嵌入式Linux网络编程
一、TCP/IP协议
1、TCP/IP参考模型
TCP/IP协议模型遵循简单明确的设计思路，包括以下四层协议：
- 网络接口层：负责将二进制流转换为数据帧，并进行数据帧的发送和接受。数据帧是独立的网络信息传输单元。
- 网络层：负责将数据帧封装成IP数据包，并运行必要的路由算法。
- 传输层：负责端对端之间的通信会话连接与建立。传输协议的选择根据数据传输方式而定。
- 应用层：负责应用程序的网络访问，通过端口号来识别各个不同的进程。
2、TCP和UDP
1）TCP向相邻的高层提供服务。因为TCP上一层是应用层，因此，TCP数据传输实现从一个应用程序到另一个应用程序的数据传递。应用程序通过编程调用TCP并使用TCP服务，提供需要准备发送的数据，来区分接受数据应用的目的地址和端口号。它允许数据同网络上的其他节点进行可靠的交换，它能提供端口编号的译码，以识别主机的应用程序，而且完成数据的可靠传输。TCP协议具有严格的内装差错检验算法确保数据的完整性，它是面向字节的顺序协议，这意味着包内的每个字节被分配一个顺序编号，并分配给每个包一个顺序编号。
2）UDP协议是一种无连接协议，不需要像TCP一样建立连接，一个UDP应用可同时作为应用的客户或服务器方。当接收数据时它不向发送方提供确认信息，如果出现丢失或重复的情况，也不会向发送方发出差错报文。由于它执行功能时具有较低的开销，因而执行速度比TCP快。
3、协议的选择
1）对数据要求高可靠性的应用选择TCP协议，如验证、密码字段的传送都是不许出错的，而对数据可靠性要求不那么高的可选择UDP传送。
2）TCP的传送会有较大的延迟，不适合对实时性要求较高的应用，如VOIP、视频监控等。相反，UDP协议则在这些应用中发挥很好的作用。
3）TCP协议主要解决网络的可靠性问题，它通过各种机制减少错误发生的概率。因此，在网络状况不是很好的情况下用TCP协议，但是若在网络状况很好的情况下就不需要采用TCP协议，而是选择UDP协议来减少网络负荷。
二、网络基础编程
1、socket概述
Linux中的网络编程是通过socket接口来进行的，它也是一种文件描述符。通过它不仅可以在本地机器上实现进程间的通信，而且通过网络能够在不同的机器上的进程之间进行通信。socket也有一个类似打开文件的函数调用，该函数返回一个整型的socket描述符，随后的连接建立等操作都是通过socket来实现的。
socket类型常见有以下三种：
- 流式socket(SOCK_STREAM)：流式套接字提供可靠的、面向连接的通信流；它使用TCP协议，保证了数据的正确性和顺序性。
- 数据报socket(SOCK_DGRAM)：数据报套接字定义了一种无连接的服务，数据通过相互独立的报文进行传输，是无序的，而且不保证是可靠、无差错的。使用数据报协议UDP。
- 原始socket：允许对底层协议进行直接访问，功能强大但使用不便，主要用于一些协议的开发。
2、地址及顺序处理
1）地址结构相关处理
一种常用的用于保存网络地址的数据结构sockaddr_in，其结构如下：
struct sockaddr_in
{
short int sin_family; /*地址族*/
unsigned short int sin_port; /*端口号*/
struct in_addr sin_addr; /*IP地址*/
unsigned char sin_zero[8]; /*填充0*/
};该结构sin_family字段可选常见值：
AF_INET：IPv4协议
AF_INET6：IPv6协议
AF_LOCAL：UNIX域协议
AF_LINK：链路地址协议
AF_KEY：密钥套接字
2）数据存储优先顺序
计算机数据存储有两种字节优先顺序：高位字节优先（大端模式）和低位字节优先（小段模式）。Internet上以高位字节优先的顺序在网络传输，而PC机通常采用小端模式，因此有时候需要对两个字节存储优先顺序进行转换。用到了4个函数：htons()、ntohs()、htonl()和ntohl()。h代表host，n代表network，s代表short，l代表long。通常16位的IP端口号用s，而IP地址用l。
3）地址格式转换
IP地址通常由数字加点（192.168.0.1）的形式表示，而在struct in_addr中使用的IP地址是由32位整数表示，为了转换可以使用下面三个函数：
int inet_aton(const char *cp,struct in_addr *inp);
char *inet_ntoa(struct in_addr in);
in_addr_t inet_addr(const char *cp);其中inet_aton将a.b.c.d形式的IP转换为32位的IP，存储在inp指针里面；inet_ntoa是将32位IP转换为a.b.c.d的格式；inet_addr将一个点分十进制的IP转换成一个长整数型数。
4）名字地址转换
通常，人们在使用过程中不愿记忆冗长的IP地址，因此，使用主机名是很好的选择。gethostbyname()将主机名转化为IP地址，gethostbyaddr()则是逆操作，将IP地址转换为主机名。它们都涉及到一个hostent的结构体，如下：
struct hostent
{
char *h_name; /*正式主机名*/
char **h_aliases; /*主机别名*/
int h_addrtype; /*地址类型*/
int h_length; /*地址字节长度*/
char **h_addr_list; /*指向IPv4或IPv6的地址指针数组*/
};我们调用gethostbyname()或者gethostbyaddr()后就能返回hostent结构体的相关信息。
三、socket基础编程
1、相关函数介绍
socket编程的基本函数有socket()、bind()、listen()、accept()、sent()、sendto()、recv()、以及recvfrom()等，具体介绍如下：
- socket()：用于建立一个socket连接，可指定socket类型等信息。建立之后，可对sockaddr或sockaddr_in结果进行初始化，以保存所建立的socket地址信息。
- bind()：用于将本地IP地址绑定到端口号。
- listen()：在服务程序成功建立套接字和地址进行绑定后，调用listen()函数来创建一个等待队列，在其中存放未处理的客户端连接请求。
