应用进程将调用close关闭它的套接字。这导致它的TCP也发送一个FIN。
• 接收这个最终FIN的原发送端TCP（即执行主动关闭的那一端）确认这个FIN

TCP特点和流程

上面的原理很重要，但毕竟我们只是在API之上做应用。只需要了解特点和流程。知道特点可以做方案时候考量可行性，流程就是可行后的实施。

TCP特点：

• 面向连接的：发数据前要进行连接。
• 可靠的连接：TCP连接传送的数据，无差错，不丢失，不重复，且按序到达。
• 点到点：TCP连接传送的数据，无差错，不丢失，不重复，且按序到达
• 最大长度有限：仅1500字节。（http和websocket有了用武之地）

TCP流程： （本段来源）

TCP编程的客户端一般步骤是：

• 创建一个socket，用函数socket()； 
• 设置socket属性，用函数setsockopt();(可选)
• 绑定IP地址、端口等信息到socket上，用函数bind();* 可选 
• 设置要连接的对方的IP地址和端口等属性； 
• 连接服务器，用函数connect()； 
• 收发数据，用函数send()和recv()，或者read()和write(); 
• 关闭网络连接；

TCP编程的服务器端一般步骤是： 

1. 创建一个socket，用函数socket()；
2. 设置socket属性，用函数setsockopt();（可选） 
3. 绑定IP地址、端口等信息到socket上，用函数bind();
4. 开启监听，用函数listen()；
5. 接收客户端上来的连接，用函数accept()；
6. 收发数据，用函数send()和recv()，或者read()和write(); 
7. 关闭网络连接； closesocket();
8. 关闭监听； 

TCP和UDP（下一章讲）互怼

 

软件设计

ESP32的TCP Client（Server类似）主逻辑

 

TCP Client的新建任务和接收任务详细过程逻辑

 

 

ESP32的TCP接口介绍

ESP32使用的是LwIP，LwIP是特别适用于嵌入式设备的小型开源TCP/IP协议栈，对内存资源占用很小。ESP-IDF即是移植了LwIP协议栈。学习了解LwIP，给大家推荐本书，《嵌入式网络那些事:LwIP协议深度剖析与实战演练》。

我们的这个例程是直接怼的是标准socket接口（内部是LwIP封装的），没有用LwIP的，关于LwIP的接口讲解在Websocket中讲解，用法都是一样，知道流程后，API调用即可，处理好异常。流程+接口，打遍无敌手。LwIP的教程可以参考安富莱、野火的文档。

在src/include/lwip/socket.h文件中可以看到下面的宏定义，lwip的socket也提供标准的socket接口函数。

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

#if LWIP_COMPAT_SOCKETS #define accept(a,b,c)         lwip_accept(a,b,c) #define bind(a,b,c)           lwip_bind(a,b,c) #define shutdown(a,b)         lwip_shutdown(a,b) #define closesocket(s)        lwip_close(s) #define connect(a,b,c)        lwip_connect(a,b,c) #define getsockname(a,b,c)    lwip_getsockname(a,b,c) #define getpeername(a,b,c)    lwip_getpeername(a,b,c) #define setsockopt(a,b,c,d,e) lwip_setsockopt(a,b,c,d,e) #define getsockopt(a,b,c,d,e) lwip_getsockopt(a,b,c,d,e) #define listen(a,b)           lwip_listen(a,b) #define recv(a,b,c,d)         lwip_recv(a,b,c,d) #define recvfrom(a,b,c,d,e,f) lwip_recvfrom(a,b,c,d,e,f) #define send(a,b,c,d)         lwip_send(a,b,c,d) #define sendto(a,b,c,d,e,f)   lwip_sendto(a,b,c,d,e,f) #define socket(a,b,c)         lwip_socket(a,b,c) #define select(a,b,c,d,e)     lwip_select(a,b,c,d,e) #define ioctlsocket(a,b,c)    lwip_ioctl(a,b,c)   #if LWIP_POSIX_SOCKETS_IO_NAMES #define read(a,b,c)           lwip_read(a,b,c) #define write(a,b,c)          lwip_write(a,b,c) #define close(s)              lwip_close(s)

• 新建socket函数：socket();
• 连接函数：connect();
• 关闭socket函数：close();
• 获取socket错误代码：getsocketopt();
• 接收数据函数：recv();
• 发送数据函数：send();
• 绑定函数：bing();
• 监听函数：listen();
• 获取连接函数：accept();

更多更详细接口请参考官方指南。

 

ESP32的TCP总结

初始化wifi配置后，程序会根据WIFI的实时状态，在回调函数中给出状态返回，所以只需要在回调中进行相关操作，STA开始事件触发TCP进行连接，连接上后就可以进行数据的交互。其中对连接的异常情况做出来显得异常重要，TCP是可靠的，不能玩成地摊货。

 

 

TCP新建任务编写

只讲Client，server看源码。

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32

esp_err_t create_tcp_client() {     ESP_LOGI(TAG, "will connect gateway ssid : %s port:%d",              TCP_SERVER_ADRESS, TCP_PORT);     //新建socket     connect_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);     if (connect_socket < 0)     {         //打印报错信息         show_socket_error_reason("create client", connect_socket);         //新建失败后，关闭新建的socket，等待下次新建         close(connect_socket);         return ESP_FAIL;     }     //配置连接服务器信息：端口+ip     server_addr.sin_family = AF_INET;     server_addr.sin_port = htons(TCP_PORT);     server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(TCP_SERVER_ADRESS);     ESP_LOGI(TAG, "connectting server...");     //连接服务器     if (connect(connect_socket, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0)     {         //打印报错信息         show_socket_error_reason("client connect", connect_socket);         ESP_LOGE(TAG, "connect failed!");         //连接失败后，关闭之前新建的socket，等待下次新建         close(connect_socket);         return ESP_FAIL;     }     ESP_LOGI(TAG, "connect success!");     return ESP_OK; }

 

 

TCP接收任务代码

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34

void recv_data(void *pvParameters) {     int len = 0;            //长度     char databuff[1024];    //缓存     while (1)     {         //清空缓存         memset(databuff, 0x00, sizeof(databuff));         //读取接收数据         len = recv(connect_socket, databuff, sizeof(databuff), 0); //异常标记         g_rxtx_need_restart = false;         if (len > 0)         {             //打印接收到的数组             ESP_LOGI(TAG, "recvData: %s", databuff);             //接收数据回发             send(connect_socket, databuff, strlen(databuff), 0);         }         else         {             //打印错误信息             show_socket_error_reason("recv_data", connect_socket);             //服务器故障，标记重连             g_rxtx_need_restart = true;                   break;         }     }     close_socket();     //标记重连     g_rxtx_need_restart = true;     vTaskDelete(NULL); }

 

 

TCP异常处理

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

static void tcp_connect(void *pvParameters) {     。。。。。。。         while (1)         {             vTaskDelay(3000 / portTICK_RATE_MS);             //重新建立client，和新建一样一样             if (g_rxtx_need_restart)             {                 vTaskDelay(3000 / portTICK_RATE_MS);                 ESP_LOGI(TAG, "reStart create tcp client...");                 //建立client                 int socket_ret = create_tcp_client();                 if (socket_ret == ESP_FAIL)                 {                     ESP_LOGE(TAG, "reStart create tcp socket error,stop...");                     continue;                 }                 else                 {                     ESP_LOGI(TAG, "reStart create tcp socket succeed...");                     //重新建立完成，清除标记                     g_rxtx_need_restart = false;                     //建立tcp接收数据任务                     xTaskCreate(&recv_data, "recv_data", 4096, NULL, 4, &tx_rx_task)；                 }             }     }     vTaskDelete(NULL); }     return ESP_OK; }

 

测试流程和效果展示

测试流程

• Client测试

1. 修改AP和STA的账号密码
2. #define TCP_SERVER_CLIENT_OPTION FALSE //esp32作为client
3. 修改作为client连接server的IP(电脑/手机)和Port
4. 使用手机或者电脑使用助手工具建立server，让esp32自动连接

• Server测试

1. #define TCP_SERVER_CLIENT_OPTION TRUE //esp32作为server
2. 修改作为Server时监听的Port
3. 手机或者电脑直连ESP32的AP
4. 使用TCP助手工具作为Client，连接esp32的server
   1. 1. 效果展示

Client效果展示

先建服务器，等ESP32过来连接。

测试发送数据

压力小测

Server效果展示

连接ESP32的AP

测试发送数据

压力小测

测试异常

 

TCP总结

• 底层重原理，应用重流程+接口。
• 压力小测不丢包，自己移植要大测产品稳定性。
• 源码地址：https://github.com/xiaolongba/wireless-tech

点我->更多ESP32开发指南系列目录