- accept()：服务器调用listen()创建等待队列之后，调用accept()等待并接收客户端的连接请求。通常从由bind()所创建的等待队列中取出第一个未处理的连接请求。
- connect()：用于bind()之后的client端，用于与服务器端建立连接。
- send()和recv()：这两个函数分别用于发送和接收数据，可以用在TCP或者UDP中。用在UDP时可以在connect()建立连接之后再用。
- sendto()和recvfrom()：作用与前两个类似，当用在TCP时，后面的几个与地址有关参数不起作用，等同于send()、recv()；用在UDP时，可用在之前没有使用connect的情况下，这两个函数可自动寻找指定地址并进行连接。
2、流程及流程图
基于TCP-服务器：创建socket()—>bind()绑定IP地址、端口信息到socket上—>listen()设置允许最大连接数—>accept()等待来自客户端的连接请求—>send()、recv()或者read()、write()收发数据—>关闭连接。
基于TCP-客户端：创建socket()—>设置要连接的服务器IP地址和端口等属性—>connect()连接服务器—>send()、recv()或read()、write()收发数据—>关闭网络连接。
基于UDP-服务器：创建socket()—>bind()绑定IP地址、端口等信息到socket上—>循环接受数据，用recvfrom()—>关闭网络连接。
基于UDP-客户端：创建socket()—>bind()绑定IP地址、端口等信息到socket上—>设置对方IP地址和端口信息—>sendto()发送数据—>关闭网络连接。
四、服务器类型
循环服务器：服务器在同一时间只能响应一个客户端的请求。
并发服务器：服务器在同一时刻可以响应多个客户端的请求。
UDP循环服务器
socket(...);
bind(...);
while(1)
{
recvfrom(...);
process(...);
sendto(...);
}TCP循环服务器
socket(...);
bind(...);
listen(...);
while(1)
{
accept(...);
process(...);
close(...);
}TCP循环服务器一次只能处理一个客户端的请求，只有这个客户的所有请求都满足后，才可以继续后面的请求。这样如果一个客户端占住服务器不放，其他的客户都不能工作，所以TCP服务器一般很少用循环服务器模型。而UDP循环服务器可以同时相应多个客户端的请求。
TCP并发服务器
socket(...);
bind(...);
listen(...);
while(1)
{
accept(...);
if(fork()==0)
{
process(...);
close(...);
exit(...);
}
close(...);
}并发服务器的思想是每一个客户端的请求并不由服务器直接处理，而是有服务器创建一个子进程或者线程来处理。
五、使用实例
/*server_thread.c*/
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
//线程执行函数负责读写
void *thr_fn(void *arg)
{
int size,j;
char recv_buf[1024];
int *parg=(int *)arg;
int new_fd=*parg;
printf("new_fd=%d\n",new_fd);
while((size=read(new_fd,recv_buf,1024))>0)
{
if(recv_buf[0]=='@')
break;
printf("Message from client(%d): %s\n",size,recv_buf);
for(j=0;j
#include
#include
#include
#include
#include
#include
int main(int argc,char *argv[])
{
int connect_fd;
int ret;
char snd_buf[1024];
int i;
int port;
int len;
static struct sockaddr_in srv_addr;
//客户端运行需要给出具体的连接地址和端口
if(argc!=3)
{
printf("Usage: %s server_ip_address port\n",argv[0]);
return 1;
}
//获得输入的端口
port=atoi(argv[2]);
//创建套节字用于客户端的连接
connect_fd=socket(PF_INET,SOCK_STREAM,0);
if(connect_fd<0)
{
perror("cannot create communication socket");
return 1;
}
//填充关于服务器的套节字信息
memset(&srv_addr,0,sizeof(srv_addr));
srv_addr.sin_family=AF_INET;
srv_addr.sin_addr.s_addr=inet_addr(argv[1]);
srv_addr.sin_port=htons(port);
//连接指定的服务器
ret=connect(connect_fd,(struct sockaddr *)&srv_addr,sizeof(srv_addr));
if(ret==-1)
{
perror("cannot connect to the server");
close(connect_fd);
return 1;
}
memset(snd_buf,0,1024);
//用户输入信息后，程序将输入的信息通过套接字发送给服务器
//然后调用read函数从服务器中读取发送来的信息
//当输入“@”时，程序退出
while(1)
{
write(STDOUT_FILENO,"input message:",14);
len=read(STDIN_FILENO,snd_buf,1024);
if(len>0)
write(connect_fd,snd_buf,len);
len=read(connect_fd,snd_buf,len);
if(len>0)
printf("Message form server: %s\n",snd_buf);
if(snd_buf[0]=='@')
break;
}
close(connect_fd);
return 0;
}